第十六章 污水的化学与物理化学处理.ppt

水污染控制工程,化学与环境工程系杨爽,第十六章污水的化学与物理化学处理,目录,第一节中和法第二节化学混凝法第三节化学沉淀法第四节氧化还原法第五节吸附法第六节离子交换法第七节萃取法第八节膜析法第九节超临界处理技术,第二节化学混凝法,一、混凝原理混凝的作用废水中的大颗粒可以通过重力沉淀法去除，但微小粒径的悬浮物和胶体能在水中长期保持分散悬浮状态，即使静置数十个小时也不会自然沉降。混凝所处理的对象，主要是水和废水中的微小悬浮物和胶体杂质。,根据聚集状态的作用原理，混凝过程可划分为凝聚和絮凝两种过程。凝聚：通过向水中投加无机电解质使胶体微粒脱稳并聚集的过程。絮凝：通过高分子絮凝的架桥作用，使细微悬浮物颗粒形成松散、多孔、具有三维空间结构的絮状体的过程。,1.胶体的稳定性,胶体颗粒是由胶核、吸附层和扩散层共同组成的运动单体粒子。,电位离子,反离子,扩散层,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,电位,电位,2.混凝原理,1.压缩双电层2.电性中和3.吸附架桥4.沉淀物网捕,1.压缩双电层,所谓压缩双电层是指向胶体分散体系中投加可产生高价反离子的电解质，通过增大溶液中反离子浓度，降低扩散层厚度，使胶体颗粒的电位降低的过程。,离颗粒表面的距离,加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力将部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。,2.电性中和,异号胶粒间相互吸引达到电中和而凝聚；大胶粒吸附许多小胶粒或异号离子，电位降低，吸引力使同号胶粒相互靠近发生凝聚。,水处理中，一般均投加高价电解质或聚合离子。,3.吸附架桥,吸附架桥作用是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。,当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作混凝剂时，当投加量很大形成大量的金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3或带金属碳酸盐(CaCO3)沉淀时，可以网捕、卷扫水中的胶粒，水中的胶粒以这些沉淀为核心产生沉淀。这基本上是一种机械作用。,4.沉淀物网捕,在混凝过程中，上述现象常不是单独存在的，往往同时存在，只是在一定情况下以某种现象为主。,二、混凝剂与助凝剂,1.混凝剂的分类,铝盐硫酸铝（Al2(SO4)318H2O）明矾（K2SO4Al2(SO4)324H2O）由于铝的比重小，在水温低的情况下，絮粒较轻而疏松，处理效果较差。pH有效范围较窄，在5.5-8之间。投加量大。,（1）无机混凝剂,铁盐三氯化铁（FeCl36H2O）硫酸亚铁（FeSO47H2O）生成的絮粒在水中的沉淀速度较快；处理浊度高、水温较低的废水，效果比较显著；FeCl3容易吸水潮解，故不易保管；腐蚀性强，对混凝土也产生腐蚀作用；生成Fe(OH)2它的溶解度很大，残留水中的Fe2+会使处理后的水带色。,无机高分子混凝剂聚合氯化铝(碱式氯化铝，简称PAC)化学通式为Al2(OH)nCl6-nm,式中n5，m10。制备：以铝灰或含铝矿物作原料，采用酸溶法或碱溶法加工制成的。A对水质适应性较强，适用pH范围广，5-9之间；B絮凝体形成快，比重大，沉降性好；C投药量低。D碱化度较高，对设备的腐蚀性小，处理后的水pH和碱度下降较小。,聚合硫酸铁(碱式硫酸铁)(简写PFS)化学通式为Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m式中n10。A适用范围广：pH4-11；低水温，混凝效果稳定；B用量小，絮凝体沉降性能好；CCOD去除率和脱色效果好；D处理后水中铁残留量低，腐蚀性较小。