第二章-酸碱反应在污染控制中的应用.ppt

1、第二章酸碱反应在污染控制中的应用,Email:,2.1酸、碱反应原理,一、什么是酸、碱1.电离理论1884年，瑞典化学家阿仑尼乌斯(S.A.Arrhenius)根据电解质的电离理论，提出了第一个酸碱理论:酸是在水溶液中经电离只生成H+一种阳离子的物质；碱是在水溶液中只生成OH-一种阴离子的物质。酸与减中和反应的本质是H+和OH-化合生成H2O。,2.质子理论；勃朗斯特(J.N.BronMed)和劳莱(T.M.Lowry)能给出质子的是酸，能接受质子的是碱。,二、酸碱反应实质质子转移：两个共轭酸碱对相互作用，质子从一种酸转移到另一种碱的过程。三、酸度、碱度1、酸碱性：pH表示2、酸的浓度（酸的分

2、析浓度）：1升溶液中所含某种酸的摩尔数，即酸的总浓度，包括未理解酸的浓度和已离解的酸的浓度。,3、酸度酸度指水中能与强碱发生中和作用的物质的总量，即放出H+或经过水体能产生H+的物质的总量。AG=lgC(H+)/C(OH-)酸度组成：强酸，如HCl、HNO3、H2SO4；弱酸，如H2CO3；强酸弱碱盐，如FeCl3。,酸度分类：无极酸度：以甲基橙变色pH4.3为指示剂测得的酸度。游离CO2酸度：以酚酞变色pH8.3为指示剂测得的酸度。总酸度：滴定至pH10.8时所测得的酸度。酸度计算：无机酸度=H+-HCO3-2CO32-OH-游离CO2酸度=H+H2CO3*-CO32-OH-总酸度=H+HC

3、O3-2H2CO3*-OH-酸度单位：mmol/L；H2CO3*包含溶解的CO2和H2CO3。,4、碱度碱度是指是表征水吸收质子的能力的参数，通常用水中所含能与强酸定量作用的物质总量来标定。这类物质包括强碱、弱碱、强碱弱酸盐等。当滴定至酚酞指示剂由红色变为无色时，溶液pH值即为8.3，指示水中氢氧根(0H-)已被中和，碳酸盐均被转化为重碳酸盐，此时的滴定结果称为“酚酞碱度”。当滴定至甲基橙由黄色变为橙红色时，溶液的pH值为4.4-4.5，指示水中的重碳酸盐(包括原有的和由碳酸盐转化成的)已被中和，此时的滴定结果称为“总碱度”。,5、中和法利用碱性药剂或酸性药剂将废水从酸性或碱性调整到中性附近的

4、一类处理方法。在工业废水处理中，中和处理既可以作为主要的处理单元，也可以作为预处理。此外，还有一种与中和处理法相类似的处理操作，就是为了某种需要，将废水的pH值调整到某一特定值(范围)，这种处理操作叫pH调节。若将pH值由中性或酸性调至碱性，称为碱化；若将pH值由中性或碱性调至酸性，称为酸化。,6、不同酸(碱)含量工业废水的处理方法（1）废酸液和废碱液酸含量大于510%的高浓度含酸废水，常称为废酸液；碱含量大于35%的高浓度含碱废水，常称为废碱液。对于这类废酸液、废碱液，一般应因地制宜地加以回收和利用，例如，用蒸发浓缩法回收苛性钠；用扩散渗析法回收钢铁酸洗废液中的硫酸等。（2）酸性废水和碱性废

5、水对于酸含量小于510%或碱含量小于35%的低浓度酸性废水或碱性废水，由于其中酸、碱含量低，回收价值不大，常采用中和法处理，使其达到排放要求。,2.2.1酸性废水来源及特性pH4.5强酸性废水pH=4.5-6.5弱酸性废水来源钢铁厂、化工厂、冶炼厂、电镀厂、矿山等特性除含酸外，还含有各种有害物质、重金属及其盐类；会腐蚀管道，损坏农作物，伤害鱼类等水生物，污染土壤，危害人体健康。酸性废水的成分包括：无机酸：硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等有机酸：醋酸、甲酸、柠檬酸等金属盐。,2.2酸性废水中和处理,2.2.2酸性废水处理1回收利用2投药中和（1）常用的药剂：药剂中和法最常采用的碱性药剂是石灰(C

