化学、化工技术在水处理中的应用培训课件.ppt

1、化学、化工技术在水处理中的应用,韩卫清,章节要点,沉降分离 过滤分离 微滤、纳滤和反渗透 蒸馏 萃取 吸附,第一章：非均相分离技术及其应用,液固分离技术是化工生产常用的传统技术 主要包括沉降、过滤等分离技术,1.1沉降分离的基本原理,表1-1 沉降种类,1.2颗粒在流体中的运动1.2.1重力沉降,（1）层流区 （2）过渡区 （3）湍流区,1.2.2离心沉降 1.2.3静电沉降,1.1.2絮凝剂概念拓展,常规絮凝剂概念：絮凝剂是指能将小颗粒凝聚成大颗粒进行沉降分离的药剂， 常用的絮凝剂有铝盐、铁盐和高分子絮凝剂等 钙盐、镁盐和水解硅酸 (1)离子效应，(2)温度效应，(3)酸碱度效应,1.3沉降

2、分离过程计算,1.3.1理想的平推流型重力沉降装置（理想沉淀池）,理想的平推流型重力沉降装置参数计算,(1),(2),(3),1.3.2连续沉降设施和设备,（1）平流式沉淀池 （2）竖流式沉淀池 （3）辐流式沉淀池,1.4过滤的基本原理,过滤：液体中的悬浮颗粒物用过滤材料（天然 纤维或合成纤维织成的布、网或多孔物质）分离的单元操作 过滤介质的要求： （1）多孔性，（2）物理化学性质稳定， （3）足够的机械强度，使用寿命长 （4）价格便宜。,1.4.1过滤理论,在颗粒层内流动的流体的流速u与颗粒层的压差P成正比，与颗粒层厚度L反比。,高级过滤设备及技术,微滤： 孔径范围为0.11 m，截留水中粒

3、径在0.02 10m之间的颗粒物的膜分离技术 纳滤： 孔径范围为10100nm，用表面孔径为纳米级的半透膜脱二价离子为主除以的盐类和相对分子质量300以上的大多数有机物的过程。 反渗透： 表面微孔的直径一般在0.510nm之间，只能透过水分子而不能透过盐分子。,1.4.2简单过滤设备和设施,（1）砂滤池（砂滤器） （2）板框压滤机（污泥）,（3）带式压滤机（污泥）,第二章：精馏技术及其在废水处理中的应用,蒸馏是通过加入热量或取出热量，使混合物形成气液两相系统，并令其相互作用，易挥发组分在气相中浓集，难挥发组分在液相中浓集，从而实现混合物的分离。,(a)常规蒸馏 (b)多进料蒸馏 (c) 间歇蒸

4、馏,2.1简单蒸馏,简单蒸馏 也称微分蒸馏，将易挥发组分组成为x0的料液放入蒸馏釜中，加热至料液的泡点，溶液气化，气化得到的气体组成为y0 ，将它引入冷凝器，冷凝成馏出液，放入容器。蒸出液中易挥发组分的组成高于料液。与此同时蒸馏釜中的液体（称为釜液）继续受热气化。因为前面蒸出的气体易挥发组分的含量高，所以随着釜液不断气化，其中易挥发组分的含量不断降低。,2.2 三效蒸发流程,板式精馏塔工艺流程图,第三章萃取技术在水处理中的应用,萃取过程在环境工程中主要是用于从废水、废渣、污泥及烟尘浸出液中提取，回收各种有用组分或去除有害组分，以达到消除污染，并综合利用资源的目的在多数情况下，被提取组分在废渣和

5、废水中是低浓，微量的，这使液液萃取技术的优越性更显突出。,单级萃取,单级萃取是液液萃取中最简单的，也是最基本的操作方式。原料液与溶剂同时加入混合器中，充分搅拌使两相混合，溶质从原料液中进入萃取剂。经过一定时间将混合液进入澄清器，两相澄清分离。,多级萃取,多级错流萃取:单级萃取所得到的萃余相中往往含有较多的溶质，要萃取出更多的溶质，需要较大量的溶剂。为了用较少的溶剂取出较多溶质，可用多级错流萃取，原料从第一级加入，每一级加入新鲜的萃取剂，在第一级原料液与萃取剂，传质，最后达到两相平衡。分相后所得萃余相到第二级作原料液，在第二级中用新鲜萃取剂再次进行萃取，如此萃余相多次被萃取，一直到级排出最终的萃