,天然高分子混凝剂主要有动物胶、淀粉、甲壳素等。特点：电荷密度小，分子量较低，且易发生降解而失去活性。,（2）有机混凝剂,人工合成高分子混凝剂阴离子型：主要含-COOM(M为H+或金属离子)或-SO3H的聚合物，如阴离子聚丙烯酰胺(CPAM)和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）等。阳离子型：主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物，如阳离子聚丙烯酰胺（APAM）等。非离子型：所含基团未发生反应的聚合物。如非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）和聚氧化乙烯(PEO)等。,高分子混凝剂的作用：靠氢键、静电、范德华力的作用对胶粒强烈的吸附作用。高聚合度的线型高分子在溶液中保持适当的伸展形状，从而发挥吸附架桥作用，把许多细小颗粒吸附后，缠结在一起。,(1)定义当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某些辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。(2)作用（调节或改善混凝的条件）改善絮粒结构，增大颗粒粒度及比重。调整废水的pH和碱度，使其达到最佳的混凝条件。,2.助凝剂,A、pH调整剂：调节废水的pH符合混凝处理工艺要求。常用石灰、硫酸、氢氧化钠等。B、絮凝结构改良剂：投加絮体结构改良剂以增大絮体的粒径、密度。常用骨胶、活化硅酸、海藻酸钠、粘土、水玻璃、PAM等。C、氧化剂：有机物含量高，易起泡沫，絮凝体不易沉降。投加氯气、次氯酸、臭氧等分解有机物，使胶体脱稳，还可将Fe2+转化成Fe3+,以提高混凝效果。,3.助凝剂分类,三、影响混凝效果的主要因素,1.水温因无机盐类混凝剂的水解是吸热反应，水温低时（尤其低于5），水解速率非常缓慢。且水湿温低时，粘度大，不利于脱稳胶粒相互絮凝，影响絮凝体的结大，进而影响后续的沉淀处理的效果。改善办法有投加助凝剂或采用气浮法代替沉淀法作为后续处理。,2.PH水的PH值对混凝剂的影响程度视混凝剂的品种而异。,3.水中杂质的成分、性质和浓度水中杂质的成分、性质和浓度对混凝效果有明显的影响。如天然水中含粘土类杂质，需投加的混凝剂量较少；而污水中含有大量有机物时，需投加的混凝剂量较多，约10-103mg/l。在生产实际中，主要靠混凝试验来选择合适的混凝剂和最佳投药量。,4.水力条件混凝过程可分为混合和反应两个阶段。混合阶段要求快速和剧烈搅拌，在几秒钟或一分钟内完成。而反应阶段搅拌强度或水流速度应随着絮凝体的结大而逐渐降低，以免打碎结大的絮凝体。,四、化学混凝的设备,混合：使混凝剂迅速、均匀地分散到废水中，通过压缩双电层和电性中和作用，使胶体脱稳，形成“矾花”。,混凝处理流程由药剂投加、混合、反应及沉降分离等单元组成。,反应：在一定的水流条件下，小“矾花”通过吸附架桥和沉淀物网补等作用形成较大的絮体。,混凝的投加分固体投加和液体投加两种。1.混凝剂干投法（应用较少）工艺流程：药剂输运粉碎提升计量加药混合2.混凝剂湿投法工艺流程：溶解池溶液池定量控制设备投加设备混合池混凝剂投加及计量方式混凝剂投加1.重力投加直接将混凝剂投入管道内或水泵吸水管喇叭口处，与原水混合。,混凝的调配与投加,2.虹吸式定量投加改变虹吸管进口和出口高度之差，控制投加量。3.水射器投加利用高压水通过喷嘴和喉管之间的真空抽吸作用将药液溶入。4.计量泵投加用计量泵将药液送至投药点。计量设备基本要求：投量准确、工作灵活可靠、设备简单、操作方便。浮子-苗嘴计量系统；浮球阀计量系统；流量计计量系统；三角堰计量系统。,混合设备1.混合作用使药剂能快速、均匀的分散到废水中。2.混合方式常用的是水泵混合、隔板混合和机械混合A.水泵混合：将药剂投加在水泵的吸水管内或喇叭口处，利用水泵叶轮高速旋转达到快速混合的目的。