第四章水的物化处理方法课件.ppt

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1、4.1 气浮法4-2吸附4-3离子交换法4-4 萃取4-5 电解4-6 膜分离法 第四章 废水的物理化学处理离子交换法4.3.1 离子交换的基本原理4.3.2 离子交换操作方式与工艺过程 4.3.3 离子交换法在废水处理中的应用 4.3.4 离子交换系统的操作管理与维护 在给水处理中，离子交换是软化、除盐的主要方法之一；废水处理中，常用于去除金属离子。离子交换的实质是不溶性离子化合物（离子交换剂）上的可交换离子与溶液中其它同样离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆的化学吸附。反应式可表达为：RH+M+RM+H+离子交换的基本原理n1.离子交换剂n2.离子交换树脂的种类n3.离子交换树

2、脂的主要性能n4.离子交换树脂的有效pH范围离子交换的基本原理离子交换剂 水处理中常用的离子交换剂为磺化煤和离子交换树指，废水处理中主要用树指。磺化煤：煤研磨后经浓硫酸处理而得的碳质离子交换剂。离子交换树脂：有凝胶型、大孔型和等孔型等。根据交换基团（活性基团）的不同，可分为强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性四种。前两种有酸性交换基团，为阳离子型交换树脂；后两种带碱性交换基团，为阴离子交换树脂。按树脂类型和孔结构不同，分为凝胶型、大孔型、多孔型、巨孔型等。离子交换数脂的种类按活性基团不同：阳离子(酸性基团)：强酸型(-SO3H)；弱酸性(-COOH)阴离子(碱性基团)：强碱性(NOH)；弱碱性(NH

3、OH，=NH2OH，NH3OH)螯合树指（羟胺基团）氧化还原树指：两性树指等。1、密度 2、含水率 3、溶涨性4、耐热性5、机械强度6、酸、碱性 7、选择性 离子交换树脂的性能指标含水率 在水中充分膨胀后的湿树脂所含溶胀水的重量与湿树脂重量的百分比（11-5）一般为50%酸、碱性 离子交换树脂具有一般酸、碱的反应性能，在水中离解出H+或OH-。根据离解能力的大小，树脂的酸、碱性有强、弱之分。pH影响活性基团的电离能力，强酸强碱性受其影响小，弱酸碱性则受pH影响大。树脂类型 强酸 强碱 弱酸弱碱有效pH范围 114 112 514 07 选择性 离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为离子

4、交换选择性。选择性表示了交换离子取代树脂上可交换离子的难易程度，与树脂间结合力的大小，离子交换的先后顺序和交换量。交换离子与树脂的亲和力的大小称为交换势。交换势越大，表明选择性越高。选择性 关于不同离子交换势的大小，有多种理论解释，影响因素较多，一般有如下规律：离子的交换势，与自身化学性质，树脂化学性有关，并受温度和浓度影响较大。下面介绍的规律适用于常温和低浓度溶液中。离子所带电荷愈多，交换势愈大。Th4+Al3+Ca2+Na+PO43-SO42-Cl-选择性 电荷相同时，大致是原子序数愈高或水合半径愈小，交换势愈大，副族元素正好相反。Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH3+Na+Li+N

5、O3-Cl-HCO3-HSiO3-选择性 H+和OH-的交换选择性与树脂的酸、碱性关系很大，如：强酸性阳树脂 Fe3+Al3+Ca2+Na+H+Li+弱酸性阳树脂 H+Fe3+强碱性阴树脂 SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3-弱碱性阴树脂 OH-SO42-选择性 离子量高的有机离子和金属络合离子交换势特别大。大孔型树脂具有很强的吸附性，可以吸附非离型杂质。上述规律适用于稀溶液，当离子浓度很高时则可使交换次序发生改变，再生时即如此。废水水质对离子交换的影响1、悬浮物、油脂：堵塞树指孔隙，包裹树脂颗粒，影响交换容量。预处理：沉淀、过滤、除油等。2、有机物：某些高分子有机物与固定

6、离子结合力很强，使树脂难以再生，降低了交换容量。减少有机污染，选用低交联度树脂，预处理，特殊的再生操作(加氧化剂等)。影响交换速度的因素1、交联度 2、水中的离子浓度 3、水的流速 4、树脂颗粒大小 5、水温 离子交换软化装置 离子交换装置，按照运行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类：单层床 固定床 双层床 混合床离子交换装置 移动床 连续床 流动床 离子交换软化装置单层固定床离子交换装置是最常用、最基本的形式。离子交换树脂（或磺化煤）装填在离子交换器内。在操作过程中，树脂不往外输送，所以称为固定床。移动床、流动床都是与固定床相对而言的，并在固定床基础上发展起来的。离子交换操作方式与工艺过

