【3】第二章 水的物理化学处理方法(3)

1、环环 境境 工工 程程 学学粗大颗粒物质：格栅、筛网、沉砂粗大颗粒物质：格栅、筛网、沉砂悬浮物质和胶体物质：沉淀、混凝悬浮物质和胶体物质：沉淀、混凝溶解性物质溶解性物质按颗粒的大小按颗粒的大小第二章第二章 水的物理化学处理方法水的物理化学处理方法水中的杂质：水中的杂质：第三节 水中溶解物质的去除 一、水的软化和除盐 二、离子交换法 三、吸附法 四、膜分离技术第二章第二章 水的物理化学处理方法水的物理化学处理方法 第三节第三节 水中溶解物质的去除水中溶解物质的去除CO32-、HCO3- 、SO42-、Cl-Ca2+、Mg2+、Na+、K+阳离子阳离子阴离子阴离子溶解气体溶解气体O2、CO2天然水

2、体天然水体重金属离子重金属离子有机物质有机物质气体气体污水和废水污水和废水CH4、 NH3、H2S软化除盐、离子交换、吸附、膜分离、氧化还原法、生化法软化除盐、离子交换、吸附、膜分离、氧化还原法、生化法软化软化：降低水中：降低水中Ca2+、Mg2+含量的处理含量的处理一、水的软化与除盐一、水的软化与除盐 加热软化加热软化 药剂软化药剂软化 离子交换离子交换除盐除盐：减少水中溶解盐类的总量：减少水中溶解盐类的总量 蒸馏蒸馏 电渗析电渗析 离子交换离子交换Ca(HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2Mg(HCO3)2 MgCO3 + H2O + CO2MgCO3 + H2O Mg(OH)

3、2 + CO2 加热软化加热软化不能去除非碳酸盐硬度，很少使用。不能去除非碳酸盐硬度，很少使用。1、水的软化、水的软化 药剂软化药剂软化 离子交换离子交换生成生成CaCO3、Mg(OH)2 石灰法、石灰石灰法、石灰-纯碱法、石灰纯碱法、石灰-石膏法石膏法离子交换剂将水中的离子交换剂将水中的Ca2+、Mg2+转换成转换成Na+。会有少量不能沉淀，有残余硬度。会有少量不能沉淀，有残余硬度。2、水的除盐、水的除盐 蒸馏蒸馏 将液体加热气化，同时使产生的蒸气冷凝液化并收集的将液体加热气化，同时使产生的蒸气冷凝液化并收集的联合操作过程叫做简单蒸馏或普通蒸馏，也简称蒸馏。联合操作过程叫做简单蒸馏或普通蒸馏

4、，也简称蒸馏。 在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中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，使溶液中的溶质与水分离的一种阴、阳离子的选择透过性，使溶液中的溶质与水分离的一种物化过程。物化过程。 电渗析电渗析 一种借助于离子交换剂上的离子和污水中的有害离子进一种借助于离子交换剂上的离子和污水中的有害离子进行交换反应而除去污水中有害离子的方法。行交换反应而除去污水中有害离子的方法。 离子交换离子交换第三节 水中溶解物质的去除 一、水的软化和除盐 二、离子交换法 三、吸附法 四、膜分离技术第二章第二章 水的物理化学处理方法水的物理化学处理方法 二、离子交换

5、法二、离子交换法 利用利用离子交换树脂作为吸附剂离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力与树待分离组分，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。将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。 实质实质：不溶性离子化合物：不溶性离子化合物(离子交换剂离子交换剂)上的可交换离子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。附过程，通常是可逆化学吸附。 离

6、子交换是可逆反应，其反应式可表达为：离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：HRMMRH交换交换树脂树脂交换交换离子离子饱和饱和树脂树脂 在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式：合下列关系式：KRHMRMH K值的大小能定量地反映离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子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。选择性的大小。离子交换过程的离子交换过程的特点特点：它主要吸附水中以离子：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。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在废水处理

7、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，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。对于净化放射性废水及有机废水也有应用。1、离子交换剂的分类和组成、离子交换剂的分类和组成离子交换剂分为离子交换剂分为无机无机和和有机有机两大类。两大类。无机的离子交换剂有天然沸石和人工合成沸石。沸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。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机的离子交换剂有磺化煤和各种有磺化煤和各种离子交换树脂离子交换树脂。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

