第二章 水物理化学处理方法4.ppt

第二节水中悬浮物质和胶体物质的去除 气浮 一 气浮理论基础气浮法是利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附废水中的悬浮物 使其随气泡浮升到水面而加以分离去除的一种水处理方法 气浮分离的对象是乳化油以及疏水性细微固体悬浮物 如细沙 纤维 藻类以及乳化油滴等 实现气浮分离的三个条件 1 必须使待分离的污染物形成不溶性的固体或液体悬浮体 2 必须使气泡能够与悬浮粒子相粘附 3 必须在水中产生足够数量的细微气泡 一 气浮的理论基础 实现气浮分离过程的必要条件是使污染物能够粘附在气泡上 气 液 固 液 三相介质的问题 界面能的大小可用下式表示 S式中r 界面张力 N m S 界面面积 m2 界面能有降低到最小的趋势 当水中有气泡存在时 悬浮颗粒就力图黏附在气泡上而降低其界面能 悬浮颗粒与气泡的黏附性 悬浮颗粒与气泡的黏附性取决于水对该种物质的润湿性 水对各种物质润湿性的大小可用它们与水的接触角来衡量 水对颗粒物质的润湿性 当 0时 这种物质不能气浮 90 这种物质附着不牢 易于分离 当 180 时 这种物质易被气浮 对于亲水性颗粒 对于亲水性颗粒 若用气浮法进行分离 则需要经过浮选剂处理 使颗粒表面转变为具有疏水性而附着于气泡上 在废水中投加浮选药剂 选择性地将亲水性的污染物变为疏水性 从而能附着在气泡上 然后一起浮升到水面而加以去除的又一种水处理方法 称之为药剂浮选法 浮选分离的对象是亲水性固体悬浮物及重金属离子等 两者的理论基础是相同的 有时统称为气浮法 浮选剂 浮选剂大多是由极性 非极性分子所组成 一般用符号O一表示 浮选剂的极性基团能选择性地被亲水性物质所吸附 非极性基团则朝向水 这样亲水性物质的表面就具有疏水性而黏附在空气泡上了 同时浮选剂还有促进气泡的作用 常见的浮选剂有 松香油 脂肪酸盐等 同时浮选剂还有促进气泡的作用 常见的浮选剂有 松香油 脂肪酸盐等 气浮设备 气浮设备一般按水中气泡产生的方法分类 常用的气浮设备有加压溶气气浮 叶轮气浮 电解空气浮上法等 溶解空气浮上法 分散空气浮上法 电解空气浮上法 加压溶气设备 加压溶气气浮法具有以下优点 1 在加压条件下 空气的溶解度大 供气浮用的气泡数量多 能够确保气浮效果 2 溶入的气体经骤然减压释放 产生的气泡不仅微细 粒度均匀 密集度大 而且上浮稳定 对液体扰动微小 因此特别适用于对疏松絮凝体 细小颗粒的固液分离 3 工艺过程及设备比较简单 便于管理 维护 叶轮气浮 曝气气浮和射流气浮 曝气气浮是将压缩空气直接打入装在气浮池底的扩散板或微孔管 穿孔管 帆布管中 使空气形成细小的气泡进入废水进行气浮 射流气浮则是利用射流器将水从其喷嘴高速喷出 周围空气被卷带一同进入射流器喉管和扩散管 使空气与水充分混合并减压变成微小气泡 在气浮池内上升进行气浮 气浮法在水处理中的应用废水处理 洗煤水石油工业废水造纸工业废水电镀工业废水毛纺工业洗毛废水 给水 高含藻水源的净化 武汉东湖水厂 气浮替代沉淀 藻类去除率达80 以上 低温 低浊水的净化 沈阳市自来水厂 对受污染水体的净化 对水体曝气 减轻嗅味与色度 优点 处理效率高 且占地面积小生成的污泥比较干燥 表面刮泥也方便可以同时去除多种污染物 表面活性剂 嗅味物质等 增加了水中溶解氧 利于后续生物处理缺点 耗电 维修 水的软化和除盐离子交换法吸附法膜分离技术 第三节水中溶解物质的去除 一 水的软化和除盐 一 软化的基本方法加热软化 不能去除非碳酸盐硬度 很少使用药剂软化 加入石灰 纯碱 石膏等药剂 使Ca2 Mg2 等离子沉淀 但是会有少量不能沉淀 有残余硬度 离子交换 用离子交换剂 将Ca2 Mg2 等离子交换出来 比较彻底 二 除盐的基本方法有蒸馏法 离子交换法 电渗析等 二 离子交换法 离子交换基本理论离子交换剂的分类及组成 性能指标离子交换的工艺过程离子交换树脂的再生 1 基本概念 概念 利用离子交换树脂作为吸附剂 将溶液中的待分离组分 依据其电荷差异 依靠库仑力与树脂可交换离子进行置换 然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来 达到分离的目的 实质 不溶性离子化合物 离子交换剂 上的可交换离子与溶液中的其他同性离子的交换反应 是一种特殊的吸附过程 通常是可逆化学吸附 离子交换是可逆反应 其反应式可表达为 