1、 水污染控制工程化學(xué)與環(huán)境工程系 第十六章 污水的化學(xué)與物理化學(xué)處理目錄第一節(jié) 中和法第二節(jié) 化學(xué)混凝法第三節(jié) 化學(xué)沉淀法第四節(jié) 氧化還原法第五節(jié) 吸附法第六節(jié) 離子交換法第七節(jié) 萃取法第八節(jié) 膜析法第九節(jié) 超臨界處理技術(shù)第二節(jié) 化學(xué)混凝法一、混凝原理混凝的作用 廢水中的大顆?？梢酝ㄟ^重力沉淀法去除，但微小粒徑的懸浮物和膠體能在水中長期保持分散懸浮狀態(tài)，即使靜置數(shù)十個小時也不會自然沉降。混凝所處理的對象，主要是水和廢水中的微小懸浮物和膠體雜質(zhì)。 根據(jù)聚集狀態(tài)的作用原理，混凝過程可劃分為凝聚和絮凝兩種過程。 凝聚：通過向水中投加無機電解質(zhì)使膠體微粒脫穩(wěn)并聚集的過程。 絮凝：通過高分子絮凝的架橋作

2、用，使細微懸浮物顆粒形成松散、多孔、具有三維空間結(jié)構(gòu)的絮狀體的過程。1.膠體的穩(wěn)定性 膠體顆粒是由膠核、吸附層和擴散層共同組成的運動單體粒子。 電位離子反離子擴散層滑動面膠粒吸附層膠核電位電位2.混凝原理1.壓縮雙電層2.電性中和3.吸附架橋4.沉淀物網(wǎng)捕1.壓縮雙電層 所謂壓縮雙電層是指向膠體分散體系中投加可產(chǎn)生高價反離子的電解質(zhì)，通過增大溶液中反離子濃度，降低擴散層厚度，使膠體顆粒的電位降低的過程。離顆粒表面的距離 加入的反離子與擴散層原有反離子之間的靜電斥力將部分反離子擠壓到吸附層中，從而使擴散層厚度減小。2.電性中和 異號膠粒間相互吸引達到電中和而凝聚； 大膠粒吸附許多小膠粒或異號離子

3、，電位降低，吸引力使同號膠粒相互靠近發(fā)生凝聚。水處理中，一般均投加高價電解質(zhì)或聚合離子。3.吸附架橋 吸附架橋作用是指鏈狀高分子聚合物在靜電引力、范德華力和氫鍵力等作用下，通過活性部位與膠粒和細微懸浮物等發(fā)生吸附橋連的現(xiàn)象。 當采用硫酸鋁、石灰或氯化鐵等高價金屬鹽類作混凝劑時，當投加量很大形成大量的金屬氫氧化物(如Al(OH)3 、Fe(OH)3或帶金屬碳酸鹽(CaCO3)沉淀時，可以網(wǎng)捕、卷掃水中的膠粒，水中的膠粒以這些沉淀為核心產(chǎn)生沉淀。這基本上是一種機械作用。4.沉淀物網(wǎng)捕 在混凝過程中，上述現(xiàn)象常不是單獨存在的，往往同時存在，只是在一定情況下以某種現(xiàn)象為主。二、混凝劑與助凝劑1.混凝劑

4、的分類 鋁鹽 硫酸鋁（Al2(SO4)318H2O） 明礬（K2SO4Al2(SO4)324H2O） 由于鋁的比重小，在水溫低的情況下，絮粒較輕而疏松，處理效果較差。 pH有效范圍較窄，在5.5-8之間。 投加量大。（1）無機混凝劑 鐵鹽 三氯化鐵（FeCl36H2O） 硫酸亞鐵（FeSO47H2O） 生成的絮粒在水中的沉淀速度較快； 處理濁度高、水溫較低的廢水，效果比較顯著； FeCl3容易吸水潮解，故不易保管；腐蝕性強，對混凝土也產(chǎn)生腐蝕作用；生成Fe(OH)2它的溶解度很大，殘留水中的Fe2+會使處理后的水帶色。無機高分子混凝劑 聚合氯化鋁 (堿式氯化鋁，簡稱PAC) 化學(xué)通式為Al2(

5、OH)nCl6-nm,式中n5，m10。 制備：以鋁灰或含鋁礦物作原料，采用酸溶法或堿溶法加工制成的。 A 對水質(zhì)適應(yīng)性較強，適用pH范圍廣，5-9之間； B 絮凝體形成快，比重大，沉降性好； C 投藥量低。 D 堿化度較高，對設(shè)備的腐蝕性小，處理后的水pH和堿度下降較小。聚合硫酸鐵(堿式硫酸鐵)(簡寫PFS) 化學(xué)通式為Fe2(OH)n(SO4)3- n/2m式中n10。 A 適用范圍廣：pH 4-11；低水溫，混凝效果穩(wěn)定； B 用量小，絮凝體沉降性能好； C COD去除率和脫色效果好； D 處理后水中鐵殘留量低，腐蝕性較小。 天然高分子混凝劑 主要有動物膠、淀粉、甲殼素等。 特點：電荷密