6、余相，各级所得的萃取相排出后回收溶剂。,多级逆流萃取,逆流萃取中，原料液从第一级进入，萃取剂从最后一级进入，多级逆流萃取流程如下：,图-1 填料萃取流程示意图 1压缩机；2稳压罐；3脉冲频率调节仪；4电磁阀；5型管；6玻璃萃取塔；7填料；8进水分布器；9脉冲气体分布器；10煤油分布器；11煤油流量调节阀；12煤油流量计；13煤油泵旁路阀；14煤油储槽；15煤油泵；16水流量调节阀；17水流量计；18水泵旁路调节阀；19水储槽；20水泵；21出口煤油储槽,萃取设备的分类,几类萃取设备的优缺点和应用领域,第四章吸附技术在水处理中的应用,吸附：用多孔（内表面积大）的固体分离气体或液体混合物,吸附过程

7、的应用实例,吸附过程的应用实例（续）,可用吸附法去除的污染物,吸附平衡,吸附平衡：物理吸附主要依靠范德华力，吸附速度快，吸附量不受表面化学性质的影响，而是随着吸附表面积的增加而增加吸附也有多分子层吸附，吸附时释放的热量与气体的冷凝热接近。温度上升时，吸附量下降。当化学势相等时，溶质在流体中的浓度与固体表面的浓度达到吸附平衡。,吸附设备简介,固定床吸附器 流化床吸附器 模拟移动床,再生,（1）加热再生 （）减压再生 （）吸附剂再生 （）惰性气体吹脱,第五章、氧化还原预处理技术,化工废水预处理技术包括化学法(中和法、混凝沉淀法、化学氧化法)，物化法(吸附、浮选、电渗析、反渗透)，这里着重介绍应用微

8、电解法和电化学氧化法。,5.1 微电解法基础理论,5.1.1 原电池作用和电场作用 铸铁是铁和碳的合金，即由纯铁和Fe3C及一些杂质组成。铸铁中的矿化铁为极小的颗粒，分散在铁内。矿化铁比铁的腐蚀趋势低，因此，当铸铁浸入水中时就构成了成千上万个细小的微电池，纯铁成为阳极，矿化铁及杂质则成为阴极，发生电极反应，这便是微观电池。,当体系中有活性炭等宏观阴极材料存在时，又可以组成宏观电池，其基本电极反应如下： 阳极( Fe ) ：Fe2e Fe2 E0(Fe2+/Fe)= 0.44 V 阴极 (C) ：在酸性条件下：2H2e H2 E0(H+/H2) = 0.00 V 在碱性条件下：O22H2O4e

9、4OH E0(O2/OH)= +0.4 V,5.1.2 还原作用,当然，阴极过程也可以是有机物的还原，电极反应生成的产物具有较高的化学活性，在中性或偏酸性的环境中，铸铁电极本身及其所产生的H、Fe2+等均能与废水中许多组分发生氧化还原反应，破坏有机污染物的结构，使之成为低分子物质，降低有机污染物的毒性，从而大幅度提高可生化性。,5.1.3 凝胶作用,同时在反应器里产生微电场，废水中分散的胶体颗粒，极性分子，细小污染物都受微电场的作用后形成电泳，向相反电荷的电极方向移动，聚集在电极上，形成大颗粒沉淀，从而使CODcr降低。,5.1.3 铁盐的混凝作用,在酸性条件下，用铁屑处理废水时，会产生Fe2

10、+和Fe3+。Fe2+和Fe3+是很好的絮凝剂，把溶液pH调至碱性且有O2存在时，会形成Fe(OH)2和Fe(OH)3絮凝沉淀。,反应式如下： Fe2+ + 2OH Fe (OH)2 4 Fe2+ + 8 OH+ O2 + 2H2O 4 Fe (OH)3 新生态的Fe (OH)2和Fe (OH)3是胶体絮凝剂，具有良好的吸附凝聚能力。这样，废水中原有的悬浮物，以及通过微电池反应产生的不溶物均可被其吸附凝聚。,3.铁离子的沉淀作用,在电池反应的产物中， Fe2+ 和Fe3+同时也和一些无机物发生反应生成沉淀物而去除这些无机物，以减少其对后续生化工段的毒害性。如S2-、CN等将生成FeS、Fe3F

11、e (CN)6 2、Fe4 Fe (CN)6 3等沉淀而被去除。,5.2 氧化技术概述,湿式催化氧化法 沈荣明等用湿式催化氧化法处理高浓度含酚废水，采用Mn()作为催化剂，在室温t = 25 下，O3=0.6 Lmin-1加入作氧化剂，反应时间45 min 时, 苯酚废水的COD去除率可达100%，即完全矿化。但该法对设备要求较高，要考虑腐蚀、催化剂的损失和失效等问题。,超临界氧化法 超临界氧化法是一种能彻底破坏有机物结构的新型高效氧化技术，它对酚类及其它多种有机物的氧化降解非常有效，国外已经建成中试及工业化试验装置。但由于其比较苛刻的反应条件对反应器有很大的腐蚀性及其安全性没有保证，且对难降

