环境工程学王玉恒重点第2章 第22节 离子交换和吸附

1、1 1水中溶解物质的去除水中溶解物质的去除第三节2 2（一）软化的基本方法（一）软化的基本方法 加热软化：加热软化：不能去除非碳酸盐硬度，很少使用不能去除非碳酸盐硬度，很少使用 药剂软化：药剂软化：加入石灰，纯碱，石膏等药剂，使加入石灰，纯碱，石膏等药剂，使caca2+2+，mgmg2+2+等离子沉淀。但是会有少量不能沉淀，有残余硬度。等离子沉淀。但是会有少量不能沉淀，有残余硬度。 离子交换：离子交换：用离子交换剂，将用离子交换剂，将caca2+2+，mgmg2+2+等离子交等离子交换出来，比较彻底。换出来，比较彻底。（二）除盐的基本方法（二）除盐的基本方法 有蒸馏法，离子交换法，电渗析等。有

2、蒸馏法，离子交换法，电渗析等。一、水的软化和除盐水的软化和除盐3 3二、离子交换法 应用：在给水处理中软化和除盐的方法之一；在废水处理中，去除或回收金属离子，也用于放射性废水和有机废水的处理 。（一）离子交换树脂 特点：交换容量高；球形颗粒，水流阻力小，交换速度快；机械强度和化学稳定性都好，但成本较高。 离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由树脂本体(又称母体或骨架)和活性基团两个部分组成。55结构结构树脂母体树脂母体（骨架）（骨架）活性基团活性基团有机化合物有机化合物（苯乙苯乙烯烯、酚醛、丙烯酸）、酚醛、丙烯酸）交联剂交联剂（二乙烯苯）（二乙烯苯）固定离子固定离子 活动离子活动离子（可交换

3、离子可交换离子）苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂结构（苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂结构（rso3h）ion exchange resin（一）离子交换树脂66 阴、阳离子交换树脂按活性基团电离强弱程度又分为：（1）强酸性阳离子（so3h或-so3na，交换能力与ph值无关） （2）弱酸性阳离子（cooh，碱性条件下才有较高的交换能力 ） （3）强碱性阴离子（noh季胺碱基或-ncl季胺盐基，交换能力与ph值无关） （4）弱碱性阴离子（nh3oh、-nh2oh、 - nhoh ，酸性条件下才有较高的交换能力） （一）离子交换树脂7 771. 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

4、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11451411207（二）离子交换树脂的性质82. 交换容量交换容量 定量表示树脂交换能力的大小，单位为mol/kg(干树脂)或mol/l(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（二）离子交换树脂的性质3. 3. 交联度交联度 交联度较高的树脂，孔隙较低，密度较大，离子扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较

5、小，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。4. 4. 交换势交换势 水中交换离子的交换势大，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。（二）离子交换树脂的性质1010离子交换势一般规律： （1）离子的交换势, 除同它本身和离子交换树脂的化学性质有关外, 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，同价阳离子的交换势大致上是原子序数越高，交换势越大。 思考：为什么阳离子交换树脂的可交换离子为氢离子或钠离子？离子交换柱中的多离子分离离子交换柱中的多离子分离（二）离

6、子交换树脂的性质1111离子交换势一般规律： （4）氢离子对阳离子交换树脂的交换势，取决于树脂的性质。 （6）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。 （7）氢氧根对阴离子交换树脂的交换势决定于树脂类型。 （8）离子价位高的有机离子和金属络合离子的交换势特别大。 （5）在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子交换树脂来说, 酸根(阴离子)的交换序列如下：so42- cro42- no3- cl- oh-。（二）离子交换树脂的性质12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（三）离子交换工艺及其应

7、用131313操作步骤：1. 1. 交换：交换：开启进水阀开启进水阀1 1和出水阀和出水阀2 2，其余阀门关闭，其余阀门关闭。2. 2. 反洗反洗先关闭阀门先关闭阀门1 1和和2 2，打开反洗阀，打开反洗阀3 3，然后再，然后再逐渐开大排水阀逐渐开大排水阀4 4进行反洗。进行反洗。3. 3. 再生：再生：先关闭阀门先关闭阀门3 3和和4 4，打开排气阀，打开排气阀7 7及排水及排水阀阀5 5，将水放到离树脂层表面，将水放到离树脂层表面10cm10cm左右，再关闭左右，再关闭阀门阀门5 5，开启进再生液阀门，开启进再生液阀门8 8，排出交换器内空气，排出交换器内空气后，即关闭阀门后，即关闭阀门7

8、 7，再适当开启阀门，再适当开启阀门5 5，进行再生。，进行再生。4. 4. 清洗清洗先关闭阀门先关闭阀门8 8，然后开启阀门，然后开启阀门1 1及及5 5。离子交换的工艺和设备1414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质之间是通过分吸附剂与吸附质之间是通过分子间引力子间引力( (即即范德华力范德华力) )而产生而产生的吸附的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，生成化学作用，生成化学键化学键引起吸引起吸附附（一）吸附类型三、吸 附 法1515 u物理吸附 l 分子间力(范德华力)引起l 没有选择性l 吸附热较小，可在低温下进行l 单分子层或多分子