8、机高分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。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生成离子交换剂的树脂母体最常用苯乙烯聚合物。苯乙烯聚合物。离子交换树脂的结构离子交换树脂的结构带有活性基团的网状高分子聚合物酚醛树脂聚乙烯树脂OH + CH2OCH=CH2+CH=CH2CH=CH2交联剂交联剂SO3HCOOHNOHNH3OH母体活性基团酸性基团特殊基团碱性基团离子交换树脂的结构胺羧基团氧化还原基团骨架骨架是形成离子交换树脂的结构主体

9、。它是以一种线形结构的高分子有机化合物为主，加上一定数量的交换剂，通过架桥作用构成的空间网状结构。 活性基团由固定离子和活动离子组成活性基团由固定离子和活动离子组成 固定离子固定在树脂骨架上，活动离子则依靠静电引力与固定离子结合在一起，两者电性相反、电荷相等，处于电性中和状态。凝胶型树脂凝胶型树脂按按孔孔隙隙结结构构分分大孔型树脂大孔型树脂多孔凝胶树脂多孔凝胶树脂巨孔型树脂巨孔型树脂高巨孔型树脂高巨孔型树脂按按活活性性基基团团分分 阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂螯合树脂螯合树脂氧化还原树脂氧化还原树脂两性树脂两性树脂按活性基团中酸碱的强弱分为按活性基团中酸碱的强弱分为

10、（a）强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂，活性基团一般，活性基团一般为为SO3H，又称磺酸型阳离子交换树脂。，又称磺酸型阳离子交换树脂。（b）弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂，活性基团一般，活性基团一般为为COOH。活性基团中的。活性基团中的H可以被可以被Na代替，因此又可分为代替，因此又可分为氢型和钠型氢型和钠型。（c）强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂，活性基团一般，活性基团一般为为 NOH，又称为季胺型阴离子交换树脂。，又称为季胺型阴离子交换树脂。（d）弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂，活性基团一般，活性基团一般有有 NH3OH等。阴离子交换树脂中的氢氧等。阴

11、离子交换树脂中的氢氧根离子根离子OH可以用氯离子可以用氯离子Cl代替。因此又代替。因此又有有氢氧型和氯型氢氧型和氯型之分。之分。按活性基团中酸碱的强弱分为按活性基团中酸碱的强弱分为2、离子交换树脂的性质、离子交换树脂的性质物理性能指标物理性能指标：外观、粒度、密度、含水率、：外观、粒度、密度、含水率、溶胀性、机械强度、溶胀性、机械强度、 耐热性耐热性化学性能指标化学性能指标：交联度、酸碱性、离子交换选：交联度、酸碱性、离子交换选择性、交换容量择性、交换容量（1）密度）密度 离子交换树脂的相对密度有三种表示方法离子交换树脂的相对密度有三种表示方法:干真密度、湿真干真密度、湿真密度和湿视密度。密度

12、和湿视密度。 干密度干密度是指在是指在115真空干燥后的密度；真空干燥后的密度； 湿真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；（不包括空隙）之比； 湿视密度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是指树脂在水中充分膨涨后单位体积树脂所具有的质量。质量。（2）含水率）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

13、越大，含水率就越高。孔隙率。交联度越小，孔隙率越大，含水率就越高。（3）溶胀性）溶胀性 树脂由于吸水或转型等条件改变，而引起的体积变化树脂由于吸水或转型等条件改变，而引起的体积变化现象称为现象称为溶胀性溶胀性。树脂由干变湿的膨胀度称。树脂由干变湿的膨胀度称绝对溶胀度绝对溶胀度；由一种可交换离子变为另一种可交换离子时的体积变化称由一种可交换离子变为另一种可交换离子时的体积变化称相对溶胀度相对溶胀度。如强酸阳离子交换树脂由钠型转变成氢型时，。如强酸阳离子交换树脂由钠型转变成氢型时，其体积溶胀度约为其体积溶胀度约为5 - 10。（4）耐热性）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，

14、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。命。（5）交联度）交联度 交联剂占单体质量的百分数称为交联剂占单体质量的百分数称为交联度交联度。 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。度就越大，对离子的选择性就越强，但交换速度就越慢。（6）选择性）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选择性性，它是决定离子交换法处

15、理效率的一个主要因素。，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）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）子结合的能力）随溶液中离子价数的增加而增加随溶液中离子价数的增加而增加，例如：，例如： Th4+Al3+Ca2+Na+ 2）在低浓度和常温下，价数相同时，交换势）在低浓度和常温下，价数相同时，交换势随原子序数增加随原子序数增加而增加而增加。这是因为原子序数大，水化离子半径小，作用力就。这是因为原子序数大，水化离子半径小，作用力就强。例如：强。例如：Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+3）交换势随离子浓度的增加而增大