7、程固定床的基本缺陷：树脂不能边失效，边再生，造成交换器内树指积压，利用率低，交换器容积利用不充分；树脂层中树脂交换能力使用不匀，上层饱和程度高，下层低。连续床离子交换设备连续式的特点:树脂不固定在交换器内，而是处于连续循环运动中，交换与再生长则在不同塔内进行。树脂的用量比固定床减少1/31/2，设备单位容积的产水量还可提高。连续式离子交换至分移动床和流动床两种。离子交换工艺流程n 过滤 反洗 清洗 再生离子交换法在废水处理中的应用主要去除对象：铜、镍、镉、铬、锌、汞、金、银、铂、磷酸、硝酸、氨、有机物、放射性物质等。下面以离子交换法处理含铬废水为例说明其在废水处理中的应用。离子交换法在废水处理

8、中的应用双阴柱全酸性全饱和流程处理含铬废水1、目的：实现铬的回收及漂洗水的循环回用2、处理流程（见图）含铬废水pH6，含强氧化剂H2CrO4和H2Cr2O7，废水依次流经阳柱和阴柱得以处理。阳柱强酸型H树脂。阴柱弱碱型树脂，抗氧化能力较强(强碱型容量大，但易被氧化分解)。离子交换系统得操作管理与维护n1.水中含有悬浮物质与油类物质 危害堵塞树脂孔隙，降低树脂的交换能力。措施进行砂滤等预处理n2.废水中溶解盐过高危害缩短树脂的工作周期。离子交换系统得操作管理与维护措施溶解盐浓度大于1000-2000mg/L时，不宜采用离子交换法处理。n3.工业废水常为酸性或碱性危害影响某些离子在废水中的存在状态

9、；影响树脂交换基团的离解。离子交换系统得操作管理与维护措施处理含铬水，应在酸性条件下；可采用强酸、强碱性树脂；n4.温度的影响温度的影响危害危害引起树脂的分解，降低或破坏树引起树脂的分解，降低或破坏树脂的交换能力。脂的交换能力。离子交换系统得操作管理与维护措施水温不得超过树脂的耐热性能的要求。高温水应先降温。n5.高价离子的影响高价离子的影响危害危害与树脂的结合能力强，但树脂再与树脂的结合能力强，但树脂再生困难。生困难。离子交换系统得操作管理与维护n6.氧化剂和高分子有机物的影响氧化剂和高分子有机物的影响危害危害使树脂氧化、有机污染，导致树使树脂氧化、有机污染，导致树脂的使用寿命缩短或交换容量

10、降低。脂的使用寿命缩短或交换容量降低。萃取了解n1.萃取的基本原理萃取的基本原理n2.萃取剂的选择萃取剂的选择n3.萃取工艺萃取工艺萃取的基本原理n利用一种不溶于水而能溶解水中某种物利用一种不溶于水而能溶解水中某种物质（溶质或萃取物）的溶剂（萃取剂）质（溶质或萃取物）的溶剂（萃取剂）投加到废水中，使溶质充分溶解到溶剂投加到废水中，使溶质充分溶解到溶剂内，从而分离去除或回收某种物质的方内，从而分离去除或回收某种物质的方法。法。n实质实质利用溶质在水和溶剂中的不同利用溶质在水和溶剂中的不同溶解度。溶解度。萃取剂的选择n教材P57 一般了解萃取工艺包括包括三个过程三个过程：1.混合：把萃取剂于废水进

11、行充分接触，使溶质混合：把萃取剂于废水进行充分接触，使溶质从废水中转移到萃取剂中去。从废水中转移到萃取剂中去。2.分离：使含有萃取物（溶质）的溶剂与萃取过分离：使含有萃取物（溶质）的溶剂与萃取过的废水分层分离。的废水分层分离。3.回收：萃取剂与萃取物分离得以再生，萃取物回收：萃取剂与萃取物分离得以再生，萃取物（溶质）回收。（溶质）回收。萃取工艺萃取剂的再生：物理法萃取剂的再生：物理法 化学法化学法利用萃取剂与萃取利用萃取剂与萃取物的沸点差进行分物的沸点差进行分离。离。投加某种化学药剂与萃取投加某种化学药剂与萃取物反应生成不溶于萃取剂物反应生成不溶于萃取剂的盐类，进行分离。的盐类，进行分离。萃取

