污水处理第四章 物化处理

1、第四章第四章 工业废水的物理化学处理工业废水的物理化学处理 工业废水的物理化学处理工业废水的物理化学处理 第一节第一节 混凝混凝 第二节第二节 气浮气浮 第三节第三节 吸附吸附 第四节第四节 离子交换离子交换 第一节第一节 混凝混凝 工业废水的处理化学处理工业废水的处理化学处理 一、混凝原理一、混凝原理 二、混凝过程二、混凝过程 三、混凝的操作程序三、混凝的操作程序 四、混凝的影响因素四、混凝的影响因素 五、混凝剂和助凝剂五、混凝剂和助凝剂 六、混凝设备六、混凝设备 七、工业废水处理中混凝的应用七、工业废水处理中混凝的应用 一、混凝原理一、混凝原理 混凝处理的对象：混凝处理的对象： 主要是水中

2、的微主要是水中的微 小悬浮物和胶体杂质。小悬浮物和胶体杂质。 混凝目的：混凝目的： 投加混凝剂使胶投加混凝剂使胶 体脱稳，相互凝聚生体脱稳，相互凝聚生 长成大矾花。长成大矾花。 一、混凝原理一、混凝原理 1. 1. 胶胶体的性体的性质质 胶体胶体 所受所受 影响影响 由于上述的胶体带电现象，带相同电荷由于上述的胶体带电现象，带相同电荷 的胶粒产生静电斥力，而且的胶粒产生静电斥力，而且电位越高，胶粒电位越高，胶粒 间的静电斥力越大间的静电斥力越大 受水分子热运动的撞击，使微粒在水中受水分子热运动的撞击，使微粒在水中 作不规则的运动，即作不规则的运动，即“布朗运动布朗运动” 胶粒之间还存在着相互引

3、力胶粒之间还存在着相互引力范徳华范徳华 引力引力 一、混凝原理一、混凝原理 稳定性稳定性 动力学稳定性：布朗运动强，对抗重力影响的能力强 聚集稳定性：胶体带电相斥 其中聚集稳定性对胶体稳定性的影响起到关键的作用。 胶体的双电层结构胶体的双电层结构 胶核表面有负电荷，可吸附水中的正离子，与之平衡。在靠近胶核表 面的一层内，因吸力较大正电离子紧密地吸附在胶核表面上，故称为吸附 层。厚度较薄较固定，不随外界的条件（水温）变化而变化。 在吸附层之外，还有一层正电离子，在此范围内静电吸力因屏蔽作用 而减弱，且受水分子热运动的干扰，鼓层内的正电离子与胶核的结合力较 为松弛，离子扩散游动在吸附层之外，称为扩

4、散层。 一、混凝原理一、混凝原理 压缩双电层：压缩双电层： 压缩双电层压缩双电层 电位电位 稳定性稳定性 凝聚凝聚 电性中和，又称吸附电性中和电性中和，又称吸附电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附 带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低 电位。电位。 网捕或卷扫网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕 2. 2. 混凝机理混凝机理 一、混凝原理一、混凝原理 根据以上机理，可以解释在不同根据以上机理，可以解释在不同pHpH条件

5、下，铝盐可能产条件下，铝盐可能产 生的混凝机理。生的混凝机理。 pH3 pH10,隔油池）；乳化油（10,一般0.1-2气浮） 溶解性 。 造纸厂白水回收纤维； 染色废水等 毛纺工业洗毛废水羊毛脂及洗涤剂 浓缩污泥（效果比沉淀法高） 第三节第三节 吸附吸附 工业废水的处理化学处理工业废水的处理化学处理 一、吸附本质一、吸附本质 二、吸附类型二、吸附类型 三、吸附剂三、吸附剂 四、吸附等温线四、吸附等温线 五、吸附速度五、吸附速度 六、六、影响吸附的因素影响吸附的因素 七、七、吸附的操作方式吸附的操作方式 八、吸附剂的再生八、吸附剂的再生 九、吸附法的应用九、吸附法的应用 一、吸附本质一、吸附本

6、质 1、概念 吸附定义： 吸附是一种或几种物质（称为吸附质）在另一种物质 （称为吸附剂）表面上自动发生变化（累积或浓集）的过程。 是一种相界面上的反应。可以发生在气液界面、气 固、液固。 在水处理中，主要讨论的是液固界面。 固相物质：吸附剂，一般为多孔性物质 液相中被吸附物质：吸附质 吸附法定义： 吸附法是指水中的一种或多种物质被吸附在固体表面 （吸附剂）而被去除的方法 一、吸附本质一、吸附本质 1、原理： 吸附剂表面上的分子受力不均衡 - 存在剩余力场 （即具有表面能）。 根据热力学第二定律，这种能力有自动变小的趋势。当 溶液中的吸附质 达到吸附剂表面时，致使界面上的分 子受力变得均衡一些，

