环境工程中级职称考试复习资料废水预处理物理化学法

1、环境工程中级职称考试复习资料废水预处理物理化学法（1）了解离子交换法：离子交换反应原理、离子交换剂的种类和性质离子交换树脂的原理离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。按交换基团性质的不同，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。阳离子交换树脂大都含有磺酸基（SO3H）、羧基（COOH）或苯酚基（C6H4OH）等酸性基团，其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂，其结构式可简单表示为RSO3H，式中R代表树脂母体，其交换原理为 2RSO3HCa2

2、+（RSO3）2Ca2H+ 这也是硬水软化的原理。 阴离子交换树脂含有季胺基-N（CH3）3OH、胺基（NH2）或亚胺基（NH2）等碱性基团。它们在水中能生成OH-离子，可与各种阴离子起交换作用，其交换原理为 RN（CH3）3OHCl- RN（CH3）3ClOH- 由于离子交换作用是可逆的，因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱进行洗涤，可恢复到原状态而重复使用，这一过程称为再生。阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗；阴离子交换树脂可用氢氧化钠等溶液处理，进行再生。 离子交换树脂的用途很广，主要用于分离和提纯。例如用于硬水软化和制取去离子水、回收工业废水中的金属、分离稀有金属和

3、贵金属、分离和提纯抗生素等。离子交换树脂的基本类型() 强酸性阳离子树脂这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如SO3，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸附的阳离子，再与H+结合而恢复原来的组成。() 弱酸性阳离子树脂这类树

4、脂含弱酸性基团，如羧基COOH，能在水中离解出H+ 而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，如R-COO(R为碳氢基团)，能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH514)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。（3） 强碱性阴离子树脂这类树脂含有强碱性基团，如季胺基(亦称四级胺基)NR3OH(R为碳氢基团)，能在水中离解出OH而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱(如

5、NaOH)进行再生。() 弱碱性阴离子树脂这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(亦称一级胺基)-NH2、仲胺基(二级胺基)-NHR、或叔胺基(三级胺基)-NR2，它们在水中能离解出OH而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如pH19)下工作。它可用Na2CO3、NH4OH进行再生。() 离子树脂的转型以上是树脂的四种基本类型。在实际使用上，常将这些树脂转变为其他离子型式运行，以适应各种需要。例如常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂再使用。工作时钠型树脂放出Na+与溶

6、液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附，除去这些离子。反应时没有放出H+，可避免溶液pH下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和设备腐蚀等)。这种树脂以钠型运行使用后，可用盐水再生(不用强酸)。又如阴离子树脂可转变为氯型再使用，工作时放出Cl而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。氯型树脂也可转变为碳酸氢型(HCO3)运行。强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然有这些树脂的其他典型性能，如离解性强和工作的pH范围宽广等。离子交换树脂的构造和特性（2）熟悉膜分离技术：电渗析、反渗透、超滤A、电渗析原理渗析是指溶液中溶质通过半透膜的现象。自然渗析的推

7、动力是半透膜两侧溶质的浓度差。在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现象称为电渗析。离子交换膜是由高分子材料制成的对离子具有选择透过性的薄膜。主要分阳离子交换膜（CM，简称阳膜）和阴离子交换膜（AM，简称阴膜）两种。阳膜由于膜体固定基带有负电荷离子，可选择透过阳离子；阴膜由于膜体固定基带有正电荷离子，可选择透过阴离子。阳膜透过阳离子，阴膜透过阴离子的性能称为膜的选择透过性。电渗析过程最基本的工作单元称为膜对。一个膜对构成一个脱盐室和一个浓缩室。一台实用电渗析器由数百个膜对组成。图3.2-1简明地示出电渗析器工作原理。电渗析器的主要部件为阴、阳离子交换膜，隔板与电极三部分。隔板构成的隔室

8、为液流经过的通道。淡水经过的隔室为脱盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。若把阴、阳离子交换膜与浓、淡水隔板交替排列，重复叠加，再加上一对端电极，就构成了一台实用电渗析器。若电渗析器各系统进液都为NaCl溶液，在通电情况下，淡水隔室中的Na+向阴极方向迁移，Cl向阳极方向迁移，Na+与Cl就分别透过CM与AM迁移到相邻的隔室中去。这样淡水隔室中的NaCl溶液浓度便逐渐降低。相邻隔室，即浓水隔室中的NaCl溶液浓度相应逐渐升高，从电渗析器中就能源源不断地流出淡化液与浓缩液。淡水水路系统、浓水水路系统与极水水路系统的液流由水泵供给，互不相混，并通过特殊设计的布、集水机构使其在电渗析内部均匀分布，稳定流动。

