水的物化处理作业

水的物化处理作业

项文力090430

第一章超纯水及其制备

20℃时测得纯水电阻率(MQ-cm)为16,换算成25℃时的电阻率

解：

20℃时测得纯水电导率为：Loc-1/16[1Q'1-cm-1-uQ-1-cm1；

+

Lt=Le(t)Lp(t);L.go=L*Lfl(t)=kt*(Lt-L0(t))=k20c*(Lmc-Lp(«rc));

=+,=-+

L25CLe(25C>Lp(25C)k20C*(L20CLp(20C))LP(25C)；

P25C=1/LZ5C=1/[kzOC*(LjOC-LpCJOC))+Lp(25C)]；

=()=1=1

查表得：k?oc;LP2OCHQ•cm；Lp(25oRQ•cm；

=-+==

P25C1/[k»C*(L20CLP(20C))Lp(25C)]___________________!___________________MO*CITI

1.111*(0.0625-0.0380)+0.0548

第二章传质与物料平衡原理

ds

一依,其他参

多相反应模型：如图为淹没式生物活性炭滤池，试建立数学模型，假定生物反应为一级反应帚

数自行假定。

图淹没式生物活性炭滤池

解：

如图，在滤柱上取一段△1",在AAL这一体积微元内，建立污染物的物料衡算方程。

主体溶液中污染物的变化量等于活性炭表面生物膜反应的量。假定微元内单位体积生物膜表面积为F,污

染物进入生物膜表面的通量为N”贝IJ：

-QAS=AAL-F•NA

,ASAFNA/一为工工口曰..dSAFNA

••—=-------,微兀趋于无限小时R，—=--------

ALQdLQ

假定活性炭的空隙率为£,比表面积为e,贝I］：F=(1-E)e；

ds.

•••污染物到达生物膜后才发生反应，反应速率为一级反应丁=一心，而心为污染物的通量，进入生物

at

膜表面由于反应而消失，消失速率即反应速率，

ds.

at

dS_AFNA_A(\-s)ekS

~dL~一—Q~—Q~

i,SeA(l-s)ekT

Q

4(1一0或L

Se=So,exp|------------------1

第三章离子交换理论

用离子交换法从CuSO,废液中回收Cu,废液含Cu*为20mgN/L,处理水量3.78n"h。要求Cu"回收率为99%,参考有

关资料，当水流速度u=22m/h,K,av=1500h0固定床装填强酸性阳离子交换树脂p产3501^/疗。总交换容一2g,经

过酸再生后，残余Cu"为g,试计算交换带宽度；若树脂层高为，估算树脂层运行时间。

表1Cu"-H'平衡数据

cJ.初始浓度/mgN/L2016128421

平衡浓度/mgN/L0

解：

(a)交换带宽度：

由已知得，废液的初始浓度C产20mgN/L,终了浓度C2=20*=L,树脂初始吸附量qkg,终了吸附量取

表2数据计算

Cu"初始浓度C平衡浓度1/(C-Ce)△C/(C-Ce).Ac

C-Ce1/(C-Ce)△CttC-Ce

mgN/LCemgN/L平均值平均值

20

164

124

84

44

22

11

0

由表2得，厂上J==5.721

JezC-Ce^C-Ce

Za=—fC°—=^-x5.721"?=0.084w。

ka)c2C-C,1500

(b)树脂层运行时间：

由已知得，树脂层高h为，

夕M)(力一0.5Z。)350x4.6(1.6-0.5x0.084)

