废水的物理化学处理-3(离子交换、膜分离、萃取).ppt

水污染控制工程 水污染控制工程 主要学习内容污水处理技术的基本术语 理论及理念 污水处理技术的基本计算方法 污水处理主要构筑物的构造及工作原理 污水处理技术的应用范围和运行特点 第四章废水的物理化学处理 废水物理化学处理法是废水处理方法之一种 系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 如浮选 吹脱 结晶 吸附 萃取 电渗析 离子交换 反渗透等 如为去除悬浮的和溶解的污染物而采用的化学混凝 沉淀和活性炭吸附的两级处理 是一种比较典型的物理化学处理系统 第四章废水的物理化学处理 和生物处理法相比 此法优点 占地面积少 出水水质好 且比较稳定 对废水水量 水温和浓度变化适应性强 可去除有害的重金属离子 除磷 脱氮 脱色效果好 管理操作易于自动检测和自动控制等 但是 处理系统的设备费和日常运转费较高 第一节混凝第二节气浮第三节吸附第四节离子交换第五节膜分离第六节萃取 吹脱与汽提 第四节离子交换 一 基本原理 离子交换树脂遇水溶液时 能够从水溶液中吸着某种 类 离子 而把本身所具有的另外一种相同电荷符号的离子等摩尔量地交换到溶液中去 这种现象称为离子交换 离子交换法是一种借助于离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换反应而去除水中有害离子的方法 在工业废水处理中 主要用于回收贵重金属离子 也用于放射性废水和有机废水处理 按照交换离子带电的性质 离子交换反应可分为阳离子交换和阴离子交换两种类型 以阳离子交换为例来说明离子交换的基本原理 RA B RB A 一般只能处理低浓度废水 二 离子交换剂 离子交换剂分为无机和有机两大类 前者有天然沸石和人造沸石等 后者是一种高分子聚合物电解质 称为离子交换树脂 是使用最广泛的离子交换剂 一 离子交换树脂的结构组成 离子交换树脂由骨架和活性基团两部分组成 R SO3H骨架又称为惰性母体R 不参加交换过程 活性基团连接在骨架上 活性基团由固定离子和可交换离子组成 可交换离子与溶液中同性离子进行交换反应 二 离子交换树脂的性质 离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物 常见的单体是苯乙烯系 酚醛系或丙烯酸系 1 物理性能 1 外观 外观呈透明或半透明球形 2 含水率 每克湿树脂所含水分的百分比 50 3 溶胀性 离子交换器的设计和使用过程中 应注意树脂的溶胀和收缩性能 4 湿视密度 指树脂在水中溶解后的质量与堆积体积之比 一般为0 60 0 85g mL 5 耐热性 树脂的贮藏和使用温度5 40 2 化学性能 1 交换容量 表示树脂交换能力的大小 常用容积法表示 容积法是指单位体积的湿树脂中离子交换基团的数量 用Ev mol L 表示 2 选择性 离子交换树脂优先吸附某种离子的性能称为选择性 在常温和低浓度溶液中 各种树脂对不同离子的选择性大致有如下规律 离子价数越高 选择性越好 注意点 高浓度时 浓度成为交换反应的决定性因素 主要依据浓度的大小排列顺序 这是树脂再生的依据之一 3 有效pH值范围 强酸 强碱性交换树脂与pH值无关 弱酸性树脂pH低时不电离或部分电离 适合碱性溶液 弱碱性树脂则相反 适合酸性溶液 三 离子交换树脂的选用 1 当分离无机阳离子或有机碱性物质时 宜选用阳离子交换树脂 2 当分离无机阴离子或有机酸时 