污染控制化学原.ppt

2污染控制化学基本原理n n2.1酸、碱反应原理n n2.2化学沉淀与絮凝分离n n2.3吸收与吸附净化n n2.4溶剂萃取分离n n2.5离子交换处理n n2.6膜分离技术n n2.7污染物的氧化还原处理n n2.8污染物的生物处理2.1 酸、碱反应原理酸、碱反应原理n n2.12.1酸、碱反应原理酸、碱反应原理 1884年，瑞典化学家阿仑尼乌斯年，瑞典化学家阿仑尼乌斯()根据电解质的电离理根据电解质的电离理论，提出了第一个酸碱理论论，提出了第一个酸碱理论:酸是在水溶液中经电离只酸是在水溶液中经电离只生成生成H+一种阳离子的物质；碱是在水溶液中只生成一种阳离子的物质；碱是在水溶液中只生成OH-一种阴离子的物质。酸与减中和反应的本质是一种阴离子的物质。酸与减中和反应的本质是H+和和OH-化合生成化合生成H2O弗兰克林弗兰克林()的溶剂理论；的溶剂理论；勃朗斯特勃朗斯特()和劳莱和劳莱()的质子理论；的质子理论；路易斯路易斯()的电子理论；的电子理论；鲁克斯鲁克斯(Lux)的氧化物的氧化物离子理论；离子理论；乌萨诺维奇乌萨诺维奇(Usanovich)的正负理论。的正负理论。2.2 化学沉淀与絮凝分离化学沉淀与絮凝分离n n原理原理原理原理：n n化学沉淀法化学沉淀法化学沉淀法化学沉淀法：通过向污水中投加某种化学物质（沉淀剂），：通过向污水中投加某种化学物质（沉淀剂），使它与污水中的溶解物质发生置换反应，生成难溶于水的使它与污水中的溶解物质发生置换反应，生成难溶于水的沉淀物，以降低污水中溶解性污染物质的浓度。沉淀物，以降低污水中溶解性污染物质的浓度。n n絮凝分离法絮凝分离法絮凝分离法絮凝分离法：通过向含有悬浮体或胶体的污水中投加药剂：通过向含有悬浮体或胶体的污水中投加药剂（无机或有机絮凝剂），促使带电微粒或胶体脱稳、继而（无机或有机絮凝剂），促使带电微粒或胶体脱稳、继而聚集使之与介质分开，达到净化的目的。聚集使之与介质分开，达到净化的目的。n n相同点相同点相同点相同点：两者都是向被处理溶液中投加化学试剂，使被处：两者都是向被处理溶液中投加化学试剂，使被处理污染物最终以固态形式与液态介质分开。理污染物最终以固态形式与液态介质分开。化学沉淀化学沉淀过程中常伴随絮凝作用，絮凝过程中也往往有沉淀与共沉过程中常伴随絮凝作用，絮凝过程中也往往有沉淀与共沉淀的作用。淀的作用。书书名：名：水水处处理絮凝学理絮凝学 作者：作者：常青常青 开本：开本：1616装装帧帧：平平 出版日期：出版日期：20032003年年4 4月月 简介简介：絮凝法是水处理的重要方法之一或基本单元操作之一，而且往往是必不可少的。它在生活饮用水、工业用水、工业废水及生活污水的处理中都有广泛的应用，因而学习和研究絮凝科学及其在水处理中的应用具有十分重要的意义。本书主要以物理化学的基本原理为基础，对水处理中的絮凝问题从理论上作了深入全面的论述，同时对其应用技术也作了诸多详尽的介绍。本书的一个显著特点是在系统阐述经典理论的同时，又特别注重该领域近年来的新进展；本书的另一特点是理论与实际应用并重，希望对水处理实践具有一定的指导作用。主要内容有：絮凝与水处理、胶体表面电化学、絮凝动力学、絮凝剂及其效能、絮凝实验方法、絮凝的工艺与设备、絮凝方法的其他功效等。本书可作为环境工程、给水排水、化学化工及胶体科学等有关专业的高等院校研究生或本科生的教材，也可作为水处理的专门知识供上述专业的科研和工程技术人员参考。絮凝过程机理絮凝过程机理n n絮凝目的：去除废水中所含的悬浮体和溶胶。絮凝目的：去除废水中所含的悬浮体和溶胶。n n很多工业废水都含有不同种类和不同数量的悬浮体和溶胶。如采矿废水中含有大量无机矿物质悬浮很多工业废水都含有不同种类和不同数量的悬浮体和溶胶。如采矿废水中含有大量无机矿物质悬浮体，炼焦煤气废水含有焦油及悬浮体，机械加工废水中含有油脂及悬浮体。而造纸、制糖、染色工体，炼焦煤气废水含有焦油及悬浮体，机械加工废水中含有油脂及悬浮体。而造纸、制糖、染色工业废水中则含有机微粒，橡胶工业废水中含有悬浮和乳独的橡胶微粒。其它各种工业生产废水中都业废水中则含有机微粒，橡胶工业废水中含有悬浮和乳独的橡胶微粒。其它各种工业生产废水中都或多或少含有悬浮体及油淌等。在废水处理中需要首先除去这些悬浮体和胶体。或多或少含有悬浮体及油淌等。在废水处理中需要首先除去这些悬浮体和胶体。n n溶胶特性：溶胶特性：废水中所含的悬浮体和溶胶，其大小在废水中所含的悬浮体和溶胶，其大小在1010-3-31010-9-9mm范围内。这些微粒不是以分子范围内。这些微粒不是以分子状态分散到介质水中，所形成的体系具有很大界面，属热力学不稳定体系。