污水的化学与物理化学处理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十六章 污水化学与物理化学处理第 五 节 吸 附 法第 六 节 离子交换法第 七 节 萃 取 法第 八 节 膜 析 法第1页第 五 节 吸 附 法第2页一、吸附原理 吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质能力吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质能力,比表面积很大活性炭等含有很高吸附能力。比表面积很大活性炭等含有很高吸附能力。吸吸附附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附剂与吸附物质之间是经过吸附剂与吸附物质之间是经过分子间引力分子间引力(即范徳华力即范徳华力)而产而产生吸附生吸附吸附剂与被吸附物质之间产生吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引发吸化学作用，生成化学键引发吸附附第3页 表明被吸附物量与浓度之间关系式称为吸附表明被吸附物量与浓度之间关系式称为吸附等温式。等温式。1.Freundlich等温式等温式对上式取对数，可得：对上式取对数，可得：第4页2.Langmuir等温式等温式 该公式是在被吸附物质仅为单分子层假定下导该公式是在被吸附物质仅为单分子层假定下导出，形式为：出，形式为：将上式变换成以下形式，使用时较方便：将上式变换成以下形式，使用时较方便：第5页二、影响吸附原因衡量衡量指标指标吸附能力吸附能力吸附速度吸附速度固体吸附剂用吸附量衡量固体吸附剂用吸附量衡量单位质量吸附剂在单位单位质量吸附剂在单位时间内所吸附物质量时间内所吸附物质量吸附吸附阶段阶段颗粒外部颗粒外部扩散阶段扩散阶段孔隙扩散孔隙扩散阶段阶段吸附反应吸附反应阶段阶段吸附质从溶液中扩散到吸附吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面剂表面吸附质在吸附剂孔隙中继续吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散向吸附点扩散吸附质被吸附在吸附剂孔隙吸附质被吸附在吸附剂孔隙内吸附点表面内吸附点表面第6页吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。外部扩外部扩散速度散速度与溶液浓度成正比与溶液浓度成正比与吸附剂比表面积大小成正比与吸附剂比表面积大小成正比吸附剂颗粒直径越小，速度越快吸附剂颗粒直径越小，速度越快增加溶液与颗粒间相对运动速度，可增加溶液与颗粒间相对运动速度，可提升速度提升速度孔隙扩孔隙扩散速度散速度吸附剂颗粒越小，速度越快吸附剂颗粒越小，速度越快第7页 吸附剂物理化学性质和吸附质物理化学性质对吸附剂物理化学性质和吸附质物理化学性质对吸附有很大影响。吸附有很大影响。极性分子极性分子(或离子或离子)型吸附剂轻易吸附极性分子型吸附剂轻易吸附极性分子(或或离子离子)型吸附质。型吸附质。非极性分子型吸附剂轻易吸附非极性吸附质。非极性分子型吸附剂轻易吸附非极性吸附质。三、吸附剂1.活性炭活性炭 在水处理中较多采取颗粒活性炭。在水处理中较多采取颗粒活性炭。再生是在吸附剂本身结构基本不发生改变情况下，再生是在吸附剂本身结构基本不发生改变情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去,恢复它吸恢复它吸附能力。附能力。第8页再再生生方方法法加热再生法加热再生法在高温条件下，提升了吸附质分在高温条件下，提升了吸附质分子能量，使其易于从活性炭活性子能量，使其易于从活性炭活性点脱离；而吸附有机物则在高温点脱离；而吸附有机物则在高温下氧化和分解，成为气态逸出或下氧化和分解，成为气态逸出或断裂成低分子断裂成低分子化学再生法化学再生法经过化学反应，使吸附质转化为经过化学反应，使吸附质转化为易溶于水物质而解吸下来易溶于水物质而解吸下来第9页2.