6、度小，分子量較低，且易發(fā)生降解而失去活性。 （2）有機混凝劑人工合成高分子混凝劑 陰離子型：主要含-COOM(M為H+或金屬離子)或 -SO3H的聚合物，如陰離子聚丙烯酰胺(CPAM)和聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）等。 陽離子型：主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物，如陽離子聚丙烯酰胺（APAM）等。 非離子型：所含基團未發(fā)生反應(yīng)的聚合物。如非離子型聚丙烯酰胺（NPAM）和聚氧化乙烯(PEO)等。高分子混凝劑的作用： 靠氫鍵、靜電、范德華力的作用對膠粒強烈的吸附作用。 高聚合度的線型高分子在溶液中保持適當?shù)纳煺剐螤?，從而發(fā)揮吸附架橋作用，把許多細小顆粒吸附后，纏結(jié)在一起。 (1)定

7、義 當單用混凝劑不能取得良好效果時，可投加某些輔助藥劑以提高混凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。 (2) 作用 （調(diào)節(jié)或改善混凝的條件） 改善絮粒結(jié)構(gòu)，增大顆粒粒度及比重。 調(diào)整廢水的pH和堿度，使其達到最佳的混凝條件。 2.助凝劑 A、pH調(diào)整劑：調(diào)節(jié)廢水的pH符合混凝處理工藝要求。常用石灰、硫酸、氫氧化鈉等。 B、絮凝結(jié)構(gòu)改良劑：投加絮體結(jié)構(gòu)改良劑以增大絮體的粒徑、密度。常用骨膠、活化硅酸、海藻酸鈉、粘土、水玻璃、PAM等。 C、氧化劑：有機物含量高，易起泡沫，絮凝體不易沉降。投加氯氣、次氯酸、臭氧等分解有機物，使膠體脫穩(wěn)，還可將Fe2+轉(zhuǎn)化成Fe3+,以提高混凝效果。3.助凝劑分類三、影響

8、混凝效果的主要因素1.水溫 因無機鹽類混凝劑的水解是吸熱反應(yīng)，水溫低時（尤其低于5），水解速率非常緩慢。且水濕溫低時，粘度大，不利于脫穩(wěn)膠粒相互絮凝，影響絮凝體的結(jié)大，進而影響后續(xù)的沉淀處理的效果。改善辦法有投加助凝劑或采用氣浮法代替沉淀法作為后續(xù)處理。2.PH水的PH值對混凝劑的影響程度視混凝劑的品種而異。3.水中雜質(zhì)的成分、性質(zhì)和濃度 水中雜質(zhì)的成分、性質(zhì)和濃度對混凝效果有明顯的影響。如天然水中含粘土類雜質(zhì)，需投加的混凝劑量較少；而污水中含有大量有機物時，需投加的混凝劑量較多，約10-103mg/l。在生產(chǎn)實際中，主要靠混凝試驗來選擇合適的混凝劑和最佳投藥量。4.水力條件 混凝過程可分為混

9、合和反應(yīng)兩個階段?；旌想A段要求快速和劇烈攪拌，在幾秒鐘或一分鐘內(nèi)完成。而反應(yīng)階段攪拌強度或水流速度應(yīng)隨著絮凝體的結(jié)大而逐漸降低，以免打碎結(jié)大的絮凝體。四、化學(xué)混凝的設(shè)備 混合：使混凝劑迅速、均勻地分散到廢水中，通過壓縮雙電層和電性中和作用，使膠體脫穩(wěn)，形成“礬花”。 混凝處理流程由藥劑投加、混合、反應(yīng)及沉降分離等單元組成。 反應(yīng)：在一定的水流條件下，小“礬花”通過吸附架橋和沉淀物網(wǎng)補等作用形成較大的絮體。混凝的投加分固體投加和液體投加兩種。 1.混凝劑干投法（應(yīng)用較少） 工藝流程：藥劑輸運粉碎提升計量加藥混合 2.混凝劑濕投法 工藝流程：溶解池溶液池定量控制設(shè)備投加設(shè)備混合池混凝劑投加及計量方

10、式 混凝劑投加 1.重力投加 直接將混凝劑投入管道內(nèi)或水泵吸水管喇叭口處，與原水混合?；炷恼{(diào)配與投加2.虹吸式定量投加改變虹吸管進口和出口高度之差，控制投加量。3.水射器投加利用高壓水通過噴嘴和喉管之間的真空抽吸作用將藥液溶入。4.計量泵投加用計量泵將藥液送至投藥點。計量設(shè)備 基本要求：投量準確、工作靈活可靠、設(shè)備簡單、操作方便。浮子-苗嘴計量系統(tǒng)；浮球閥計量系統(tǒng)；流量計計量系統(tǒng)；三角堰計量系統(tǒng)。 混合設(shè)備 1.混合作用 使藥劑能快速、均勻的分散到廢水中。 2.混合方式 常用的是水泵混合、隔板混合和機械混合 A.水泵混合：將藥劑投加在水泵的吸水管內(nèi)或喇叭口處，利用水泵葉輪高速旋轉(zhuǎn)達到快速混合

11、的目的。 優(yōu)點：混合效果好，不需另建混合設(shè)備。 缺點：水泵到構(gòu)筑物的管線過長，可能會過早形成絮體并被打碎。2.隔板混合 水流通過隔板孔道時產(chǎn)生急劇的收縮和擴散，形成渦流，使藥劑和原水充分混合。 處理水量穩(wěn)定時，隔板混合效果較好；如流量變化較大時，混合效果不穩(wěn)定。3.機械混合 用電動機帶動漿板或螺旋槳進行強烈攪拌，這是一種有效的混合方法。漿板的外緣線速度一般用2m/s，混合時間10-30s。 優(yōu)點：強度可以調(diào)節(jié)，比較機動。 缺點：使用里機械設(shè)備，增加了維修保養(yǎng)工作和動力消耗。反應(yīng)設(shè)備 反應(yīng)設(shè)備由水力攪拌和機械攪拌兩類。常用的有隔板反應(yīng)池和機械攪拌反應(yīng)池。1.隔板反應(yīng)池 利用水流斷面上流速分布不均