7、从而降低了这种表面能。这就是吸附 过程自动发生的一种推动力。 因此吸附的本质是物质从液相（或气相）到固相表面的 一种传质现象。 二、吸附类型二、吸附类型 根据吸附剂表面吸附力的不同，吸附可分为以下三种类型： 物理吸附、化学吸附、离子交换吸附： 物理吸附： 分子间的作用力所引起的。 吸附热较小，可在低温下进行。 过程是可逆的，易解吸 相对没有选择性。分子量越大，吸附量越大。 可形成单分子吸附层或多分子吸附层 二、吸附类型二、吸附类型 化学吸附： 由化学键力引起的产生化学反应。 如石灰吸附CO2 CaCO3 吸附热大，一般在较高温下进行。 具有选择性，单分子层吸附 化学键力大时，吸附不可逆。 离子

8、交换吸附： 静电引力 吸附质的离子吸附剂表面的带电点上，同时吸附剂也放 出一个等当量离子。 离子电荷越多，吸附越强。 离子水化半径越小，越易被吸附。 实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下： 吸附性能物理吸附化学吸附 作用力分子引力（范德华力）剩余化学键力 选择性没有选择性有选择性 吸附层单分子或多分子吸附层只能形成单分子吸附层 吸附热较小， 41.9kj/mol较大，相当于化学反应热， 83.7-418.7kj/mol 吸附速度快，几乎不要活化能较慢，需要活化能 温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加 可逆性可逆，较易解析化学键大时，吸附不可逆 三、吸附剂三、吸附剂 具有一定

9、吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂。有活性炭、 活化煤、焦炭、煤渣。 活性碳活性碳是水处理中应用最为广泛的吸附剂。 （1）活性碳的制造 原料：木材、煤，经高温炭化和活化而成。 炭化：温度300-400，将原料热解为碳渣。 活化：把碳渣造成发达的多孔结构 主要有两种活化方法： 气体法：通入水蒸气 药剂法：用氯化锌、硫酸等作为活化剂。 三、吸附剂三、吸附剂 （2）活性炭的构造 吸附作用主要发生在细孔表面。 比表面积：每克吸附剂具有的总表面积。可达500-1700m2/g 吸附量除与比表面积有关外，还于细孔的形状和分布有关。 细孔的构造有；圆桶形，圆锥形，瓶形，平板形，毛细管形 等。直径为1-1000

10、0 nm。 三、吸附剂三、吸附剂 根据杜必宁的分类，细孔分为： A、 小孔（微孔）。半径在2nm以下，其表面积占比表面积的95%以上， 对吸附量的影响最大。 B、中孔（过渡孔）。半径为2-100nm ,表面积占比表面积的5%以下。它 为吸附质提供扩散通道，影响大分子物质的吸附。 C、大孔。半径为100-10000nm，表面积只有0.5-2m2/g，占比表面积不 足1%，主要为吸附质提供扩散通道。 一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或分 子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。 所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性炭 的孔径分布来选择合适的活性炭。 三、吸附剂三、吸附剂

11、（3）活性炭的表面化学性质 吸附不仅与构造和细孔分布有关，还与其表面化学性质有 关。 活性炭是非极性的，但在制造过程中，易于氢、氧结合而 具有微弱的极性。 正因如此，它不仅可以去除水中的非极性物质，还可去除 极性物质甚至微量的金属离子及化合物。 三、吸附剂三、吸附剂 （4）活性炭的特点 A、具有良好的吸附性能和化学稳定性 B、可耐酸碱 C、能经受水浸、高温、高压作用 D、不易破碎，气流阻力小 E、粉状活性炭制造容易、成本低，但不易再生； 粒状活性炭成本较高，但操作管理和再生容易。 四、吸附等温线四、吸附等温线 1、吸附平衡 当吸附速度和解吸速度相等时，溶液中的吸附质浓度不在 改变时 吸附平衡

12、吸附剂吸附能力的大小用吸附量q（g/g）表示。达到吸附 平衡时， q = V(C0-C)/W (g/g) V：废水容积、 W：活性炭投量 C：吸附平衡时，溶液中溶质浓度 增加W C和q 发生变化 四、吸附等温线四、吸附等温线 2、吸附等温线与等温式 吸附等温线：在某一温度条件下，吸附量随吸附质平衡浓 度的变化的曲线。如有I型吸附和II型和III型吸附： I型 II型 III型 四、吸附等温线四、吸附等温线 A、弗兰德利希(Freundlich)吸附等温式（经验公式） q = KC1/n lg q = lg K + 1/n lg C (k、n为经验常数） 1/n越小，吸附性能越好。一般认为 1/

13、n = 0.1 0.5 时 容易吸附; 1/n大于2时难于吸附。 B、朗谬尔（Langmuir）吸附等温式 q = abC/(1+aC) 通过动力学观点，推导出的单分子吸附公式。 C、BET式：表示吸附剂上有多层被吸附的吸附模式，各层的 吸附符合朗谬尔吸附单分子吸附公式。 吸附量是选择吸附剂和设计吸附设备的重要数据。吸附量的 大小决定吸附剂再生周期的长短。因此，需要研究吸附剂的 吸附等温线。 五、吸附速度五、吸附速度 定义：单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质的量。 吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间。 吸附速度快 接触时间短 吸附设备的容积小 影响吸附速度的因素有： 1）吸附质在吸附剂