但这些颗粒自动聚集由状态分散到介质水中，所形成的体系具有很大界面，属热力学不稳定体系。但这些颗粒自动聚集由小颗粒变成大颗粒从分散介质中沉淀出来的速率却很慢，其主要原因是悬浮体及溶胶表面是带电的，小颗粒变成大颗粒从分散介质中沉淀出来的速率却很慢，其主要原因是悬浮体及溶胶表面是带电的，由于颗粒间同性电相斥而不互相聚集。由于颗粒间同性电相斥而不互相聚集。n n处理方法：投加絮凝剂，使溶胶絮凝、沉淀而与介质分开。处理方法：投加絮凝剂，使溶胶絮凝、沉淀而与介质分开。n n絮凝过程：包括凝聚作用和絮凝作用。絮凝过程：包括凝聚作用和絮凝作用。凝聚作用：凝聚作用：在胶体体系中添加化学药剂，使溶胶相互接触，脱稳而聚结成一定粒径的聚集体。在胶体体系中添加化学药剂，使溶胶相互接触，脱稳而聚结成一定粒径的聚集体。絮凝作用：絮凝作用：指已经脱稳的聚集体由于碰撞、化学粘结、共同沉淀等作用进一步聚集成絮状体指已经脱稳的聚集体由于碰撞、化学粘结、共同沉淀等作用进一步聚集成絮状体(矾花矾花)，成为可借重力下沉的粒子。，成为可借重力下沉的粒子。在絮凝过程中这两种作用相互促进，交错进行，不可能将两者严格区分开来。在絮凝过程中这两种作用相互促进，交错进行，不可能将两者严格区分开来。絮凝作用实际上是一种非常复杂的物理、化学过程。已提出多种理论、机理、模型来絮凝作用实际上是一种非常复杂的物理、化学过程。已提出多种理论、机理、模型来解释絮凝现象。关于胶体稳定性的解释絮凝现象。关于胶体稳定性的DLVODLVO理论是解释絮凝化学原理的一种比较完善的理理论是解释絮凝化学原理的一种比较完善的理论，已被人们所接受。论，已被人们所接受。胶粒表面电胶粒表面电荷的来源荷的来源胶粒表面电荷的来源：胶粒表面电荷的来源：电离作用：电离作用：有些胶粒本身带有可电离基团，在介质中电离而带电荷。例如硅溶胶在弱酸性或碱性介有些胶粒本身带有可电离基团，在介质中电离而带电荷。例如硅溶胶在弱酸性或碱性介质中因表面硅酸的电离而带负电荷：质中因表面硅酸的电离而带负电荷：离子吸附作用：离子吸附作用：胶体颗粒可以通过对介质中阴、阳离于的不等量吸附而带电历。例如金属氧化物胶体颗粒可以通过对介质中阴、阳离于的不等量吸附而带电历。例如金属氧化物通过吸附通过吸附H H+或或OHOH-而带正电荷或负电荷。而带正电荷或负电荷。离子的溶解作用：离子的溶解作用：离子晶体物质形成的胶粒，阴离子、阳离子在介质中发生不等量溶解时可使胶离子晶体物质形成的胶粒，阴离子、阳离子在介质中发生不等量溶解时可使胶粒表面带有电荷。例如粒表面带有电荷。例如AgIAgI的溶度积为的溶度积为1010-16-16，但，但AgIAgI胶粒表面零电荷点不是在胶粒表面零电荷点不是在pAgpAgpIpI8 8，而是，而是pAgpAg5.55.5，pIpI10.510.5。这是因为水化能力较大的。这是因为水化能力较大的AgAg+易溶解，而易溶解，而I I-易滞留于胶粒表面的缘故。所易滞留于胶粒表面的缘故。所以，若直接把以，若直接把AgIAgI分散在蒸馏水中时，粒子表面将荷负电。分散在蒸馏水中时，粒子表面将荷负电。晶格取代：晶格取代：这是一种比较特殊的情况。例如，粘土是由铝氧八面体和硅氧四面体的晶格组成。晶格这是一种比较特殊的情况。例如，粘土是由铝氧八面体和硅氧四面体的晶格组成。晶格中的中的AlAl3+3+或或SiSi4+4+有一部分被有一部分被MgMg2+2+或或CaCa2+2+取代而使粘土晶格带负电荷。为维护电中性，粘土表面吸取代而使粘土晶格带负电荷。为维护电中性，粘土表面吸附一些正离子，这些正离子在水介质中因水化而离开表面，于是粘土颗粒带上负电荷。附一些正离子，这些正离子在水介质中因水化而离开表面，于是粘土颗粒带上负电荷。双电层理论胶粒表面带电时，因整个体系应是电中性的，所以在液相中必有与表面电荷数量相等而符号相反的离子存在，这些离子称为反离子。反离子一方面受静电吸引作用有向胶粒表面靠近的趋势，另一方面受热扩散作用有在整个液体中均匀分布的趋势，两种作用的结果使反离子在胶粒表面区域的液相中形成一种平衡分布，越靠近界面浓度越高，越远离界面浓度越低，到某一距离时反离于与同号离子浓度相等。胶粒表面的电荷与周围介质中的反离子电荷就构成双电层。胶粒表面与液体内部的电势差称为胶粒的表面电势。在固体表面因静电引力和范德华引力而吸附一层反离子，紧贴固体表面形成一个固定的吸附层，这种吸附称为特性吸附，这一吸附层称为Stern层。Stern层的厚度由被吸附离子的大小决定。吸附反离子的中心构成的平面称为Stern面。Stern面上的电势称为stern电势。在Stern层内，电势由表面电势0直线下降到。