12、勻所造成的速度梯度，促使顆粒相互碰撞進行絮凝。為了避免結(jié)成的絮凝體被打碎，隔板中的流速應(yīng)逐漸減小。 特點：構(gòu)造簡單，管理方便，效果較好，但反應(yīng)時間較長，容積較大，且主要是用于處理水量較大的處理廠，因水量小時，隔板間距過狹，難于施工和維修。主要涉設(shè)計參數(shù)： 1.反應(yīng)池隔板間的流速，起端部分為0.5-0.6m/s，末端為0.15-0.2m/s，隔板間距從進口到出口逐漸放寬； 2.反應(yīng)時間為20-30s； 3.為便于施工和檢修，隔板間距應(yīng)大于0.5-0.7m，池底應(yīng)有0.02-0.03坡度并設(shè)排泥管； 4.轉(zhuǎn)彎處的過水斷面積應(yīng)是隔板間過水斷面積的1.2-1.5倍； 5.反應(yīng)池的總水頭損失為0.3-0

13、.5m。2.機械反應(yīng)池 主要設(shè)計參數(shù)： 1.每臺攪拌設(shè)備上的漿板面積為水流截面積的10%-20%，不超過25%。漿板長度不大于葉輪直徑的75%，寬度為10-30cm； 2.葉輪半徑中心點的旋轉(zhuǎn)速度在第一格用0.5-0.6m/s，以后逐格減少，最后一格采用0.1-0.2m/s，不得大于0.3m/s； 3.反應(yīng)時間為10-20min。第五節(jié) 吸附法 利用多孔性的固體物質(zhì)，使水中的一種或多種物質(zhì)被吸附在固體表面而分離去除的方法。 優(yōu)點：應(yīng)用范圍廣、凈化出水水質(zhì)高且處理效果穩(wěn)定、吸附劑可重復(fù)使用、結(jié)合吸附劑的再生可回收有用物質(zhì)等。 缺點：對進水的預(yù)處理要求較嚴，運行費用較高。一、吸附原理 根據(jù)固體表面

14、上吸附劑與吸附質(zhì)之間產(chǎn)生吸附作用的吸附力的不同，可將吸附機理劃分為兩種。 1.物理吸附 2.化學(xué)吸附1.物理吸附 物理吸附是指吸附劑與吸附質(zhì)之間由于分子間引力（范德華力）的作用而產(chǎn)生的吸附過程。 吸附過程的主要影響因素是吸附劑的比表面積。2.化學(xué)吸附 化學(xué)吸附指吸附劑與吸附質(zhì)之間由化學(xué)鍵力作用而引起的吸附過程。 吸附劑的表面化學(xué)性能、吸附質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)以及溫度條件等對化學(xué)吸附速度有較大的影響。 在實際吸附過程中，兩種吸附機理是相伴發(fā)生的，即大部分的吸附往往是幾種吸附綜合作用的結(jié)果，只是由于吸附質(zhì)、吸附劑以及溫度等具體吸附條件的不同，使某種吸附占主要地位。（一）吸附平衡與吸附等溫線 當吸附速度和解

15、吸速度相等時，即單位時間內(nèi)吸附劑吸附的吸附質(zhì)數(shù)量與解吸數(shù)量相同時，液相及吸附劑表面的吸附質(zhì)濃度不再發(fā)生變化，達到動態(tài)的吸附平衡。吸附平衡時，吸附質(zhì)在溶液中的濃度稱作平衡濃度。 吸附容量：衡量吸附劑吸附能力的大小，指單位重量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的重量。 測定方法：向一定體積和一定濃度的溶液中投加一定數(shù)量的吸附劑，充分攪拌混合，測定達到吸附平衡時的溶質(zhì)平衡濃度，按下式計算吸附劑的平衡吸附容量式中 qe吸附劑的平衡吸附容量，g/g V溶液體積，L M吸附劑投加量，g CO溶液的初始吸附質(zhì)濃度，g/L Ce吸附平衡時的吸附質(zhì)濃度，g/L 吸附劑的吸附容量是吸附工藝選擇吸附劑、設(shè)計吸附設(shè)備的重要參數(shù)。

16、實際吸附容量越大，吸附劑的再生周期就越長，吸附工藝過程的再生劑用量及再生費用就越小。Freundlich吸附等溫式適用于中、低濃度的溶液。1. Freundlich吸附等溫式取對數(shù)KfFreundlich吸附系數(shù)n常數(shù)，其值通常大于1qe、Ce物理意義同前式中：2.Langmuir吸附等溫式 該等溫式是Langmuir從動力學(xué)觀點出發(fā)，在單分子層吸附理論的假設(shè)條件下推到得出的。 假設(shè)具體內(nèi)容：固體表面存在大量的吸附活性中心點，吸附只發(fā)生在這些活性中心點上；吸附活性中心的作用范圍約為分子大小，每個活性中心只能吸附一個分子；當表面吸附活性中心全部被占據(jù)時，吸附量達到飽和值，吸附劑表面為單分子層吸附