优点：混合效果好，不需另建混合设备。缺点：水泵到构筑物的管线过长，可能会过早形成絮体并被打碎。,2.隔板混合水流通过隔板孔道时产生急剧的收缩和扩散，形成涡流，使药剂和原水充分混合。处理水量稳定时，隔板混合效果较好；如流量变化较大时，混合效果不稳定。3.机械混合用电动机带动浆板或螺旋桨进行强烈搅拌，这是一种有效的混合方法。浆板的外缘线速度一般用2m/s，混合时间10-30s。优点：强度可以调节，比较机动。缺点：使用里机械设备，增加了维修保养工作和动力消耗。,反应设备反应设备由水力搅拌和机械搅拌两类。常用的有隔板反应池和机械搅拌反应池。1.隔板反应池利用水流断面上流速分布不均匀所造成的速度梯度，促使颗粒相互碰撞进行絮凝。为了避免结成的絮凝体被打碎，隔板中的流速应逐渐减小。特点：构造简单，管理方便，效果较好，但反应时间较长，容积较大，且主要是用于处理水量较大的处理厂，因水量小时，隔板间距过狭，难于施工和维修。,主要涉设计参数：1.反应池隔板间的流速，起端部分为0.5-0.6m/s，末端为0.15-0.2m/s，隔板间距从进口到出口逐渐放宽；2.反应时间为20-30s；3.为便于施工和检修，隔板间距应大于0.5-0.7m，池底应有0.02-0.03坡度并设排泥管；4.转弯处的过水断面积应是隔板间过水断面积的1.2-1.5倍；5.反应池的总水头损失为0.3-0.5m。,2.机械反应池主要设计参数：1.每台搅拌设备上的浆板面积为水流截面积的10%-20%，不超过25%。浆板长度不大于叶轮直径的75%，宽度为10-30cm；2.叶轮半径中心点的旋转速度在第一格用0.5-0.6m/s，以后逐格减少，最后一格采用0.1-0.2m/s，不得大于0.3m/s；3.反应时间为10-20min。,第五节吸附法,利用多孔性的固体物质，使水中的一种或多种物质被吸附在固体表面而分离去除的方法。优点：应用范围广、净化出水水质高且处理效果稳定、吸附剂可重复使用、结合吸附剂的再生可回收有用物质等。缺点：对进水的预处理要求较严，运行费用较高。,一、吸附原理根据固体表面上吸附剂与吸附质之间产生吸附作用的吸附力的不同，可将吸附机理划分为两种。1.物理吸附2.化学吸附,1.物理吸附,物理吸附是指吸附剂与吸附质之间由于分子间引力（范德华力）的作用而产生的吸附过程。吸附过程的主要影响因素是吸附剂的比表面积。,2.化学吸附,化学吸附指吸附剂与吸附质之间由化学键力作用而引起的吸附过程。吸附剂的表面化学性能、吸附质的化学性质以及温度条件等对化学吸附速度有较大的影响。,在实际吸附过程中，两种吸附机理是相伴发生的，即大部分的吸附往往是几种吸附综合作用的结果，只是由于吸附质、吸附剂以及温度等具体吸附条件的不同，使某种吸附占主要地位。,（一）吸附平衡与吸附等温线,当吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内吸附剂吸附的吸附质数量与解吸数量相同时，液相及吸附剂表面的吸附质浓度不再发生变化，达到动态的吸附平衡。吸附平衡时，吸附质在溶液中的浓度称作平衡浓度。,吸附容量：衡量吸附剂吸附能力的大小，指单位重量的吸附剂所吸附的吸附质的重量。测定方法：向一定体积和一定浓度的溶液中投加一定数量的吸附剂，充分搅拌混合，测定达到吸附平衡时的溶质平衡浓度，按下式计算吸附剂的平衡吸附容量,式中qe吸附剂的平衡吸附容量，g/gV溶液体积，LM吸附剂投加量，gCO溶液的初始吸附质浓度，g/LCe吸附平衡时的吸附质浓度，g/L,吸附剂的吸附容量是吸附工艺选择吸附剂、设计吸附设备的重要参数。实际吸附容量越大，吸附剂的再生周期就越长，吸附工艺过程的再生剂用量及再生费用就越小。,Freundlich吸附等温式适用于中、低浓度的溶液。,1.Freundlich吸附等温式,取对数,KfFreundlich吸附系数n常数，其值通常大于1qe、Ce物理意义同前,式中：,2.Langmuir吸附等温式,该等温式是Langmuir从动力学观点出发，在单分子层吸附理论的假设条件下推到得出的。