12、工艺n操作方式：1.单级萃取2.多级逆流萃取4.2.1 吸附的基本原理与类型 4.2.2 吸附操作方式4.2.3 活性碳的再生 4.2.4 吸附在水处理中的应用 吸附一、吸附的定义 二、吸附的类型 三、吸附平衡 四、吸附等温线 吸附的基本原理与类型吸附法(工艺)：利用多孔性的固体物质，使废水中一种或多种污染物吸附于固体表面，而得以回收或去除的方法。吸附剂具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质(废水中)被吸附的物质。吸附的定义根据吸附力不同可分为：物理吸附：分子间力(范德华引力)吸附化学吸附：化学键力离子交换交换吸附：静电引力吸附的实质：表面现象，减小界面能的一种方式 物质吸附于固体表面之后，减小

13、表面张力，使界面上的分子受力趋于均衡，故是自动发生的。吸附的类型吸附的特征1、物理吸附吸附时表面能降低、放热；可在低温下进行不需要活化能选择性不强，吸引力随分子量增大而增大，可以吸附多种吸附质；易于解吸(吸附的逆过程)分子的热运动；可形成单层或多层吸附。吸附的特征2、化学吸附吸附热大，需在高温下进行；具有选择性；化学键力大时，吸附不可逆；只能形成单分子吸附层。吸附的特征3、交换吸附吸附质的离子由于静电引力聚集到吸附剂表面带电点，同时吸附剂也放出等当量离子。离子带电荷多，吸附强；电荷相同，水化半径小，吸附力强。三种吸附作用往往相伴发生，水处理中的吸附大部分是综合作用的结果。吸附平衡 吸附速度=解

14、吸速度 如果吸附是可逆的，存在吸附和解吸两个过程。当吸附质在吸附剂表面达到动态平衡时，吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面的浓度都不再改变，此时溶液中的吸附质浓度称为平衡浓度。吸附剂的吸附量 吸附剂吸附能力的大小用吸附量q表示：在吸附平衡条件下以及一定温度和压力下，单位重量的吸附剂吸附的吸附质的重量。吸附量q（g/g）按下式计算：（11-23）式中：V水的体积，L；C0原水中吸附质浓度，g/L；C平衡水中的残余吸附质浓度，g/L；W活性炭投加量，g 吸附等温线 温度一定的条件下，V、C0一定时，改变投炭量，吸附的平衡浓度和吸附量均发生相应改变的曲线。其规律如图所示Freundlich等温吸附公式

15、在双对数坐标上可得一近似直线（如图所示）Langmuir等温吸附公式 Freundlich等温吸附公式（11-24）（11-25）式中：K，n常数Freundlich等温吸附公式是一个经验公式 Langmuir等温吸附公式 根据分子运动学说，通过一些假设而推导的单分子层吸附公式如下：(11-26)式中：a，b常数 线性化：(11-27)废水进行吸附前，应先经预处理去除悬浮物、油类等杂质，避免堵塞吸附剂的孔隙。吸附操作分为静态与动态操作方式。静态为间歇式，很少用(小流量，间歇排放)；动态操作为连续式，有固定床、移动床和流动床三种。吸附的操作方式操作方式1、固定床水连续进入和流出，经床层吸附杂质可

16、得到清洁的出水。为充分发挥炭床的最大吸附作用，常采用多塔串联运行。2、移动床水由下部进入上部排出，底层饱和的炭定期由下部排出，经再生的炭由塔顶补充，可节省占地面积。3、流动床（流化床）利用进水动力使炭粒之间发生相对运动，呈流化态悬浮，利于炭水的充分接触。活性炭的再生 在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，将吸附质从吸附剂表面去除，以便恢复吸附剂的吸附能力的过程称为吸附剂的再生。再生方法：加热再生法 化学再生法 生物再生法吸附在水处理中的应用 给水处理：过滤之后，去除微量有害物质的臭味，脱氯废水处理：深度处理，微量污染物。脱色、除臭 去除重金属离子 脱除溶解性有机物 去除放射性物质教材P

17、52膜分离法概述1 扩散渗析法 2 电渗析 3 反渗透 4 超滤 概述 凡是使溶液中一种或几种成分不能透过，而其它成分能透过的膜都叫半透膜。半透膜最大的特点是选择透过性。膜分离法就是用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使溶液中的某种溶质或溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的。概述 根据采用的膜的种类不同和分离的推动力不同，膜分离法可区别如下：分离过程推动力膜用途扩散渗析浓度差渗析膜分离溶质，回收酸、碱等电渗析电位差离子交换膜分离离子，用于回收酸、碱，苦咸水淡化反渗透压力差反渗透膜分离小分子溶质，用于海水淡化、去除无机离子或有机物超滤压力差超过滤膜截留分子量大于500的大分子，去除粘土、植物质、

