大学课件水污染控工程：吸附、离子交换

1、第 一 节 吸 附 法第 二 节 离子交换法第 三 节 萃 取 法第 四 节 膜 析 法第 一 节 吸 附 法一、 吸附原理 吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力能力,比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。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通过吸附剂与吸附物质之间是通过分子间引力分子间引力(即范徳华力即范徳华力)而产而产生的吸附生的吸附吸附剂与被吸附物质之间产吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引生化学作用，生成化学键引起吸附起吸附 表明被吸附物的量与浓度之间

2、的关系式称为表明被吸附物的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。吸附等温式。1. Freundlich等温式等温式nKmy1lg1lg)lg(nKmy对上式取对数，可得：对上式取对数，可得：2. Langmuir等温式等温式 该公式是在被吸附物质仅为单分子层的假定下该公式是在被吸附物质仅为单分子层的假定下导出的，形式为：导出的，形式为：11KKmyKKKmy11 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：二、影响吸附的因素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的

3、物质量时间内所吸附的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的吸附点表面内的吸附点表面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的比表面积的大小成正与吸附剂的比表面积的大小成正比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

4、液与颗粒间的相对运动速度，增加溶液与颗粒间的相对运动速度，可提高速度可提高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 吸附剂的物理化学性质和吸附质的物理化学性吸附剂的物理化学性质和吸附质的物理化学性质对吸附有很大影响。质对吸附有很大影响。 极性分子极性分子(或离子或离子)型的吸附剂容易吸附极性分子型的吸附剂容易吸附极性分子(或离子或离子)型的吸附质。型的吸附质。 非极性分子型的吸附剂容易吸附非极性的吸附质。非极性分子型的吸附剂容易吸附非极性的吸附质。三、吸附剂1. 活性炭活性炭 在水处理中较多采用颗粒活性炭。在水处理中较多采用颗粒活性炭。 再生是在吸附剂本身的

5、结构基本不发生变化的情再生是在吸附剂本身的结构基本不发生变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去,恢复恢复它的吸附能力。它的吸附能力。再再生生方方法法加热再生法加热再生法在高温条件下，提高了吸附质分在高温条件下，提高了吸附质分子的能量，使其易于从活性炭的子的能量，使其易于从活性炭的活性点脱离；而吸附的有机物则活性点脱离；而吸附的有机物则在高温下氧化和分解，成为气态在高温下氧化和分解，成为气态逸出或断裂成低分子逸出或断裂成低分子化学再生法化学再生法通过化学反应，使吸附质转化为通过化学反应，使吸附质转化为易溶于水的物质而解吸下来易溶于水的物质而解

6、吸下来2. 腐植酸类吸附剂腐植酸类吸附剂 种类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐种类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将富含腐植酸的物质用适当的黏合剂制备成的腐植酸富含腐植酸的物质用适当的黏合剂制备成的腐植酸系树脂。系树脂。 腐植酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相腐植酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物。似的复杂混合物。 腐植酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离腐植酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。 腐植酸对阳离子的吸附，包

7、括离子交换、螯合、腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、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,可以用可以用H2SO4、HCl、NaCl等进行解吸。等进行解吸。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期地将接近饱在操作过程中定期地将接近饱和的一部分吸附剂从吸附

8、柱中和的一部分吸附剂从吸附柱中排出，并同时将等量的新鲜吸排出，并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中附剂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，悬浮于由下而上的水流中悬浮于由下而上的水流中五、吸附法在污水处理中的应用1. 吸附法除汞吸附法除汞 活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有限，只适宜于处理含汞量低的废水。能力有限，只适宜于处理含汞量低的废水。吸附法除汞流程吸附法除汞流程2. 炼油厂、印染厂废水的深度处理炼油厂、印染厂废水的深度处理 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

9、，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。 废水的含酚量从废水的含酚量从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。第二节 离子交换法 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)上的可交上的可交换离子与溶液中的其他同性离子的交换反应，是一种换离子与溶液中的其他同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆化学吸附。特殊的吸附过程，通常是可逆化学吸附。 离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：离子交换是可逆反应，其反应式可表

10、达为：HRMMRH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，树脂中及溶液中的反应物浓度符在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式：合下列关系式：KRHMRMH K值的大小能定量地反映离值的大小能定量地反映离子交换剂对某两个固定离子交换子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。选择性的大小。一、离子交换剂 离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由树脂离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由树脂本体本体(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