假设具体内容：固体表面存在大量的吸附活性中心点，吸附只发生在这些活性中心点上；吸附活性中心的作用范围约为分子大小，每个活性中心只能吸附一个分子；当表面吸附活性中心全部被占据时，吸附量达到饱和值，吸附剂表面为单分子层吸附质所覆盖。,由单分子层吸附理论及动力学原理推导出的吸附等温式为：,当溶液浓度Ce=a时，则有,说明溶液的平衡浓度等于常数a的值时，平衡吸附量即达到饱和吸附量的一半。,式中：,qe0达到饱和时的极限吸附量a与吸附能有关的常数qe、Ce物理意义同前,3.BET吸附等温式,BET吸附等温式是Brunauer、Emmett和Teller三人在Langmuir单分子层理论的基础上发展起来的多分子层吸附理论的吸附模式。该理论认为：固体表面均匀分布着大量的吸附活性中心点，可以吸附溶质分子，并且被吸附的内层溶质分子本身又可以成为吸附中心点，再吸附形成外层溶质分子，最终形成多分子层吸附。该理论还认为，不一定要第一层吸附满了以后才吸附第二层。,在此假设下，总吸附量等于各层吸附量之和。由此推导出BET吸附等温式：,式中：,B与表面作用能有关的常数其它物理意义同前,A.上述3种吸附等温式均适用于单组分吸附体系；B.对于实验中获得的具体试验数据，究竟采用哪一种公式进行整理并求得相应的常数，可用数理统计方法进行筛选，即根据不同的吸附等温式对试验数据进行整理，绘制试验曲线图，并从中选出直线形式相对最为吻合的吸附等温式；如出现几个公式都能基本适用的情况，则以选最简形式的公式为宜。,（三）影响吸附的因素,1.吸附剂的性质物理性质：孔的大小、比表面积、表面化学特性2.吸附质的性质溶解度、分子量、分子极性、吸附质浓度3.温度吸附为放热反应，温度升高，吸附量下降。4.pH值影响吸附质的存在状态和吸附剂的表面特性,5.共存物质存在的物质中，有的能相互诱发吸附，有的独立被吸附，有的干扰吸附，做好水的预处理。6.接触时间7.生物协同作用吸附剂表面易繁殖微生物，有利于有机物分解。,二、吸附剂,1.选择原则A.性能好：吸附量高、吸附速度快B.再生效果好C.物化性能好D.价廉、来源广2.重要的吸附剂A.活性碳、活性碳纤维B.吸附树脂C.特殊吸附剂：活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛D.其它吸附剂：褐煤、煤灰、煤灰渣等,三、吸附工艺和设备,1.吸附工艺的操作方式吸附工艺的操作方式分静态间歇式和动态连续式两种。,（1）静态间歇式吸附方式将一定数量的吸附剂投入待处理的废水中，不断进行搅拌（30min左右），经一定时间达到吸附平衡后，以静置沉淀或过滤方法实现固液分离。,（2）动态连续式吸附方式在废水不断地流过装填有吸附剂的吸附床的过程中，使废水中的污染物与吸附剂接触并被吸附，在流出吸附柱之前，污染物浓度降低至处理要求以下，直接获得净化出水。根据吸附剂在吸附床中的不同充填方式和状态，动态吸附又分为3种。固定床吸附移动床吸附流化床吸附,固定床吸附,当废水连续流经吸附床时，欲去除的污染物不断被吸附，吸附剂的数量足够多时，出水中污染物的浓度可降低至接近于零。根据水流方向的不同又分为降流式和升流式两种。A.降流式固定床吸附B.升流式固定床吸附,A.降流式固定床吸附,在降流式固定床中，水流自下而上穿过吸附剂层，过滤速度4-20m/h，接触时间在30-60min，吸附剂层总厚在3-5m，可将吸附剂层分成几柱串联运营，每个柱的吸附剂厚度1-2m。特点：出水水质好，但当废水悬浮物含量较高时易引起吸附剂层堵塞，增加水头损失，降低吸附剂量，对此可在吸附层上部设置反冲洗装置，定期进行反冲洗。此外，率曾会滋长细菌，影响出水水质。,B.升流式固定床吸附,水流自下而上穿过吸附剂层，水头损失增加缓慢，其工作运行时间一般要长于降流式；此外，对废水悬浮物含量要求较宽，适当提高进水流速，使填充层在不混层前提下稍有膨胀，即可达到自清目的。