腐植酸类吸附剂腐植酸类吸附剂 种类：天然富含腐植酸风化煤、泥煤、褐煤等，种类：天然富含腐植酸风化煤、泥煤、褐煤等，它们能够直接使用或经简单处理后使用；将富含腐它们能够直接使用或经简单处理后使用；将富含腐植酸物质用适当黏合剂制备成腐植酸系树脂。植酸物质用适当黏合剂制备成腐植酸系树脂。腐植酸是一组芳香结构，性质与酸性物质相同腐植酸是一组芳香结构，性质与酸性物质相同复杂混合物。复杂混合物。腐植酸类物质能吸附工业废水中许多金属离子，腐植酸类物质能吸附工业废水中许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。腐植酸对阳离子吸附，包含离子交换、螯合、腐植酸对阳离子吸附，包含离子交换、螯合、表面吸附、凝聚等作用。表面吸附、凝聚等作用。腐植酸类物质在吸附重金属离子后腐植酸类物质在吸附重金属离子后,能够用能够用H2SO4、HCl、NaCl等进行解吸。等进行解吸。第10页四、吸附工艺和设备操操作作方方式式连续式连续式间歇式间歇式将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液左右，然后静置沉淀，排除澄清液固定床固定床移动床移动床流化床流化床吸附剂固定填放在吸附柱吸附剂固定填放在吸附柱(或或塔塔)中中在操作过程中定时地将靠近饱在操作过程中定时地将靠近饱和一部分吸附剂从吸附柱中排和一部分吸附剂从吸附柱中排出，并同时将等量新鲜吸附剂出，并同时将等量新鲜吸附剂加入柱中加入柱中吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，悬浮于由下而上水流中悬浮于由下而上水流中第11页五、吸附法在污水处理中应用1.吸附法除汞吸附法除汞 活性炭有吸附汞和汞化合物性能，但因其吸附能活性炭有吸附汞和汞化合物性能，但因其吸附能力有限，只适宜于处理含汞量低废水。力有限，只适宜于处理含汞量低废水。吸附法除汞流程吸附法除汞流程第12页2.炼油厂、印染厂废水深度处理炼油厂、印染厂废水深度处理 某炼油厂含油废水，经隔油，气浮和生物处理某炼油厂含油废水，经隔油，气浮和生物处理后，再经砂滤和活性炭过滤深度处理。后，再经砂滤和活性炭过滤深度处理。废水含酚量从废水含酚量从0.1mg/L(生物处理后生物处理后)降至降至0.005mg/L，氰从，氰从0.19mg/L降至降至0.048mg/L，COD从从85mg/L降至降至18mg/L。第13页第六节 离子交换法第14页 实质：不溶性离子化合物实质：不溶性离子化合物(离子交换剂离子交换剂)上可交换上可交换离子与溶液中其它同性离子交换反应，是一个特殊吸离子与溶液中其它同性离子交换反应，是一个特殊吸附过程，通常是可逆化学吸附。附过程，通常是可逆化学吸附。离子交换是可逆反应，其反应式可表示为：离子交换是可逆反应，其反应式可表示为：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，树脂中及溶液中反应物浓度符合在平衡状态下，树脂中及溶液中反应物浓度符合以下关系式：以下关系式：K值大小能定量地反应离子值大小能定量地反应离子交换剂对某两个固定离子交换选交换剂对某两个固定离子交换选择性大小。择性大小。第15页一、离子交换剂 离子交换树脂是人工合成高分子聚合物，由树脂本离子交换树脂是人工合成高分子聚合物，由树脂本体体(又称母体或骨架又称母体或骨架)和活性基团两个部分组成。和活性基团两个部分组成。种类种类凝胶型树脂凝胶型树脂大孔型树脂大孔型树脂多孔凝胶型树脂多孔凝胶型树脂巨孔型巨孔型(MR型型)树脂树脂高巨孔型高巨孔型(超超MR型型)树脂树脂按活性基按活性基团可分为团可分为含有酸性基团阴离子交换树脂含有酸性基团阴离子交换树脂含有碱性基团阳离子交换树脂含有碱性基团阳离子交换树脂含有胺羧基团等螯合树脂含有胺羧基团等螯合树脂含有氧化还原基团氧化还原树脂含有氧化还原基团氧化还原树脂两性树脂两性树脂第16页二、离子交换树脂选取1.