Stern层以外，反离子呈扩散态分布，称为扩散层。扩散层中的电势呈曲线下降。在固体表面总有一定数量的溶剂分子与其紧密结合。电动现象中这些溶剂分子及其内部的反离子与粒子将作为一个整体运动，这样在固液两相发生相对移动时存在一个滑动面。滑动面的确切位置并不知道，但可以合理地认为它在Stern层之外，并深入到扩散层之中。滑动面上的电势称电动电势或Zeta电势。DLVO理论n nDLVODLVO理论：通过胶体颗粒间的吸引能和排斥能的相互作用所产生的相互作用能，来解理论：通过胶体颗粒间的吸引能和排斥能的相互作用所产生的相互作用能，来解释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀的原因。释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀的原因。胶体颗粒间的胶体颗粒间的排斥能排斥能排斥能排斥能：由胶体颗粒表面的电荷作用引起，当两个球形胶体粒子靠近时，：由胶体颗粒表面的电荷作用引起，当两个球形胶体粒子靠近时，由于每个粒子的扩散层具有相同的电荷，在扩散层相互重叠时特产生排斥力，其大小由于每个粒子的扩散层具有相同的电荷，在扩散层相互重叠时特产生排斥力，其大小决定于电荷的数目与相互间距离。排斥能愈大，则颗粒不能靠近，不利于絮凝沉淀，决定于电荷的数目与相互间距离。排斥能愈大，则颗粒不能靠近，不利于絮凝沉淀，而保持其胶体的稳定状态而保持其胶体的稳定状态(resist)resist)。n n排斥能与吸附层和扩散层上的电位和颗粒的半径成正比。所以吸附层和扩散层界面上排斥能与吸附层和扩散层上的电位和颗粒的半径成正比。所以吸附层和扩散层界面上的电位愈高，排斥能愈大，颗粒愈不易靠近，愈稳定。粒径小时，排斥能亦小，颗粒的电位愈高，排斥能愈大，颗粒愈不易靠近，愈稳定。粒径小时，排斥能亦小，颗粒容易靠近，利于絮凝；排斥能随着颗粒间的距离的增加，而以指数的形式下降。容易靠近，利于絮凝；排斥能随着颗粒间的距离的增加，而以指数的形式下降。胶体颗粒间的胶体颗粒间的吸引能吸引能吸引能吸引能：两个胶体颗粒之间存在着范德华引力，它的大小与颗粒间的距：两个胶体颗粒之间存在着范德华引力，它的大小与颗粒间的距离有关。设两个球形粒子体积相等离有关。设两个球形粒子体积相等(即半径即半径r r相等相等)，并且两个球表面最短距离为，并且两个球表面最短距离为H H，当，当H H比粒子半径比粒子半径r r小得多时，两粒子之间的相互吸引能小得多时，两粒子之间的相互吸引能V VA A可近似地用下式求出（可近似地用下式求出（absorbabsorb）：）：n n吸引能与颗粒半径成正比；吸引能随着颗粒间的最短距离的减小而增大。吸引能与颗粒半径成正比；吸引能随着颗粒间的最短距离的减小而增大。胶体颗粒间的相互作用能：胶粒间的总作用能为吸引能和排斥能之和。胶体颗粒间的相互作用能：胶粒间的总作用能为吸引能和排斥能之和。随胶粒间距的增大VA下降速度比VR缓慢的多。当胶粒间距很大时，粒子间无相互作用，V为零。当两粒子靠近时，首先起作用的是引力势能，因而V为负值。随着距离缩短，VR的影响逐渐大于VA，因而V逐渐增大变为正值，形成一个极小值，称第二极小值。但靠近到一定距离后，VA的影响又超过VR，所以V逐渐变小而成为负值，在V曲线上出现一个峰值，称为势垒。当胶粒相距极近时，由于电子云的相互作用而产生Born斥力势能而使V急剧上升，又形成一个极小值，称第一极小值。势垒的大小是胶体能否稳定的关键。粒子要发生聚沉，必须超过这一势垒才能进一步靠拢。如果势垒很小或不存在，粒子的热运动完全可以克服它而发生聚沉，从而呈现聚结不稳定性；如果势垒足够大，粒子的热运动无法克服它，则胶体将保持相对稳定。第一极小值比第二极小值低得多。当粒子落入第一极小值时，形成的沉淀紧密而稳定；而在第二极小值时，体系中形成的结构是疏松的，且是不牢固、不稳定的，外界稍有扰动，结构就被破坏，这种体系具有触变性或剪切稀释性等。双电层的压缩双电层的压缩反离子少，Z电位高，双电层厚度大，负电荷过剩，处于稳定状态。反离子增加，Z电位降低，双电层变薄。反离子增加，Z电位降低，双电层压缩，胶粒脱稳，絮凝沉淀。电荷中和作用电荷中和作用是指胶体颗粒的Z电位降低到足以克服DLVO理论中所说的能量障碍而产生絮凝沉淀的过程。胶体颗粒表面的电荷被中和时，胶体颗粒间的距离缩小，在范德华引力作用下，胶体颗粒问的相互作用能处于第一最小能量值，结果形成稳定的絮凝体。电荷的中和作用与双电层的压缩是不同的，电荷中和作用是第一最小能量的吸引力作用的结果，这个吸引力是很强的；而双电层的压缩是第二最小能量的作用力的结果，这个作用力是比较弱的。