但当进水流量波动大或操作不当时，易流失吸附剂。,移动床吸附,在移动床的吸附过程中，废水从吸附柱底部进入，流经吸附剂层被净化后由柱顶排出，与此同时，定期从柱底部排出最先接近饱和的那部分吸附剂，并将新鲜或再生后的等量吸附剂从柱顶加入。吸附剂在吸附柱中呈间歇移动状态。,流化床吸附,操作特点是吸附剂在柱内处于膨胀或流化状态，即吸附剂以悬浮状态处在水流中，因而与废水的接触更充分，单位吸附剂的废水处理能力更高，并能够处理悬浮物含量较高的废水。流化床一般采用连续性卸炭和加炭，要求吸附剂在膨胀悬浮状态下仍保持层状移动，因此其运行的操作管理更为严格。,2.吸附柱的穿透及耗竭过程穿透曲线,吸附工艺的设计包括吸附剂种类、吸附以及再生操作方式的选择，吸附塔的设计计算，废水的预处理及后处理措施等。吸附塔的设计是吸附处理系统的核心设备。一般先根据处理废水的特点、处理要求以及实际条件情况，参考已有类似处理系统的实际经验，初步确定吸附剂种类，操作、再生预处理方式以及主要的工艺设计参数，必要时还可以结合动、静态试验对设计参数及设计结果进行核定。,3.吸附工艺的设计,四、吸附法在污水处理中的应用,由于吸附法对废水的预处理要求高，吸附剂价格昂贵，因此在废水处理中，吸附法主要用于去除废水中的微量污染物，以达到深度净化的目的。例1：吸附法除汞工艺流程,例2：炼油厂、印染厂废水的深度处理含油废水经隔油、气浮和生物处理后，再经砂滤和活性炭过滤深度处理。废水中含酚量从0.1（生物处理后）降至0.005mg/L，氰从0.19mg/L降至0.048mg/L，COD从85mg/L降至18mg/L。,第六节离子交换法,离子交换法是借助于离子交换剂的可交换离子与水中相同电性的离子进行交换反应，以实现对水中有害离子的分离、浓缩的水处理方法。优点：离子去除效率高、设备简单、易操作控制等；缺点：对废水的预处理要求较高，应用范围受离子交换剂的品种及成本限制。,一、离子交换剂,凡对溶液中的离子具有交换能力的固体物质均称为离子交换剂。可分为无机型和有机型两大类。1.无机型离子交换剂天然沸石、人造沸石、海绿砂等。优点：颗粒结构较为密实，具有耐热、抗放射性辐射、对某些离子选择性高；缺点：交换仅在颗粒表面进行，交换容量较低，并且只能进行阳离子交换。,2.有机型离子交换剂磺化煤和人工合成的离子交换树脂等。其中离子交换树脂以高交换容量和良好的物化性能，在实际应用中得到最广泛的应用。,二、离子交换树脂的选用,1.交换容量指单位离子交换树脂可交换的离子数量，是衡量树脂交换能力大小的重要指标。（1）全交换容量指一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量，即理论上能交换的离子数量。mmol/g（干树脂）（2）平衡交换容量指在一定的溶液条件下，交换反应达到平衡时树脂所能交换的离子数量。主要用于离子交换树脂的性能研究。,（3）工作交换容量指树脂在给定工作条件下实际的交换能力，即在特定的运行条件下可被利用的活性基团数。mmol/m3（湿树脂）一般而言，工作交换容量只有全交换容量的60%-70%。,2.溶胀性指树脂由于吸水或转型等条件改变而引起的体积变化现象。该性能指标以溶胀率衡量。溶胀率=溶胀前后的体积差/溶胀前树脂体积。,3.密度为方便使用，交换树脂的密度分湿真密度和湿视密度两种表示方法。（1）湿真密度指树脂在水中经充分膨胀后的颗粒密度。与树脂在反冲洗中的分层状况及沉降性能有关。（2）湿视密度指树脂在水中经充分膨胀后的堆积密度。,三、离子交换树脂的结构特征,离子交换树脂是人工合成的具有离子交换特性的有机高分子聚合电解质。结构由不溶性高分子树脂母体即骨架和具有活性的交换基团即活性基团组成，其中活性基团有固定离子和活动离子组成。,四、离子交换树脂的分类,1.按活性基团的性质阳离子交换树脂含酸性基团阴离子交换树脂含碱性基团鳌合树脂含胺、羧等能形成鳌合物的官能团氧化还原树脂含具有氧化性或还原性的官能团两性树脂同时含有酸性基团和碱性基团,2.