16、交换势随离子浓度的增加而增大。高浓度的低价离子甚至。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。依据。4）H+离子和离子和OH-离子的交换势，取决于它们与固定离子所形离子的交换势，取决于它们与固定离子所形成的酸或碱的强度，成的酸或碱的强度，强度越大，交换势越小。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。）金属在溶液中呈络阴离子存在时，一般来说交换势降低。（7）化学稳定性）化学稳定性 废水中的氧化剂，如氧、氯、铬酸、硝酸等，由于其氧化废水中的氧化剂，如氧、氯、铬酸、硝酸等，由于

17、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。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；三是使交换柱内的换柱内的pH值保持在值保持在6左右。左右。 除了上述几项指标外，还有树脂的外形、粘度、耐磨性、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。在水中的不溶性等。（8）离子交换容量）离子交换容量 交换容量交换容量是树脂交换能力大小的标准，可以用重

18、量法和容积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。法两种方法表示。 重量法重量法是指单位重量的干树脂中离子交换基团的数量，用是指单位重量的干树脂中离子交换基团的数量，用mmo1/g或或mo1/g来表示。来表示。 容积法容积法是指单位体积的湿树脂中离子交换基团的数量，用是指单位体积的湿树脂中离子交换基团的数量，用mmol/L或或mol/m3树脂来表示。由于树脂一般在湿态下使用，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。因此常用的是容积法。 全交换容量全交换容量是指树脂中活性基团的总数。是指树脂中活性基团的总数。 工作交换容量工作交换容量是指在给定的工作条件下，

19、实际所发挥的交换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量只有总交换容量的6070。3、水质对树脂交换能力的影响、水质对树脂交换能力的影响1）悬浮物和油脂）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。预处理的方法有过含量较多时，应进行预处理。预处理的方法有过滤、吸附等。滤、吸附等。2）有机物）有机物 废水中某些高

20、分子有机物与树脂活性基团的固定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。果是降低树脂的再生率和交换能力。3）高价金属离子）高价金属离子 废水中废水中Fe3、A13、Cr3等高价金属离子能引起树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。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，结果会降低树脂脂吸附，再生时难于把它洗脱下来，结果会降低

21、树脂的交换能力。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。为了恢复树脂的交换能力可用高浓度酸长时间浸泡。4）pH值值 强酸和强碱树脂的活性基团的电离能力很强，交强酸和强碱树脂的活性基团的电离能力很强，交换能力基本上与换能力基本上与pH值无关。值无关。 但弱酸性树脂在但弱酸性树脂在pH值低时不电离或部分电离，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。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而弱碱性树脂在酸性溶液中才能得到较大的交换能力。能力。 螯合树脂对金属的结合与螯合树脂对金属的结合与pH值有很大关系，

22、每值有很大关系，每种金属都有适宜的种金属都有适宜的pH值。值。5）水温）水温 水温高虽可加速离子交换的扩散，但各种离子交换树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。脂都有一定的允许使用温度范围。6）氧化剂）氧化剂 废水中如果含有氧化剂（如废水中如果含有氧化剂（如Cl2、O2、H2Cr2O7等）时，等）时，会使树脂氧化分解。强碱性阴树脂容易被氧化剂氧化，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。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，氧化作用也会影响交

23、换树脂的本体，使树脂加速老化，结果使交换能力下降。结果使交换能力下降。 4、离子交换装置、离子交换装置离子交换装置离子交换装置固定床固定床单层床单层床双层床双层床混合床混合床连续床连续床移动床移动床流动床流动床交换交换反洗反洗再生再生清洗清洗离子交换的运行操作步骤离子交换的运行操作步骤 交换：交换：利用离子交换树脂的交换能力，从废水中分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离脱除需要去除的离子的操作过程 反洗：反洗：反冲洗的目的有二：一是松动树脂层，使再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；二生液能均匀渗入层中，与交换剂颗

24、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。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为了达到这两个目的，树脂层在反冲洗时要膨胀30%-40%30%-40%。冲洗水可用自来水或废再生液。冲洗水可用自来水或废再生液。 再生：再生：即交换反应的逆过程。使具有较高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子置换出来，从而使树脂的交换能力得到恢复。恢复。再生液的浓度对树脂的再生程度有再生液的浓度对树脂的再生程度有较大影响较大影响。 清洗：清洗：洗

