第四章水的物化处理方法.ppt

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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（NHOH，=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11411251407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+NO3-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；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P52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