根据粒径的不同大粒径树脂0.6-1.2mm中粒径树脂0.3-0.6mm小粒径树脂0.02-0.1mm3.根据树脂的类型和孔结构的不同凝胶型树脂、大孔凝胶型树脂、多孔凝胶型树脂、巨孔型树脂、超巨孔型树脂,4.根据树脂交联度（即交联剂含量的百分数）低交联度2%-4%中交联度7%-8%高交联度12%-20%5.根据活性离子的名称H型、Na型、OH型、Cl型实际中常用的离子交换树脂为交联度在7%-8%的凝胶型树脂。,五、离子交换平衡,以氢型阳离子交换树脂与Mn+交换离子间的可逆交换反应为例，其交换反应式为,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是平衡常数。根据K值可判断树脂对某种离子交换选择性的强弱，K大于1，且越大越有利于交换反应。K值的大小能定量的反映在离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。因此，K值又称为离子交换平衡选择系数。,平衡选择系数K值越大的离子，其交换去除率越高。以下根据K值的大小排列的几种常用树脂对不同离子的选择交换顺序。1.磺酸型阳离子交换树脂：Fe3+Al3+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+Na+H+2.羧酸型阳离子交换树脂：H+Fe3+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+UO22+k+Na+3.401鳌合树脂：Cu2+Pb2+Fe3+Al3+Cr2+Ni2+Zn2+Ag+Co2+Cd2+Fe2+Mn2+Ba2+Ca2+Na+4.强碱性阴离子交换树脂：CrO72-SO42-NO3-CrO42-Br-SCN-OH-Cl-5.弱碱性阴离子交换树脂：OH-CrO72-SO42-CrO42-NO3-PO43-MoO42-HCO3-Br-Cl-F-,六、离子交换过程的影响因素,1.悬浮物及油类物质悬浮物会造成离子交换床水流分布不均而增加过流阻力，油类物质会在交换树脂表面形成油膜，增加液膜扩散阻力。两者均会使树脂的工作交换容量下降，因此需采取必要的沉淀、过滤等处理措施。,2.有机物有机物对树脂的污染有两种形式：一是有机物的羧基与强碱性阴离子树脂的固定离子一旦结合，很难进行再生；二是有机物附着在交换树脂微孔中，堵塞交换及再生的通道。两种污染形式均会影响树脂的再生率和再生后的交换容量，导致树脂使用寿命降低、水处理成本增加，因此也需要对其采取预处理措施。,3.高价金属离子高价金属离子与氧离子交换树脂之间具有较高的交换选择性，一经交换不易被再生洗脱，由此导致的树脂交换性能的丧失被称为树脂中毒。可采用高浓度酸长期浸泡的方法，恢复树脂的交换能力。4.pH值强酸性阳树脂和强碱性阴树脂在各种pH值条件下均能充分电离，其交换能力不受pH值影响。弱酸性和弱碱性树脂活性基团的电离程度则与溶液中的OH-和H+浓度相关，即有其适宜的pH值范围。,5.水温在树脂允许使用的温度范围内，提高水温有利于提高离子交换的扩散速率，但水温过高会造成树脂活性基团的分解破坏，影响树脂对交换离子的“吸着”强度及树脂自身的稳定性，降低交换能力。进水水温一般以30-40为宜。6.氧化性物质废水中Cl2、O2、Cr2O72-等氧化性物质的存在，会加速树脂的老化，还会对强碱性阴离子交换树脂的活性基团产生氧化作用，导致其交换能力丧失。可通过增加树脂交联度或在树脂中添加适当的还原剂等途径，减轻氧化性物质的影响。,七、离子交换设备,1.离子交换设备的类型离子交换处理系统的核心设备是装填有离子交换树脂的交换器（柱、塔、罐）。根据交换器运行方式的不同，交换柱可分为固定床、移动床和流动床3种类型。（1）固定床按树脂在交换柱中的分层情况，固定床可分为单层床、双层床和混合床3种。,（2）移动床包括交换柱和再生柱两部分。运行时定期将交换柱排出的部分失效树脂送入再生柱再生，同时补充等量新鲜或再生树脂。