6、aO)，有时也选用苛性钠、碳酸钠、石灰石、白云石、电石渣等。选择碱性药剂时，不仅要考虑它本身的溶解性、反应速度、成本、二次污染、使用方便等因素，而且还要考虑中和产物的性状、数量及处理费用等因素。当投石灰进行中和处理时，Ca(OH)2还有凝聚作用，因此对杂质多、浓度高的酸性废水尤其适宜。,（2）中和剂的投加量可按实验绘制的中和曲线确定，也可根据水质分析资料，按中和反应的化学计量关系确定。,Q废水量，m3d；Cl，C2废水酸的浓度和酸性盐的浓度，kgm3；a1，a2中和每公斤酸和酸性盐所需的碱性药剂公斤数，即碱性药剂比耗量kgkg；K考虑到反应不均，部分碱性药剂不能参加反应的加大系数。如用石灰法中

7、和硫酸时，取1.05l.10(湿投)或1.41.5(干投)；中和硝酸和盐酸时，取1.05；碱性药剂的纯度，%。,中和产生的沉渣量(干基)G(kgd)可按下式计算：,消耗单位重量药剂所生成的难溶盐及金属氢氧化物量，kgkg；e单位重量药剂中杂质含量，kgkg；c中和后溶于废水中的盐量，kgm3；S中和前废水中悬浮物含量，kgm3；d中和后出水挟走的悬浮物含量，kgm3。,投药中和法的工艺过程主要包括：废水的预处理；药剂的制备与投配；混合与反应；中和产物的分离；泥渣的处理与利用。废水的预处理包括悬浮杂质的澄清，水质及水量的均和。前者可以减少投药量，后者可以创造稳定的处理条件。,消耗药剂产生的沉渣量

8、,中和后悬浮物的沉渣量,（3）投加方式投加石灰有干法和湿法两种方式。干投法设备简单，药剂的制备与投配容易，但反应缓慢，中和药剂耗用量大(约为理论用量的1.4.5倍)。,石灰干投法示意图,湿法即将生石灰在消解槽内消解为浓度4050%的乳液，排入石灰乳贮槽，并配成浓度为510%的工作液，然后投加。,（1）消解槽石灰用量1t/d：采用机械方法消解。,？可否用空气搅拌,式中：Ga石灰消耗量，t/d；r石灰的容重，0.91.1t/m3；C石灰乳浓度，（510）%；n每天搅拌次数。,（2）石灰乳贮槽消解后石灰乳排至贮槽，配制成510，其有效容积V2（m3）,（3）投配系统,溢流循环方式输运到投配槽中的量大

9、于投加量，剩余量沿溢流管流回乳贮槽，这样可维持投配槽内液面稳定不变，投加量只由孔口或阀门开度大小控制，还可以防止沉淀和堵塞。,混合反应池：应用广泛的是带搅拌的混合反应池。中和反应较快，废水与药剂边混合，边中和，池中常设置隔板将其分成多室，以利混合反应，称隔板混合反应池。反应池的容积通常按520min的停留时间设计。,投药中和法的优点是可处理任何浓度、任何性质的酸性废水；废水中容许有较多的悬浮杂质，对水质、水量的波动适应性强；并且中和剂利用率高，中和过程容易调节。存在的缺点是劳动条件差，药剂配制及投加设备较多，基建投资大，泥渣多且脱水难。,（4）特点,3.过滤中和法,酸性废水流过碱性滤料形成的滤

10、床时，可使废水中和，这种中和方式叫过滤中和法。主要的碱性滤料有三种：石灰石、大理石、白云石。前两种的主要成分是CaCO3，后一种的主要成分是CaCO3MgCO3。处理特点：操作简便、运行费用低、劳动条件好、沉渣少，只有废水体积的0.1%；缺点是进入酸的浓度受到限制，若是HCl、HNO3浓度20g/L；若是H2SO4浓度2g/L,滤料的选择和中和产物的溶解度有密切的关系。各种酸在中和后形成的盐具有不同的溶解度，其顺序大致为：Ca(NO3)2、CaCl2MgSO4CaSO4CaCO3、MgCO3。,中和处理硝酸、盐酸时，滤料选用石灰石，大理石或白云石都行；中和处理碳酸时，含钙或镁的中和剂都不行，不