这两个作用力的强弱不同，所产生的絮凝体的性质也不同。强作用力下所产生的絮凝体坚实，体积小，不能再变为胶体；弱作用力所产生的絮凝体其体积庞大，疏松，能够再变成胶体而消失。电荷中和作用的机理是，加入的化学药品(絮凝剂)被吸附在胶体颗粒上，使肢体颗粒表面电荷中和。胶体颗粒表面电荷不但可以被降低到零，而且还可以带上相反的电荷。由于电荷的中和作用是吸附作用引起的，因此，它导致胶体颗粒与水之间界面的改变，从而使物理化学性质改变。电解质对相互作用能的影响通过改变排斥能使总的相互作用能改变，从而使胶体脱稳、絮凝。颗粒间起始的吸引能曲线VA1和排斥能曲线VR1相加而得到相互作用能曲线VT1，这时，由于排斥能量很大，排斥力占主导地位，胶体颗粒不能靠近，相距较远胶体颗粒处于稳定状态，不能产生凝聚和絮凝沉淀。当加入絮凝剂时，中和一部分表面电荷，Z电位降低，排斥能变小，排斥能曲线VR2小于VR1，这时的相互作用能量曲线VT2等于吸引能曲线VA加上排斥能量曲线VR2，VT2小于VT1，相互作用能量曲线变小，即相互作用能量降低，出现第一最小能量值(在颗粒表面的近处)和第二最小能量值(在颗粒表面的远处)。这时，排斥能虽然变小，但排斥能仍然相当大，占主导地位，并且有能量障碍存在。因此，颗粒不能凝聚，也不能产生絮凝沉淀。进一步加入化学药品，使颗粒的表面电荷被中和得更多，Z电位进一步下降，排斥能进一步降低，排斥能量曲线变得更小。这时的相互作用能量曲线VT3等于VA加上VR3。使相互作用能量曲线VT3已经达到第一最小能量值，也不存在能量障碍。这时，以颗粒间的吸引力为主，颗粒之间的距离变得很小，很容易凝聚和产生絮凝沉淀。胶体的捕集n n机理：机理：机理：机理：在水溶液中，铝盐或铁盐无机絮凝剂发生水解，形成水合金属在水溶液中，铝盐或铁盐无机絮凝剂发生水解，形成水合金属氢氧化物高分子，这些阳离子高分子所带电荷可中和带负电荷的胶体氢氧化物高分子，这些阳离子高分子所带电荷可中和带负电荷的胶体微粒，同时这些高分子化合物具有三维空间的立体结构，适合于胶体微粒，同时这些高分子化合物具有三维空间的立体结构，适合于胶体颗粒的捕获。随着高分子化合物体积的收缩、沉淀物和悬浮物象多孔颗粒的捕获。随着高分子化合物体积的收缩、沉淀物和悬浮物象多孔的网子一样，从水中将胶体和悬浮颗粒清扫下来，形成絮状沉淀，沉的网子一样，从水中将胶体和悬浮颗粒清扫下来，形成絮状沉淀，沉积在水底，这就是胶体颗粒的清扫过程。积在水底，这就是胶体颗粒的清扫过程。n n“清扫清扫”絮凝机理，结果产生的絮凝物体积庞大，产生的絮凝物是粘稠状的，絮凝机理，结果产生的絮凝物体积庞大，产生的絮凝物是粘稠状的，适合于此机理的分离方法有澄清法和溶解空气气浮法。避免使用过滤法进行适合于此机理的分离方法有澄清法和溶解空气气浮法。避免使用过滤法进行固液分离，因为过滤法会使体积庞大的絮凝物沉积在过滤器表面上，妨碍固液分离，因为过滤法会使体积庞大的絮凝物沉积在过滤器表面上，妨碍水从今穿过，并会产生压力，使过滤速度变慢，工作时间延长，影响处理效水从今穿过，并会产生压力，使过滤速度变慢，工作时间延长，影响处理效果。果。n n应用：应用：应用：应用：明矾处理饮用水就是利用明矾处理饮用水就是利用“清扫清扫”絮凝机理，其结果产生大量絮凝机理，其结果产生大量湿的明矾污泥，这些污泥难以脱水，并且需要消耗大量的明矾。目前湿的明矾污泥，这些污泥难以脱水，并且需要消耗大量的明矾。目前仍广泛地使用澄清分离法，但是在许多应用中，高效的有机高分子絮仍广泛地使用澄清分离法，但是在许多应用中，高效的有机高分子絮凝剂要比无机铝盐絮凝剂效果好，优越性多。凝剂要比无机铝盐絮凝剂效果好，优越性多。架桥吸附作用n n架桥架桥架桥架桥(或桥联或桥联或桥联或桥联)是指溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有机或无机高分子絮凝剂架是指溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有机或无机高分子絮凝剂架是指溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有机或无机高分子絮凝剂架是指溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有机或无机高分子絮凝剂架桥联接形成絮凝体，而沉淀下来，桥联的过程就是絮凝过程。桥联接形成絮凝体，而沉淀下来，桥联的过程就是絮凝过程。桥联接形成絮凝体，而沉淀下来，桥联的过程就是絮凝过程。桥联接形成絮凝体，而沉淀下来，桥联的过程就是絮凝过程。