9、层吸附l 过程可逆，易解吸（一）吸附类型16 u化学吸附l 化学反应，形成牢固的化学键l 吸附热较大，在高温下进行l 有选择性，单分子层吸附l 化学键力大时，不可逆（一）吸附类型1717吸附性能物理吸附化学吸附作用力分子引力（范德华力）剩余化学键力选择性没有选择性有选择性吸附层单分子或多分子吸附层只能形成单分子吸附层吸附热较小，41.9kj/mol较大，相当于化学反应热，83.7-418.7kj/mol吸附速度快，几乎不要活化能较慢，需要活化能温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加可逆性可逆，较易解析化学键大时，吸附不可逆物理吸附与化学吸附物理吸附与化学吸附18 1）具有较大的比表

10、面积； 2）较高的吸附容量； 3）良好的吸附选择性、稳定性、耐磨性、耐腐蚀性、 较好的机械强度； 4）容易再生； 5）价廉易得；作为工业用的吸附剂要求(补充） ： 常用吸附剂：活性炭（）、磺化煤、硅胶、活化煤、沸石、活性氧化铝、活性白土、硅藻土、腐殖质酸、焦炭、木炭、蒙脱石等。（一）吸附剂191. 1. 活性炭活性炭（1 1）活性碳的制造）活性碳的制造 原料：将木材、煤、果壳等含炭为主的物质作为原料，经高原料：将木材、煤、果壳等含炭为主的物质作为原料，经高温炭化和活化而成。温炭化和活化而成。 炭化：温度炭化：温度300-400，将原料热解为碳渣。，将原料热解为碳渣。 活化：把碳渣造成发达的多孔

11、结构。活化：把碳渣造成发达的多孔结构。 两种活化方法：两种活化方法： 气体法（气体法（粒状活性炭粒状活性炭） ：通入水蒸气、空气等活化剂；：通入水蒸气、空气等活化剂； 药剂法（药剂法（粉末活性炭粉末活性炭） ：用氯化锌、硫酸等作为活化剂。：用氯化锌、硫酸等作为活化剂。（一）吸附剂201 1. . 活性炭活性炭（2 2）活性碳的构造）活性碳的构造 比表面积：可达500-1700m2/g 吸附量除与比表面积有关外，还于细孔的形状和分布有关。 细孔的形状：圆桶形，圆锥形，瓶形，平板形，毛细管形等，有效半径为1-10000 nm。（一）吸附剂21根据杜必宁的分类，细孔分为（）： a、 小孔（微孔）：孔

12、径在2nm以下，其表面积占总表面积的95%以上，吸附量主要由小孔支配。 b、中孔（过渡孔）：孔径为2-100nm ,表面积占比表面积的5%以下。它为吸附质提供扩散通道，影响大分子物质的吸附。 c、大孔：孔径为100-10000nm，表面积只有0.5-2m2/g，占比表面积不足1%，主要为吸附质提供扩散通道。（2 2）活性碳的构造）活性碳的构造（一）吸附剂221. 1. 活性炭活性炭 实际应用中，应根据吸附质分子的大小和活性炭的细孔分布来选择合适的活性炭。（一）吸附剂231. 1. 活性炭活性炭（3 3）活性碳的表面化学性质）活性碳的表面化学性质 活性炭是非极性的，但在制造过程中，处于微晶体边缘

13、的碳原子由于共价键不饱和，易与氢、氧结合形成各种含氧官能团，具有微弱的极性。 它不仅可以去除水中的非极性物质，还可去除某些极性物质，甚至微量的金属离子及其化合物。（一）吸附剂24（4 4）活性碳的特点（补充）活性碳的特点（补充） a、具有良好的吸附性能和化学稳定性 b、抗腐蚀性能好 c、能经受水浸、高温、高压作用 d、不易破碎 e、粉状活性炭制造容易、成本低，但不易再生； 粒状活性炭成本较高，但操作管理和再生容易。1. 1. 活性炭活性炭（一）吸附剂25 （5）活性碳的再生 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细孔中除去，恢复它的吸附能力。 再生方法包括：

14、加热再生法、药剂再生法、化学氧化法、生物法。常采用前两种方法。1. 1. 活性炭活性炭（一）吸附剂26 再再生生方方法法加热再生法 分为低温（200）和高温（炭化：300700 ；活化：7001000 ）加热再生。 前者适用于吸附了高浓度的简单低分子有机物（如某些碳氢化合物和芳香族有机物）的活性炭再生；可直接在吸附塔内进行。 后者适用于水处理后粒状活性炭的再生，分脱水、干燥、炭化、活化(再生炉中进行）和冷却5步。再生系统有脱水装置、再生炉、活性炭输送系统等组成； 高温加热再生特点：吸附性能恢复率高（95%以上），再生时间短；再生设备造价高，能耗大，需严格控制运行条件。药剂再生法1. 1. 活性