t.=--------------------==-----------------------/?=D.//Z

A14co22x20

第三章活性炭吸附

3-1某工业废水的pH为，用活性炭直接吸附其中有机物。用A、B、C三种活性炭在一升水样中加不同量的有机物

进行吸附实验。加活性炭1g。平衡浓度的实验结果见表3T-1,容积传质系数ka的实验见表3-1-2。(a)求每种活

3

性炭所适用的吸附公式及相应的公式中的常数。(b)求每种活性炭的容积传质系数kao活性炭的容番皆用300kg/mo

表377平衡浓度试验

平衡浓度/mg/L

TOC初始浓度/mg/L

炭A炭B炭c

10

20

40

80

160

320

640

12801180

25602460

表37-2容积传质系数实验TOC初始浓度=320mg/L

TOC浓度/mg/L

时间/s

炭A炭8炭C

1313312311

2307305302

4296292206

8278274258

16254239216

32233207170

解：

(a)求每种活性炭所适用的吸附公式及相应的公式中的堂数：

首先判断活性炭A、B、C是否符合langmuir公式：

由吸附量试验数据得吸附量数据，见表3-1-3。

1g活性炭的吸附量即是(p-pe),相当于吸附等温线的x/m。用吸附量x/m和平衡浓度pe绘制吸附等温线,

见图3-1T。

表37-3平衡浓度试验数据

TOC初始平衡浓度Pe吸附量x/m

浓度pmg/Lmg/g

mg/L炭A炭B炭c炭A炭B炭c

10

20

40

80

160

320

lawgmuir吸附等温多I

2S012801180

200—<

25602460

micnJ/

1004■

”1

V

0SOO1000150020002500]ooo

干衡浓度MmgA)

<6性烫A♦消性突B*击性爽C

图3-1-1langmuir吸附等温线

从图3TT可以看出：活性炭A、C符合langmuir吸附等温线，而活性炭B偏差较大，需通过直线回归作图进一

步验证,

从表3TT中数据可以看出pe值基本上都大于1mg/L,利用Iangmuir公式的变形公式

-^-=—^pe+,10,需作d-〜pe关系曲线：计算上幺，列于表3-1-4,以平衡浓度pe为横

(x/m)(x/w)0b(x/〃z)°x1mx/m

坐标，上幺为纵坐标进行直线回归做图37-2。

x/in

表3-1-4—---pe数据

x/m

平衡浓度Pe(mg/L)—(g/L)

xim

炭A炭B炭c炭A炭B炭C

1180

2460

langmuir回归直线

活住炭A：y=0.01x>0.0506

R2=l

活性卖B：y=0.0042x*0.2942

R7-0.9876

活性煲C：y=0.005/0.0498

R“1

3000

平衡浓度p・（mg/l）

♦活性蕾A■活性烫B

图3-1-2Iangmuir回归直线

由图37-2得，R代表拟合程度,越接近于1,表明拟合越准确，炭A、C的R值都为1,说明适合langmuir

公式，而炭B需要进一步验证。

由langnuir公式的变形及上一=—二'M+—二■及图37-2的拟合方程知：对于炭A：

-------=0.01o—=0,0507,即(x/，〃)°=100mg/g,b=o所以，炭A的吸附等温线公式为:

(x/z«)----------/心/〃。°

x_19.724pe

~m~1+0.197pe°

同理可知炭C：一二二0.005,--=0.0498,可得(x/〃?)°=200mg/g,b=,炭C的吸附等温线

(x/m)b(x/ni)

公式为：A=20.08/^o

rn14-0.1004pe

判断炭B是否符合FreundIich公式:

xI

利用Freundlich公式的变形lg-=-lgd+lgK,，根据表37-3数据计算Igpe,lg(x/m)列于表37-5,并

mn

作lg(x/m)〜Igpe关系曲线，如图3T-3所示。

表3-1-5Frendlich数据

Igpe

Ig(x/m)

Freundlich公式回归直线

0.5

-4-2024

3

♦演性烫B

图3-1-3FreundIich公式回归直线

x1

从国3-1-3可得，活性炭B更符合FreundIich公式。由FreundIich公式的变形lg—=-lgpe+lgK知:

mn

g=().232,lgK/=1.598,即K,=39.628。R2=,接近于1,拟合较准确，所以炭B的吸附等温线公式为:

—=39.628次a。

m

活性炭A、B、C的吸附等温线公式为：

.xV).724pe

友A：——=-----------；

m1+0.197pe

炭B：-=39.628pt>a232；

m

炭C：—=2008^,其中，土一吸附量mg/g,pe—平衡浓度mg/L。

m1+0.1004/76?m

(b)求每种活性炭的容积传质系数ka:

对给定的数据计算列于下表3-1~6,利用公式lg-二「竺"t,作18(「1^6)人-「6-1：关系曲线,

p-pe2.3034

如图3-1-4。

表37-6容积传质系数实验TOC初始浓度二320mg/L

时间

TOC浓度(mg/L)PiPepi-pe

/s

炭A炭B炭c炭A炭B炭c炭A炭B炭c

13133123M320

2307305302320

4296292286320

8278274258320

162542392-6320

32233207170320

P-Pe(pi-pe)/p-pelg(Pi-Pe)/p-pe

炭A炭B炭C炭A炭B炭c炭A炭B炭C

活性炭Ka值图

活性交A：y-00299x♦0.0038

Ri=0.9999

油性更A：y・Q02如000”

N=09X2

活卷大A,y«00223K-00012

Ra=l

0to203040

时间〃

♦活性卖A■活性MB▲考性炭c

图314活性炭的容积传质系数ka

.p~pmka,

Le3

由公式lg=~=TTT7-i,其中，rn=1g,pc=300kg/m：

P-Pe2.3032c

tnka

活性炭A：=0.0299即ka=20.66g/s,dm3=20.66kg/s*m3

2.303々

tnka

活性炭B：=0.0256即ka=17.69g/s,dm3=17.69kg/s•m3

2.303夕0

nika

活性炭C：=0.0223即ka=15.41g/s•dm3=15.41kg/s•m3

2.303々

2

3-2用上题活性炭试验资料设计吸附柱。废液通量为1kg/m•so吸附柱高10米。废液TOC浓度为100mg/L<>pb

及PX分别采用5mg/L及95mg/Lo求每种活性炭的吸附柱的吸附周期。

解：

(a)求吸附带高度：

由上题可知，活性炭A、B、C的吸附等温线公式为:

x_19.724pe

活性炭A：

in1+0.197pe

活性炭B：土=39.628佯必2；

m

20.08"e

活性炭C：x_

~m~l+0.1004pe

其中，土一吸附量mg/g,pe—平衡浓度mg/L。

m

由废液TOC浓度pi=100mg/L,代入活性炭A、B、C的吸附等温式可求得(x/m)”即得活性炭人B、C操作线的

斜率0*,操作线通过原点，可得活性炭A、B、C的操作线方程分别为:

A

活性炭A：x/tn=p；

活性炭B：x/m=p；

活性炭C：x/m=po

分别从5mg/L到95mg/L之间每间隔10取一系列p。由操作线方程和吸附等温线公式联立求解，即可得到Pe,

废液TOO浓度pi=100mg/L,见表3-2-1。

表3-2-1计算数据表

pPep/pi1-(P/1-(p/p-pe1/^p-pe)

Pi)Pi）平

均值

炭A、炭A、B、炭AtB\炭A、B、

炭A炭B炭c炭A炭B炭c赛A炭B炭c

B、CCCC

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

1/(p-pe)平均值△p/(p-pe)I△p/(p-pe)(y*ka/Fm)

炭A炭B炭c炭A炭B炭c炭A炭B炭c

y/5△(y/6)f即⑸*(12)

炭A炭B炭c炭A炭B炭c炭A炭B炭c

Zf

山上题可知：

活性炭A：ka=20.66kg/s•m3

活性炭B：ka=17.69kg/s-m3

活性炭C：ka==15.41kg/s-m3

废液通量Fm为Ikg/m?•s。

Lrn1

对于活性炭AYx——=3.5403,以ka及Fm代入得3=(X-----)=0.17mo

Fm20.66

1^(11

对于活性炭B:Sx——=3.8616,以ka及Fm代入得b=(x----)=0.22m。

F0,17.69

bfi1

对于活性炭C:Kx—=3.4170,以ka及Fm代入得6=(x-----)=0.22m。

Fm15.338

(b)吸附柱有效吸附容量

活性炭A、B、C在浓度为100mg/L时的x/m值为g,g,go则1m”面积10m高的吸附杜有效吸附容量为:

活性炭A：

22

-于B)=[95.29加g/gX300kg//xlw(10-0.6863x0.17>]=282534.73g/m

活性炭B：

22

NgA(L-/b)=[115.4〃zg/gx30(Rg/xbw(10-0.6192x0.22)/w]=341483.93g/m

活性炭C：

%AA(L-/S)=[181.9〃2g/gx300kg，xl/n2(10-0.7027x0.223)〃?]=5337148.77g/m2

(c)吸附周期

按有机物全部被去除估计，即100mg/g,每秒每m2去除量为1LX103mg/L=100mg,吸附周期为:

活性炭A：噜警”=33d

100〃?g/(sm~)

活性炭B：竽

100"%/(s-什)

5337148.77g/m2

活性炭c：-------------；—=62d

1OOmg/(sm~)

3-3吸附柱的处理系统见图3-3-1。废水流・为50L/s,TOC浓度为350mg/L。要求出水TOC浓度小于3mg/L。活性

炭吸附试验的数据见表3-3-1(1L水加活性炭1g)；求每分钟再生活性炭的质・。

解：

由已知数据计算吸附量(Pi-pe)/m,其中m=1g,见表3-3-1。并作吸附等温线，如图3-3-2。

表3-37吸附试验数据及计算数据

初始浓度Pi平衡浓度pe吸附量(Pi-Pe)/m

(mg/L)(mg/L)(mg/g)

10

20

40

80

120

160

240115125

吸附等温线

140

T%浓度

______________________________________―性爽______________________________________

图3-3-2吸附等温线

由图3-3-2可得，当平衡浓度为3mg/L时，吸附量约为51mg/g。

设每分钟再生活性炭的质量为M,由物料衡算得：50X(350-3)=M(51-0)

M二s二min

第五章反应器设计理论

某水采用CSTR反应器进行预消毒实验，当投氯量为一定值时，细菌杀灭速率为一级反应，且k=,求细菌被灭99%

所需杀毒时间为多少。

解：

对CSTR反应器有：cA=-^-

八l+0k

由题意可得：CA=1%;CA.=1;k=o带入上式可解得：6=

即所需杀毒时间为。

采用与前题同体积的PF反应器，其他条件均相同，求去除率为99%所花的时间。

解：

对PF反应器有：c0=qexp(-A。)

由题意可得：co=1%；Ci=1；k=o带入上式可解得：6=

即所需杀毒时间为。

采用两只CSTR反应器串联，其他条件与上题均相同，求去除率为99%所花的时间。

解:

c--J

对二级阶式CSTR反应器有:

2(1+外产

由预意可得：C2=1%；Ci=1；k=o带入上式可解得：6=

即所需杀毒时间为。

2-7证明图2-21的曲线在t/8=n-1处(n>1)有一极大值。

证明：

"(H-l)!0

知2■二一!一”

A(〃-D!9

令=x

Pi。

则有)，=—!—

(〃-1)!

贝ijy':一!—(n-\)xn-2e'x——!—x"-二'

(/?—1)!(/?—1)!

令\」=0,得—!—(zz-l)x，,-Vx----!—x"-7T=0

(n-1)!(n-1)!

x=Jo且/万

工0,-0--0----

05—1)!

/.(zz-l)-x=0

则得X=〃-1,x"-2>0,e-v>0.

当xv〃一1口寸，y'>0

当X>"-1时，y'<0

/.当〃>1时，曲线在^■处有一极大值

0

极大值为△=一!—5-1)1丁”

A(〃-1)!

2-8脉冲信号的反应器出口示踪剂浓度见表2-8,求反应器的E(t)曲线。

表2-8示踪剂的出口浓度

时间/min示踪剂出口浓度/g-L-'

00

5

10

15

20

25

30

350

解：

先计算示踪剂的总量有：

m—QXS++++++—70Qo

则由上结果列表如下：

示踪剂出口浓度

时间t./minE(t：=Qp(t)/mE(t)平均值

Pi/g•L'

000

5

10

15

20

25

30

35000.0057

做出E(t曲线)如下,

E(t)函数曲线

2-9假定例题2-2中水流线通过CSTR后通过活塞流部分，同样求反应器整体的E(t)曲线。

解：

当(V/。)时间内，CSTR反应器内浓度随传入PF反应器，但尚未传出整个反应器，因此pjp,二0

此时E(t)=0；F(t)=0；

当(V/Q)时，实际时间为t+(1-f)V/Q,代入式(2-64)(2-66)(2-67)有：

^=exp(--^-[r4-(1-/)-])

P,"