11、宜采用过滤中和法；中和硫酸时，最好选用含镁的中和滤料(白云石)。但是，白云石的来源少、成本高，反应速度慢，所以，如能正确控制硫酸浓度，使中和产物(CaSO4)的生成量不超过其溶解度，则也可以采句石灰石或大理石。,（1）普通滤池：普通中和滤池为固定床。按水流方向可分为平流式和竖流式，竖流式又可分为升流式和降流式。,缺点:颗粒表面容易形成硬壳,不适于中、高浓度的酸性废水，硫酸允许浓度在11.2gL；滤料一般为3050mm；,3.过滤中和法,（2）升流式膨胀中和滤池,粒径小,0.53mm，滤层高度11.2m（新滤料），最终换料时的滤层高度2m；U=6080m/h膨胀率50%，上部清水区高度为0.5m

12、硫酸允许浓度可提高到2.22.3gL。,（3）滚筒式中和滤池装于滚筒中的滤料随滚筒一起转动，使滤科互相碰撞，及时剥离由中和产物形成的覆盖层，可以加快中和反应速度。废水由滚筒的一端流入，由另一端流出。,直径=1m，长度约为直径的67倍。滚筒转速约每分钟10转。滤料的粒径较大(达十几毫米)，装料体积约占转筒体积的一半；,优点：进水的硫酸浓度可以很大，滤料粒径却不必破碎得很小。缺点：负荷率低、构造复杂、动力费高、噪音大，同时对设备材料的耐蚀性能要求高。,（1）酸性废水与碱性废水的中和处理-在同时存在酸性废水和碱性废水的情况下，可以以废治废，互相中和。中和时，若碱性不足，应补充药剂；若碱量过剩，则应补

13、充酸中和碱。废水的水量和浓度均难于保持稳定，故应设置均和池及混和反应池(中和池)。如果混合水需要水泵提升，或者有相当长的出水沟管可资利用，也可不设混合反应池。（2）利用碱性废渣中和酸性废水例如，软水站石灰软化法的废渣中含有大量CaCO3、锅炉灰中含有220的CaO，利用它们处理酸性废水，均能获得一定的中和效果。,4利用碱性废水和废渣的中和法,5利用天然水体及土境中碱度的中和法,天然水体及土壤中的重碳酸盐可用来中和酸性废水，如：Ca(HCO3)2+H2SO4CaSO4+2H2O+2CO2利用土壤及天然水体中和酸性废水，必须持慎重态度。允许排入水体的酸性废水量，应根据水体的中和能力来确定。在天然水

14、体的pH值为7左右时，CO32-的量可忽略，只考虑一级解离平衡：,(5),则水体pH值为，,由于水体允许的pH界限值为6.5，则水体中游离CO2的极限浓度H2CO3或CO2可由下式求出：,则,若已知天然水体中的HCO3，并换算成相当的CO2量A(mgL)；游离CO2含量为B(mgL)。设允许水中重碳酸盐用于中和酸性废水析出的CO2极限量为x(mgL)，则：(B+x)1.047(A-x),则,于是就可进一步算出尤许排入水体的酸性废水量。,2.3.1碱性废水来源pH91.印染废水主要来自印染加工的各道工序，包括退浆废水，煮练废水，漂白废水，丝光废水，染色废水，印花废水，整理废水，其特征P23,表2

15、-1.2.造纸废水造纸工业用水多，消耗一定量的碱、硫化物、氯化物等化学药品，污染严重的轻工业造纸废水特点：耗氧量高，悬浮颗粒物高，含有毒物，碱性高，废水量大。,2.3碱性废水中和处理,碱性废水的成分：苛性钠、碳酸钠、硫化钠及胺类等。,（1）蒸煮废液原料+碱液蒸煮洗浆纸浆残液：蒸煮废液（黑液）（2）洗浆筛选废水洗浆带走的黑液约为总黑液20%左右，仍是黑色留在洗涤、筛选工段废水中。（3）漂白废水特点：pH：6.57.5，氯化物多,pH:10.9；SS:5.5g/L；BOD5:19000mg/L；挥发性固形物：38.5g/L；溶解性固形物：52.5g/L；COD:45500mg/L；SS:2500m