17、質(zhì)所覆蓋。 由單分子層吸附理論及動力學(xué)原理推導(dǎo)出的吸附等溫式為： 當溶液濃度Ce=a時，則有 說明溶液的平衡濃度等于常數(shù)a的值時，平衡吸附量即達到飽和吸附量的一半。式中：qe0 達到飽和時的極限吸附量 a與吸附能有關(guān)的常數(shù) qe、Ce物理意義同前3.BET吸附等溫式 BET吸附等溫式是Brunauer、Emmett和Teller三人在Langmuir單分子層理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多分子層吸附理論的吸附模式。 該理論認為：固體表面均勻分布著大量的吸附活性中心點，可以吸附溶質(zhì)分子，并且被吸附的內(nèi)層溶質(zhì)分子本身又可以成為吸附中心點，再吸附形成外層溶質(zhì)分子，最終形成多分子層吸附。該理論還認為，不一定要

18、第一層吸附滿了以后才吸附第二層。 在此假設(shè)下，總吸附量等于各層吸附量之和。由此推導(dǎo)出BET吸附等溫式：式中：B與表面作用能有關(guān)的常數(shù)其它物理意義同前 A.上述3種吸附等溫式均適用于單組分吸附體系； B.對于實驗中獲得的具體試驗數(shù)據(jù)，究竟采用哪一種公式進行整理并求得相應(yīng)的常數(shù)，可用數(shù)理統(tǒng)計方法進行篩選，即根據(jù)不同的吸附等溫式對試驗數(shù)據(jù)進行整理，繪制試驗曲線圖，并從中選出直線形式相對最為吻合的吸附等溫式；如出現(xiàn)幾個公式都能基本適用的情況，則以選最簡形式的公式為宜。（三）影響吸附的因素1.吸附劑的性質(zhì) 物理性質(zhì)：孔的大小、比表面積、表面化學(xué)特性2.吸附質(zhì)的性質(zhì) 溶解度、分子量、分子極性、吸附質(zhì)濃度3

19、.溫度 吸附為放熱反應(yīng)，溫度升高，吸附量下降。4.pH值 影響吸附質(zhì)的存在狀態(tài)和吸附劑的表面特性 5.共存物質(zhì) 存在的物質(zhì)中，有的能相互誘發(fā)吸附，有的獨立被吸附，有的干擾吸附，做好水的預(yù)處理。 6.接觸時間 7.生物協(xié)同作用 吸附劑表面易繁殖微生物，有利于有機物分解。二、吸附劑1.選擇原則 A.性能好：吸附量高、吸附速度快 B.再生效果好 C.物化性能好 D.價廉、來源廣2.重要的吸附劑 A.活性碳、活性碳纖維 B.吸附樹脂 C.特殊吸附劑：活性氧化鋁、硅膠、沸石分子篩 D.其它吸附劑：褐煤、煤灰、煤灰渣等三、吸附工藝和設(shè)備1.吸附工藝的操作方式 吸附工藝的操作方式分靜態(tài)間歇式和動態(tài)連續(xù)式兩種

20、。（1）靜態(tài)間歇式吸附方式 將一定數(shù)量的吸附劑投入待處理的廢水中，不斷進行攪拌（30min左右），經(jīng)一定時間達到吸附平衡后，以靜置沉淀或過濾方法實現(xiàn)固液分離。 （2）動態(tài)連續(xù)式吸附方式 在廢水不斷地流過裝填有吸附劑的吸附床的過程中，使廢水中的污染物與吸附劑接觸并被吸附，在流出吸附柱之前，污染物濃度降低至處理要求以下，直接獲得凈化出水。 根據(jù)吸附劑在吸附床中的不同充填方式和狀態(tài)，動態(tài)吸附又分為3種。 固定床吸附 移動床吸附 流化床吸附固定床吸附 當廢水連續(xù)流經(jīng)吸附床時，欲去除的污染物不斷被吸附，吸附劑的數(shù)量足夠多時，出水中污染物的濃度可降低至接近于零。 根據(jù)水流方向的不同又分為降流式和升流式兩種

21、。 A.降流式固定床吸附 B.升流式固定床吸附A.降流式固定床吸附 在降流式固定床中，水流自下而上穿過吸附劑層，過濾速度4-20m/h，接觸時間在30-60min，吸附劑層總厚在3-5m，可將吸附劑層分成幾柱串聯(lián)運營，每個柱的吸附劑厚度1-2m。 特點：出水水質(zhì)好，但當廢水懸浮物含量較高時易引起吸附劑層堵塞，增加水頭損失，降低吸附劑量，對此可在吸附層上部設(shè)置反沖洗裝置，定期進行反沖洗。此外，率曾會滋長細菌，影響出水水質(zhì)。B.升流式固定床吸附 水流自下而上穿過吸附劑層，水頭損失增加緩慢，其工作運行時間一般要長于降流式；此外，對廢水懸浮物含量要求較寬，適當提高進水流速，使填充層在不混層前提下稍有膨

22、脹，即可達到自清目的。但當進水流量波動大或操作不當時，易流失吸附劑。移動床吸附 在移動床的吸附過程中，廢水從吸附柱底部進入，流經(jīng)吸附劑層被凈化后由柱頂排出，與此同時，定期從柱底部排出最先接近飽和的那部分吸附劑，并將新鮮或再生后的等量吸附劑從柱頂加入。 吸附劑在吸附柱中呈間歇移動狀態(tài)。流化床吸附 操作特點是吸附劑在柱內(nèi)處于膨脹或流化狀態(tài)，即吸附劑以懸浮狀態(tài)處在水流中，因而與廢水的接觸更充分，單位吸附劑的廢水處理能力更高，并能夠處理懸浮物含量較高的廢水。 流化床一般采用連續(xù)性卸炭和加炭，要求吸附劑在膨脹懸浮狀態(tài)下仍保持層狀移動，因此其運行的操作管理更為嚴格。 2.吸附柱的穿透及耗竭過程穿透曲線 吸

