物理化学课程报告Word格式文档下载.docx
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其中，水质净化与水污染控制工程包括水体自净和利用、给水净化处理、城市污水处理、工业废水处理与应用、废水再生与回用、城市、区域和水系的水污染综合整治、受污染水体的修复、水环境质量标准和废水排放标准。
大气污染控制工程包括大气质量管理、烟尘等颗粒物控制技术、气体污染控制技术、城市、区域大气污染综合整治、室内空气污染控制、大气质量标准和废气排放标准。
固体废弃物控制及噪声、振动与其他公害防治工程包括固体废弃物管理、固体废弃物无害化处理、固体废弃物的综合利用和资源化、放射性及其他危险废物的处理、噪声、振动和电磁辐射的防护与控制。
1、中国地质大学环境工程特色：
我校环境工程专业在学习环境工程一般专业基础理论基础上，特别突出我校地球系统科学和地下水科学的综合学科优势，在水污染防治特别是在地下水污染、地下水相关的环境地质问题研究等领域形成了鲜明的办学特色，使得本专业的学生既能在水污染防治、环境监测与评价、环境工程设计、环境规划管理等领域尽展所长，又能成为地质灾害防治、地下水资源开发保护方面的国家紧缺人才。
2、中国地质大学环境工程培养目标：
本专业培养具备城市和城镇水、气、声、固体废物等污染防治和给排水工程、污染控制规划和水资源保护等方面的知识，能在政府部门、规划部门、经济管理部门、环保部门、设计单位、工矿企业、科研单位、学校等从事规划、设计、施工、管理、教育和研究开发方面工作的环境工程学科高级工程技术人才。
学生通过学习各科专业知识要求掌握一下知识：
（1）、掌握普通化学、分析化学、物理化学、工程力学、测量学、工程制图、微生物学、水力学、电工学、环境监测与评价、环境工程学科的基本理论、基本知识；
（2）、掌握水污染控制工程、空气污染控制工程、噪声污染控制工程、固体废物处理处置与资源化工程的基本原理和设计方法；
（3）、具有污染物监测和分析、环境监测、环境质量评价、环境规划与管理的初步能力；
（4）、了解环境科学与技术的理论前沿和发展动态；
（5）、掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有初步的科学研究和实际工作能力。
3、中国地质大学环境工程专业教学内容
主干课程：
环境化学、有机化学、物理化学、工程制图、水力学、地质学基础、环境工程微生物学、环境工程设计原理、水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物处理与处置、环境监测、环境影响评价、环境规划与管理、地下水污染与防治、环境地质学。
主要专业实验：
水化学分析实验、水处理实验、环境监测实验、地下水污染与修复。
主要实践性教学环节：
工程制图实习、计算机语言编程课程设计、地球环境认识实习、基础地质实习、水处理及固废处理等专业课程设计、专业综合教学实习、毕业实习、毕业设计等。
相近专业：
环境科学、水文学与水资源工程、地下水科学与工程。
二、环境工程就业方向
中国地质大学环境工程专业毕业生面向政府环境保护部门、各类环境产业企业以及国家、地方大中型企业的安全环境保护部门，同时在国土资源、环境保护和评价、城市建设、水利、交通、电力等领域中都有需求。
中国地质大学环境工程专业毕业生的一次性就业率近三年平均为90%左右。
三、物理化学简介
一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面：
化学体系的宏观平衡性质：
以热力学的三个基本定律为理论基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。