n n当高分子絮凝剂加入到废水中时，吸附在固体颗粒表面上的有机絮凝剂可能当高分子絮凝剂加入到废水中时，吸附在固体颗粒表面上的有机絮凝剂可能当高分子絮凝剂加入到废水中时，吸附在固体颗粒表面上的有机絮凝剂可能当高分子絮凝剂加入到废水中时，吸附在固体颗粒表面上的有机絮凝剂可能有三种结构形态：环式、尾式和列车式。有三种结构形态：环式、尾式和列车式。有三种结构形态：环式、尾式和列车式。有三种结构形态：环式、尾式和列车式。环式，高分子絮凝剂的环式，高分子絮凝剂的分子伸向溶液中的分子伸向溶液中的部分形成环，环的部分形成环，环的两端吸附在团体颗两端吸附在团体颗粒表面上。粒表面上。尾式，高分子首尾两端尾式，高分子首尾两端或者支链，一端吸附或者支链，一端吸附在固体颗粒上，另一在固体颗粒上，另一端伸向溶液。端伸向溶液。列车式，高分子被吸附列车式，高分子被吸附在固体颗粒表面上在固体颗粒表面上的那部分。的那部分。桥联类型异电荷物质桥联异电荷物质桥联异电荷物质桥联异电荷物质桥联：带负电荷的胶体颗粒与带正电荷的阳离子高分子絮：带负电荷的胶体颗粒与带正电荷的阳离子高分子絮凝剂的桥联，这类桥联也涉及到电荷中和机理。凝剂的桥联，这类桥联也涉及到电荷中和机理。n n改类品种改类品种：丙烯酰胺丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲脂的共聚物丙烯酰胺丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲脂的共聚物(AMAETAMS)(AMAETAMS)、丙、丙烯酰胺甲基丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲酯烯酰胺甲基丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲酯(AMMETAMS)(AMMETAMS)的共聚物、丙烯酰胺的共聚物、丙烯酰胺甲基丙烯酸甲基丙烯酸22羟基丙酯基三甲基氯化铵羟基丙酯基三甲基氯化铵(AMMAPTAC)(AMMAPTAC)的共聚物、丙烯酰胺的共聚物、丙烯酰胺二甲二甲基二烯丙基氯化铵基二烯丙基氯化铵(AM-DMDAAC)(AM-DMDAAC)的共聚物等。的共聚物等。同电荷物质桥联同电荷物质桥联同电荷物质桥联同电荷物质桥联：带负电荷的胶体颗粒与带负电荷的有机高分子絮凝：带负电荷的胶体颗粒与带负电荷的有机高分子絮凝剂剂(如聚丙烯酸钠如聚丙烯酸钠)相桥联。相桥联。n n机理一：对于带负电荷的胶体颗粒来说，虽然总的负电荷多于总的正电荷，但是颗粒机理一：对于带负电荷的胶体颗粒来说，虽然总的负电荷多于总的正电荷，但是颗粒表面上仍然有只带正电荷的区域，上就只带正电荷。这些只带正电荷的区域成为吸引表面上仍然有只带正电荷的区域，上就只带正电荷。这些只带正电荷的区域成为吸引点，它吸引带负电荷的阴离子有机高分子絮凝剂的羟基官能团，与其结合形成絮凝体。点，它吸引带负电荷的阴离子有机高分子絮凝剂的羟基官能团，与其结合形成絮凝体。n n机理二：当固体颗粒具有很高的负机理二：当固体颗粒具有很高的负Z Z电位时，庞大的絮凝体将颗粒包裹在里面，由于周电位时，庞大的絮凝体将颗粒包裹在里面，由于周围都是带负电荷的絮凝体，颗粒受到各方面的排斥作用，不能从絮凝体中逃脱，因此围都是带负电荷的絮凝体，颗粒受到各方面的排斥作用，不能从絮凝体中逃脱，因此与絮凝体一同沉淀下来。与絮凝体一同沉淀下来。n n应用：应用：1 1，活性污泥处理法；，活性污泥处理法；2 2，生物高分子处理法，生物高分子处理法机理？机理？絮凝剂n n絮凝过程：将向水溶液中投加化学药剂使溶液中的小颗粒杂质聚集成絮凝过程：将向水溶液中投加化学药剂使溶液中的小颗粒杂质聚集成大颗粒而沉降的全过程。大颗粒而沉降的全过程。n n絮凝剂：絮凝剂：凡是用来将水溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状物沉淀凡是用来将水溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状物沉淀的物质都叫做絮凝剂。无论是投加的有机物或是无机物，只要能发生絮凝沉的物质都叫做絮凝剂。无论是投加的有机物或是无机物，只要能发生絮凝沉淀，都叫絮凝剂。若在一个废水处理过程中，同时使用两种或两种以上的物淀，都叫絮凝剂。若在一个废水处理过程中，同时使用两种或两种以上的物质使其产生絮状沉淀时，可把这两种或两种以上的物质称作复合絮凝剂。质使其产生絮状沉淀时，可把这两种或两种以上的物质称作复合絮凝剂。