25、涤残留的再生液和再生时可能出洗涤残留的再生液和再生时可能出现的反应产物现的反应产物 。 再生剂的选择再生剂的选择 强酸性阳离子交换树脂可用强酸性阳离子交换树脂可用HCl或或H2SO4等强酸及等强酸及NaCl、Na2SO4等再生。等再生。 弱酸性阳离子树脂可以用弱酸性阳离子树脂可以用HCl、H2SO4等再生。等再生。 强碱性阴离子交换树脂可用强碱性阴离子交换树脂可用NaOH等类强碱及等类强碱及NaCl再生，再生， 弱碱性阴离子树脂可以用弱碱性阴离子树脂可以用NaOH、Na2CO3、NaHCO3等再生。等再生。 5、离子交换法在给水处理中的应用、离子交换法在给水处理中的应用软化软化Na型阳离子交换

26、柱型阳离子交换柱除盐除盐H型阳离子交换柱型阳离子交换柱OH型阳离子交换柱型阳离子交换柱6、离子交换法在处理工业废水中的应用、离子交换法在处理工业废水中的应用 离子交换法近年来被广泛地应用于回收工业废离子交换法近年来被广泛地应用于回收工业废水中的有用物质和去除有毒物质。水中的有用物质和去除有毒物质。 【1】处理含铬废水处理含铬废水 含铬废水是一种常见的废水，主要含有以 CrO42-和Cr2O72-形态存在的六价铬以及少量的以Cr3+形态存在的三价铬。经预处理后，可用阳树脂去除三价铬离子和其他阳离子，用阴树脂去除六价铬离子，并可回收铬酸，实现废水在生产中的循环使用。 交换反应如下：交换反应如下：三

27、价铬的交换三价铬的交换O3HCr2ROCr6RH2332六价铬的交换六价铬的交换-42-242OHCrORCrO2ROH-722-2722OHOCrROCr2ROH 经阳柱和阴柱处理后，废水中金属离子和六价铬经阳柱和阴柱处理后，废水中金属离子和六价铬转移到树脂上，树脂上的转移到树脂上，树脂上的H+和和OH-被置换下来结合成被置换下来结合成水，因此可以得到纯度较高的水。水，因此可以得到纯度较高的水。33CrCl3RH3HClCrR4242CrONa2ROH2NaOHCrOR 树脂失效后，阳柱可用一定浓度的树脂失效后，阳柱可用一定浓度的HCl或或H2SO4再生，阴柱可用一定浓度的再生，阴柱可用一定

28、浓度的NaOH再生，反应式如下：再生，反应式如下：OHCrONa2ROH4NaOHOCrR242722 为了回收铬酸，可把再生阴树脂得到的再生洗脱为了回收铬酸，可把再生阴树脂得到的再生洗脱液，通过液，通过H型树脂进行脱钠，即可得到铬酸，反应式型树脂进行脱钠，即可得到铬酸，反应式为：为：OHOCrH4RNaCrO2Na4RH272242 脱钠柱失效后可用脱钠柱失效后可用HCl再生，反应式为：再生，反应式为：NaClRHHClRNa如何实现工业化呢？如何实现工业化呢？含铬废水处理工艺流程含铬废水处理工艺流程O3HCr2ROCr6RH2332-42-242OHCrORCrO2ROH-722-2722

29、OHOCrROCr2ROHOHOCrH4RNaCrO2Na4RH272242【2】处理含锌废水处理含锌废水 化纤厂纺丝车间的酸性废水主要有ZnSO4、 H2SO4和Na2SO4等，用Na型阳树脂交换其中的Zn2+，用芒硝作再生剂，即可得到ZnSO4的浓溶液，反应式为：4223交换43SONaZnRSOZnSONa2RSO434223ZnSONa2RSOSONaZnRSO再生含锌废水离子交换处理流程含锌废水离子交换处理流程 ZnSO4浓缩液可直接回用于酸浴浓缩液可直接回用于酸浴4223交换43SONaZnRSOZnSONa2RSO434223ZnSONa2RSOSONaZnRSO再生 回收的 Z