在这一情况下，时间不是一个变量。
属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学、溶液、胶体和表面化学。
化学体系的微观结构和性质：
以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。
属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。
化学体系的动态性质：
研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。
在这一情况下，时间是重要的变量。
属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。
四、物理化学在环境工程中的应用
（1）物理化学法处理废水
城市污水处理项目作为环境改善项目对于城市的水环境保护、水资源利用、改善居民的生活环境都有着非常积极的意义。
环境工程专业方向更是着重于对水资源的回收利用，我们通过学习物理化学的基础理论知识，结合自身的专业知识，运用到实际生活问题中去，达到学以致用的目的。
废水经过物理方法处理后，仍含有某些细小的悬浮物以及溶解态有机物。
为了进一步去除残留在水中的污染物，可以采用物理化学的方法进行处理。
常用的物理化学方法有离子交换法、膜分法、吹脱法和气提法等。
一、离子交换法
离子交换法是一种借助于离子交换剂上离子和水中离子进行交换反应而除去废水有害离子态物质的方法。
在水的软化、纯水制备、贵重金属离子的回收及放射性废水、有机废水的处理中有着广泛的应用。
一、离子交换剂
分类、组成与结构：
1、物理化学性质：
因功能、用途的不同以及原材料的不同，树脂的物理化学性质也不同。
常用凝胶树脂的主要物理性能如下:
（1）外观及粒度：
凝胶型阳树脂为半透明的棕色或淡黄色小球，阴树脂的颜色略深。
（2）树脂密度：
1）湿真密度：
指树脂在水中充分溶解后的质量与真体积的比。
通常阳树脂的湿真密度比阴树脂大，强型的比弱型的大。
2）湿视密度：
指树脂在水中溶解后的质量与堆体积的比，通常阳树脂的密度大于阴树脂。
树脂在使用过程中，因基团脱落、骨架链的断裂等原因，其密度略有减小。
（3）含水量：
水中充分溶胀的湿树脂所含水的质量占湿树脂的百分数，含水量主要取决于交联度、活性基团的类型和数量等，一般在50%左右。
（4）溶胀性：
指树脂浸入水中，由子活性基团的水合作用使交联网孔增大，体积膨胀的现象。
溶胀程度常用溶胀率（溶胀前后的体积差/溶胀前的体积）表示。
（5）机械强度：
指树脂保持完整颖粒性的能力。
树脂在使用过程中由于受到冲击、碰撞、摩擦以及胀缩作用，会发生破碎。
因此，树脂应具有足够的机械强度，以保证每年树脂的损耗量不大于3%一7%。
（6）耐热性：
各种树脂均有一定的工作温度。
操作温度过高，易使活性基团分解，从而影响交换容量和使用寿命。
当温度低于0℃时，树脂内水分冻结，使颗粒破裂。
通常情况下树脂的使用和贮藏温度控制在5--40
℃。
（7）孔结构：
大孔树脂的交换容量，交换速度等性能与孔结构有关。
3、主要的化学性能：
（1）离子交换反应的可逆性；
（2）酸碱性；
（3）选择性；
（4）交换容量；
二、离子交换的基本理论
1、离子的交换平衡：
离子的交换过程可用下式表示:
交
RA+B
RB+A
再
2、离子交换速度：
（1）离子交换过程可以分为四个连续的步骤：
①离子从溶液的主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面的液膜（液膜扩散）；
