论物理化学方法在水处理的地位与发展趋势.docx

物理化学方法在水处理的地位与发展作者：张凯 指导老师：程继夏教授（长安大学环境科学与工程学院 2012229040）摘要：随着水环境问题日益严峻，物理化学法在水处理中的应用日显重要。本文阐述了物理化学方法在水处理中应用，并简述膜处理在水处理的作用，指出膜处理是物理化法处理污水的发展趋势。关键词：物理化学 水处理 膜处理引言随着近代工业的快速发展，造成的环境问题日益严峻，工业污水中经常含有某些细小的悬浮物及溶解静态有机物，为了进一步去除残存在水中的污染物，常采用物理化学方法进行处理，物理化学处理法是一种运用物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法。它是由物理方法和化学方法组成的废水处理系统，或是包括物理过程和化学过程的单项处理方法。以物理作用为主的各种处理废水的方法称为物理处理方法,也称为物理单元操作,如筛撼(筛分)、粉碎、水盆调节、混合、絮凝、沉淀、浮选及过滤等,都是典型的物理处理单元操作,或物理处理单元技术。通过投加化学药剂,或通过化学反应使废水发生变化,以达到去除各种污染物的处理方法称为化学处理方法,也称为化学处理单元过程,如化学沉淀、气体传递(曝气充氧)、离子交换、吸附、消毒等均属化学处理单元过程。为了更好地达到去除废水中污染物的目的,人们通常都是将物理、化学方法或物化与生物方法联合使用,而把物理方法称为预处理或初级处理。1.传统物理化学方法1.1浮选法 浮选法是用于从液相中分离固体或液态颗粒的处理方法,或称单元操作。目前在城市污水或工业废水处理中均以空气作为浮选剂,包括空气俘选、溶气浮选和真空浮选,人们一般称之为气浮,并且常常投加各种化学药剂,如铝盐、铁盐及表面活性剂以提高各种浮选装里的效率。1.2过滤法 过滤法在80年代以来为国内外废水处理工程所广泛采用,它可以作为废水的预处理,也可以继生物和化学处理之后,进一步去除废水中的悬浮固体等的深度处理或最终处理。目前用于废水过滤的滤床有单滤料、双滤料和三滤料滤床,滤料主要有石英砂、无烟煤和硅藻土等几种。1.3萃取法 萃取法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。1.4吸附法 吸附法是利用多孔性固体物质作为吸附剂，以吸附剂的表面吸附废水中的有机污染物的方法，活性炭法是一种非选择性的常用的水处理吸附材料。但是由于活性炭再生性能差，水处理费用高，因而难以广泛使用。1.5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，是一种交换反应,主要是利用离子交换体(树脂)中的可交换离子同废水中的某些离子进行交换反应,使废水得到净化的单元过程。阳离子交换树脂与废水中的阳离子性物质交换,阴离子交换树脂与废水中的阴离子性物质交换,达到饱和的树脂可经过再生循环使用。离子交换树脂种类颇多,在国内外废水处理中的使用也比较普遍。1.6化学沉淀法 化学沉淀法是目前发展时间较长，工艺比较成熟的一种处理方法。化学沉淀法的原理是通过化学反应使废水中呈溶解状态的重金属转变呈不溶于水的重金属化合物，通过过滤和分离使沉淀物从水溶液中除去，传统的化学沉淀法包括中和沉淀法和硫化物沉淀法。中和沉淀法是将溶液pH调节到碱性，溶液中的金属离子经过与沉淀剂例如石灰反应转化成不溶的固体沉淀，一般地，金属以氢氧化物的形式从溶液中沉淀出来。中和沉淀法操作简单，是常用的处理废水方法，硫化物沉淀法也是一种去除重金属离子的有效方法。使用硫化物的主要优点是生成的金属硫化物的溶度积要远远低于其相应的氢氧化物沉淀。硫化物沉淀能在宽的pH范围内对重金属离子有高的去除效率，金属硫化物比氢氧化物更密实，脱水性能更好。1.7凝聚絮凝法 凝聚絮凝法向污水中投加凝聚剂，使污水中的胶体颗粒失去稳定性而下沉。为了使颗粒增大，凝聚后进行絮凝使不稳定的颗粒变成大的絮状物。一般情况下，凝聚絮凝法需要调节pH，而且需要加入铁盐/铝盐作为凝聚剂以克服颗粒间的排斥力。