23、附工藝的設(shè)計包括吸附劑種類、吸附以及再生操作方式的選擇，吸附塔的設(shè)計計算，廢水的預(yù)處理及后處理措施等。吸附塔的設(shè)計是吸附處理系統(tǒng)的核心設(shè)備。 一般先根據(jù)處理廢水的特點、處理要求以及實際條件情況，參考已有類似處理系統(tǒng)的實際經(jīng)驗，初步確定吸附劑種類，操作、再生預(yù)處理方式以及主要的工藝設(shè)計參數(shù)，必要時還可以結(jié)合動、靜態(tài)試驗對設(shè)計參數(shù)及設(shè)計結(jié)果進行核定。3.吸附工藝的設(shè)計四、吸附法在污水處理中的應(yīng)用 由于吸附法對廢水的預(yù)處理要求高，吸附劑價格昂貴，因此在廢水處理中，吸附法主要用于去除廢水中的微量污染物，以達到深度凈化的目的。例1：吸附法除汞工藝流程含汞廢水排放反應(yīng)池沉淀池Ca(OH)2FeSO4Na2

24、S吸附池1吸附池2吸附法除汞流程（10 -20m3/d)例2：煉油廠、印染廠廢水的深度處理 含油廢水經(jīng)隔油、氣浮和生物處理后，再經(jīng)砂濾和活性炭過濾深度處理。廢水中含酚量從0.1（生物處理后）降至0.005mg/L，氰從0.19mg/L降至0.048mg/L，COD從85mg/L降至18mg/L。第六節(jié) 離子交換法 離子交換法是借助于離子交換劑的可交換離子與水中相同電性的離子進行交換反應(yīng)，以實現(xiàn)對水中有害離子的分離、濃縮的水處理方法。 優(yōu)點：離子去除效率高、設(shè)備簡單、易操作控制等； 缺點：對廢水的預(yù)處理要求較高，應(yīng)用范圍受離子交換劑的品種及成本限制。一、離子交換劑 凡對溶液中的離子具有交換能力的

25、固體物質(zhì)均稱為離子交換劑。 可分為無機型和有機型兩大類。 1.無機型離子交換劑 天然沸石、人造沸石、海綠砂等。 優(yōu)點：顆粒結(jié)構(gòu)較為密實，具有耐熱、抗放 射性輻射、對某些離子選擇性高； 缺點：交換僅在顆粒表面進行，交換容量較 低，并且只能進行陽離子交換。2.有機型離子交換劑 磺化煤和人工合成的離子交換樹脂等。 其中離子交換樹脂以高交換容量和良好的物化性能，在實際應(yīng)用中得到最廣泛的應(yīng)用。二、離子交換樹脂的選用1.交換容量 指單位離子交換樹脂可交換的離子數(shù)量，是衡量樹脂交換能力大小的重要指標。（1）全交換容量 指一定量的樹脂所具有的活性基團或可交換離子的總數(shù)量，即理論上能交換的離子數(shù)量。mmol/g

26、（干樹脂）（2）平衡交換容量 指在一定的溶液條件下，交換反應(yīng)達到平衡時樹脂所能交換的離子數(shù)量。主要用于離子交換樹脂的性能研究。（3）工作交換容量 指樹脂在給定工作條件下實際的交換能力，即在特定的運行條件下可被利用的活性基團數(shù)。 mmol/m3（濕樹脂） 一般而言，工作交換容量只有全交換容量的60%-70%。2.溶脹性 指樹脂由于吸水或轉(zhuǎn)型等條件改變而引起的體積變化現(xiàn)象。 該性能指標以溶脹率衡量。 溶脹率=溶脹前后的體積差/溶脹前樹脂體積。3.密度 為方便使用，交換樹脂的密度分濕真密度和濕視密度兩種表示方法。（1）濕真密度 指樹脂在水中經(jīng)充分膨脹后的顆粒密度。與樹脂在反沖洗中的分層狀況及沉降性能

27、有關(guān)。（2）濕視密度 指樹脂在水中經(jīng)充分膨脹后的堆積密度。三、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)特征 離子交換樹脂是人工合成的具有離子交換特性的有機高分子聚合電解質(zhì)。 結(jié)構(gòu)由不溶性高分子樹脂母體即骨架和具有活性的交換基團即活性基團組成，其中活性基團有固定離子和活動離子組成。四、離子交換樹脂的分類1.按活性基團的性質(zhì) 陽離子交換樹脂含酸性基團 陰離子交換樹脂含堿性基團 鰲合樹脂含胺、羧等能形成鰲合物的官 能團 氧化還原樹脂含具有氧化性或還原性的 官能團 兩性樹脂同時含有酸性基團和堿性基團2.根據(jù)粒徑的不同 大粒徑樹脂 0.6-1.2mm 中粒徑樹脂 0.3-0.6mm 小粒徑樹脂 0.02-0.1mm3.根據(jù)樹