②穿过液膜的离子继续在颗粒内的交换网孔中扩散，直至达到某一活性基团所处的位置；
③目的离子和活性基团中的可交换离子发生交换反应；
④被交换下来的离子沿着与目的离子运动相反的方向扩散，最后被主体水流带走；
（2）影响离子交换扩散速度的因素有以下几种：
①树脂的交联度越大、网孔越小，扩散速度越慢。
②树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面积增大，使扩散速度越快。
③溶液离子浓度越大，扩散速度越快。
④提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变薄，有利于离子的扩散。
⑤交换过程中的搅拌或提高流速，可使液膜变薄.加快液膜的扩散，但不影响内孔的扩散。
⑥被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩散速度越慢。
（3）为了提高离子交换的速度，可采取以下的措施：
1）提高离子穿过膜层的速度；
2）加快离子在树脂空隙内扩散速度的措施；
三、离子的交换过程
离子的交换过程包括交换和再生两个步骤。
若这两个步骤在同一设备中交替进行，则为间歇过程。
间歇操作过程操作简单，效果可靠，但当处理量大时，需多套装置并联运行。
如果交换和再生分别在两个设备中连续进行，树脂不断在交换和再生设备中循环，则构成连续过程。
固定床离子交换器间歇操作过程:
四、树脂的再生
树脂的再生，一方面可恢复树脂的交换能力，另一方面可回收有用物质。
1、再生方式：
（1）顺流再生：
在交换柱中，再生液与被处理溶液的流向相同，即由交换柱的顶部进液，底部排液。
（2）逆流再生：
在交换柱中，再生液与被处理液的流向相反，即从底部进液，顶部排液。
（3）分流再生：
再生液从交换柱的顶部、底部同时进人，从交换柱的中部排出。
（4）串联再生:
当两个或几个交换柱串联使用时，被处理液由顶部流至底部，再由底部串联接入下一个交换柱的顶部，如此串联至最后，从最后一交换杜的底部排出。
相反，再生液则由最后一个柱的顶部进入，由底部接入下一个交换柱的顶部，如此，直至从第一个交换柱的顶部排出。
（5）体外再生:
在阴阳离子混合交换柱中，树脂饱和后，两种树脂全部或仅阴树脂移出交换柱进行再生，再生后的树脂移回至混合交换柱中。
2、再生剂用量：
再生剂的用量与树脂再生效果、运行费用、再生方式、树脂类型及再生剂的种类均有关。
通常情况下，再生剂的用量越多，再生效率越高，但当再生剂用量增加到一定量后，再生效率随再生剂用量增长不大。
4、再生液温度：
在树脂允许的温度范围内，再生液的温度越高，再生效果就越好。
但为了节省运行费用，一般在常温下进行再生。
有时为了除去树脂中一些有害物质或再生困难的离子.再生液可加热到35-400C。
5、再生液的流速：
再生液的流速关系到再生液和树脂的接触时间，从而影响再生效果。
在离子交换柱中，再生液的流速一般控制在4一8m/s左右。
6、树脂再生后的清洗：
树脂再生后，树脂上会残留一些再生剂，要用产品水或去离子水进行正洗或反洗，清洗用水量由计算决定。
一般小型软化或纯水系统中，清洗水用量约占产品水量的10-20%。
五、离子交换系统与设备
完整的离子交换系统包括预处理单元、离子交换单元、再生单元和电控仪表系统等。
1、离子交换单元的分类：
2、离子交换固定床体系：
离子交换固定床体系是指树脂的交换和再生在同一设备内，不同的时间内完成，其运行方式为间歇运行。
根据水流方向和使用要求的不同，固定床可分为以下几种形式。
（1）单床和多床形式
在交换柱内只填装一种树脂，只用一个交换柱称为单床，如多个交换柱串联或并联使用，则称为多床。