30、nSO4浓缩液可直接回用于酸浴，交换器出水含有较浓的H2SO4和Na2SO4，可以作为软化设备的再生剂。 离子交换法的优点是去除离子的效率高，设备比较简单，操作易于掌握等。 存在的问题是目前受到树脂品种、产量、成本的限制，有时树脂的再生和再生洗脱液的处置也是一个难题。第三节 水中溶解物质的去除 一、水的软化和除盐 二、离子交换法 三、吸附法 四、膜分离技术第二章第二章 水的物理化学处理方法水的物理化学处理方法 吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的过程，它可以发生在气液、气固、液固两相之间。在污水处理中，吸附是用多孔性固体吸附剂吸附污水中的一种或多种污染物，达到污水净化的过程。 三、吸附法三、

31、吸附法1、吸附的基本理论、吸附的基本理论（1） 吸附过程及分类吸附过程及分类吸附吸附是指利用多孔性固体物质吸附废水中某种或几种污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染物，以回收或去除某些污染物，使废水得到净化的方法。法。具有吸附能力的多孔性固体物质称为具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂吸附剂。而废水中。而废水中被吸附的物质称为被吸附的物质称为吸附质吸附质。吸附是一种界面现象，发生在两个相的界面上。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，可分为根据吸附剂与吸附质之间作用力不同，可分为物理吸附、物理吸附

32、、化学吸附化学吸附和和离子交换吸附离子交换吸附三种类型。三种类型。1 1）物理吸附的特点）物理吸附的特点 吸附剂和吸附质之间通过吸附剂和吸附质之间通过分子间力分子间力作用所发生作用所发生的吸附为物理吸附，没有选择性。的吸附为物理吸附，没有选择性。 物理吸附主要发生在物理吸附主要发生在低温状态低温状态下，放热较小。下，放热较小。 可以是单分子层或多分子层吸附。可以是单分子层或多分子层吸附。 解吸容易。解吸容易。 影响物理吸附的主要因素是吸附剂表面积和细影响物理吸附的主要因素是吸附剂表面积和细孔分布孔分布。2 2）化学吸附的特点）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吸附剂和吸附

33、质之间发生由化学键力引起的吸附称为化学吸附。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。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。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。在低温时，吸附速度较小。 吸附牢固，解吸困难。吸附牢固，解吸困难。3 3）离子交换吸附的特点）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。带电点上的其他离子。 吸

34、附力为静电引力吸附力为静电引力 有一定的选择性有一定的选择性 吸附热与物理吸附相近吸附热与物理吸附相近（2 2）吸附平衡与吸附容量）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，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。前者称为脱离吸附剂的表面，又回到液相中去。前者称为吸附过程吸附过程，后者称为后者称为解吸过程解吸过程。 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当吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量

35、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，此时称为达到不再改变，此时称为达到吸附平衡吸附平衡。 达到吸附平衡时吸附质在液相中的浓度称为达到吸附平衡时吸附质在液相中的浓度称为平衡平衡浓度浓度。 吸附容量吸附容量是指单位质量的吸附剂所吸附的吸附质是指单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量，一般用的质量，一般用q表示，单位表示，单位mg/g 或或g/g。 如果用如果用V表示废水体积；表示废水体积；0和和e分别表示分别表示初始浓度初始浓度和平衡浓度和平衡浓度；m表示吸附剂的表示吸附剂的质量质量，则：，则：m)V( qe0吸附速度吸

36、附速度l 吸附速度吸附速度是指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的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。吸附质的数量。l 第一个阶段称为颗粒外部扩散（又称为膜扩散）阶段，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；吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面；l 第二阶段称为孔隙扩散阶段，吸附质在吸附剂孔隙中继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；续向吸附点扩散；l 第三阶段称为吸附反应阶段，吸附质被吸附在吸附剂孔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。隙内的表面上。2、吸附的操作及设备(1)吸附操作的分类吸

37、附操作的分类 按吸附操作过程中废水的按吸附操作过程中废水的流动状态流动状态，可把吸附，可把吸附操作分为操作分为静态吸附静态吸附和和动态吸附。动态吸附。 废水在不流动条件下进行吸附操作为废水在不流动条件下进行吸附操作为静态吸附静态吸附操作操作。 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。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。静态吸附操作是间歇式操作。有时需要进行多次。 如一次吸

38、附后出水水质达不到要求时，往往采用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。中应用较少。静态吸附 动态吸附操作动态吸附操作是废水在流动条件下进行的吸附是废水在流动条件下进行的吸附操作。操作。 动态吸附操作是连续的过程。一般是废水连续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。物吸附在活性炭中。 从处理设备的类型上，可以分成从处理设备的类型上，可以分成固定床方式固定床方式、移动床方式移动床方式