11、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的阴离子交换树脂含有酸性基团的阴离子交换树脂含有碱性基团的阳离子交换树脂含有碱性基团的阳离子交换树脂含有胺羧基团等的螯合树脂含有胺羧基团等的螯合树脂含有氧化还原基团的氧化还原树脂含有氧化还原基团的氧化还原树脂两性树脂两性树脂二、离子交换树脂的选用1. 离子交换树脂的有效离子交换树脂的有效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的大小，单位为定量表示树脂交换能

12、力的大小，单位为mol/kg(干干树脂树脂)或或mol/L(湿树脂湿树脂)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的树脂所具有的活性一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量基团或可交换离子的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的交换能力的交换能力3. 交联度交联度 交联度较高的树脂，孔隙较低，密度较大，离子交联度较高的树脂，孔隙较低，密度较大，离子扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较小，浸泡在水中时，水化度较低，形变较小，也量较小，浸泡在水中时，水化度较低，形变较小，也就比较稳定，不

13、易破碎。就比较稳定，不易破碎。4. 交换势交换势 交换势大，交换离子越容易取代树脂上的可交换交换势大，交换离子越容易取代树脂上的可交换离子，也就表明交换离子与树脂之间的亲和力越大。离子，也就表明交换离子与树脂之间的亲和力越大。规规 律律 （1）离子的交换的交换势）离子的交换的交换势, 除同它本身和离子交换除同它本身和离子交换树脂的化学性质有关外树脂的化学性质有关外, 温度和浓度的影响都很大。温度和浓度的影响都很大。 （2）在常温和低浓度水溶液中，阳离子的价态越）在常温和低浓度水溶液中，阳离子的价态越高，它的交换势越大。高，它的交换势越大。 （3）在常温和低浓度水溶液中，同价阳离子的交）在常温和

14、低浓度水溶液中，同价阳离子的交换势大致上是原子序数越高，交换势越大；但是稀土换势大致上是原子序数越高，交换势越大；但是稀土元素情况正好相反。元素情况正好相反。 （4）氢离子对阳离子交换树脂的交换势，取决于）氢离子对阳离子交换树脂的交换势，取决于树脂的性质。树脂的性质。 （5）在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子）在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子交换树脂来说交换树脂来说, 酸根酸根(阴离子阴离子)的交换序列如下：的交换序列如下：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-。 （6）

15、对强碱性阴离子交换树脂讲，离子的交换势）对强碱性阴离子交换树脂讲，离子的交换势随树脂的性质而异，没有一般性的规律。随树脂的性质而异，没有一般性的规律。 （7）氢氧基对阴离子交换树脂的交换势决定于树）氢氧基对阴离子交换树脂的交换势决定于树脂类型。脂类型。 （8）离子量高的有机离子和金属络合离子的交换）离子量高的有机离子和金属络合离子的交换势特别大。势特别大。 （9）大孔型树脂具有很强的吸附性能，往往可以）大孔型树脂具有很强的吸附性能，往往可以吸附废水中的非离子型杂质。吸附废水中的非离子型杂质。三、离子交换的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

16、续床移动床移动床流动床流动床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 目的在于松动树脂层，以便下一步再生时，注入目的在于松动树脂层，以便下一步再生时，注入的再生液能分布均匀，同时也及时地清除积存在树脂的再生液能分布均匀，同时也及时地清除积存在树脂层内的杂质、碎粒和气泡。层内的杂质、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，然后再逐渐开，然后再逐渐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

17、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。四、离子交换法在废水处理中的应用1. 电镀含铬废水的处理电镀含铬废水的处理 生产实践表明，在电镀车间铬镀槽的洗涤水闭生产实践表明，在电镀车间铬镀槽的洗涤水闭路循环系统中采用离子交换法分离、回收铬酸是有路循环系统中采用离子交换法分离、回收铬酸是有效的。效的。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。 固定床离子交换器的设计计算，根据物料平衡原理，可得如下