n n其它名称：混凝剂、聚凝剂、凝集剂、凝聚剂、凝结剂、聚合电解质；有的其它名称：混凝剂、聚凝剂、凝集剂、凝聚剂、凝结剂、聚合电解质；有的把无机絮凝剂称为凝聚剂，只把有机高分子絮凝剂才称作絮凝剂。把无机絮凝剂称为凝聚剂，只把有机高分子絮凝剂才称作絮凝剂。絮凝剂n n絮凝值：在一定条件下，使悬浮体、溶胶溶液产生絮凝沉淀的电解质絮凝值：在一定条件下，使悬浮体、溶胶溶液产生絮凝沉淀的电解质的最小浓度叫絮凝值（聚沉值）。异号离子的最小浓度叫絮凝值（聚沉值）。异号离子价数价数价数价数越高，絮凝值越小。越高，絮凝值越小。n n感胶离子序：将同价离子按絮凝能力的顺序排列，絮凝能力强，则絮感胶离子序：将同价离子按絮凝能力的顺序排列，絮凝能力强，则絮凝值小，排在感胶离子序的前面；反之则絮凝值大，排在感胶离子序凝值小，排在感胶离子序的前面；反之则絮凝值大，排在感胶离子序的后面。的后面。絮凝值与絮凝剂的化合价6次方成反比而与溶胶、悬浮体微粒浓度无关感胶离子序与离子的水合离子半径半径从小到大的次序相同。因为溶液小的离子与水结合，形成水合离子的大小对絮凝值有影响：化合价相同的水合离子，半径小者，其絮凝值亦小；半径大者，其絮凝值亦大。影响絮凝作用的因素温度：水温升高，絮凝效果提高pH值搅拌强度和时间絮凝剂的用量絮凝剂的性质和结构共存的盐类思考题为何说我们观察到的布朗运动，不是胶粒真实的运动情况?试比较胶粒表面电势，Stern层(紧密层)电势及电势?如何理解溶胶是动力学上稳定而热力学上不稳定的体系，且有聚沉不稳定的特性?布朗运动是由于分散介质的分子热运动不断地由各个方向同时冲击胶粒，其合力未被抵消，短时间向某一方向有一显著作用，而导致胶粒运动，因此布朗运动不是胶粒的真实运动。又因胶粒受不平衡的冲击引起振动，周期约为108秒，而人们的肉眼能分辨的周期最低为0.1秒，因此我们所观察到的胶粒平均位移是胶粒在每秒钟内受各个方向冲击百万次运动变化的宏观结果。胶粒表面电势是指固相表面由于电离或吸附离子等原因使溶胶粒子带电，固体表面与溶液深处的电势差，是热力学的平衡电势差。Stern层电势是指溶胶粒子表面由于静电或分子间的相互作用而紧密吸附一层的总电势，显然这层电势小于胶粒表面电势。电势(滑动面电势)是指当溶胶粒子在液相中运动时，在上述紧密层之外有一层滑动面，以滑动面的电势与液相内部电势为零处的电势差，称为滑动面电势或称(zeta)电势。由于溶胶的布朗运动以及扩散运动，又由于胶粒表面的双电层结构及离子溶剂化膜,造成溶胶的动力学稳定性，但溶胶是高度分散的非均相体系，具有很大的表面自由能,有自发聚沉以降低体系能量的趋势，因此是热力学的不稳定体，有聚沉不稳定的特性。2.3 吸收与吸附净化吸收与吸附净化uu固体表面吸附 l l 不同相表（界）面l l 剩余表面能l l 溶质浓集l l 吸附剂l l 吸附质 u解吸或脱附 吸附法基本原理 吸附与吸收净化吸附与吸收净化n n吸附：利用多孔性固体表面存在的末平衡的分子引力或化吸附：利用多孔性固体表面存在的末平衡的分子引力或化学键力，把混合物中的某一组分或某些组分吸留在固体表学键力，把混合物中的某一组分或某些组分吸留在固体表面上的分离混合物的过程。面上的分离混合物的过程。n n吸附剂：具有吸附作用的固体。吸附剂：具有吸附作用的固体。n n吸附质：被吸附的物质。吸附质：被吸附的物质。n n由于吸附剂往往具有高的选择性和高的分离效果，能脱除由于吸附剂往往具有高的选择性和高的分离效果，能脱除痕量物质，所以在空气污染控制、废水处理中，吸附净化痕量物质，所以在空气污染控制、废水处理中，吸附净化法得到广泛应用。法得到广泛应用。uu引起吸附的原因 范德华力 化学键力 静电引力吸附法净化气态污染物的原理n n固体表面上的吸附作用固体表面上的吸附作用n n物理吸附：物理吸附：气体分子以分子间的范德华力被吸附，这种吸附与气体凝聚成液气体分子以分子间的范德华力被吸附，这种吸附与气体凝聚成液体的过程相类似。体的过程相类似。n n化学吸附：化学吸附：气体分子与固体表面上的分子、原子以键力作用而被吸附，此时气体分子与固体表面上的分子、原子以键力作用而被吸附，此时分子发生变形甚至解离成离子，就像进行化学反应，是一个包括电子转移、分子发生变形甚至解离成离子，就像进行化学反应，是一个包括电子转移、原子重排、键的断裂与形成等化学变化的过程。原子重排、键的断裂与形成等化学变化的过程。uu吸附的分类物理吸附化学吸附交换吸附n n交换吸附n n正负电荷间静电引力引起正负电荷间静电引力引起n n吸附剂表面带电点吸附剂表面带电点n n离子置换离子置换n n离子电荷数和水合半径影响大离子电荷数和水合半径影响大吸附法净化气态污染物的原理焓焓是人们定义的状态函数状态函数，表示热力学能加上压力与体积的乘积。