39、和和流化床方式流化床方式。动态吸附 固定床是废水处理中常用的吸附装置。让废水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，所以叫中，吸附剂在操作过程中是固定的，所以叫固定床固定床。 固定床根据水流方向又分为固定床根据水流方向又分为升流式升流式和和降流式降流式两两种。种。 降流式降流式出水水质较好，水头损失较大，易堵塞。出水水质较好，水头损失较大，易堵塞。 升流式升流式水头损失小，运行时间较长。不易堵塞，水头损失小，运行时间较长。不易堵塞，但吸附剂易流失。但吸附剂易流失。固定床固固定

40、定床床吸吸附附塔塔示示意意图图粒状活性炭粒状活性炭吸附层吸附层固定床的操作是间断固定床的操作是间断的，因为吸附饱和后的，因为吸附饱和后需要更换新炭。需要更换新炭。移动床移动床移动床移动床的运行操作方式是原水从吸附塔底部流的运行操作方式是原水从吸附塔底部流入和吸附剂进行入和吸附剂进行逆流接触逆流接触，处理后的水从塔顶，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，即饱和的吸附剂从塔底排出，即吸附剂由上而下吸附剂由上而下移动移动，所以称为移动床。，所以称为移动床。按吸附剂排出的方式又分为按吸附剂排出的方式又分为间歇移动床间歇

41、移动床和和连续连续移动床移动床。移动床充分利用吸附剂的吸附容量，水头损失移动床充分利用吸附剂的吸附容量，水头损失小。小。移移动动床床吸吸附附塔塔构构造造示示意意图图粒状活性炭粒状活性炭吸附层吸附层去再去再生系生系统统新的或再生后的新的或再生后的活性炭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流动床流动床 流动床也叫做流化床。吸附剂在塔中处于膨胀状态，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。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

42、，预处理要求低。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。强度要求高。3、 影响吸附的因素影响吸附的因素（1 1）吸附剂性质的影响）吸附剂性质的影响 1 1）比表面积）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。附剂的比表面积越大，则吸附能力越强。 2 2）孔结构）孔结构 吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。吸附剂

43、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。分子起屏蔽作用。（2 2）吸附质的性质）吸附质的性质 不饱和较饱和物质更容易被吸附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对溶解度低的物质的吸附优于对溶解度高的物质的吸附。的吸附。 对非极性分子的吸附优于对极性分子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

44、酸的吸附量按如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸甲酸 乙酸乙酸 丙酸丙酸 丁丁酸酸的次序而增加。的次序而增加。4、吸附剂、吸附剂工业吸附剂必须满足下列要求工业吸附剂必须满足下列要求: :（a a）吸附能力强；）吸附能力强；（b b）吸附选择性好；）吸附选择性好；（c c）吸附平衡浓度低；）吸附平衡浓度低；（d d）容易再生和再利用；）容易再生和再利用；（e e）机械强度好；）机械强度好；（f f）化学性质稳定；）化学性质稳定；（g g）来源广；）来源广；（h h）价格低。）价格低。 一般工业吸附剂难一般工业吸附剂难于同时满足这八个于同时满足这八个方面的要求，应根方面的要求，应根据不同的场合选用。据不

45、同的场合选用。活性炭活性炭 活性炭是一种非极性吸附剂。 是由含炭为主的物质为原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。 外观为暗黑色，有粒状和粉状两种，目前工业上大量采用的是粒状活性炭。 活性炭主要成分除碳外，还含有少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。 具有良好的吸附性能和稳定化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。大孔大孔微孔微孔溶剂和吸附质均溶剂和吸附质均可进入的区域可进入的区域溶剂和小吸附质溶剂和小吸附质可进入的区域可进入的区域只有溶剂可只有溶剂可进入的区域进入的区域活性炭的微孔结构活性炭的微孔结构小孔小孔 2nm过渡孔过渡孔 2100nm大孔大孔 1001

46、0000nm比表面积比表面积 500-1700m2/g活活 性性 炭炭 吸附剂再生的目的，就是在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂的细孔中除去，以便能够重复使用。 加热再生法加热再生法 高温加热再生过程主要分五步进行: 脱水 干燥 碳化 活化 冷却4、吸附剂的再生、吸附剂的再生5、吸附法处理废水的应用、吸附法处理废水的应用应用范围应用范围：脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物和放射性元素等。和放射性元素等。作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除有机物、胶体物及余氯等