宜选用阴离子交换树脂 3 对氨基酸等两性物质的分离 即可用阳离子交换树脂 也可用阴离子交换树脂 4 对某些贵金属和有毒金属离子 Hg2 可选用螯合树脂交换回收 5 对有机物 如酚 宜用低交联度 交联剂含量的百分数 的大孔树脂处理 四 如何鉴别离子交换树脂 水处理中常用的四大类树脂往往不能从外观鉴别 根据其化学性能 可用以下方法区分 未知树脂的鉴别 三 离子交换与再生 离子交换法的全过程包括 交换 反冲洗 再生 清洗四个阶段 一 交换阶段从废水中分离 脱除需要去除的离子的操作过程 当运行到出水中的离子浓度达到限定值时 应立即停止交换 二 反冲洗阶段 反冲洗目的有两个 1 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 2 交换阶段产生的破碎离子和截留的污物冲走 冲洗水可用自来水或废再生液 三 再生阶段 再生是通过使较高浓度的再生液流过树脂层 把吸附的离子置换出来 使树脂恢复交换能力 1 再生方式分为顺流再生和逆流再生 1 顺流再生 再生阶段的液流方向和交换时水流方向相同 缺点 再生剂用量多 交换容量低 出水水质差 2 逆流再生 再生阶段的液流方向和交换时水流方向相反 优点 再生剂用量少 树脂再生程度高 保证出水质量 缺点 设备复杂 操作控制较严格 2 再生剂的选择 尽量使用浓度较高的再生剂 采用顺流交换 逆流再生方法 再生时 交换剂的交换能力恢复到原来的80 即可 这样不仅可以节约再生剂 缩短再生时间 而且提高了再生液中回收物质的浓度 有利于回收 四 清洗阶段清洗目的是洗涤残留的再生液和再生时可能出现的反应产物 清洗水最好用交换处理后的净水 1 离子交换树脂由和两部分组成 2 离子交换法的全过程包括 四个阶段 习题 你知道吗 四 离子交换工艺 一 离子交换设备常用的有固定床 移动床和流动床三种 应用最广泛的是固定床离子交换器 1 固定床离子交换器分为单层床 双层床和混合床三种 单层床只装一种树脂 双层床装两种同性不同型的树脂 由于比重不同而分为两层 混合床是把阴阳离子两种树脂混合装成一床使用 1 结构 床层固定不变 水流由上而下流动 2 优点 设备紧凑 操作简单 出水水质好 缺点 再生费用大 生产效率不高 2 移动床离子交换器包括交换柱和再生柱两个主要部分 是一种半连续式交换设备 整个交换树脂在间断移动中完成交换和再生 优点 树脂利用率高 连续运行 效率高 缺点 设备较复杂 3 流动床离子交换器交换树脂在连续移动中完成交换和再生 二 离子交换器的设计 1 离子交换系统的设计步骤 1 根据排放标准或出水去向和用途 确定处理后的水质要求 2 根据废水水量 水质及处理要求 选择交换器类型 确定合理的处理流程 3 选用离子交换树脂 再生剂种类 确定树脂和再生剂用量 选择中综合考虑技术与经济因素 4 确定合理的工艺参数 选定合适的过滤速度及工作周期 5 进行有关的计算 2 固定床的设计计算 通过实验或生产实践取得设计参数后 按下法计算 1 树脂用量的初步计算 选定交换周期T h 计算一个交换周期内应去除的污染物总量N mol N Q Co C T 根据选定的树脂工作交换容量E mol m3树脂 计算所需的树脂体积VR m3 VR N E 根据树脂的湿视密度 t m3 计算树脂重量M t M VR 2 交换柱主要尺寸的计算先选定树脂层的高度HR 一般为0 70 1 50m 再根据VR和HR计算交换柱的直径D H 1 8 2 0 HR 3 核算过滤速度按照下式核算过滤线速度V是否合适 式中 