18、基本固定床离子交换器的设计计算，根据物料平衡原理，可得如下基本公式：公式：TccqAhEOV)(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交换树脂的工作交换容量，交换树脂的工作交换容量，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。2. 离子交换法处理含汞废水离子交换法处理含汞废水 日本和瑞士的氯碱厂采用阴离子交换树脂和螯日本和瑞士的氯碱厂采用阴离子交换树脂和螯合树脂处理含汞合树脂处理含汞(氯化汞络合离子氯化汞络合离子)废水。废水。第 三 节 萃 取

19、法 萃取：用适当的溶剂分离混合物的过程。萃取：用适当的溶剂分离混合物的过程。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，使有害物成为有用的副产品，而萃取剂则可用于萃成为有用的副产品，而萃取剂则可用于萃取过程才算在技术上已经成立；其次，就取过程才算在技术上已经成立；其次，就是经济上的考虑是经济上的考虑一、萃取剂 萃取剂对被萃取物的溶解度要高

20、，对水中其萃取剂对被萃取物的溶解度要高，对水中其他物质的溶解度要低，而萃取剂本身在水中的溶他物质的溶解度要低，而萃取剂本身在水中的溶解度要低。解度要低。 分配系数表征萃取剂的溶解性能：分配系数表征萃取剂的溶解性能：*s*cfccK 萃取剂在废水中不会乳化，容易同废水分离。萃取剂在废水中不会乳化，容易同废水分离。 萃取剂要易于再生。萃取剂要易于再生。 萃取剂价格要低廉，供应要充沛。萃取剂价格要低廉，供应要充沛。二、 萃取过程萃取过程的三种流程萃取过程的三种流程 单级萃取中萃取剂用量的计算可根据物料衡算单级萃取中萃取剂用量的计算可根据物料衡算原理原理(即流入萃取系统的萃取物量等于流出萃取系统即流入

21、萃取系统的萃取物量等于流出萃取系统的萃取物量的萃取物量)，可得：，可得：ccssccsscVcVcVcV 通常，废水的量和质与萃取剂的质都是已知的，通常，废水的量和质与萃取剂的质都是已知的，要计算萃取剂的量，从上式可得：要计算萃取剂的量，从上式可得：ccssscccccVV 本式也适用于多效萃取。本式也适用于多效萃取。 传质过程中的物质传递量同传质推动力成正比，传质过程中的物质传递量同传质推动力成正比，也同两相接触表面的面积成正比，因此得公式：也同两相接触表面的面积成正比，因此得公式：AA*AAA)(cAKccAKGBAB*BB)(cAKccAKG三、萃取设备分类分类罐式罐式(萃取器萃取器)塔

22、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)1. 筛板萃取塔筛板萃取塔2. 脉动筛板萃取塔脉动筛板萃取塔3. 转盘萃取塔转盘萃取塔4. 填料萃取塔填料萃取塔四、萃取法在废水处理中的应用1. 萃取法处理含酚废水萃取法处理含酚废水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作复合萃取剂，用萃取器进行六级逆流萃取，含铜的萃取剂用取，含铜的萃取剂用H2SO4进行反萃取，再生后重

23、进行反萃取，再生后重复使用。复使用。第 四 节 膜 析 法 膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法总称。方法总称。一、渗析法半透膜的半透膜的渗析作用渗析作用依靠薄膜中依靠薄膜中“孔道孔道”的大小分的大小分离不同的分子或离子离不同的分子或离子依靠薄膜的离子结构分离性质依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子不同的离子依靠薄膜的有选择的溶解性分依靠薄膜的有选择的溶解性分离某些物质离某些物质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过滤法反渗法和超过滤法二、 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阳极

24、反应式：阳极反应式：2OH2HO2H24224SOHSO2H2e2HO2OH2阴极反应式：阴极反应式：Fe2eFe22H2e2H用渗析法处理酸洗废水三、反渗透法 反渗透法是以压力为驱动力的膜法分离技术。反渗透法是以压力为驱动力的膜法分离技术。渗透和反渗透 任何溶液都具有相应的渗透压，其数值取决于任何溶液都具有相应的渗透压，其数值取决于溶液中溶质的分子数，而与溶质的性质无关，其数溶液中溶质的分子数，而与溶质的性质无关，其数学表达式为：学表达式为：iRTc 当完全解离时，当完全解离时，i等于阴、阳离子的总数；对非等于阴、阳离子的总数；对非电解质，则电解质，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