18、油漆、微生物等概述膜分离技术的共同优点是：常温下操作，不消耗热能，无相变化，无相变能耗，设备简单，易操作，无化学药剂消耗，分离与浓缩同时进行，有利回收；缺点是处理能力小，需消耗相当的能量。扩散渗析法 利用渗透膜将浓度不同的溶液分开，溶质即从浓度高的一侧透过半透膜而扩散到浓度低的一侧，当膜两侧的浓度达到平衡时，渗析过程停止。扩扩散散渗渗析析主主要要用用于于酸酸、碱碱的的回回收收，回回收收率率可可达达7090%，但不能将它们浓缩。，但不能将它们浓缩。例：扩散渗析法从含H2SO4、FeSO4的废水中回收酸电渗析法一、原理在直流电场的作用下，利用离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（阴膜只允许阴离

19、子通过，阳膜只允许阳离子通过）而使溶液中的溶质与水分离的方法。可对废水中污染物质进行浓缩、回收。给水处理中，可获得淡水。电渗析系统由一系列阴、阳膜置放于两电极之间组成。离子减少的隔室称为淡室，出水为淡水；离子增多的室称为浓室，出水为浓水；与电极板接触的隔室称极室，出水为极水。电渗析原理电渗析法的离子交换膜n离子交换膜离子交换膜一种由高分子材料制成一种由高分子材料制成的具有离子交换集团的薄膜，具有离子的具有离子交换集团的薄膜，具有离子选择通过性。选择通过性。按膜体构造分：按膜体构造分：异相膜异相膜 均相膜（电化性均相膜（电化性好，耐温性能好；但制造较复杂）好，耐温性能好；但制造较复杂）按膜的作用

20、分：阳膜、阴膜、复合膜按膜的作用分：阳膜、阴膜、复合膜膜的选择原则：教材膜的选择原则：教材P60电渗析法的设备n由膜堆（隔板+离子交换膜）、极区（电极+极框+垫板）、压紧装置组成。n隔板隔开阴膜和阳膜，也是水流的通道。n电极石墨电极、钛涂钌电极、铅电极n膜对数1-120对。电渗析法的应用影响电渗析的因素有浓差极化、结垢、腐蚀等。电渗析法的操作事项浓差极化：由于电流强度过大，使膜附近与水流主体之间产生浓度差。原因由于水流主体内的离子来不及补充到膜表面水层，因而膜表面水层发生电离，使阴膜浓室的pH升高，产生结垢现象.措施有极限电流法、倒换电极法、定期酸洗法、增加水流主体紊动程度等方法。反渗透一、渗

21、透与反渗透1、渗透 一种膜只允许溶剂通过而不允许溶质通过，用这种膜将盐和水、淡水或两种浓度不同的溶液隔开，则可发现水将从淡水侧或浓度低的一侧通过膜自动渗透到盐水或浓度高的一侧，直至达到平衡时为止，这种现象为渗透作用。渗透平衡时，溶液两侧液面的静水压差称为渗透压。（见图所示）2、反渗透、反渗透若在盐水一侧施加大于渗透压的若在盐水一侧施加大于渗透压的压力，则盐水中的水就会流向淡压力，则盐水中的水就会流向淡水侧，此种现象称为反渗透。水侧，此种现象称为反渗透。反渗透二、反渗透膜常用的反渗透膜有两种CA膜和中空纤维膜CA膜成膜材料为醋酸纤维素中空纤维膜以醋酸纤维素、脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺为材料制成。

22、三、反渗透装置板框式主要用于超滤管式用于超滤或反渗透螺卷式用于反渗透中空纤维膜用于超滤和反渗透超滤一、原理超滤又称超过滤，用于去除废水中大分子物质和微粒。超滤之所以能够截留大分子物质和微粒，其机理是：膜表面孔径机械筛分作用，膜孔堵塞、堵滞作用和膜表面及膜孔对杂质的吸附作用，主要是筛分作用。二、超滤膜常用的超滤膜醋酸纤维膜、聚砜膜 超滤三、废水处理中的应用处理染料废水、涂装废水及含油乳化废水等，可去除废水中大分子物质，回收染料、漆等，得到较为纯净的出水。目前，超滤被用于活性污泥法处理中。国际上现在研究较多的是膜+活性污泥法，利用超滤膜分离活性污泥，可省去二沉池并得到SS极低的出水，并可避免污泥膨胀等现象。曝气池需在一定压力下运转。膜+活性污泥法目前处于研究的前沿。