F 交换柱截面面积如果计算出的滤速与一般经验值相差太大 就得重新计算 此外 也可先选定滤速V 按上式计算交换柱的直径 五 离子交换在废水处理中的应用 主要用于回收废水中的重金属和贵稀金属 1 含铬废水的处理电镀含铬废水中主要含有以CrO42 和Cr2O72 形式存在的六价铬和少量的三价铬 2 镀金废水中金的回收 镀金废水中金以络阴离子 Au CN 2 的形式存在 因此选用强碱性阴离子交换树脂进行处理 交换反应式为 失效的树脂可用焚烧树脂的办法来回收黄金或采用丙酮 HCl水溶液进行再生并回收黄金 再生反应为 得到含AuCl的丙酮溶液 对此溶液进行蒸馏 回收丙酮 第五节膜分离 一 概述膜分离技术是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的技术总称 常用的膜分离法有电渗析 反渗透 膜滤 微滤 纳滤 超滤 其次还有自然渗析和液膜技术共同的优点 1 可在常温下得到分离 特别适于对热敏感性物质的分离 2 能耗较低 因此又称为节能技术 3 设备简单 易于操作 便于维修 适用范围广 二 电渗析 一 电渗析原理电渗析是在直流电场的作用下 以电位差为推动力 利用离子交换膜的选择透过性 把电解质从溶液中分离出来 从而实现溶液的淡化 浓缩精制或纯化的目的 渗透膜有阳离子交换膜和阴离子交换膜 阳膜只能透过阳离子而阴膜只能透过阴离子 二 电渗析装置 电渗析装置主要包括电渗析器本体及辅助设备两部分 电渗析器本体包括膜堆 极区和压紧装置三大部分 辅助设备是指各种料液槽 水泵 直流电源及进水预处理设备等 1 膜堆膜堆主要由交替排列的阴 阳离子交换膜和隔板组成 2 极区主要作用是供给直流电源 3 压紧装置作用是把极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体 三 电渗析技术的应用 海水 苦咸水淡化 2 电厂和其他工业锅炉用水 3 工艺用水除盐 初级纯水制备 4 纯水 超纯水制备 5 废水处理 有用物质回收和再生水回用 浙江省邮电印刷厂投产了一套电渗析和离子交换联合工艺装置 实现了含铜废水闭路循环处理废水含铜浓度从100mg L降到1mg L 达到了排放标准 处理水作为冲洗用水 减少了自来水用量 三 反渗透 一 反渗透原理 反渗透过程必须具备两个条件 1 必须有高选择性和高渗透性的选择性半透膜 2 操作压力必须高于溶液的渗透压 二 反渗透膜 反渗透膜要具备以下多种性能 1 单位面积上透水量大 脱盐率高 2 机械强度好 多空支撑层的压实作用小 3 化学稳定性好 耐酸 碱腐蚀和微生物侵蚀 4 结构均匀 使用寿命长 性能衰减慢 5 制模容易 价格便宜 原料充足 常用的膜有两种 醋酸纤维素膜 CA膜 和芳香聚酰胺膜 三 反渗透装置 反渗透装置有板框式 管式 螺卷式和中空纤维式四种 板框式反渗透装置优点 结构简单 体积比管式的小 缺点 装卸复杂 单位体积膜表面积小 2 管式反渗透装置 优点 水力条件好 能防止膜的污染和堵塞 能处理含悬浮物的溶液 安装 清洗 维修方便 缺点 膜的有效面积小 装置体积大 而且两头需要较多的连接装置 3 螺旋卷式反渗透装置 优点 单位体积内膜的装载面积大 结构紧凑 占地面积小 缺点 容易堵塞 清洗困难 因此对原液的预处理要求严格 4 中空纤维式反渗透装置 优点 单位体积的膜表面积大 装备紧凑 缺点 原液预处理要求严格 难以发现损坏膜 四 反渗透处理工艺 包括被处理废水的预处理工艺 膜分离工艺 膜的清洗工艺 1 