交换树脂 交换离子 饱和树脂 在平衡状态下 树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式 K值的大小能定量地反映离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小 离子交换过程的特点在于 它主要吸附水中以离子态存在的物质 并进行等当量的离子交换 在废水处理中 离子交换主要用于回收和去除废水中金 银 铜 镉 铬 锌等金属离子 对于净化放射性废水及有机废水也有应用 2 离子交换剂的分类及组成 离子交换剂分为无机和有机两大类 无机的离子交换剂有天然沸石和人工合成沸石 沸石既可作阳离子交换剂 也能用作吸附剂 有机的离子交换剂有磺化煤和各种离子交换树脂 离子交换树脂是一类具有离子交换特性的有机高分子聚合电解质 离子交换树脂的合成一般是先制备母体 然后通过化学反应引入相应的离子交换基团 生成离子交换剂的树脂母体最常用苯乙烯聚合物 离子交换树脂的结构 带有活性基团的网状高分子聚合物 母体 活性基团 酚醛树脂 聚乙烯树脂 交联剂 酸性基团 碱性基团 SO3H COOH N R3 NR2 特殊基团 离子交换树脂的结构 按活性基团不同 按树脂类型和孔隙结构不同 离子交换树脂的类型 分类 凝胶型树脂 大孔型树脂 多孔凝胶性树脂 巨孔型 MR型 树脂 高巨孔型 超MR型 树脂 分类 含酸性基团的阳离子交换树脂 含碱性基团的阴离子交换树脂 含有胺羧基团等的螯合树脂 含有氧化还原基团的氧化还原树脂 两性树脂 大孔型离子交换树脂 按活性基团中酸碱的强弱分为 a 强酸性阳离子交换树脂 活性基团一般为 SO3H 又称磺酸型阳离子交换树脂 b 弱酸性阳离子交换树脂 活性基团一般为 COOH 活性基团中的H 可以被Na 代替 因此又可分为氢型和钠型 c 强碱性阴离子交换树脂 活性基团一般为 NOH 又称为季胺型阴离子交换树脂 d 弱碱性阴离子交换树脂 活性基团一般有 NH3OH等 阴离子交换树脂中的氢氧根离子OH 可以用氯离子Cl 代替 因此又有氢氧型和氯型之分 3 离子交换树脂的性能指标 1 离子交换容量交换容量是树脂交换能力大小的标准 可以用重量法和容积法两种方法表示 重量法是指单位重量的干树脂中离子交换基团的数量 用mmo1 g或mo1 g来表示 容积法是指单位体积的湿树脂中离子交换基团的数量 用mmol L或mol m3树脂来表示 由于树脂一般在湿态下使用 因此常用的是容积法 全交换容量是指树脂中活性基团的总数 工作交换容量是指在给定的工作条件下 实际所发挥的交换容量 实际应用中由于受各种因素的影响 一般工作交换容量只有总交换容量的60 70 2 含水率含水率通常以每克湿树脂 去除表面水分后 所含水分百分数来表示 主要取决于树脂的交联度 反映了树脂网架中的孔隙率 交联度越小 孔隙率越大 含水率就越高 3 密度离子交换树脂的相对密度有三种表示方法 干真密度 湿真密度和湿视密度 干密度是指在115 真空干燥后的密度 湿真密度是指树脂在水中充分膨涨后的质量与树脂所占体积 不包括空隙 之比 湿视密度是指树脂在水中充分膨涨后单位体积树脂所具有的质量 4 溶胀性当树脂由一种离子型态转变为另一种离子型态时所发生的体积变化称为溶胀性或膨胀性 树脂溶胀的程度用溶胀度来表示 如强酸阳离子交换树脂由钠型转变成氢型时 其体积溶胀度约为5 7 5 耐热性各种树脂所能承受的温度都有一个高限 超过这个极限 就会发生比较严重的热分解现象 影响交换容量和使用寿命 6 交联度交联剂占单体质量的百分数称为交联度 交联度直接影响树脂的性能 交联度越高 树脂的机械强度就越大 对离子的选择性就越强 但交换速度就越慢 7 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选择性 它是决定离子交换法处理效率的一个主要因素 1 在低浓度和常温下 离子的交换势 即交换离子与固定离子结合的能力 随溶液中离子价数的增加而增加 例如 Th4 Al3 Ca2 Na 2 在低浓度和常温下 价数相同时 交换势随原子序数增加而增加 这是因为原子序数大 水化离子半径小 作用力就强 例如 Ba2 Sr2 Ca2 Mg2 3 交换势随离子浓度的增加而增大 高浓度的低价离子甚至可以把高价离子置换下来 这就是离子交换树脂能够再生的依据 4 H 离子和OH 离子的交换势 取决于它们与固定离子所形成的酸或碱的强度 