离子交换树脂有效离子交换树脂有效pH范围范围树脂类型强酸性离子交换树脂弱酸性离子交换树脂强碱性离子交换树脂弱碱性离子交换树脂有效pH范围114514112072.交换容量交换容量 定量表示树脂交换能力大小，单位为定量表示树脂交换能力大小，单位为mol/kg(干树干树脂脂)或或mol/L(湿树脂湿树脂)第17页交交换换容容量量全交换全交换容量容量工作交工作交换容量换容量一定量树脂所含有活性基团一定量树脂所含有活性基团或可交换离子总数量或可交换离子总数量树脂在给定工作条件下实际树脂在给定工作条件下实际交换能力交换能力3.交联度交联度 交联度较高树脂，孔隙较低，密度较大，离子扩交联度较高树脂，孔隙较低，密度较大，离子扩散速度较低，对半径较大离子和水合离子交换量较小，散速度较低，对半径较大离子和水合离子交换量较小，浸泡在水中时，水化度较低，形变较小，也就比较稳浸泡在水中时，水化度较低，形变较小，也就比较稳定，不易破碎。定，不易破碎。4.交换势交换势 交换势大，交换离子越轻易取代树脂上可交换离交换势大，交换离子越轻易取代树脂上可交换离子，也就表明交换离子与树脂之间亲和力越大。子，也就表明交换离子与树脂之间亲和力越大。第18页规规 律律 （1）离子交换交换势）离子交换交换势,除同它本身和离子交换树脂除同它本身和离子交换树脂化学性质相关外化学性质相关外,温度和浓度影响都很大。温度和浓度影响都很大。（2）在常温和低浓度水溶液中，阳离子价态越高，在常温和低浓度水溶液中，阳离子价态越高，它交换势越大。它交换势越大。（3）在常温和低浓度水溶液中，同价阳离子交换势在常温和低浓度水溶液中，同价阳离子交换势大致上是原子序数越高，交换势越大；不过稀土元素情大致上是原子序数越高，交换势越大；不过稀土元素情况恰好相反。况恰好相反。（4）氢离子对阳离子交换树脂交换势，取决于树氢离子对阳离子交换树脂交换势，取决于树脂性质。脂性质。（5）在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子交）在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子交换树脂来说换树脂来说,酸根酸根(阴离子阴离子)交换序列以下：交换序列以下：SO42-CrO42-柠檬酸根柠檬酸根酒石酸根酒石酸根 NO3-AsO43-PO43-MoO42-醋酸根、醋酸根、I-、Br-Cl-F-。第19页 （6）对强碱性阴离子交换树脂讲，离子交换势随）对强碱性阴离子交换树脂讲，离子交换势随树脂性质而异，没有普通性规律。树脂性质而异，没有普通性规律。（7）氢氧基对阴离子交换树脂交换势决定于树脂）氢氧基对阴离子交换树脂交换势决定于树脂类型。类型。（8）离子量高有机离子和金属络合离子交换势尤）离子量高有机离子和金属络合离子交换势尤其大。其大。（9）大孔型树脂含有很强吸附性能，往往能够吸）大孔型树脂含有很强吸附性能，往往能够吸附废水中非离子型杂质。附废水中非离子型杂质。三、离子交换工艺和设备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第20页第21页1.交换交换 开启进水阀开启进水阀1和出水阀和出水阀2，其余阀门关闭。，其余阀门关闭。2.反洗反洗 目标在于松动树脂层，方便下一步再生时，注入目标在于松动树脂层，方便下一步再生时，注入再生液能分布均匀，同时也及时地去除积存在树脂层再生液能分布均匀，同时也及时地去除积存在树脂层内杂质、碎粒和气泡。内杂质、碎粒和气泡。先关闭阀门先关闭阀门1和和2，打开反洗阀，打开反洗阀3，然后再逐步开，然后再逐步开大排水阀大排水阀4进行反洗。进行反洗。3.