4.2 吸附
4.2.1 原理与功能
吸附是一种或几种物质（称为吸附质）的浓度在另一种物质（称为吸附剂）表面上自动发生变化（累积或浓集）的过程。吸附剂表面上的分子受力不均衡，存在着剩余力场，即具有表面能。根据热力学第二定律，这种能量有自动变小的趋势。当溶液中的吸附质到达吸附剂表面以后，界面上的分子受力变得均衡些，从而降低了这种表面能。这就是促使吸附过程自动发生的一种推动力。因此，吸附是物质从液相（或气相）到固体表面的一种传质现象。
根据吸附剂表面吸附力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。吸附剂与吸附质之间通过分子引力（范徳华力）而产生的吸附称为物理吸附；而由原子或分子间的电子转移或共有，即剩余化学价键力所引起的吸附称为化学吸附。
物理吸附和化学吸附是靠范德华力或化学价键力而促成吸附剂与吸附质之间分子的吸附，因此又可统称为分子吸附。如果吸附质的离子由于静电引力或化学价键力而聚集到吸附剂表面的带电点上，这种现象则称为离子吸附。离子吸附又可分为交换性离子吸附和非交换性离子吸附，水处理中常用的离子交换法就是一种交换性离子吸附。在水处理中，大多数吸附过程往往是几种吸附作用的综合结果。
4.2.2 技术与装备
4.2.2.1 影响吸附的因素
影响吸附的因素很多，归纳起来有内部因素和外部因素两个方面。
其中内部因素如下。
①吸附剂的物理性质：如吸附剂的种类、比表面积、孔隙尺寸、孔隙分布、表面性质（表面氧化物的种类）等。
②吸附质的化学性质：如分子量、分子尺寸、溶解度、离解常数、偶性矩、极性、官能团、支链、空间结构、吸附质的浓度等。
外部因素如下。
①吸附系统的环境条件；如pH值、温度、溶液的离子强度、溶剂的性质、竞争吸附质的存在、生物协同作用等。
②吸附系统的通行条件：如运行方法、接触时间、水力条件等。
4.2.2.2 吸附剂
吸附剂的种类很多，常用的有活性炭和腐殖酸类吸附剂。
（1）活性炭
活性炭是水处理中应用较多的一种吸附剂。活性炭的种类很多，在废水处理中常用的是粉状活性炭和粒状活性炭。粉状活性炭吸附能力强，制备容易，价格较低，但再生困难，一般不能重复使用。粒状活性炭价格较贵，但再生后可重复使用，并且使用时的劳动条件较好，操作管理方便。因此，在水处理中多采用粒状活性炭。
（2）腐殖酸类吸附剂
用作吸附剂的腐殖酸类物质主要有天然的富含腐殖酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将富含腐殖酸的物质用适当的黏合剂制备成腐殖酸系树脂。
腐殖酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。腐殖酸类物质在吸附重金属离子后，可以用H2SO4、HCl、NaCl等进行解吸。目前，这方面的应用还处于应用、研究阶段，还存在吸附量不高、适用的pH值范围较窄、机械强度低等问题，需要进一步研究和解决。
4.2.2.3 设备和装置
（1）固定床
固定床是水处理工艺中最常用的一种方式。固定床根据水流方向又分为升流式和降流式两种形式。降流式固定床的出水水质较好，但经过吸附层的水头损失较大，特别是处理含悬浮物较高的废水时，为了防止悬浮物堵塞吸附层，需定期进行反冲洗。有时需要在吸附层上部设反冲洗设备。固定床吸附塔构造如图4-7所示。
图4-7 固定床吸附塔构造
在升流式固定床中，当发现水头损失增大时，可适当提高水流流速，使填充层稍有膨胀（上下层不能互相混合）就可以达到自清的目的。这种方式由于层内水头损失增加较慢，所以运行时间较长，但对废水入口处（底层）吸附层的冲洗难于降流式。另外，由于流量变动或操作一时失误就会使吸附剂流失。
固定床根据处理水量、原水的水质和处理要求可分为单床式、多床串联式和多床并联式三种。如图4-8所示。
图4-8 固定床吸附操作示意
废水处理采用的固定床吸附设备的大小和操作条件，根据实际设备的运行资料建议采用下列数据。
塔径：1～3.5m；填充层高度：3～10m；填充层与塔高比：（1∶1）～（4∶1）；吸附剂粒径：0.5～2mm（活性炭）；接触时间：10～50min；容积速度：2m3/（h·m3）以下（固定床）；5m3/（h·m3）以下（移动床）；线速度：2～10m/h（固定床）；10～30m/h（移动床）。
容积速度vs即单位容积吸附剂在单位时间内通过处理水的容积数；线速度vL即单位时间内水通过吸附层的线速度，又称空塔速度。
（2）移动床
原水从吸附塔底部流入和活性炭进行逆流接触，处理后的水从塔顶流出。再生后的活性炭从塔顶加入，接近吸附饱和的炭从塔底间歇地排出。
这种方式较固定床式能够充分利用吸附剂的吸附容量，水头损失小。由于采用升流式，废水从塔底流入，从塔顶流出，被截留的悬浮物随饱和的吸附剂间歇地从塔底排出，所以不需要反冲洗设备。但这种操作方式要求塔内吸附剂上下层不能互相混合，操作管理要求严格。移动床吸附塔的构造如图4-9所示。
图4-9 移动床吸附塔的构造
（3）流化床
流化床不同于固定床和移动床的地方是由下往上的水使吸附剂颗粒相互之间有相对运动，一般可以通过整个床层进行循环，起不到过滤作用，因此适用于处理悬浮物含量较高的废水（如图4-10所示）。
图4-10 多层流化床吸附塔的构造
4.2.3 应用与比较
（1）活性炭的吸附方式与特点
活性炭的吸附方式与特点见表4-8。
表4-8 活性炭的吸附方式与特点
（2）吸附装置的选择
吸附装置类型的选择应针对处理对象、处理规模进行必要的条件试验，根据试验结果，结合使用地点的具体情况，经过技术经济比较，选择最合适的吸附装置。目前使用较多的吸附装置是固定床及间歇式移动床，它们的特点见表4-9。
表4-9 吸附装置的特点比较