47、，有机物、胶体物及余氯等，作为二级处理后的深度处理手段，保证回用水的作为二级处理后的深度处理手段，保证回用水的质量。质量。案例案例1：某石油化工厂采用活性炭吸附法进行炼油废水某石油化工厂采用活性炭吸附法进行炼油废水深度处理，处理水量深度处理，处理水量600m3/h，原水，原水COD平均为平均为90mg/L，出水，出水COD要求小于要求小于30mg/L。采用移动床吸附。采用移动床吸附塔，主要设计参数为：空塔速度塔，主要设计参数为：空塔速度10m/h，接触时间，接触时间30min，通水倍数，通水倍数6m3/kg，碳层密度，碳层密度0.5t/m3。215m104600采用采用4塔并联，每个吸附塔面积

48、：塔并联，每个吸附塔面积：则，吸附塔直径取则，吸附塔直径取4.5m吸附塔高度吸附塔高度5m0.510每个吸附塔装填活性炭体积每个吸附塔装填活性炭体积35m7515每个吸附塔装填活性炭重量每个吸附塔装填活性炭重量37.5t.5075每日需炭量每日需炭量2.4t/d2400kg/d6.060024案例案例2：美国加利福尼亚某污水处理厂采用如下工艺处理美国加利福尼亚某污水处理厂采用如下工艺处理初次沉淀初次沉淀曝气曝气二次沉淀二次沉淀化学化学除磷脱氮除磷脱氮砂滤砂滤活性炭活性炭吸附吸附氯消毒氯消毒处理处理 处理水量处理水量2.85万万m3/d，其活性炭吸附塔的主要处理，其活性炭吸附塔的主要处理效果如下

49、表：效果如下表：项目进水 mg/L出水 mg/L去除率 %吸附容量 kg/kgCOD2010500.4BOD541-325-75-色度145-650-案例案例3：铁路货车运输的货物品种多样，如牲畜、化肥、铁路货车运输的货物品种多样，如牲畜、化肥、食品、农药等，其洗刷废水水质成分复杂。某车站采食品、农药等，其洗刷废水水质成分复杂。某车站采用混凝沉淀、过滤和活性炭吸附法处理货车洗刷废水，用混凝沉淀、过滤和活性炭吸附法处理货车洗刷废水，工艺流程图如下：工艺流程图如下：格栅格栅沉砂井沉砂井调节池调节池斜管斜管沉淀池沉淀池砂滤池砂滤池活性炭活性炭吸附吸附氯消毒氯消毒处理处理碱式氯化铝碱式氯化铝浓缩池浓缩

50、池污泥污泥干化场干化场外运外运 废水量废水量120m3/d，经混凝沉淀和砂滤后，经混凝沉淀和砂滤后，COD、SS、浊度、硫化物及挥发酚等大部分可被去除，但有、浊度、硫化物及挥发酚等大部分可被去除，但有机磷去除效果不明显，经活性炭吸附处理后，各项指机磷去除效果不明显，经活性炭吸附处理后，各项指标都达到了排放标准。标都达到了排放标准。pH值值COD悬浮物悬浮物挥发酚挥发酚浊度浊度有机磷有机磷砷砷氰化物氰化物硫化物硫化物原水原水8.55525560.1521600.160.090.0112.95进水进水7.49.8470.046150.120.020.0030出水出水7.923.6240.00220

51、000第三节 水中溶解物质的去除 一、水的软化和除盐 二、离子交换法 三、吸附法 四、膜分离技术第二章第二章 水的物理化学处理方法水的物理化学处理方法 四、膜分离技术四、膜分离技术主要内容：主要内容：1、膜分离法的分类和应用范围、膜分离法的分类和应用范围2、电渗析、电渗析3、反渗透、反渗透4、超过滤、超过滤1、概述膜分离法膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些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方法的统称。成分进行选择性透过的方法的统称。溶剂透过膜的过程称为溶剂透过膜的过程称为渗透渗透。溶质透过膜的过程称为溶质透过膜的过程称为渗析渗析。几种主要膜分离法的特点：几种主要膜分离法的特