移动床系统属于半连续式交换设备，起交换作用的树脂层在间断移动中完成交换和再生的往复的循环再生过程。移动床具有处理效率较高、树脂容量利用充分的优点，但操作管理较为复杂。,（3）流动床树脂层是在连续移动中完成交换和再生的循环过程。移动床和流动床均只有单层床形式。与固定床相比，移动床和流动床具有交换速度快、处理能力大、处理效率高等优点，但由于设备复杂、操作较为繁琐、对水量水质变化的适应性差、树脂损耗大等缺点，应用限制很多。,2.固定床离子交换器,特点：设备紧凑、操作管理简便、出水水质稳定等。根据再生方式的不同，固定床离子交换器分为逆流再生型和顺流再生型。,逆流再生的再生剂耗量少，所获交换容量大，且能保证出水质量。但逆流再生必须保证再生液分配均匀，不扰动、不流失树脂层，以免影响出水水质，因此其装置及操作控制较复杂严格。逆流再生的再生液流速一般控制在1.5m/h以下。顺流再生交换器在树脂层以上150-200mm处设有再生液分布装置。而小型固定床交换器通常利用上部进水装置分布再生液，不另设再生液分布装置。顺流再生设备简单、易操作、工作可靠，但再生剂用量较多，再生所获的交换容量低、出水水质差。顺流再生时的再生液流速一般为2-5m/h。,八、离子交换的工艺过程,1.离子交换方式分静态交换和动态交换两种方式。静态交换是将废水与交换剂置于容器中，以交换方式使固液间充分接触，交换反应达到平衡后，静置分离树脂与处理后的水。动态交换方式是将废水通过一定厚度的树脂层（床），在流动过程中与树脂接触，进行离子交换反应。在适宜工艺条件下，动态交换方式可直接获得净化出水。,2.固定床动态交换的工序,1.交换工序（也称过滤）废水自上而下通过树脂层，欲脱除的有害或有利用价值的离子与树脂的活动离子进行交换并结合在树脂上，从而直接与出水分离。当树脂接近饱和、出水中处理离子的浓度达到某一规定的限制时，需停止交换操作，转入下阶段的反洗工序。2.反洗工序该工序由吸附柱的出水端通入冲洗水，以松动树脂层并清除悬浮物杂质、破碎树脂等，使后续工序中的再生剂能与树脂充分有效地接触。,3.再生工序即采用较高浓度的再生剂以一定流速通过树脂层，置换出附着在树脂上的交换离子，使树脂的交换能力得到恢复的交换反应的逆过程。4.清洗工序即洗涤去除树脂层内残留的再生液及再生反应物质等。,十、离子交换工艺的设计,离子交换工艺的设计首先需要根据处理废水的特点、处理出水去向所决定的处理效率要求，选择交换处理系统的工艺组合方式，包括离子交换树脂种类、再生方式及再生剂种类，根据经验选取或结合动、静态试验选择合理的工艺参数，而后进行系统核心设备离子交换柱的设计。,九、固定床交换柱的工作规律,十一、离子交换法在废水处理中的应用,离子交换法在废水处理方面的某些应用,第八节膜析法,（一）膜分离技术用某些具有特殊性能的薄膜为介质分离水溶液中某些物质的方法，统称为膜分离技术。（二）膜的分类及应用方式分类：固体膜、液体膜、溶胀的凝胶性质：离子交换膜、分子扩散膜、微孔膜、液膜应用电渗析离子交换膜反渗透分子扩散膜(反渗透膜）超滤微孔膜（超过滤膜）液膜分离液膜,（三）膜分离技术的应用1、在工业生产中：化工、冶金、制药、食品生产中某些产品的制备、分离和提纯。2、在给水处理中：海水淡化、苦咸水的脱盐、硬水软化、高纯水的制备。3、在废水处理中：印染、造纸、某些废液的处理、重金属废水的回收。,（四）电渗析,电渗析是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。1、离子交换膜离子交换膜是离子交换树脂的另一种应用方式，是膜状的带活性基因的高分子聚电解质。,（1）种类按膜结构均相膜：结构连续，化学性能均匀，电化学性能优良。异相膜：树脂和黏合剂按比例混合涂在支撑物上，膜的结构和化学性质不连续、不均匀。半均相膜：由树脂和黏合剂制成，性能介于均相和异相膜之间。按膜性能阳离子交换膜：膜内可交换离子为阳离子。阴离子交换膜：膜内可交换离子为阴离子。