强度越大 交换势越小 5 金属在溶液中呈络阴离子存在时 一般来说交换势降低 8 化学稳定性废水中的氧化剂 如氧 氯 铬酸 硝酸等 由于其氧化作用能使树脂网状结构破坏 活性基团的数量和性质也会发生变化 防止树脂因氧化而化学降解的办法有三种 一是采用高交联度的树脂 二是在废水中加入适量的还原剂 三是使交换柱内的pH值保持在6左右 除了上述几项指标外 还有树脂的外形 粘度 耐磨性 在水中的不溶性等 6 水质对树脂交换能力的影响 1 悬浮物和油脂废水中的悬浮物会堵塞树脂孔隙 油脂会包住树脂颗粒 都会使交换能力下降 因此当这些物质含量较多时 应进行预处理 预处理的方法有过滤 吸附等 2 有机物废水中某些高分子有机物与树脂活性基团的固定离子结合力很大 一旦结合就很难进行再生 结果是降低树脂的再生率和交换能力 3 高价金属离子废水中Fe3 A13 Cr3 等高价金属离子能引起树脂中毒 当树脂受铁中毒时 会使树脂颜色变深 从阳离子树脂的选择性可看出 高价金属离子易为树脂吸附 再生时难于把它洗脱下来 结果会降低树脂的交换能力 为了恢复树脂的交换能力可用高浓度酸长时间浸泡 4 pH值强酸和强碱树脂的活性基团的电离能力很强 交换能力基本上与pH值无关 但弱酸性树脂在pH值低时不电离或部分电离 因此 在碱性条件下 才能得到较高的交换能力 而弱碱性树脂在酸性溶液中才能得到较大的交换能力 螯合树脂对金属的结合与pH值有很大关系 每种金属都有适宜的pH值 5 水温水温高虽可加速离子交换的扩散 但各种离子交换树脂都有一定的允许使用温度范围 6 氧化剂废水中如果含有氧化剂 如Cl2 O2 H2Cr2O7等 时 会使树脂氧化分解 强碱性阴树脂容易被氧化剂氧化 使交换基团变成非碱性物质 可能完全丧失交换能力 氧化作用也会影响交换树脂的本体 使树脂加速老化 结果使交换能力下降 7离子交换的工艺过程 离子交换的运行操作步骤 交换 利用离子交换树脂的交换能力 从废水中分离脱除需要去除的离子的操作过程反洗 反冲洗的目的有二 一是松动树脂层 使再生液能均匀渗入层中 与交换剂颗粒充分接触 二是把过滤过程中产生的破碎粒子和截留的污物冲走 为了达到这两个目的 树脂层在反冲洗时要膨胀30 40 冲洗水可用自来水或废再生液 再生 即交换反应的逆过程 使具有较高浓度的再生液流过树脂 将先前吸附的离子置换出来 从而使树脂的交换能力得到恢复 再生液的浓度对树脂的再生程度有较大影响 清洗 洗涤残留的再生液和再生时可能出现的反应产物 再生剂的选择强酸性阳离子交换树脂可用HCl或H2SO4等强酸及NaCl Na2SO4等再生 弱酸性阳离子树脂可以用HCl H2SO4等再生 强碱性阴离子交换树脂可用NaOH等类强碱及NaCl再生 弱碱性阴离子树脂可以用NaOH Na2CO3 NaHCO3等再生 离子交换法在给水处理中的应用 三 吸附法 3 1吸附的基本理论3 2吸附操作及设备3 3影响吸附的因素3 4吸附剂3 5吸附剂的解吸3 6吸附平衡和吸附等温线3 7吸附法处理的特点及应用 1 吸附的基本理论 1 吸附过程及分类吸附是指利用多孔性固体物质吸附废水中某种或几种污染物 以回收或去除某些污染物 使废水得到净化的方法 具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂 而废水中被吸附的物质称为吸附质 吸附是一种界面现象 发生在两个相的界面上 根据吸附剂与吸附质之间作用力不同 可分为物理吸附 化学吸附和离子交换吸附三种类型 1 物理吸附的特点 吸附剂和吸附质之间通过分子间力作用所发生的吸附为物理吸附 没有选择性 物理吸附主要发生在低温状态下 放热较小 可以是单分子层或多分子层吸附 解吸容易 影响物理吸附的主要因素是吸附剂表面积和细孔分布 2 化学吸附的特点 吸附剂和吸附质之间发生由化学键力引起的吸附称为化学吸附 有选择性 即一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用 吸附时放热量较大 通常需要一定的活化能 在低温时 吸附速度较小 吸附牢固 解吸困难 3 离子交换吸附的特点 指吸附质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上 并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子 吸附力为静电引力有一定的选择性吸附热与物理吸附相近 