28、脂的類型和孔結(jié)構(gòu)的不同 凝膠型樹脂、大孔凝膠型樹脂、多孔凝膠型樹脂、巨孔型樹脂、超巨孔型樹脂4.根據(jù)樹脂交聯(lián)度（即交聯(lián)劑含量的百分數(shù)） 低交聯(lián)度 2%-4% 中交聯(lián)度 7%-8% 高交聯(lián)度 12%-20%5.根據(jù)活性離子的名稱 H型、Na型、OH型、Cl型 實際中常用的離子交換樹脂為交聯(lián)度在7%-8%的凝膠型樹脂。五、離子交換平衡 以氫型陽離子交換樹脂與Mn+交換離子間的可逆交換反應(yīng)為例，其交換反應(yīng)式為 在平衡狀態(tài)下，樹脂中及溶液中的反應(yīng)物濃度符合下列關(guān)系式： K是平衡常數(shù)。根據(jù)K值可判斷樹脂對某種離子交換選擇性的強弱，K大于1，且越大越有利于交換反應(yīng)。K值的大小能定量的反映在離子交換劑對某兩

29、個固定離子交換選擇性的大小。因此，K值又稱為離子交換平衡選擇系數(shù)。 平衡選擇系數(shù)K值越大的離子，其交換去除率越高。以下根據(jù)K值的大小排列的幾種常用樹脂對不同離子的選擇交換順序。1.磺酸型陽離子交換樹脂：Fe3+Al3+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+Na+H+2.羧酸型陽離子交換樹脂：H+Fe3+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+UO22+k+Na+3.401鰲合樹脂：Cu2+Pb2+Fe3+Al3+Cr2+Ni2+Zn2+Ag+Co2+Cd2+Fe2+Mn2+Ba2+Ca2+Na+4.強堿性陰離子交換樹脂：CrO72-SO

30、42-NO3-CrO42-Br-SCN-OH-Cl-5.弱堿性陰離子交換樹脂：OH-CrO72-SO42-CrO42-NO3-PO43-MoO42-HCO3-Br-Cl-F-六、離子交換過程的影響因素1.懸浮物及油類物質(zhì) 懸浮物會造成離子交換床水流分布不均而增加過流阻力，油類物質(zhì)會在交換樹脂表面形成油膜，增加液膜擴散阻力。兩者均會使樹脂的工作交換容量下降，因此需采取必要的沉淀、過濾等處理措施。2.有機物 有機物對樹脂的污染有兩種形式：一是有機物的羧基與強堿性陰離子樹脂的固定離子一旦結(jié)合，很難進行再生；二是有機物附著在交換樹脂微孔中，堵塞交換及再生的通道。兩種污染形式均會影響樹脂的再生率和再生后

31、的交換容量，導(dǎo)致樹脂使用壽命降低、水處理成本增加，因此也需要對其采取預(yù)處理措施。3.高價金屬離子 高價金屬離子與氧離子交換樹脂之間具有較高的交換選擇性，一經(jīng)交換不易被再生洗脫，由此導(dǎo)致的樹脂交換性能的喪失被稱為樹脂中毒?？刹捎酶邼舛人衢L期浸泡的方法，恢復(fù)樹脂的交換能力。4.pH值 強酸性陽樹脂和強堿性陰樹脂在各種pH值條件下均能充分電離，其交換能力不受pH值影響。弱酸性和弱堿性樹脂活性基團的電離程度則與溶液中的OH-和H+濃度相關(guān)，即有其適宜的pH值范圍。5.水溫 在樹脂允許使用的溫度范圍內(nèi)，提高水溫有利于提高離子交換的擴散速率，但水溫過高會造成樹脂活性基團的分解破壞，影響樹脂對交換離子的“吸

32、著”強度及樹脂自身的穩(wěn)定性，降低交換能力。進水水溫一般以30-40為宜。6.氧化性物質(zhì) 廢水中Cl2、O2、Cr2O72-等氧化性物質(zhì)的存在，會加速樹脂的老化，還會對強堿性陰離子交換樹脂的活性基團產(chǎn)生氧化作用，導(dǎo)致其交換能力喪失?？赏ㄟ^增加樹脂交聯(lián)度或在樹脂中添加適當?shù)倪€原劑等途徑，減輕氧化性物質(zhì)的影響。七、離子交換設(shè)備1.離子交換設(shè)備的類型 離子交換處理系統(tǒng)的核心設(shè)備是裝填有離子交換樹脂的交換器（柱、塔、罐）。 根據(jù)交換器運行方式的不同，交換柱可分為固定床、移動床和流動床3種類型。（1）固定床 按樹脂在交換柱中的分層情況，固定床可分為單層床、雙層床和混合床3種。（2）移動床 包括交換柱和再生

33、柱兩部分。運行時定期將交換柱排出的部分失效樹脂送入再生柱再生，同時補充等量新鮮或再生樹脂。 移動床系統(tǒng)屬于半連續(xù)式交換設(shè)備，起交換作用的樹脂層在間斷移動中完成交換和再生的往復(fù)的循環(huán)再生過程。 移動床具有處理效率較高、樹脂容量利用充分的優(yōu)點，但操作管理較為復(fù)雜。（3）流動床 樹脂層是在連續(xù)移動中完成交換和再生的循環(huán)過程。 移動床和流動床均只有單層床形式。與固定床相比，移動床和流動床具有交換速度快、處理能力大、處理效率高等優(yōu)點，但由于設(shè)備復(fù)雜、操作較為繁瑣、對水量水質(zhì)變化的適應(yīng)性差、樹脂損耗大等缺點，應(yīng)用限制很多。2.固定床離子交換器 特點：設(shè)備緊湊、操作管理簡便、出水水質(zhì)穩(wěn)定等。 根據(jù)再生方式的