1.8电解法 电解法是利用金属的电化学性质，在直流电的作用下，重金属化合物在阳极离解成金属离子，在阴极还原成金属，从而除去废水中的重金属离子。电解法处理重金属废水具有运行可靠、操作简单、劳动条件好等的特点，但它只适合处理高浓度的重金属废水，对于含重金属离子浓度较低的废水处理因其电耗大、投资成本高，在含重金属废水的处理上未能得到普遍应用。2.前沿的物理化学法-膜分离法反渗透是利用半渗透膜进行分子过滤，来处理废水的一种方法，所以又称为膜分离技术，这种方法是利用“半渗透膜”的性质，进行分离作用。这种膜可以使水通过，但不能使水中悬浮物及溶质通过，所以这种膜称为半渗透膜，利用它可以除去水中的溶解固体、大部分溶解性有机物和胶状物质。近年来该方法开始得到人们的重视，应用范围也在不断扩大。作为一种新型的分离技术，膜分离技术由于分离效率高、无相变、节能环保、操作方便等优点，在废水处理领域具有相当的技术优势和广阔的发展前景。2.1膜的最新研究现状和发展趋势 2.1.1利用等离子体技术改性膜材料 目前常用的高分子材料改性方法主要有等离子体改性、辐照接枝改性、表面化学改性等。等离子体是在特定条件下使气(汽)体部分电离而产生的非凝聚体系,由电子、离子、原子和分子、激发态的原子和分子、自由基以及辐射光子组成。体系内正负荷数量相等,整个体系呈电中性,有别于固、液、气三态物质,被称作物质存在的第四态,是宇宙中绝大多数物质的存在状态。实验室中获得等离子体的方法有热电离法、激波法、光电离法、射线辐照法以及气体放电法等。2.12沸石分子筛膜 沸石分子筛膜是最近十多年发展起来的一种新型无机膜,它具有一般无机膜耐高温、抗化学侵蚀与生物侵蚀、机械强度高、通量大等优点。尤其是利用了沸石分子筛孔径均一、孔道呈周期性排列的结构特点,具备分子筛分性能,比表面积大,吸附能力强。这些特性使得沸石分子筛具有良好的分离性能,使之在许多膜过程(如渗透汽化、气体膜分离、膜反应等)中具有广阔的应用前景。2.1.3金属膜 金属膜是20世纪90年代由美国研制成功的以多孔不锈钢为基体、二氧化钛陶瓷为膜层材料的一种新型金属陶瓷复合型的无机膜。金属膜具有良好的塑性、韧性和强度,以及对环境和物料的适应性,是继有机膜、陶瓷膜之后性能最好的膜材料之一。金属膜的制备过程中有两大关键技术：基体的制备和陶瓷膜层的制备。金属基体是依靠粉末冶金技术来实现的,陶瓷膜层是依靠湿化学法的溶胶-凝胶法来完成的。2.1.4分子筛 聚合物共混制备气体分离膜在聚合物膜中添加分子筛、金属添加物或其他吸附剂制备分子筛：聚合物共混气体分离膜,以期提高膜对不同气体的分离性能。选择合适的分子筛及高分子基体材料能使共混膜的渗透分离性能得到不同程度甚至是显著的改善,增强分子筛与聚合物膜材料相容性和共混膜选择分离皮层薄化,但在分子筛、高分子基体材料的选择,共混膜制备方法、工艺等方面还有待于进一步突破。2.1.5液相共混高分子合金分离膜 液相共混高分子合金分离膜是将两种或两种以上的高分子材料用液相共混的方式配制成铸膜液,然后以L2S法制成的高分子分离膜。高分子合金分离膜起源于六十年代, 1970年在Cannon的著明专利中,公布了CDA(二醋酸纤维素) /CTA(三醋酸纤维素)合金反渗透膜在脱盐方面取得的进展。此后,以纤维素为主要材料,以脱盐为目的的合金膜得到迅速发展。2.1.6渗透汽化膜 渗透汽化膜属高分子膜的一种,通过膜的选择透过性,实现低分子物质的分离,其应用领域极其广泛。渗透汽化过程的系统开发研究仅十多年的历史,目前国际上对醇-水分离渗透汽化膜的制备和工程技术、渗透汽化与酯化反应耦合过程技术进行工业规模的开发研究,法国、德国、巴西等国已有万吨级的无水乙醇工厂在运转。国内中国科学院大连化学物理研究所近十年来一直从事这一领域的研究,已制备出高通量、高选择性的渗透压汽化脱水膜、渗透汽化与酯化反应耦合过程用膜等,显示出良好的发展前景。2.1.7纳滤膜 纳滤膜是80年代末期问世的一种新型分离膜,其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间,约为200-2000,由此推测纳滤膜可能拥有1nm左右的微孔结构。