复合膜：由阳膜和阴膜复合而成。,（2）膜的选择透过性在直流电场的作用下，离子交换膜有选择地让某些离子透过而排斥另一种离子的性能。（3）影响膜选择透过性的因素树脂的交联度。交联度高、交换基因浓度高、选择透过性好。膜结构。化学结构均匀，选择透过性好。膜外溶液的浓度。浓度高，选择透过性差。,2.电渗析的分离原理,3.电渗析器构造,电渗析器是利用电渗析原理实现对水溶液的物质分离或浓缩操作的装置。电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置3大部分组成。A.膜堆膜堆是由若干个膜对组合而成的总体。膜对：由阴膜、淡水隔板、阳膜、浓水隔板各一张，按顺序组成的电渗析膜堆的基本单元。隔板作用是使两膜之间形成水室及流水通道，并进行配水和集水。隔板按水流方式的不同，分为有回路隔板和无回路隔板2种。,B.极区包括电极、电极框和导水板。电极：与直流电源整流器相连接，设在膜堆两端，为电渗析过程提供传质推动力，常用铅板或石墨板作阳极，不锈钢作阴极；电极框：用于在极板和膜堆之间保持一定的距离，以构成极室和极水的通道，并起绝缘、密封的作用；导水板：将欲处理的原水引入电渗析器的各个水室，并将各水质的处理出水引出电渗析器。,C.夹紧装置设在两极区的外侧，其作用是把极区和膜堆组装成完整的电渗析整体。压紧板和电极框之间衬有橡胶或软聚氯乙烯制成的垫板，起防止漏水和调整厚度不均的作用。夹紧装置分压紧板和螺栓压紧、液压锁紧两种。,4.电渗析在废水处理中的应用,1.酸洗废液回收酸和铁；2.芒硝废液生产硫酸和氢氧化钠。,（五）反渗透,1.定义反渗透：指在外界所施加的高于溶液渗透压的压力作用下，使水由溶液透过半透膜反向扩散到淡水一侧，并使溶液中的溶质得到浓缩的过程或现象。反渗透法：利用反渗透原理及反渗透膜实现溶质的分离与浓缩的水处理操作。传质推动力：外界向反渗透系统施加的相当高的压力，压力范围在1-10MPa。优点：不发生相变、效率高、无需加热、能耗低以及适应性强、设备简单、操作方便、占地少等。,2.反渗透的基本原理,渗透压以压力单位表示，其大小与膜和溶质的种类、化学性质无关，而取决于溶液温度和溶质浓度：,式中:-溶液的渗透压压力，Pa；i-与溶质离解状态相关的范特霍夫常数。对于完全电离的电解质溶液，i等于离解阴、阳离子的总数；对于非电解质溶液，i=1。R-理想气体常数，8.314J/（mol.K）；C-溶质的浓度，mol/m3；T-绝对温度，K；,实现反渗透过程的必要条件：A.必须有高选择性和高透水性的半透膜；B.操作压力必须高于溶液的渗透压。在实际反渗透的操作过程中，为了获得一定的反渗透速率，施加在膜两边的压力差要远大于渗透压，通常反渗透系统采用的压力为平衡渗透压的4-20倍。,3.反渗透膜的透过机理,优先吸附-毛细孔流理论：把反渗透膜看作是一种具有微细多孔型结构的膜，并且具有良好的选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。当水溶液与膜表面接触时，膜优先吸附水分子，并在膜-溶液界面上形成一层不含溶质的纯水分子层，纯水层的厚度由界面性质决定，或为单分子层或为双分子层。该理论指明了膜材料选择和反渗透膜制备的指导原则，即膜材料应具备对水分子的优先选择吸附性和对溶质的选择排斥性；膜的表面层应具有可能多的有效直径为2t的细孔，这样的膜方能获得最佳的分离率和最高的透水速率。,4.反渗透膜,反渗透分离效率的技术关键在于反渗透膜的性能。实际应用中要求反渗透膜具备的性能：透水通量大，脱盐率高；耐压强度高，多孔支撑层的压密作用小，且抗拉、耐磨；化学稳定性好，耐酸、耐碱、耐热、耐微生物腐蚀，且耐水解、辐射和氧化；膜结构均匀，性能衰降慢，使用寿命长；制膜原料充足，制膜容易。根据膜结构可分为多孔性膜和致密性膜，或是对称性膜和不对称性膜；根据应用场合可分为海水膜和咸水膜；根据用途范围可分为高压膜、低压膜和超低压膜等。,5.反渗透在废水处理中的应用,（1）电铬