（2）复床形式：
有的交换柱填充阳树脂，有的交换柱填充阴树脂，阴阳树脂的交换柱串联在一起使用的称为复床。
（3）双层床形式：
在逆流再生固定床内，依据一定的配比填装强、弱两种树脂，密度小、粒度细的弱型树脂在上层，密度大、颗粒粗的强型树脂在下层。
以这种型式组成的固定床称为双床。
离子交换固定床体系：
3、连续式离子交换系统：
固定床离子交换器内树脂不能边饱和边再生，树脂和容器的利用效率均很低，生产不连续，再生和冲洗时必须停止交换。
为了克服上述缺点，发展了连续式离子交换设备，主要型式有移动床和流动床。
三塔式移动床离子：
交换系统：
移动床的优点是树脂用量较少，在相同产水量时，约为固定床的1/3--1/2，能连续产水，水质较好。
但对进水变化的适应性较差，设备小，投资少。
其缺点是树脂的损耗率大，自动化程度要求较高。
移动床离子交换废水处理设备：
六、设计计算
离子交换系统的设计计算包括：
离子交换树脂的选择；
工艺系统的确定；
离子交换器尺寸的计算；
再生计算；
阻力的核算等；
1、直径的计算：
直径可由交换离子的物料衡算式计算，也可以根据要求的制水量和选定的水流空塔流速计算塔径。
2、高度的确定：
高度包括树脂层高度、底部排水区高度和上部水垫层高度三部分组成。
3、水力校核：
根据计算得到的塔径和塔高选择合适尺寸的离子交换器，进行水力校核。
二、膜分离技术
1、电渗析：
（1）电渗析原理：
电渗析是在渗析法的基础上发展起来的一项废水处理新工艺。
它是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性〔即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。
电渗析的工作原理见图：
（2）电渗析过程主要分成三个步骤:
①离解：
废水中的电解质在直流电场的作用下产生阴离子和阳离子。
②离子的迁移：
产生的阴、阳离子分别向电场的正、负电极移动，在移动过程中与离子交换膜相遇。
③电极反应:
电极与膜之间的隔离室称为极室，极室中的离子与电极反应；
阳极发生氧化反应、阴极发生还原反应。
（3）电渗析在废水处理中的应用：
电渗析法最先用于海水淡化制取饮用水和工业用水，海水浓水制取食盐，以及其他单元技术组合制取高纯水，利用电渗析法去除水中的盐分使水淡化，具有投资少、建设时间短、方便易行等优点，电耗量为1-15kW.h/m3淡水。
2、反渗透：
反渗透是利用半渗透膜进行分子过滤，来处理废水的一种新的方法，所以又称为膜分离技术。
（1）反渗透原理：
用一张半渗透膜将淡水和废水隔开，该膜只让水分子通过，而不让溶质通过。
由于淡水中水分子的化学位比溶液中水分子的化学位高，所以淡水中的水分子自发地透过膜进人废水中，这种现象称为渗透。
在渗透过程中，淡水一侧液面不断下降，而废水一侧的液面不断上升。
当两液面不再发生变化时，渗透便达到了平衡状态，此时两液面的压差称为该种废水的渗透压。
如在废水一侧加上一定的压力P后，就会造成废水中的水分子被压力压过半渗透膜而进人清水一侧，结果使得废水中的溶质及悬浮物被分离，而使废水得到净化。
由于这种过程与渗透过程相反，所以称为反渗透。
反渗透原理示意图：
（2）反渗透工艺在废水处理中的应用：
反渗透最早用于海水淡化，随着反渗透膜材料的发展，高效膜组件的出现，反渗透的应用领域不断扩大。
在海水和苦咸水的脱盐，锅炉给水和纯水制备，废水处理与再生，有用物质的分离和浓缩等方面，反渗透都发挥重要的作用。
3、超滤：
超过滤法简称超滤法，与反渗透一样也依靠推动力和半透膜实现分离。
两种方法不同的是，超滤法所需的压力较低，一般约在0.1-0.5MPa压力下进行，而反渗透的操作压力为2-10MPa。