再生再生 先关闭阀门先关闭阀门3和和4，打开排气阀，打开排气阀7及排水阀及排水阀5，将水，将水放到离树脂层表面放到离树脂层表面10cm左右，再关闭阀门左右，再关闭阀门5，开启进，开启进再生液阀门再生液阀门8，排出交换器内空气后，即关闭阀门，排出交换器内空气后，即关闭阀门7，再适当开启阀门再适当开启阀门5，进行再生。，进行再生。第22页四、离子交换法在废水处理中应用1.电镀含铬废水处理电镀含铬废水处理 生产实践表明，在电镀车间铬镀槽洗涤水闭路生产实践表明，在电镀车间铬镀槽洗涤水闭路循环系统中采取离子交换法分离、回收铬酸是有效。循环系统中采取离子交换法分离、回收铬酸是有效。4.清洗清洗 先关闭阀门先关闭阀门8，然后开启阀门，然后开启阀门1及及5。固定床离子交换器设计计算，依据物料平衡原理，可得以下基本公固定床离子交换器设计计算，依据物料平衡原理，可得以下基本公式：式：A离子交换器截面积，离子交换器截面积，m2；h树脂层高度，树脂层高度，m；E交换树脂工作交换容量，交换树脂工作交换容量，mmol/L;qv废水平均流量，废水平均流量，m3/h;c0进水浓度，进水浓度，mmol/L;c出水浓度，出水浓度，nmol/L；T交换周期，交换周期，h。第23页第24页2.离子交换法处理含汞废水离子交换法处理含汞废水 日本和瑞士氯碱厂采取阴离子交换树脂和螯合日本和瑞士氯碱厂采取阴离子交换树脂和螯合树脂处理含汞树脂处理含汞(氯化汞络合离子氯化汞络合离子)废水。废水。第25页第26页第 七 节 萃 取 法第27页 萃取：用适当溶剂分离混合物过程。萃取：用适当溶剂分离混合物过程。步骤步骤把萃取剂加入废水，并使它们充分接触，把萃取剂加入废水，并使它们充分接触，有害物质作为萃取物从废水中转移到萃取有害物质作为萃取物从废水中转移到萃取剂中剂中把萃取剂和废水分离开了，废水就得到了把萃取剂和废水分离开了，废水就得到了处理处理把萃取物从萃取剂中分离出来，使有害物把萃取物从萃取剂中分离出来，使有害物成为有用副产品，而萃取剂则可用于萃取成为有用副产品，而萃取剂则可用于萃取过程才算在技术上已经成立；其次，就是过程才算在技术上已经成立；其次，就是经济上考虑经济上考虑第28页一、萃取剂 萃取剂对被萃取物溶解度要高，对水中其它萃取剂对被萃取物溶解度要高，对水中其它物质溶解度要低，而萃取剂本身在水中溶解度要物质溶解度要低，而萃取剂本身在水中溶解度要低。低。分配系数表征萃取剂溶解性能：分配系数表征萃取剂溶解性能：萃取剂在废水中不会乳化，轻易同废水分离。萃取剂在废水中不会乳化，轻易同废水分离。萃取剂要易于再生。萃取剂要易于再生。萃取剂价格要低廉，供给要充沛。萃取剂价格要低廉，供给要充沛。第29页二、萃取过程萃取过程三种流程萃取过程三种流程第30页 单级萃取中萃取剂用量计算可依据物料衡算原单级萃取中萃取剂用量计算可依据物料衡算原理理(即流入萃取系统萃取物量等于流出萃取系统萃取即流入萃取系统萃取物量等于流出萃取系统萃取物量物量)，可得：，可得：通常，废水量和质与萃取剂质都是已知，要计算通常，废水量和质与萃取剂质都是已知，要计算萃取剂量，从上式可得：萃取剂量，从上式可得：本式也适合用于多效萃取。本式也适合用于多效萃取。第31页第32页 传质过程中物质传递量同传质推进力成正比，也传质过程中物质传递量同传质推进力成正比，也同两相接触表面面积成正比，所以得公式：同两相接触表面面积成正比，所以得公式：三、萃取设备分类分类罐式罐式(萃取器萃取器)塔式塔式(萃取塔萃取塔)离心机式离心机式(离心萃取机离心萃取机)第33页1.筛板萃取塔筛板萃取塔第34页2.脉动筛板萃取塔脉动筛板萃取塔第35页3.转盘萃取塔转盘萃取塔第36页4.填料萃取塔填料萃取塔第37页四、萃取法在废水处理中应用1.萃取法处理含酚废水萃取法处理含酚废水第38页2.萃取法处理含重金属废水萃取法处理含重金属废水 某铜矿矿石场废水中含铜某铜矿矿石场废水中含铜0.31.5g/L，含铁，含铁4.55.4g/L，含砷，含砷10300mg/L，pH0.13。该废水。