纳滤膜大多是复合膜,其表面分离层由聚电解质构成,而对无机盐具有一定的截留率。目前国外已经商品化的纳滤膜大多是通过界面缩聚及缩合法在微孔基膜上复合一层具有纳米级孔径的超薄分离层。随着纳滤分离技术越来越广泛地应用于食品、医药、生化行业的各种分离、精制和浓缩过程,纳滤膜分离机理的研究也成为当今膜科学领域的研究热点之一。2.2重要的膜分离技术2.2.1渗透和透析渗透 渗透和透析渗透是一个扩散过程,膜两侧的溶剂在渗透压差的作用下产生流动。透析是利用膜两侧的浓度差从溶液中分离小分子物质的过程,使原溶液浓度不断降低,过程的推动力也因此不断减小。2.2.2反渗透和超滤、微过滤 反渗透和超滤、微过滤如果在渗透实际装置的膜两侧造成一个压力差并使其大于渗透压,就会发生溶剂倒流,使浓度较高的溶液进一步浓缩,这一现象就叫反渗透。如果膜只阻挡大分子,而大分子的渗透压是不明显的,这种情况叫做超滤。以多孔细小薄膜为过滤介质,使不溶物浓缩过滤的操作为微过滤;按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子的膜分离操作为超滤;从溶液中分离溶剂的膜分离操作为反渗透,超滤和反渗透及反渗透及微过滤都是以压力差为推动力的。2.2.3电渗析 电渗析电场中交替装配阴离子和阳离子交换膜,在电场中形成一个个隔室,使溶液中的离子有选择地分离或富集,这就是电渗析。2.2.4气体分离 气体分离是利用微孔或无孔膜进行气体分离。膜的材料可以是高分子聚合物膜,也可以是金属膜或玻璃膜,主要用于合成氨工业中氢的回收。2.3膜分离技术最新研究现状和发展2.3.1膜反应器 膜反应器(Membrane Reactor,简称为MR)是把膜分离器与反应器组合成一个反应分离单元设备。即将分离膜和生化反应器耦合在一起,反应产物通过膜分离不断取出,反应底物被截留在反应器中,化学反应是一种平衡反应,不断地带走产物可以提高产率。膜反应器的特点在于:通过选择性透过反应产物,促使反应平衡向生成产物的方向移动,提高反应物的转化率及产物的产率。通过控制反应物的进入量,减少副反应以提高反应的选择性。在实验室中已进行了大量的加氢、脱氢、分解和氧化反应(包括甲烷的部分氧化和氧化偶联),有些小规模的工业装置也已投入使用。膜反应器的这种反应与分离的双重功能,可以突破热力学平衡的限制,提高反应转化率。2.3.2无机膜 无机膜本身具有耐温、耐化学腐蚀、强度高等点,使无机膜反应器的应用范围更加广泛。该领域的研究成果必将给反应工程和分离工程带来新的突破。2.3.3微滤膜分离过程强化 膜微滤是一种精密过滤技术,它的孔径介于常规过滤和超滤之间。膜微滤过程中主要的问题之一是膜污染和浓差极化。膜污染是指所处理物料中的粒子在膜表面和膜孔内吸附或沉积,膜孔收缩,颗粒侵入等;浓差极化则是由于膜的选择透过性造成膜面浓度高于处理液主体浓度的现象。由于各种流体成分的复杂性及膜材料性能各异性,至今对膜微滤强化尚未提出一种普适性的措施。现有强化技术有: 1原料液预处理; 2膜清洗; 3膜表面改性与改变膜结构; 4附加场强化; 5利用流体不稳定流动强化。透彻的研究膜微滤强化机理,消除膜污染,降低浓差极化对膜过滤的不良影响,同时,研制耐磨、耐腐蚀、耐温、不污染、易清洗和低成本的新型膜器将是近期乃至世纪中期微滤技术发展的优先课题。结语： 一般地，物理化学法处理重金属废水有很多优点，如处理过程快，容易操作和控制，温度改变灵活。而且物理化学处理技术能容纳变化的负荷，另外，处理系统需要小的空间和安装费用。这些优点，要大于物理化学处理法的缺陷。随着膜分离技术的不断发展,如新型膜材质的开发、膜分离不同操作工艺的优化和组合等,膜分离技术将会在化学工业、食品加工、废水处理、医药技术等方面的重要分离过程行业得到更成功的工业应用。参考文献：1周秀琴.发酵科技通讯J. 2003, 7.2雷晓东,熊蓉春等.工业废水处理J. 2002, 2.3李忠宏,仇农学,杨公明,等.分离用金属膜制备工艺与技术进展J.农业