超滤法和反渗透法中都使用半渗透膜，超滤法中使用最多的半渗透膜（称超滤膜）也是醋酸纤维素制成的膜，但其性能不同，膜上的微孔直径较大，约为0.002-10微米，而反渗透法中使用的半渗透膜（称反渗透膜）的孔径较小，只有0.0003-0.06微米，所以超滤法适用于分离相对分子质量大于500，直径为0.005-10微米的大分子和胶体，这类液体在中等浓度时，渗透压很小；
而反渗透一般用来分离相对分子质量低于500，直径为0.0004-0.06微米的糖、盐等渗透压较高的体系。
三、萃取法
1、原理
萃取采用与水不互溶但能很好溶解污染物的萃取剂，使其与废水充分混合接触，利用污染物在水和溶剂中的溶解度或分配比的不同，达到分离、提取污染物和净化废水的目的。
2、萃取法适用于以下情况的废水处理：
（1）具有共沸点的恒沸混合液，而不能用蒸馏、蒸发的方法分离的废水；
（2）对热敏感的物质，在蒸发和蒸馏的高温条件下，易发生化学变化或易燃易爆的物质；
（3）沸点非常接近的，难以用蒸馏方法分离污染物质的废水；
（4）对挥发度差的物质；
（5）某些用化学方法处理复杂、且成本较高的废水。
3、提高萃取速度的措施：
（l）增大两相接触面积；
（2）增大传质系数；
（3）增大传质动力；
4、萃取剂的选择：
要使萃取获得满意的效果，必须选择恰当的溶剂，这关系到萃取剂本身的用量、两液相的分离效果、萃取设备的大小等技术经济指标。
萃取剂选择的依据如下：
①萃取能力大，要有较大的分配系数。
②萃取剂的物理化学性质与废水有较大的区别。
主要是从密度、沸点、表面张力、粘度等方面考虑。
③来源广、价格便宜。
④溶质要易于再生和回收。
将萃取相分离，可同时回收溶质和溶剂，具有重大的意义。
温度对萃取过程有重要的影响，在多数情况下，温度增高，溶质在废水中及萃取剂中的溶解度要增大，且后者往往大于前者，这样对萃取是有利的。
温度升高，液体的粘度也要降低.对萃取剂与水的分离有利。
但另一方面，温度升高，萃取剂本身在水中的溶解度也增大，即增加了萃取剂的损失，对萃取不利。
5、萃取工艺及设备：
萃取工艺按两相接触方式可分为两大类，即间歇萃取和连续萃取。
（1）间歇萃取：
工业上的间歇萃取一般采用多段逆流方式，萃取系统由一系列混合沉降器组成，混合器内装有搅拌装置，使废水与近饱和的萃取剂接触，而新鲜萃取剂则与经过几段萃取后的稀浓度废水相遇，这样可达到高的萃取效率和少的溶剂用量。
（2）连续萃取：
连续式萃取操作是在塔设备中进行的，废水由塔顶进入并向下流动，萃取剂由塔底向上流动，两相在塔内逆流接触萃取。
连续萃取设备的选择，关键在于确定塔高和塔径。
常用的逆流萃取设备有填料塔、筛板塔、脉冲塔、转盘塔和离心萃取机等。
如果为防止受纳水体富营养化，则采用除磷和除氮的三级处理；
四、吹脱法与汽提法
汽提法、吹脱法都是用于脱除废水中的溶解性气体或易挥发性物质的一种方法。
即将气体（汽提剂）投加废水中、使溶解性气体或易挥发性物质变成气体，扩散到气体扩散剂气流中进行分离，从而净化废水的过程。
用这种方法处理废水，常选用两种不同的汽提剂，即空气和水蒸气。
习惯上将前者称为吹脱法，后者称为汽提法。
1、吹脱法：
（1）原理：
吹脱法的基本原理是气液相平衡和传质速度理论。
在气液两相系统中，溶质气体在气相中的分压与该气体在液相中的浓度成正比。
当该组分的气体分压低于溶液中该组分浓度对应的气相平衡分压时，就会产生溶质组分从液相向气相的传质。
从气液两相的平衡关系，可以采取以下措施降低溶质在液相中的溶解度：
①提高水溶液的温度以减小溶质在水溶液中的溶解度。
②降低溶质气体在液面上的分压。
③增大浓度差，办法是使气液两相呈逆流方式接触，提高操作强度，增大气、液流量比，降低分压。