该废水用用N-510作复合萃取剂，用萃取器进行六级逆流萃取，作复合萃取剂，用萃取器进行六级逆流萃取，含铜萃取剂用含铜萃取剂用H2SO4进行反萃取，再生后重复使用。进行反萃取，再生后重复使用。第39页第 八 节 膜 析 法第40页 膜析法是利用薄膜以分离水溶液中一些物质方膜析法是利用薄膜以分离水溶液中一些物质方法总称。法总称。一、渗析法半透膜渗半透膜渗析作用析作用依靠薄膜中依靠薄膜中“孔道孔道”大小分离大小分离不一样分子或离子不一样分子或离子依靠薄膜离子结构分离性质不依靠薄膜离子结构分离性质不一样离子一样离子依靠薄膜有选择溶解性分离一依靠薄膜有选择溶解性分离一些物质些物质第41页动力动力分子扩散作用分子扩散作用电力电力压力压力渗析法渗析法电渗析法电渗析法反渗法和超出滤法反渗法和超出滤法第42页二、电渗析法海水淡化电渗析法示意图海水淡化电渗析法示意图第43页阳极反应式：阳极反应式：阴极反应式：阴极反应式：第44页用渗析法处理酸洗废水第45页三、反渗透法 反渗透法是以压力为驱动力膜法分离技术。反渗透法是以压力为驱动力膜法分离技术。渗透和反渗透第46页 任何溶液都含有对应渗透压，其数值取决于溶任何溶液都含有对应渗透压，其数值取决于溶液中溶质分子数，而与溶质性质无关，其数学表示液中溶质分子数，而与溶质性质无关，其数学表示式为：式为：当完全解离时，当完全解离时，i等于阴、阳离子总数；对非电等于阴、阳离子总数；对非电解质，则解质，则i1。900.643.5NaCl，1032.5kPa芳香聚酰膜920.443.5NaCl，10132.5kPaCA混合膜980.4海水，6079.5kPaCA3中空纤维膜981.0海水，10132.2kPaCA3复合膜900.81NaCl，5066.3kPaCA2.5膜脱盐率/%透水性测试条件品种 几个反渗透膜性能几个反渗透膜性能第47页装装置置板框式板框式把渗透膜贴在多孔透水板单侧或两侧，把渗透膜贴在多孔透水板单侧或两侧，再紧贴在不锈钢或环氧玻璃钢承压板两再紧贴在不锈钢或环氧玻璃钢承压板两侧，组成一个渗透元件侧，组成一个渗透元件管式管式把渗透膜装在耐压微孔承压管内侧或外把渗透膜装在耐压微孔承压管内侧或外侧，制成管状膜元件侧，制成管状膜元件螺旋螺旋卷式卷式在两层反渗透膜中间夹一层多孔柔性格在两层反渗透膜中间夹一层多孔柔性格网，再在下面铺一层供废水经过多孔透网，再在下面铺一层供废水经过多孔透水格网，然后将它们一端粘贴在多孔集水格网，然后将它们一端粘贴在多孔集水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并将另一水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并将另一端密封，就成为一个反渗透元件端密封，就成为一个反渗透元件中空中空纤维式纤维式在两层反渗透膜原料空心纺丝而成中空在两层反渗透膜原料空心纺丝而成中空纤维管纤维管第48页四、超出滤法作作用用溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附溶质粒径大小与膜孔径相仿，溶质嵌溶质粒径大小与膜孔径相仿，溶质嵌在孔中，引发堵塞在孔中，引发堵塞溶质粒径大于膜孔径，溶质在膜表面溶质粒径大于膜孔径，溶质在膜表面被机械截留，实现筛分被机械截留，实现筛分 超滤过程是动态过程，即在超滤膜表面既受到超滤过程是动态过程，即在超滤膜表面既受到垂直于膜面压力，使水分子得以透过膜面并与被截垂直于膜面压力，使水分子得以透过膜面并与被截留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行切向力，留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行切向力，以将截留在膜表面物质冲开。以将截留在膜表面物质冲开。主要用于分离有机溶解物主要用于分离有机溶解物,如淀粉、蛋白质、树如淀粉、蛋白质、树胶、油漆等。胶、油漆等。第49页