12、解的有机物需要较长的反应时间；在一定程度上限制了工业化应用。,光化学氧化法 光化学氧化法处理废水的基本原理是以半导体的能带理论为基础，当N型半导体（催化剂）被能量大于其禁带宽度的紫外或近紫外光照射时，其满带上的价电子被激发，形成电子空穴对，电子空穴对引发产生的羟基自由基OH具有极强的氧化性，能够对生物难降解的有毒有机物进行氧化分解，达到净化废水的目的17。光化学氧化法具有反应条件温和、氧化能力强、适用范围广，特别适用于生物难降解的有毒有机物的处理；但面临着光量子效率低、反应器的设计、催化剂的回收、固定化以及催化剂的污染与再活化等许多问题。,Fenton氧化法 在含酚废水处理中应用较多的是Fen

13、ton试剂，Fenton氧化法可在较短时间内将酚完全分解，但对组成复杂的实际废水，完全矿化则需要消耗大量的氧化剂。,声化学氧化法一般是利用超声波与光催化协同作用降低水中有机物，目前认为较为有效的可以提高光催化效率的方法之一。超声波降解水中有机污染物是20世纪80年代后期发展起来的新型深度氧化技术，它主要基于声空化效应产生的O、OH、HO2等强氧化性物质直接和间接地作用于水体中的有机污染物,同时，声空化气泡具有促灭光生电子，加速传质，活化催化剂表面等作用，因而可以提高光催化效率。 顾浩飞等研究了超声与光催化协同降解苯胺及其衍生物过程，发现这些苯胺类化合物最终都被完全矿化为HO2和CO2。但该法存

14、在处理量小、费用高的问题，目前处于探索阶段。,5.3 电化学氧化,1 电化学氧化的机理 电化学氧化是利用阳极的高电位及催化活性来直接降解水中的污染物，或是利用产生羟基自由基等强氧化剂降解水中有毒污染物。但反应受到电极材料及副反应-析氧反应的限制，降低反应效率。按氧化机理的不同可以分为电化学直接氧化和电化学间接氧化。,1.1电化学直接氧化法 电化学直接氧化法是利用阳极的高电势氧化降解废水中的有机或无机污染物，在反应过程中污染物直接与电极进行电子传递。在氧化过程中，污染物被氧化的程度不尽相同有电化学转化和电化学燃烧两种。为了节约成本和降低能耗，一般污染物只要被氧化成可生化的物质即可。,具体反应机理

15、如下：在氧析出反应的电位区， 金属氧化物表面可能形成高价态氧化物，因此在阳极 上存在两种状态的活性氧，即吸附的氢氧自由基和晶 格中高价态氧化物的氧。阳极表面氧化过程分两阶段 进行，首先溶液中的H2O或OH在阳极上放电并形成 吸附的羟基自由基: MOx + H2O MOx OH + H+ + e-,然后吸附的羟基自由基和阳极上现存的氧反 应，并使羟基自由基中的氧转移给金属氧化物晶格， 而形成高价氧化物MOx+1： MOx OH MOx+1 + H+ + e-,当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧 按以下步骤进行氧析出反应: MOxOH O2 + MOx + H+ + e- MOx+1 MOx

16、 +O2 当溶液中存在可氧化的有机物R时，反应如下: R + MOxOHy CO2 + MOx + y H+ + e- R + MOx+1 MOx + RO,图1 污染物电化学直接氧化过程示意图,1.2 电化学间接氧化法 电化学间接氧化法是通过阳极反应产生具有强氧 化作用的中间产物或发生阳极反应之外的中间产物， 使污染物被氧化，最终达到氧化降解污染物的目的。 电化学间接氧化反应的过程主要是在阳极生成寿 命短、氧化性极强的活性物质，这些中间物质主要包 括es（溶剂化电子）、O3、HO2、O2-、O等自 由基，它们可以分解污染物质，并且此过程是不可逆 的。,电化学间接氧化的电极反应式： 阳极： H

17、2O 2H+ + O + 2e 阴极： H2O + e H + OH 其中新生态的O具有强氧化性，也会进一步转化 为OH等其它自由基。,图2 污染物电化学间接氧化过程示意图,1.3 电解Fenton法 Fenton试剂具有很强的氧化性，因此受到广泛的关 注。但由于成本过高，而限制了Fenton试剂的实际应 用。现在人们开始关注利用电化学的方法产生Fenton 试剂，并直接应用于废水处理工程中。,电化学反应： 阳极： H2O 2H+ + O + 2e Fe2+ Fe3+ + e 阴极： H2O + e H + OH Fe3+ + e Fe2+ Fenton试剂反应： Fe2+ + H2O2 OH

