《其他传质分离方法》PPT课件.ppt

第六章 其他传质分离方法 学习目标 了解离子交换分离、气浮分离及电解分离等环境工程 中常见的传质分离方法的基本概念，在环境工程中的应用。 掌握离子交换分离、气浮分离及电解分离的基本原理， 各种常用设备选用。 第一节 离子交换分离 离子交换分离是利用固相离子交换剂功能基团所带的可 交换离子，与接触交换剂的溶液中相同电性的离子进行交换 反应，以达到粒子的置换、分离、去除、浓缩等目的。 一、离子交换的基本原理 离子交换剂 离子交换剂：离子交换树脂 无机离子交换剂（如天然与合成沸石） 天然有机交换剂（如磺化煤等） 离子交换树脂的固体骨架多为苯乙烯和二乙烯苯的共聚 物，它具有三维交联结构。 可用化学反应的方法，将某些离子功能基团加到聚合物骨架 上，将其转变成具有离子交换性能的水溶胀性的凝胶。 a-苯乙烯烯与二乙烯烯共聚物； b-丙烯烯酸与二乙烯烯共聚物 a-磺化；b-阳离子交换树脂中的固定离子与 迁移离子示意；c-氯甲基化和氨基化 离子交换平衡 离子交换平衡规律的理论依据为质量作用定律。 离子交换反应为： 交换换反应应的平衡关系： K K - 离子交换平衡选择系数。 K 值越大，吸着量越大，即溶液中的 Bn+ 离子的去除 率越高。根据K值的大小，可以判断交换树脂选择性的强弱。 强酸性阳离子交换树脂的选择系数 离子种类 二乙烯苯含量 离子种类 二乙烯苯含量 48164816 Li+ H+ Na+ NH4+ K+ Rb+ Cs+ Ag+ Tl+ UO22+ 1.00 1.32 1.58 1.90 2.27 2.46 2.67 4.73 6.71 2.36 1.00 1.27 1.98 2.55 2.90 3.16 3.25 8.51 12.4 2.45 1.00 1.47 2.37 3.34 4.50 4.62 4.66 22.9 28.5 3.34 Mg2+ Zn2+ Co2+ Cu2+ Cd2+ Ni2+ Ca2+ Sr2+ Pb2+ Ba2+ 2.95 3.13 3.23 3.29 3.37 3.45 4.15 4.70 6.56 7.47 3.29 3.47 3.74 3.85 3.88 3.93 5.16 6.51 9.91 11.5 3.51 3.78 3.81 4.46 4.95 4.06 7.27 10.1 18.0 20.8 传质速率 在离子交换过程中，同样存在着两个主要的传质阻力： 离子交换剂粒子附近的边界层中产生的外部传质阻力。 是在粒子内部的扩散传质阻力。 一般来说，溶液中交换离子的浓度很低时，外部传质是 控制步骤，在分离因数或选择性系数很高时，倾向于外部扩 散控制。 二、离子交换设备 最常用的离子交换设备： 1.固定床 - 床层固定不变，水流由上而下流动。 2.移动床 - 交换设备主要由交换柱和再生柱两部分组成。 3.流动床 - 交换树脂在连续移动中实现交换和再生。 三、离子交换技术的应用 含汞污水的处理： 用巯基树脂交换柱进行处理。 含镉污水的处理： 用D370大孔叔胺型弱碱性阴离子交换树脂来处理。 除磷脱氮： 用离子交换法对城市污水进行深度处理。 第二节 气浮分离 气浮分离 - 在污水中利用大量的微小气泡作为载体去 粘附疏水性悬浮固体和乳化油，使其随气泡浮升到水面，形 成泡沫层，然后用机械方法撇除。 一、气浮分离原理 空气、污水、污水中细小颗粒物质组成三相系统，由于 细小颗粒粘附到气泡上时，使气泡界面发生变化，引起界面 能的变化。 E0，界面能减少，颗粒粘附在气泡上； E0，则颗粒不能粘附于气泡上， E（1cos） 不同悬浮颗粒与水的润湿情况 二、气浮分离设备气浮池 气浮池结构 平流式气浮池的设计 接触室面积积Ac Ac 分离室表面积积As As 核算 气浮池总总高H（m） t20min H=h1+h2+h3 三、气浮分离在环保工业中的应用 分离地面水中的细小悬浮物、藻类以及微絮体； 回收工业污水中的有用物质，如造纸厂污水中的纸浆 纤维及填料等； 代替二次沉淀池，分离和浓缩剩余活性污泥，特别适 用于那些易于产生污泥膨胀的生化处理工艺中； 分离回收油污水中的悬浮油和乳化油； 分离回收以分子或离子状态存在的目的物，如表面活 性剂和金属离子等。 第三节 电解分离技术 一、电解分离原理 接通直流电源后，电解槽的阴极和阳极之间发生了电位 差，驱使正离子移向阴极，在阴极取得电子，进行还原反应； 负离子移向阳极，在阳极放出电子，进行氧化反应。从而使 得污水中的污染物在阳极被氧化，在阴极被还原，或者与电 极反应产物作用，转化为无害成分被分离除去。 