2 吸附平衡与吸附容量 当废水和吸附剂充分接触后 一方面吸附质被吸附剂吸附 另一方面一部分巳被吸附的吸附质由于热运动的结果 能够脱离吸附剂的表面 又回到液相中去 前者称为吸附过程 后者称为解吸过程 当吸附速度和解吸速度相等时 即单位时间内吸附的数量等于解吸数量时 则吸附质在液相中和吸附剂表面上的浓度都不再改变 此时称为达到吸附平衡 达到吸附平衡时吸附质在液相中的浓度称为平衡浓度 吸附容量是指单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量 一般用q表示 单位mg g或g g 如果用V表示废水体积 C0和C分别表示吸附前后吸附质的浓度 W表示吸附剂的质量 则 吸附速度 adsorptionrate 吸附速度是指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸附质的数量 第一个阶段称为颗粒外部扩散 又称为膜扩散 阶段 吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面 第二阶段称为孔隙扩散阶段 吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散 第三阶段称为吸附反应阶段 吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的表面上 2 吸附的操作及设备 1 吸附操作的分类按吸附操作过程中废水的流动状态 可把吸附操作分为静态吸附和动态吸附 废水在不流动条件下进行吸附操作为静态吸附操作 静态吸附操作工艺过程是把一定量的吸附剂投入欲处理的废水中 不断地进行搅拌达到吸附平衡后 再用沉降或过滤的方法使废水与吸附剂分开 静态吸附操作是间歇式操作 有时需要进行多次 如一次吸附后出水水质达不到要求时 往往采用多次静态吸附操作 由于多次吸附操作麻烦 在废水处理中应用较少 动态吸附操作是废水在流动条件下进行的吸附操作 动态吸附操作是连续的过程 一般是废水连续通过一定厚度的活性炭床层 使废水中的污染物吸附在活性炭中 从处理设备的类型上 可以分成固定床方式 移动床方式和流化床方式 2 固定床 固定床是废水处理中常用的吸附装置 让废水连续地通过填充吸附剂的设备 这种动态吸附设备中 吸附剂在操作过程中是固定的 所以叫固定床 固定床根据水流方向又分为升流式 up flow 和降流式 down flow 两种 降流式出水水质较好 水头损失较大 易堵塞 升流式水头损失小 运行时间较长 不易堵塞 但吸附剂易流失 固定床吸附塔示意图 粒状活性炭吸附层 固定床的操作是间断的 因为吸附饱和后需要更换新炭 2 移动床 移动床的运行操作方式是原水从吸附塔底部流入和吸附剂进行逆流接触 处理后的水从塔顶流出 再生后的吸附剂从塔顶加入 接近吸咐饱和的吸附剂从塔底排出 即吸附剂由上而下移动 所以称为移动床 按吸附剂排出的方式又分为间歇移动床和连续移动床 移动床充分利用吸附剂的吸附容量 水头损失小 移动床吸附塔构造示意图 粒状活性炭吸附层 去再生系统 新的或再生后的活性炭 移动床的进出水是连续的 活性炭的进出可以是连续的也可以是间断的 3 流动床 流动床也叫做流化床 吸附剂在塔中处于膨胀状态 塔中吸附剂与废水逆向连续流动 可使用小颗粒的吸附剂 吸附剂一次投量较少 不需反洗 设备小 生产能力大 预处理要求低 运转中操作要求高 不易控制 同时吸附剂的机械强度要求高 3 影响吸附的因素 1 吸附剂性质的影响1 比表面积单位重量吸附剂的表面积称为比表面积 吸附剂的粒径越小 或是微孔越发达 其比表面积越大 吸附剂的比表面积越大 则吸附能力越强 2 孔结构吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大 孔径太大 比表面积小 吸附能力差 孔径太小 则不利于吸附质扩散 并对直径较大的分子起屏蔽作用 2 吸附质的性质不饱和较饱和物质更容易被吸附对长链有机物的吸附优于对短链有机物的吸附对溶解度低的物质的吸附优于对溶解度高的物质的吸附 对非极性分子的吸附优于对极性分子的吸附如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸 乙酸 丙酸 丁酸的次序而增加 3 操作条件温度 吸附是放热过程 低温有利于吸附 升温有利于脱附 pH 溶液的pH