14、表面液相界膜内的迁移速度。（膜扩 散） 2）吸附质在吸附剂颗粒空隙内的扩散速度。（内部扩散） 3）吸附质在吸附剂内表面吸附位置上的吸附反应速度。 吸附速度主要受液膜扩散速度和内部扩散速度控制。 在开始阶段往往由液膜扩散速度起作用，而在终了阶段 则由颗粒的内部扩散起决定作用。 六、影响吸附的因素六、影响吸附的因素 主要有内因和外因两个方面： 1）内因因素有： A、吸附剂的性质：种类；比表面积；表面能；表面化学特 性；孔隙尺寸等 B、吸附质的性质：溶解度；极性；分子量；溶质浓度；空 间结构等 2）外因因素有； A、环境条件： pH值；温度；共存物质；压力；协同作用 B、运行条件：运行方法；接触时间

15、；水力条件等。 七、吸附操作方式七、吸附操作方式 静态 ：搅拌 平衡 沉淀（过滤等） 动态：应用多， 1、吸附设备： 固定床： 移动床： 2、穿透曲线和吸附容量的利用： 当缺乏设计资料时，应先做吸附剂的选择试验。通过 吸附等温线试验得到的静态吸附量可粗略地估计处理每立方 米废水所需吸附剂的数量。 由于在动态吸附装置中废水处于流动状态，因此还应 通过动态吸附试验确定设计参数。 七、吸附操作方式七、吸附操作方式 自学15分钟： 穿透曲线？ 穿透点？ 吸附终点？ 为什么穿透点和吸附终点还有一段距离？ 如何充分利用吸附容量？ 八、吸附剂的再生八、吸附剂的再生 再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变

16、化的情况下， 用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达 到能够重复使用的目的。 活性炭的再生： 1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；一般采用高温 再生。 脱水（活性炭与液体分离）干燥（100150度）炭 化（300700度）活化（用蒸汽）冷却 2）药剂再生法：酸碱、有机溶剂 3）化学氧化法：湿式氧化、臭氧 4）生物再生法：利用微生物作用 九、吸附法的应用九、吸附法的应用 活性炭对有机物的吸附 用于去除用生物或物理、化学法不能去除的微量呈溶解状态的有机物。 废水中的有机物能否易被活性炭吸附，其主要影响因素有： 分子结构；界面张力（界面活性）；溶解度；离子性和极性；分子大 小；pH

17、值；浓度；温度；共存物质等。 活性炭对无机物的吸附 用于去除某些金属及其化合物有很强的吸附能力。如对锑、铋、锡、 汞、钴、铅、镍等都有良好的吸附能力。 活性炭的种类 A、按形状分类：粉状炭，粒状炭（包括无定形炭、柱状炭、球形炭等）； B、按制造方法分类：药剂活性炭（大部分为ZNCL2活化的粉状炭），气体 活性炭（水蒸气活化的粉状炭和粒状炭） 九、吸附法的应用九、吸附法的应用 活性炭对有机物的吸附 用于去除用生物或物理、化学法不能去除的微量呈溶解状 态的有机物。废水中的有机物能否易被活性炭吸附，其主要影 响因素有： 分子结构；界面张力（界面活性）；溶解度；离子性和极 性；分子大小；pH值；浓度；

18、温度；共存物质等。 活性炭对无机物的吸附 用于去除某些金属及其化合物有很强的吸附能力。如对锑、 铋、锡、汞、钴、铅、镍等都有良好的吸附能力。 九、吸附法的应用九、吸附法的应用 活性炭的种类 A、按形状分类：粉状炭，粒状炭（包括无定形炭、柱状炭、 球形炭等）； B、按制造方法分类：药剂活性炭（大部分为ZNCL2活化的粉状 炭），气体活性炭（水蒸气活化的粉状炭和粒状炭） 废水吸附法处理实例 处理程度高、应用范围广、适应性强、可以再生重复使用。 如：染料化工废水处理； 铁路货车洗刷废水处理； 火药（TNT）化工废水处理； 含汞废水。 离子交换法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， 以达到离子的置换、分离、去除、浓缩等目的。 一、离子交换剂 1.离子交换剂的分类，组成及结构 分类：无机和有机 结构：不溶性树脂母体和活 性基团 如何制造树脂？ 直接聚会有机电解质 先聚合单体有机物，然后 在聚合物上接入活性基因 2.2.离子交换树脂的命名和型号离子交换树脂的命名和型号 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基因）名称、基本名称组成。 孔隙结构分凝胶型和大孔型两种，凡具有物理孔结构的称大孔型树脂， 在全名称前加“大孔”。分类属酸性的应在名称前加“阳”，分