熵：熵：如果系统中发生微小的可逆变化，该系统的熵变dS等于此可逆过程的热量QT与系统温度T的比值可逆热温商QT/T，即：吉布斯函数吉布斯函数G：吸附热根据热力学知识，在等温等压的自发吸附过程中(无论物理吸附还是化学吸附)，G=H-TS；G0；S0；HG+TS0表明：吸附过程H水，表面非活性表面非活性物质物质。为使体系表面张力趋于最低，溶质分子将自动浓集于溶液内部，所以C内C表，这叫负吸附。负吸附。2）使水，即l水，表面活性剂表面活性剂。低级脂肪酸、醇、醛等属于此类类。3）高级脂肪酸、肥皂、合成洗涤剂等属于此类。与1类相反，表面活性剂会自动浓集于溶液表面，使C内C表，所以又叫正吸附正吸附。吉布斯吸附方程GibbsGibbs吸附等温式阐述了溶质在界面层的浓度如何改变溶液的表面张力。吸附等温式阐述了溶质在界面层的浓度如何改变溶液的表面张力。为溶质的吸附量，即相应于相同量的溶剂时表面层中单位面积上溶质的量比溶液内部多出的量，也称之为表面过剩，单位为mol.m-2。Gibbs方程的物理意义是：若一种溶质能降低溶剂的表面张力，即突d/dc0，则0，即溶质在表面层的浓度大于内部，为正吸附现象；反之，若溶质能增大溶剂的表面张力，即d/dc0，则o，即溶质在表面层的浓度小于溶液内部，为负吸附现象。润湿与浮选液体在固体表面上的辅展现象称为润湿。young方程，润湿方程润湿与浮选浮选浮选是基于固体-液体-气体三相界面上的润湿和吸附的界面化学现象。浮选的依据，是各种物质粒子与气泡粘附的选择世，这种选样性又是根据物质、水、气泡和相界面的物理化学特性来决定的。这种选择性还可以通过添加浮选剂加以改变。肥皂的亲油基和亲水基示意图肥皂的亲油基和亲水基示意图表面活性剂分子在油（空气）表面活性剂分子在油（空气）水界面上的排列示意图水界面上的排列示意图表面活性剂的分类表面活性剂的分类n n表面活性剂的分类方法很多，从表面活性剂的应用功能出表面活性剂的分类方法很多，从表面活性剂的应用功能出发，可将表面活性剂分为乳化剂、洗涤剂、起泡剂、润滑发，可将表面活性剂分为乳化剂、洗涤剂、起泡剂、润滑剂、铺展剂、增溶剂等等。剂、铺展剂、增溶剂等等。(1)(1)阴离子型：例如，硬脂酸钠阴离子型：例如，硬脂酸钠CH3(CH2)16COO-Na+CH3(CH2)16COO-Na+、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠CH3(CH2)11C6H4SO3-Na+CH3(CH2)11C6H4SO3-Na+(2)(2)阳离子型：例如，月桂胺基三甲胺阳离子型：例如，月桂胺基三甲胺 CH3(CH2)11NH3+Cl-CH3(CH2)11NH3+Cl-及及 溴代十六烷基三甲胺溴代十六烷基三甲胺CH3(CH2)15N+(CH3)3Br-CH3(CH2)15N+(CH3)3Br-(3)(3)两性型：例如，十二烷基二甲基甜菜碱两性型：例如，十二烷基二甲基甜菜碱C12H25N+C12H25N+(CH3)2CH2COO-(CH3)2CH2COO-。(4)(4)非离子型表面活性剂：表面活性剂溶于水后不能电离的，非离子型表面活性剂：表面活性剂溶于水后不能电离的，例如，聚氧乙烯类例如，聚氧乙烯类C12H25O(CH2CH2O)nHC12H25O(CH2CH2O)nH。(5)(5)孪连表面活性剂：新一代高活性表面活性剂，例如，孪连表面活性剂：新一代高活性表面活性剂，例如，2.4溶剂萃取分离溶剂萃取/液液萃取：利用基本上不相混溶的两个液相进行分离，把所需要的物质从一个液相转移到另一个液相的过程。可分为物理萃取和化学萃取。萃取平衡：在萃取过程中，当被萃取物在单位时间内从水相转入有机相的量与由有机相转入水相的量相等时，在该条件下萃取体系处于暂时的相对平衡。如果条件改变，原来的萃取平衡就会被破坏，随着新条件的产生，发生平衡移动，从而建立新的平衡。分配定律：在一定温度下，当某一溶质在两种互不相混溶的溶剂中分配达到平衡时，则该溶质在两相中的浓度之比为一常数（分配常数K）。萃取化学基本概念n n分配定律适用条件：仅适用于理想溶液的萃取体系分配定律适用条件：仅适用于理想溶液的萃取体系 被萃取物浓度低被萃取物浓度低 溶质与溶剂不发生化学作用溶质与溶剂不发生化学作用 溶质在两相中分子形式相同溶质在两相中分子形式相同n n分配比分配比分配比分配比/分配系数分配系数分配系数分配系数DD：被萃取物在两相中的总浓度之比，：被萃取物在两相中的总浓度之比，分配比D表示萃取体系达到平衡后，被萃取物在两相的实际分配情况，也表示在一定条件下被萃取剂萃取的能力。