提高解吸速度：
①解吸系数；
②增大气液相接触面。
可采用喷洒、鼓泡等措施以增大填料比表面积，也可采用气液逆流接触等；
③调整pH值。
溶质在废水中的存在状态与pH值密切相关。
（2）吹脱设备：
1）吹脱池：
主要依靠池液面与空气自然接触去除溶解气体的吹脱池称自然吹脱池，适用于易挥发溶解性气体、水温较高、风速较大以及有开阔场地、不易产生二次污染的场合。
2）吹脱塔：
常采用填料塔、板式塔等气液分离设备，吹脱效率高，可回收有用气体，防止二次污染。
板式吹脱塔的构造示意图：
2、汽提法：
汽提法主要用于脱除废水中的挥发性溶解物质。
废水与水蒸气直接接触，使挥发性物质按一定比例扩散至气相中，从而达到从废水中分离污染物的目的。
根据被处理废水中溶质的性质，大致可分为以下几类：
1）溶解性气体和极易挥发的物质；
2）与水互溶的挥发性物质；
3）与水不互溶的挥发性物质。
（2）应用：
吹脱法多用于脱除不能回收的溶解性气体，当分离的气体会对大气造成二次污染时，必须对其进行处理:
有的引人炉中作为燃料燃烧，有的将其破坏变成无害气体排放。
吹脱法需热量大。
解吸效率低，溶质分离回收困难，或者欲回收的物质被空气氧化，其挥发性较差时，需用蒸汽汽提法。
汽提法的特点是方法简便、经济，便于回收溶质，不易产生二次污染。
因此，汽提法比吹脱法应用广泛。
1）含硫废水的处理：
含硫废水包括硫化氢、酚和氰等化合物。
2）处理含氛废水：
含氛废水的处理既可采用空气吹脱法，也可采用蒸汽汽提法。
吹脱效率与pH值、温度淋水密度和汽水比有密切关系。
3）含酚废水的处理：
汽提法最早用于从含酚废水中回收挥发酚。
汽提法从含酚废水中回收挥发酚典型流程：
工作过程如下:
废水经换热器预热至1000C后，由汽提塔的顶部淋下，在汽提段内与上升的蒸汽逆流接触，在填料层中或塔板上进行传质。
净化的废水通过预热器排走。
含酚蒸汽用鼓风机送到再生段，相继与循环碱液和新碱液（含NaOH10%）接触，经化学吸收生成酚钠盐回收其中的酚，净化后的蒸汽进人汽提段循环使用。
碱液循环在于提高酚钠盐的浓度，待饱和后排出，用离心法分离酚钠盐晶体，加以回收。
汽提脱酚工艺简单，对处理高浓度（含酚lg/L以上）废水，经济上可以做到收支平衡，且不会产生二次污染。
但是，经汽提后的废水中酚的残余浓度仍较高，约400mg/L，必须进一步处理。
另外，由于再生段内喷淋热碱液的腐蚀性很强，设备必须采取防腐措施。
（2）生物表面活性剂及其在环境工程中的应用
生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时，在代谢过程中分泌的具有表面活性的代谢产物。
与化学合成表面活性剂相比，生物表面活性剂具有许多独特的属性，如：
结构的多样性、生物可降解性、广泛的生物活性及对环境的温和性等[1]。
由于化学合成表面活性剂受原材料、价格和产品性能等因素的影响，且在生产和使用过程中常会严重污染环境及危害人类健康。
因此，随着人类环保和健康意识的增强，近二十多年来，对生物表面活性剂的研究日益增多，发展很快，国外已就多种生物表面活性剂及其生产工艺申请了专利[2]，如乙酸钙不动杆菌生产的一种胞外生物乳化剂已经有了成品出售。
国内对生物表面活性剂的研制和开发应用起步较晚，但近年来也给予了高度重视，其中研究最多的就是生物表面活性剂在提高石油采收率以及生物修复中的应用。
1、生物表面活性剂的种类及其生产菌
1.1生物表面活性剂的种类
化学合成表面活性剂通常是根据它们的极性基团来分类，而生物表面活性剂则通
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