52、点：膜过程膜过程推动力推动力传质机理传质机理透过物及透过物及其尺寸其尺寸截留物截留物膜类型膜类型电渗析电渗析电位差电位差离子选择性离子选择性透过透过溶解性无溶解性无机物机物非电解质大非电解质大分子分子离子交换离子交换膜膜反渗透反渗透压力差压力差2-10MPa溶剂的扩散溶剂的扩散 水或溶剂水或溶剂溶质、盐、溶质、盐、SS非对称膜非对称膜纳滤纳滤压力差压力差0.4-1.0MPa筛滤及表面筛滤及表面作用作用水、部分水、部分盐盐高价离子、高价离子、有机物、有机物、SS非对称膜非对称膜超过滤超过滤压力差压力差0.1-0.4MPa筛滤及表面筛滤及表面作用作用水、盐及水、盐及部分有机部分有机物物胶体大分子、

53、胶体大分子、蛋白质蛋白质非对称膜非对称膜微滤微滤压力差小于压力差小于0.1MPa筛滤及表面筛滤及表面作用作用水、盐及水、盐及有机物有机物SS、细菌等、细菌等 非对称膜非对称膜膜分离技术有以下共同的特点：膜分离技术有以下共同的特点：（a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。（b）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；（c）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高。）装置简单，操作简单，控制、维修容

54、易，且分离效率高。与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点；理效率高等特点；（d）目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸）目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一般用或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理。于回收废水中的有用成分或水的回用处理。2、电渗析a a、原理、原理电渗析电渗析的原理是在直流电场的作用下，依靠的原理是在直流电场的作用下，依靠对水中离子有选择透过性的对水中离子有选择透过性的离子交

55、换膜离子交换膜，使，使离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离、提纯、浓缩、回收的目溶液，以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的。的。电渗析过程示意图 阳膜阳膜,只允许阳离子通过只允许阳离子通过阴膜阴膜,只允许阴离子通过只允许阴离子通过电极电极浓水浓水淡水淡水出水时出水时阳离子阳离子阴离子阴离子进水时进水时进水进水浓水室浓水室淡水室淡水室b b、离子交换膜、离子交换膜 常用的离子交换膜按其选择透过性可分为常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合阳膜、阴膜、复合膜膜等数种。等数种。 阳膜阳膜含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使

56、膜含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。其通过。 阴膜阴膜含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。正电，吸引阴离子并使其通过。 复合膜复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的电阻。做成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。

57、正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。当当膜的朝向与上述相反时膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。入膜中。c、电渗析的应用、电渗析的应用处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木质素；中回收木质素；从含金属离子的废水中分离和浓缩重金属离子，从含金属离子的废水中分离和浓缩重金属离子，然后对浓缩液进一步处理或回收利用；然后对浓缩液进一步处理或回收利用；从放射性废水中分离放射性元素；从放射性废水中分离放射性元素；从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化纳；从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化纳；处理电镀废水和废液等

58、，含处理电镀废水和废液等，含CuCu2+2+、ZnZn2+2+、CrCr6+6+、NiNi2+2+等金属离子的废水都适宜用电渗析法处理等金属离子的废水都适宜用电渗析法处理阳极反应式：阳极反应式：2OH2HO2H24224SOHSO2H2e2HO2OH2阴极反应式：阴极反应式：Fe2eFe22H2e2H海水淡化电渗析法示意图海水淡化电渗析法示意图3、反渗透 开始开始时两时两边液边液面相面相同同由于浓度差存在，半透膜由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以又不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压面升高，产生渗透压在浓水边加压，当压力在浓水边加压，当压

59、力超过渗透压时，则水透超过渗透压时，则水透过半透膜，即反渗透，过半透膜，即反渗透，实现净化过程。实现净化过程。半透膜半透膜反渗透膜的分类反渗透膜的分类按成膜材料按成膜材料可分为可分为有机膜有机膜和和无机高聚物膜无机高聚物膜；按膜的形状按膜的形状可分为可分为平板状平板状、管状管状、中空纤维中空纤维状状膜；膜；按膜结构按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或可分为多孔性和致密性膜，或对称对称牲牲( (均匀性均匀性) )和和不对称性不对称性( (各向异性各向异性) )结构膜；结构膜；按应用对象按应用对象可分为海水淡化用的可分为海水淡化用的海水膜海水膜、咸、咸水淡化用的水淡化用的咸水膜咸水膜及用于及用于废水

60、处理废水处理、分离提分离提纯纯等的膜。等的膜。醋酸纤维素膜的结构及性能醋酸纤维素膜的结构及性能膜的结构膜的结构醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。子化合物。外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚l00250 m。这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。醋酸纤维素膜的结构示意图99表皮层，孔径表皮层，