二、电解设备电解槽 电解槽的结构形式 电解槽极板电路结构形式 三、电解分离在环保工业中的应用 电解凝聚法对各类污水处理的工艺参数 污污水来源PH 电电量消耗 /(A.h/L) 电电流密度 /(A.min/dm2) 电电能消耗 /(kW.h/m3) 电电解电压电压 ( 单单极式)/V 电电极金属消 耗/(g/m3) 电电极 材料 极距 /mm 污污水电电解 时间时间 /min 制革厂8-100.3-0.80.5-1.01.5-3.03-5250-700钢钢板2020-25 毛皮厂8-100.1-0.31-20.6-1.53-5150-200钢钢板2020 肉类类加工 厂 8-90.08-0.121.5-2.01.0-0.158-1270-110钢钢板2040 电镀电镀 厂9-10.50.3-0.150.3-0.50.4-2.59-1245-150钢钢板1020-30 第四节 生物处理技术 一、好氧生物处理 1.活性污泥法 活性污泥法的基本原理 生物吸附阶段 生物氧化阶段 絮凝体形成与凝聚沉淀阶段 活性污泥法的基本流程 活性污泥法基本流程图 曝气池装置 鼓风曝气式曝气池 机械曝气式曝气池 机械曝气法装置简图 2.生物膜法 依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物。 基本原理 生物膜对污水的净化作用 生物膜法设备 生物滤池 a.普通生物滤池 普通生物滤池构造图 b.高负荷生物滤池 高负荷生物滤池剖面图 c.塔式生物滤池 塔式生物滤池 生物转盘 生物转盘工作情况示意图 二、厌氧生物处理 厌氧生物处理是在无氧的条件下，利用兼性菌和厌氧菌 分解有机物的一种生物处理法。 1.厌氧生物处理的基本原理 第一阶段 - 酸性发酵阶段。 第二阶段 - 碱性发酵阶段，又称作甲烷发酵阶段。 厌氧处理的生化过程 2.常用的厌氧处理设备 厌氧消化池 固定盖式消化池的构造图 上流式厌氧污泥床反应器 上流式厌氧污泥床反应器 三、生物处理技术在环保中的应用 生物法除磷 生物法除磷的基本类型: A/O法（厌氧好氧法） Phostrip除磷工艺流程 生物法脱氮 第五节 其他新型分离技术 n一、新型萃取技术 n超临界萃取 （supercritical fluid extraction ） 以超临界流体为萃取剂，利用其对脂肪酸、植 物碱、醚类、酮、甘油脂等物质具有溶解作用， 从固态或液态混合物中将这些物质提取出来的技 术。 n双水相萃取 （aqueous two-phase extraction） 某些亲水性高分子聚合物的水溶性超过一定浓度 后可形成两相，利用待分离组分在两水相中的分 配系数差异来分离的萃取技术。 第五节 其他新型分离技术 n凝胶萃取 （gel extraction） 利用凝胶在溶剂中的溶胀与收缩特性、以及凝胶网络对大分子、微 粒等的排斥作用来实现溶液中特定组分分离与浓缩的技术。 n膜基萃取 （membrane based extraction） 利用微孔膜的亲水或疏水性，使萃取剂与萃取液的两相传质界面固 定在膜的一侧表面上，来实现萃取的一种新技术 n支撑液膜萃取 （support liquid membrane extraction） 支撑液膜孔内充满膜溶剂，将料液相与反萃相分隔，实现渗透溶质的 选择性萃取回收或去除的分离技术。 反相胶团萃取 二-（3-乙基己基）琥珀酸酯磺酸钠（AOT ） 二、基于场效应的分离技术 n重力场、压力场、离心力场分离 利用外加力场的作用，使混合物中各组分本身特征 带来其在场内运动的特性差异，由此来达到分离的 技术。 n磁场分离 利用不同物质在磁场中具有不同磁性的特点来分离 混合物的技术。 力场中速度差分离原理与改进 重力场的能源成本为零 n静电除尘 荷电粒子置于电场时会向着与其电荷相反方向移动，利用荷电粒 子的移动速度及方向差异来进行分离的技术。 n电泳 利用分子大小、荷电性与荷电量、以及溶液的酸碱度（pH）等的 差异。 n双极膜水解离 利用阴、阳离子膜复合而成的双极膜，在直流电场的作用下，使 双极膜间的水解离并使OH 和H分别透过阴、阳膜来实现酸或碱 回收、食盐的电解等。 三、电泳分离技术 n指带电粒子在电场中朝与自身带相反 电荷的电极移动的现象 CATHODE ANODE +- - + 用支持体的电泳技术 1. 滤纸电泳2.醋酸纤维薄膜电泳3.薄层电泳 4.非凝胶性支持体区带电泳 （ 淀粉，纤维素粉，玻璃粉，硅胶等 ） 5.凝胶支持体区带电泳 （ 聚丙烯酰胺凝胶，琼脂糖凝胶 ） 不用支持体的电泳技术 Tiselius或微量电泳 操作形式： 1. 区带电泳2.等速电泳3.等电点电泳 电泳形式分类 四、平板型电场除尘技术 双极膜结构示意图 双极膜电渗析过程示意图 五、光催化反应净化空气 六、耦合与集成分离技