15、炭活性炭化学氧化法 生物法（一）吸附剂27 再再生生方方法法加热再生法药剂再生法 分无机药剂和有机溶剂再生法； 前者利用无机酸碱溶液（硫酸、盐酸、氢氧化钠等）使污染物脱附； 后者利用有机溶剂（苯、丙酮、甲醇等）萃取吸附的有机物； 可直接在吸附塔内进行； 特点：无需另设再生设备，操作管理简单；但活性炭吸附性能恢复率低，再生时间长。1. 1. 活性炭活性炭化学氧化法 生物法（一）吸附剂28再再生生方方法法加热再生法药剂再生法1. 1. 活性炭活性炭化学氧化法 生物法 湿式氧化法、电解氧化法、臭氧氧化法 （一）吸附剂29操操作作方方式式连续式（动态吸附）间歇式（静态吸附）一般用于少量废水的处理和实验

16、研究固定床固定床移动床移动床流化床流化床（三）吸附工艺和设备30去除对象包括: 溶解性的有机物 重金属离子 放射性元素 其他（微生物、余氯、臭味、色素） 补充：吸附法在水处理中的应用 饮用水的深度处理；进行废水的深度处理时，去除水中微量污染物；从高浓度废水中回收有用物料。31 废水流量：1020m3/d； 化学沉淀法处理：以石灰调ph810，na2s作沉淀剂，feso4作混凝剂，此时，出水含汞约1mg/l，高时达23mg/l，不符合排放标准（0.05mg/l）； 活性炭吸附处理：有两个吸附池，交替工作，压缩空气搅拌。吸附法除汞补充：吸附法在水处理中的应用322. 污水的深度处理二级处理出水过滤

17、活性碳吸附回 用补充：吸附法在水处理中的应用333. 炼油厂废水的深度处理 废水的含酚量从0.1mg/l(生物处理后)降至0.005mg/l，氰从0.19mg/l降至0.048mg/l，cod从85mg/l降至18mg/l。含油废水隔油池混凝气浮生物膜法活性炭吸附砂滤出水去除对象：油类污染物、酚类污染物及氰化物。补充：吸附法在水处理中的应用34四、膜分离技术 膜分离法：在某种推动力作用下，利用膜的选择透过性，达到分离水中离子、分子以及某些微粒的目的。35（一）电渗析（一）电渗析（eded） 是膜分离技术的一种，它是在直流电场的直流电场的作用下作用下，以单位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性

18、，把电解质从溶液中分离出来电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。 其过程是电解和渗析扩散过程的组合。利用离子交换膜的选择透过性，即阳膜理论上只阳膜理论上只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过，在外加电场作用下，阴、阳离子分别向阳极和阴极移动。应用范围：苦咸水苦咸水淡化淡化海水海水淡化淡化制取制取饮用水饮用水工业废工业废水处理水处理36电渗析示意图电渗析示意图 + - na+ c a cl-浓室浓室浓室浓室淡室淡室37（一）电渗析（一）电渗析+你能找出这幅图你能找出这幅图中的错误吗？中的错误吗？38（二）反渗透（ro）反渗透膜：醋

19、酸纤维膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚丙烯腈膜反渗透膜：醋酸纤维膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚丙烯腈膜装置：管式、螺旋式、空心纤维式、板式装置：管式、螺旋式、空心纤维式、板式渗透：一种溶剂通过一种半透膜进入一种溶液或是从一种稀溶渗透：一种溶剂通过一种半透膜进入一种溶液或是从一种稀溶液向一种比较浓的溶液的自然渗透液向一种比较浓的溶液的自然渗透反渗透必备的条件反渗透必备的条件（二）反渗透（二）反渗透4344反渗透的应用1、海水淡化2、苦咸水淡化3、纯水和超纯水制备（膜法作为离子交换的预处理）4、城市给水5、城市污水处理及利用6、工业废水处理（如处理电镀漂洗水）45第四节第四节 水中有害微生物的去除水中有害微生物

20、的去除（三）消毒方法：（三）消毒方法：化学药剂（氧化剂等）物理法（热和光）机械法（格网、膜）辐射（射线、电子束）46（二）余氯及其分类（二）余氯及其分类 为了保证水中所有的病原菌都能确实为了保证水中所有的病原菌都能确实地受到氯的作用，水加氯接触一定时间后，地受到氯的作用，水加氯接触一定时间后，所投加的氯除与细菌和杂质作用消耗外，所投加的氯除与细菌和杂质作用消耗外，应该还有适量的氯留在水中以保证持续杀应该还有适量的氯留在水中以保证持续杀菌能力，这部分剩余的氯称为菌能力，这部分剩余的氯称为余氯余氯。自由性或游离性余氯自由性或游离性余氯（free available chlorine）：）：hocl、ocl化合性余氯或结合性余氯化合性余氯或结合性余氯（combined available chlorine）：）：反应向左进行反应向左进行nh3 + hocl nh2cl + h2o 47（三）加氯量（三）加氯量 加