34、不同，固定床離子交換器分為逆流再生型和順流再生型。 逆流再生的再生劑耗量少，所獲交換容量大，且能保證出水質(zhì)量。但逆流再生必須保證再生液分配均勻，不擾動、不流失樹脂層，以免影響出水水質(zhì)，因此其裝置及操作控制較復(fù)雜嚴格。逆流再生的再生液流速一般控制在1.5m/h以下。 順流再生交換器在樹脂層以上150-200mm處設(shè)有再生液分布裝置。而小型固定床交換器通常利用上部進水裝置分布再生液，不另設(shè)再生液分布裝置。順流再生設(shè)備簡單、易操作、工作可靠，但再生劑用量較多，再生所獲的交換容量低、出水水質(zhì)差。順流再生時的再生液流速一般為2-5m/h。八、離子交換的工藝過程1.離子交換方式 分靜態(tài)交換和動態(tài)交換兩種方

35、式。 靜態(tài)交換是將廢水與交換劑置于容器中，以交換方式使固液間充分接觸，交換反應(yīng)達到平衡后，靜置分離樹脂與處理后的水。 動態(tài)交換方式是將廢水通過一定厚度的樹脂層（床），在流動過程中與樹脂接觸，進行離子交換反應(yīng)。在適宜工藝條件下，動態(tài)交換方式可直接獲得凈化出水。2.固定床動態(tài)交換的工序1.交換工序（也稱過濾） 廢水自上而下通過樹脂層，欲脫除的有害或有利用價值的離子與樹脂的活動離子進行交換并結(jié)合在樹脂上，從而直接與出水分離。當樹脂接近飽和、出水中處理離子的濃度達到某一規(guī)定的限制時，需停止交換操作，轉(zhuǎn)入下階段的反洗工序。2.反洗工序 該工序由吸附柱的出水端通入沖洗水，以松動樹脂層并清除懸浮物雜質(zhì)、破碎

36、樹脂等，使后續(xù)工序中的再生劑能與樹脂充分有效地接觸。3.再生工序 即采用較高濃度的再生劑以一定流速通過樹脂層，置換出附著在樹脂上的交換離子，使樹脂的交換能力得到恢復(fù)的交換反應(yīng)的逆過程。4.清洗工序 即洗滌去除樹脂層內(nèi)殘留的再生液及再生反應(yīng)物質(zhì)等。十、離子交換工藝的設(shè)計 離子交換工藝的設(shè)計首先需要根據(jù)處理廢水的特點、處理出水去向所決定的處理效率要求，選擇交換處理系統(tǒng)的工藝組合方式，包括離子交換樹脂種類、再生方式及再生劑種類，根據(jù)經(jīng)驗選取或結(jié)合動、靜態(tài)試驗選擇合理的工藝參數(shù)，而后進行系統(tǒng)核心設(shè)備離子交換柱的設(shè)計。九、固定床交換柱的工作規(guī)律十一、離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用離子交換法在廢水處理方面的

37、某些應(yīng)用廢水種類有害離子樹脂類型廢水出路再生劑再生液出路電鍍鉻廢水CrO42-大孔型陰離子交換樹脂循環(huán)使用食鹽或燒堿用氫型陽離子交換樹脂除鈉后回用于生產(chǎn)電鍍廢水Cr3+，Cu2+氫型強酸性陽離子交換樹脂循環(huán)使用18%-20%硫酸蒸發(fā)濃縮后回用含汞廢水Hg2+HgClx(x-2)-氯型強堿性大孔陰離子交換樹脂中和后排放鹽酸回收汞粘膠纖維廢水Zn2+強酸性陽離子交換樹脂中和后排放硫酸回用于生產(chǎn)氯苯酚廢水氯苯酚弱堿性大孔型離子交換樹脂排放2%NaOH甲醇回收酚或甲醇第八節(jié) 膜析法（一）膜分離技術(shù) 用某些具有特殊性能的薄膜為介質(zhì)分離水溶液中某些物質(zhì)的方法，統(tǒng)稱為膜分離技術(shù)。（二）膜的分類及應(yīng)用方式 分

38、類：固體膜、液體膜、溶脹的凝膠 性質(zhì)：離子交換膜、分子擴散膜、微孔膜、液膜 應(yīng)用 電滲析離子交換膜 反滲透分子擴散膜(反滲透膜） 超濾微孔膜（超過濾膜） 液膜分離液膜（三）膜分離技術(shù)的應(yīng)用 1、在工業(yè)生產(chǎn)中：化工、冶金、制藥、食品生產(chǎn)中某些產(chǎn)品的制備、分離和提純。 2、在給水處理中：海水淡化、苦咸水的脫鹽、硬水軟化、高純水的制備。 3、在廢水處理中：印染、造紙、某些廢液的處理、重金屬廢水的回收。（四）電滲析 電滲析是在直流電場的作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性（即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過），使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過程。1、離子交換膜 離

39、子交換膜是離子交換樹脂的另一種應(yīng)用方式，是膜狀的帶活性基因的高分子聚電解質(zhì)。（1）種類 按膜結(jié)構(gòu) 均相膜：結(jié)構(gòu)連續(xù)，化學(xué)性能均勻，電化學(xué)性能優(yōu)良。 異相膜：樹脂和黏合劑按比例混合涂在支撐物上，膜的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)不連續(xù)、不均勻。 半均相膜：由樹脂和黏合劑制成，性能介于均相和異相膜之間。 按膜性能 陽離子交換膜：膜內(nèi)可交換離子為陽離子。 陰離子交換膜：膜內(nèi)可交換離子為陰離子。 復(fù)合膜：由陽膜和陰膜復(fù)合而成。（2）膜的選擇透過性 在直流電場的作用下，離子交換膜有選擇地讓某些離子透過而排斥另一種離子的性能。（3）影響膜選擇透過性的因素 樹脂的交聯(lián)度。交聯(lián)度高、交換基因濃度高、選擇透過性好。 膜結(jié)構(gòu)?；?/p>