预处理工艺包括去除水中过量的悬浮物 调节和控制进水的pH值和水温 去除乳化和未乳化的油类与溶解性有机物 2 膜分离工艺组件的组合方式组件的组合方式主要有三种形式 即一级一段连续式工艺 一级一段循环式工艺及多级串联连续式工艺 3 反渗透膜的清洗 最简单的办法是用低压高速水冲洗膜面 也用空气与水混合的高速气 液流喷射清洗 当膜面污垢较密实而且厚度较大时 可采用化学法清洗 主要是加入化学清洗剂清洗 五 反渗透技术在废水处理中的应用 电镀废水 该流程具有以下优点 1 可实现电镀废水按电镀槽液成分进行原样浓缩 浓缩的电镀废水可以重新返回镀槽使用 而透过液可重新被用作清洗水 2 反渗透法不添加任何化学物质 因此不产生污泥和残渣 也不产生二次污染 注意点 1 膜对电镀废水中各个成分的分离率不完全相同 因此浓缩液返回镀槽前 需要对各组分的配比按镀液各组分的配比进行适当调整 2 电镀废水的性质有很大差异 因此正确选择和使用膜材料 合理地确定相应的工艺参数 四 超滤 超滤是指利用一定孔径的膜截流溶液中的大分子物质和微粒 而溶液中的溶剂及低分子量物质能透过膜从而达到分离的目的 用途 主要用于从液相物质中分离大分子化合物 蛋白质 核酸聚合物 淀粉 天然胶 酶等 胶体分散液 粘土 颜料 矿物料 微生物等 和乳液 润滑脂 洗涤剂以及油 水乳液 也用于分离溶液中的低分子量溶质 从而实现溶液的浓缩 分离 提纯和净化 特点 具有相态不变 无需加热 设备简单 占地少 能耗低 操作压力小 泵与管道对材料要求不高 一 超滤工作原理 二 超滤操作方式 按照操作方式一般有间歇式和连续式两种方式间歇式操作 一般在实验室和中试中使用 料液处理量较小时使用 2 连续式操作 可采用单级或多级方式 三 超滤在废水处理中的应用 1 染料废水处理 醇式钠盐 2 电泳涂漆废水处理 第六节萃取 萃取是利用废水中污染物在基本互不相溶的水相和萃取剂相之间溶解度的差异 或是利用污染物与萃取剂之间发生化学作用而使污染物从水相转入萃取剂相的过程 一 萃取基本原理萃取可分为物理萃取和化学萃取 物理萃取 利用污染物在水相和萃取剂相中的不同分配关系将污染物与水分离 2 化学萃取 是指污染物与萃取剂之间存在化学作用的萃取过程 一 萃取剂的选择 选取萃取剂时 一般要考虑以下因素 对萃取物有高的溶解度 而萃取剂本身在水中溶解度要低 两者不形成恒沸物 萃取剂与水的比重差要大 两者沸点差要大 易分离 再生 无毒 腐蚀性小 不易燃 易爆 价低 来源广 二 萃取剂的再生 萃取后的萃取相需经再生 将萃取物分离后 萃取剂继续使用 再生的方法主要有以下两种 1 物理法 蒸馏或蒸发法 利用萃取剂与萃取物的沸点差来分离 2 化学法 反萃取 投加某种化学药剂 使其与萃取物形成不溶于萃取剂的盐类 从而达到两者分离的目的 二 萃取工艺 萃取工艺过程包括三个工序 混合 把萃取剂与废水进行充分接触 使污染物从废水中转移到萃取剂中去 2 分离 使萃取剂与萃余相分层分离 3 回收 分别从两相中回收萃取剂和污染物 废水处理中最常用的是多级逆流萃取流程 特点 传质动力大 分离程度高 萃取剂用量少 三 废水处理中的应用 利用苯 碱法萃取脱酚工艺处理含酚废水 第五节吹脱与汽提 吹脱与汽提均属于污染物由液相向气相转移的分离方法 主要用于脱除废水中浓度较高 沸点较低 冷凝后又易与气相介质分离的污染物 将空气 或CO2 N2 作为载气来推动废水中污染物向气相转移的过程 称为吹脱 若采用水蒸汽作为载气 则称为汽提 一 吹脱基本原理 将空气通入废水中 改