D值愈大，则被萃物在有机相中的浓度愈大，也表示萃取比较完全。萃取化学基本概念萃取率萃取率E：表示一种萃取剂对某种被萃物的萃取能力，是被萃物质在有机相中的量与在原始水相中总量的百分比。萃取化学基本概念分离系数分离系数：是指相同条件下两种被分离物质在同一萃取体系内分配比的比值。萃合常数萃合常数Kex：萃取过程化学反应的平衡常数。萃取化学基本概念n n萃取剂的性质萃取剂的性质:(1)(1)具有一个或几个萃取功能基，通过此功能基与金属离子配合而形成萃合物。具有一个或几个萃取功能基，通过此功能基与金属离子配合而形成萃合物。常见的功能基是氧、氮、硫与磷四种原子它们的共同特点是具有末配对的常见的功能基是氧、氮、硫与磷四种原子它们的共同特点是具有末配对的孤对电子。孤对电子。(2)易溶于有机溶剂而难溶于水。(3)有良好的选择性，只萃取某些元素而对其他元素则萃取能力很差或不萃取。(4)有很大的萃取容量，即单位体积的萃取剂能萃取大量的被萃物。此外，萃取剂还应满足粘度低、沸点高、化学性质稳定，所形成的萃合物易反萃、无毒等要求。萃取化学基本概念萃取剂类型：(1)中性配合萃取剂：萃取剂是中性有机化合物(2)酸性配合萃取剂或螯合萃取剂：萃取剂是有机弱酸HA，被萃物是金属阳离子Mn+，两者结合生成整合物MAn而被萃取(3)离子缔合萃取剂：萃取剂是佯盐或铵盐等，当溶于有机溶剂时呈离子型化合物污染控制过程中常用萃取体系n n根据徐光究提出的萃取机理或萃取过程中生成的根据徐光究提出的萃取机理或萃取过程中生成的萃合物的性质分类法，将萃取体系分为萃合物的性质分类法，将萃取体系分为1 1）简单分子萃取）简单分子萃取2 2）中性配合萃取）中性配合萃取3 3）螯合萃取）螯合萃取4 4）离子缔合萃取）离子缔合萃取5 5）协同萃取）协同萃取6 6）高温萃取）高温萃取2.5离子交换处理6.2.1离子交换基本反应1、强酸型阳离子交换剂2、弱酸性阳离子交换剂3、强碱性阴离子交换剂4、弱碱性阴离于交换剂离子交换平衡离子交换反应机理固定中性层、固定离子层、可动离子层复杂过程的5个阶段：溶液中离子向树脂表面扩散；离子进入树脂颗粒内的交联网孔，进行扩散；离子与树脂内交联基团上的功能团发生离子与树脂内交联基团上的功能团发生交换作用；交换作用；被交换下来的离子向树脂表面扩散；被交换下来的离子在主体溶液小扩散。离子交换平衡1、交换反应的平衡常数选择系数2、分配系数3、分离因子膜分离技术是近三十多年来发展起来的高新技术，是多学科交叉的产物，亦是化学工程学科发展新的增长点。它与传统的分离方法比较，具有如下明显的优点：1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡另一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯和浓缩；2.节能：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不发生相变,是一种低能耗，低成本的单元操作；3.过程简单、容易操作和控制；4.不污染环境。由于这些优点、使膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，已广泛有效地应用于石油化工、生化制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、食品、环保、航天、海运、人民生活等领域，形成了独立的新兴技术产业。目前，世界膜市场以每年递增1430速度发展，它不仅自身形成了每年约百亿美元的产值，而且有力地促进了社会、经济及科技的发展。特别是，它的应用与节能、环境保护以及水资源的再生有密切的关系，因此在当今世界上能源短缺、水荒和环境污染日益严重的情况下，膜分离技术得到世界各国的普遍重视，欧、美、日等发达国家投巨资立专项进行开发研究，已取得在此领域的领先地位。我国在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”以及863、973计划中均列为重点项目，给予支持。概述2.6膜分离技术膜分离技术简介1.分离膜的种类：膜是膜技术的核心，膜材料的性质和化学结构对膜分离性能起着决定性的影响。膜的种类很多，其中按材料分有高分子膜、金属膜、无机膜。高分子膜用途最广。按结构分有七类：(1)均质膜或致密膜，为结构均匀的致密薄膜。(2)对称微孔膜，平均孔径为0.0210。按成膜方法不同，有三种类型的微孔膜，即核孔膜、控制拉伸膜和海绵状结构膜。(3)非对称膜。膜断面为不对称结构，是工业上应用最多的膜。(4)复合膜。在多孔膜表面加涂另一