40、學(xué)結(jié)構(gòu)均勻，選擇透過性好。 膜外溶液的濃度。濃度高，選擇透過性差。2.電滲析的分離原理3.電滲析器構(gòu)造 電滲析器是利用電滲析原理實現(xiàn)對水溶液的物質(zhì)分離或濃縮操作的裝置。電滲析器由膜堆、極區(qū)和夾緊裝置3大部分組成。A.膜堆 膜堆是由若干個膜對組合而成的總體。 膜對：由陰膜、淡水隔板、陽膜、濃水隔板各一張，按順序組成的電滲析膜堆的基本單元。 隔板作用是使兩膜之間形成水室及流水通道，并進行配水和集水。 隔板按水流方式的不同，分為有回路隔板和無回路隔板2種。B.極區(qū) 包括電極、電極框和導(dǎo)水板。 電極：與直流電源整流器相連接，設(shè)在膜堆兩端，為電滲析過程提供傳質(zhì)推動力，常用鉛板或石墨板作陽極，不銹鋼作陰極

41、； 電極框：用于在極板和膜堆之間保持一定的距離，以構(gòu)成極室和極水的通道，并起絕緣、密封的作用； 導(dǎo)水板：將欲處理的原水引入電滲析器的各個水室，并將各水質(zhì)的處理出水引出電滲析器。C.夾緊裝置 設(shè)在兩極區(qū)的外側(cè)，其作用是把極區(qū)和膜堆組裝成完整的電滲析整體。 壓緊板和電極框之間襯有橡膠或軟聚氯乙烯制成的墊板，起防止漏水和調(diào)整厚度不均的作用。 夾緊裝置分壓緊板和螺栓壓緊、液壓鎖緊兩種。4.電滲析在廢水處理中的應(yīng)用1.酸洗廢液回收酸和鐵；2.芒硝廢液生產(chǎn)硫酸和氫氧化鈉。（五）反滲透1.定義 反滲透：指在外界所施加的高于溶液滲透壓的壓力作用下，使水由溶液透過半透膜反向擴散到淡水一側(cè)，并使溶液中的溶質(zhì)得到濃

42、縮的過程或現(xiàn)象。 反滲透法：利用反滲透原理及反滲透膜實現(xiàn)溶質(zhì)的分離與濃縮的水處理操作。 傳質(zhì)推動力：外界向反滲透系統(tǒng)施加的相當高的壓力，壓力范圍在1-10MPa。 優(yōu)點：不發(fā)生相變、效率高、無需加熱、能耗低以及適應(yīng)性強、設(shè)備簡單、操作方便、占地少等。2.反滲透的基本原理 滲透壓以壓力單位表示，其大小與膜和溶質(zhì)的種類、化學(xué)性質(zhì)無關(guān)，而取決于溶液溫度和溶質(zhì)濃度：式中:-溶液的滲透壓壓力，Pa； i-與溶質(zhì)離解狀態(tài)相關(guān)的范特霍夫常數(shù)。對于完 全電離的電解質(zhì)溶液，i等于離解陰、陽離子的總數(shù)；對于非電解質(zhì)溶液，i=1。 R-理想氣體常數(shù)，8.314J/（mol.K）； C-溶質(zhì)的濃度，mol/m3； T

43、-絕對溫度，K； 實現(xiàn)反滲透過程的必要條件：A.必須有高選擇性和高透水性的半透膜；B.操作壓力必須高于溶液的滲透壓。 在實際反滲透的操作過程中，為了獲得一定的反滲透速率，施加在膜兩邊的壓力差要遠大于滲透壓，通常反滲透系統(tǒng)采用的壓力為平衡滲透壓的4-20倍。3.反滲透膜的透過機理 優(yōu)先吸附-毛細孔流理論：把反滲透膜看作是一種具有微細多孔型結(jié)構(gòu)的膜，并且具有良好的選擇性吸附水分子而排斥溶質(zhì)分子的化學(xué)特性。當水溶液與膜表面接觸時，膜優(yōu)先吸附水分子，并在膜-溶液界面上形成一層不含溶質(zhì)的純水分子層，純水層的厚度由界面性質(zhì)決定，或為單分子層或為雙分子層。 該理論指明了膜材料選擇和反滲透膜制備的指導(dǎo)原則，即膜材料應(yīng)具備對水分子的優(yōu)先選擇吸附性和對溶質(zhì)的選擇排斥性；膜的表面層應(yīng)具有可能多的有效直徑為2t的細孔，這樣的膜方能獲得最佳的分離率和最高的透水速率。4.反滲透膜 反滲透分離效率的技術(shù)關(guān)鍵在于反滲透膜的性能。 實際應(yīng)用中要求反滲透膜具備的性能：透水通量大，脫鹽率高；耐壓強度高，多孔支撐層的壓密作用小，且抗拉、耐磨；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、耐堿、耐熱、耐微生物腐蝕，且耐水解、輻射和氧化；膜結(jié)構(gòu)均勻，性能衰降慢，使用壽命長；制膜原料充足，