18、 + OH + Fe3+,2 电极材料开发研究状况 电化学氧化法工业化的关键在于降低操作费用和提高处理效率。操作费用与降解污染物所需能量有关，这就要求提高电流效率、降低实际使用电压。,电流效率与有机物发生氧化的电极反应本身以及电极选择性有直接关系，实际使用电压则与极板间距、电极过电位、电解质溶液电导有关。提高处理效率要求电化学氧化装置具有高的时空产率。因此，电化学氧化法研究的核心内容是新型电化学阳极、电化学反应器和电化学氧化方法的开发研究。,1896年人造石墨试制成功，电极进入石墨电极时代。1968年涂层钛电极工业化后，从此进入钛电极时代。铅合金电极、石墨电极和钛基体涂层电极构成了电化学的三大

19、电极材料体系。,2.1 石墨电极 碳电极和石墨电极具有导电性能好、耐腐蚀性强、易加工且价格便宜等诸多优点。但在酸性溶液中，碳和石墨电极作阳极使用时，电化学氧化反应会造成电极损耗。而且在废水处理实验中发现石墨电极的析氧电位过低，不利于污染物的电化学氧化。,2.2 铅合金电极 铅和铅合金电极是广泛应用于硫酸及硫酸盐介质、中性介质的不溶性阳极。当铅和铅合金浸入硫酸介质后，表面迅速生成一层PbO2簿膜。铅阳极价格便宜、容易成形、表面氧化物即使破损也能自行修复，在硫酸电解液中操作稳定。但铅合金电极也存在使用过程中易变形，造成短路，降低电流效率；电能耗比较大的问题。铅电极常用于电解工业中的有色金属的提取、

20、阴极保护以及电化学合成和水处理中。,2.3 钛基涂层电极 铂金属电极稳定，耐腐蚀，可用于任何介质；氧过电位很高；析氢过电位很低。以上的特点决定铂是非常良好的电极材料。但是由于价格昂贵，限制了铂电极的应用。钛金属的发现引起了人们的广泛关注，钛金属具有良好的导电、耐腐蚀性，是铂电极的理想替代材料。研究发现钛基涂层电极的性能与铂电极的性能相近.,2.4 电极材料改性 电极改性的研究主要集中在以钛材为基体，采用电沉积、电镀和化学热解的方法制备改性电极。其中电沉积主要是沉积PbO2和PbO2。化学热解的方法主要是在钛材表面高温氧化形成氧化物层。,a 钛基二氧化铅电极（Ti/PbO2） 由于PbO2电极具

21、有析氧电位高，耐腐蚀性好，导电性能优异的特点，而被广泛应用于化工生产、废水处理和阴极保护等领域。但传统意义的二氧化铅电极机械性能较差，而钛是一种耐腐蚀、重量轻、强度大的金属，钛的热膨胀率与二氧化铅的热膨胀率接近，因此人们开始研究以钛材为基体的钛基二氧化铅电极。,目前二氧化铅电极多采用电化学的方法 制备（即电沉积）。电沉积二氧化铅的氧化过 程分为两步：首先生成氧，氧以OHads的形式 吸附在电极表面；然后这些吸附的粒子再和 Pb2+生成可溶性的中间产物Pb(OH)2+，并最 终氧化成PbO2。,电沉积时阴极和阳极反应分别为： 阳极反应： Pb2+ + 2H2O PbO2 + 4H+ + 2e-

22、2H2O O2 + 4H+ + 4e- 阴极反应： Pb2+ + 2e- Pb 4H+ + 2e- H2 二氧化铅电极在电场作用下，表面会产生羟基自由 基： PbO2 + H2Oads PbO2 OH ads + H+ 其中PbO2 代表PbO2电极表面的空穴。,b 钌系涂层钛电极 钌系涂层钛电极使用最早和最成功的是钌钛混合物氧化物涂层。钌钛涂层电极是在1965年由H. Beer发明的。现在广泛应用于氯碱工业。 钌钛涂层电极的涂层一般制备方法是利用刷涂或浸渍的方法在钛基体上覆盖一层钌钛金属盐的盐酸醇溶液，在中温下烘干，然后在高温下热解氧化形成钌钛的氧化物簿层。 Ti/RuO2电极的析氯极化曲线的斜率小于析氧极化曲线的斜率，这说明在存在Cl的情况容易析出氯气，这有利于高盐份的废水的氧化处理。,c 锡锑涂层钛电极 锡锑涂液是由四氯化锡、三氯化锑、盐酸以及醇组成的溶液。具体操作方法与钌系涂层类似。经过高温热解后在钛基体表面形成SnO2和Sb2O3。 SnO2，RuO2，Cr2O3，PdO四种氧化物中SnO2电极的析氧电位最高，PbO电极的值（氧化反应传递系数）最大，SnO2的值次之。适用于电化学氧化降解有机污染物的高效阳极材料，应具有较高的析氧电位，使有机物在阳极上直接被氧化的几率提高；,2.5 电极结构的研究 电催化电极从结构上可分为二维电极和