16、g/L,2.3.2碱性废水处理1.酸性废水与碱性废水的中和处理在同时存在酸性废水和碱性废水的情况下，可以以废治废，互相中和。2.药剂中和法常用硫酸、盐酸及压缩CO2。流程和投药中和酸性废水相同。其中工业硫酸价格较低，应用较多，当硫酸用量10kg/h，可直接用浓硫酸。,3烟道气中和法装置:喷林塔用CO2气体中和碱性废水时，为使气液充分接触反应，常采用逆流接触的反应塔(CO2气体从塔底吹入，以微小气泡上升；而废水从塔顶喷淋而下)。用CO2做中和剂的优点在于：由于pH值不会低于6左右，因此不需要pH值控制装置。烟道气中含有高达24的CO2，有时还含有少量SO2及H2S，故可用来中和碱性废水，其中和产

17、物Na2CO3、Na2SO4、Na2S均为弱酸强碱盐，具有一定的碱性，因此酸性物质必须超量供应。优点:处理效果良好，除尘，以废治废缺点:处理后的水色度,好氧量,硫话物都有增加.,实例1：印染废水处理,（1）酸碱废水互相中和不用投药、设备简单、管理方便、成本低廉（2）加酸中和法常用工业硫酸和盐酸，当硫酸用量超过10kg/h时，可采用浓硫酸直接投配；当硫酸用量较少时，先在调配槽内把硫酸稀释成5%10%浓度后再投用。（3）烟道气中和法,实例2：造纸废水处理,（1）黑液蒸发预处理a.黑液氧化b.除硫、除尘等（2）黑液蒸发浓缩（3）干燥、燃烧过程（4）绿液苛化和石灰回收,黑液回收主要指碱、石灰和热能的回

18、收，其中碱回收，仍以燃烧法为主，其流程如下：,2.4pH调节法在重金属废水处理中的应用,为了某种需要，将废水的pH值调整到某一特定值(范围)，这种处理操作叫pH调节。若将pH值由中性或酸性调至碱性，称为碱化；若将pH值由中性或碱性调至酸性，称为酸化。,中和沉淀法又称氢氧化物沉淀法，当碱加入含重金属废水中时其中的金属阳离子以氢氧化物或盐的形态沉淀析出。2.4.1废水来源及处理方法来源:除汞以外的其他重金属废水主要来源于矿山、废石场、造矿厂排水、有色金属冶炼厂除尘废水、有色金属加工厂及钢铁工业的酸洗废水、电镀厂镀件的洗涤水。处理方法：氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、氧化还原法、离子交换法和铁氧体法。

19、,2.4.2氢氧化物沉淀法原理,氢氧化物沉淀法是基于重金属离子在一定的pH条件下，生成难溶于水的氢氧化物沉淀而得到分离。除少数碱金属外，大多数金属的氢氧化物都属难溶化合物。其典型的沉淀反应为：（1）相应的金属氢氧化物的溶度积为：（2）又从水的离解平衡知：（3）于是可以得到金属氢氧化物的如下关系：（4）式中Ksp金属氢氧化物的溶度积；Kw水的离子积。由上式可知，在一定温度下，金属氢氧化物沉淀形成的pH值由该金属离子的价态及其氢氧化物的溶度积决定。若规定1molL时为开始沉淀，105molL时为沉淀完全，则由上式可求出相应于金属氢氧化物开始沉淀和沉淀完全的pH值。,2020/7/4,金属氢氧化物的溶解度与pH值的关系图,根据（4）式，以pH值为横坐标，以lgMn+为纵坐标，绘出金属离子的饱和浓度与pH值的关系图,pH,-lgMn+,根据关系图，可方便地确定金属离子沉淀的条件。,2020/7/4,以Cu2+为例，若Cu2+0.1molL