9、从供电网供给的交流电，经整流器变为直流电，由电极引入电渗析器。经过在电极溶液界面上的电化学反应，完成由电子导电转化为离子导电的过程。用夹紧板紧固在一起的膜堆部分称为电渗析器。电渗析要进行工作，必须有水泵、整流器等辅助设备，还必须有进水预处理设施。通常把电渗析器及辅助设备总称为电渗析装置。就过程基本原理而言，电渗析技术至少有以下四方面的用途。（1）从电解质溶液中分离出部分离子，使电解质溶液的浓度降低。如海水、苦咸水淡化制取饮用水与工业用水；工业用初级纯水的制备；废水处理等。特别苦咸水淡化是目前电渗析技术最成熟、应用最广泛的领域。（2）把溶液中部分电解质离子转移到另一溶液系统中去，并使其浓度增高。

10、海水浓缩制盐是这方面成功应用的典型例子。又如化工产品的精制、工业废液中有用成分的回收等也属于这方面的应用。（3）从有机溶液中去除电解质离子。目前主要用于食品和医药工业。在乳清脱盐、糖类脱盐和氨基酸精制中应用得比较成功。（4）电解质溶液中同电性具有不同电荷的离子的分离和同电性同电荷离子的分离。使用只允许一价离子透过的离子交换膜浓缩海水制盐，是前者工业化应用的实例；后者因无实用的膜，处于开发研究阶段，如卤水中锂的分离已研究多年。B、反渗透原理反渗透又称逆渗透，一种以 HYPERLINK /view/1114031.htm t _blank 压力差为推动力，从 HYPERLINK /view/579

11、05.htm t _blank 溶液中分离出溶剂的 HYPERLINK /view/911237.htm t _blank 膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时， HYPERLINK /view/62561.htm t _blank 溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，在高压侧得到 HYPERLINK /view/177605.htm t _blank 卤水。反渗透装置（简称 RO装置）在除盐系统中属关键设备，装置利用膜分离技术除去水中大部份离子、SiO2等

12、，大幅降低 TDS、减轻后续除盐设备的运行负荷。RO 是将原水中的一部分沿与膜垂直的方向通过膜，水中的盐类和胶体物质将在膜表面浓缩，剩余一部分原水沿与膜平行的方向将浓缩的物质带走，在运行过程中自清洗。膜元件的水通量越大，回收率越高则其膜表面浓缩的程度越高，由于浓缩作用，膜表面处的物质溶度高于主体水流中物质浓度，产生所谓的浓差极化现象。浓差极化会使膜表面盐的浓度高，增大膜的渗透压，引起盐透过率增大，为提高给水的压力而需要多消耗能量，因此在运行过程中必须采用合适的措施（例如增大浓水侧水的湍流度）减少浓差极化的程度。RO膜进水水质标准进水压力0.2MPa进水温度540进水pH=49总溶解性固体TDS

13、1000mg/L余氯0.05mg/LSDI5总铁Fe0.1mg/LCOD1.5mg/LTOC2mg/LNTU0.5mg/L影响反渗透性能的因素进水水质的影响a、色度、浊度和胶体有机物：悬浮物和胶体物质非常容易堵塞RO膜，使透水率很快下降，脱盐率降低;b、氧化剂：氧化剂会使复合膜性能恶化，水中含游离氯时，通常用活性炭吸附或加注还原剂，使游离氯还原到指标值以下;c、PH值：控制PH值的目的主要是防止(CaCO3)析出后形成水垢;d、铁、锰、铝等重金属氧化物：其含量高时，在膜表面易形成氢氧化物胶体，产生沉积现象;e、细菌、微生物：细菌繁殖会污染膜并恶化水质;f、硫酸根(SO42-)，二氧化硅(SiO

14、2)：水中含有多量硫酸根时，易产生硫酸钙沉淀，含有多量SiO2时，也易产生沉淀，为防止沉淀，当浓水CaSO4溶度积1910-5时,可加注六偏磷酸钠,尽量避免浓水中SiO2含量超过100mg/L。运行因素的影响a、压力渗透液通量随作用压力成线型增加，而渗透液的含盐量随作用压力而减少。b、温度若其他参数保持固定只增加温度，渗透液通量及盐通过量都随之增加，但渗透液通量变化更为明显(见图3)，一般来说，温度每提高1，透水量增加1-3%，而一般膜的额定通量是在25时给出的,下表8标示了不同温度下产水量修正系数。实际产水量=额定产水量(25时)/修正系数。C、超滤原理超滤是采用中空纤维过滤新技术，配合三级

15、预处理过滤清除自来水中杂质；超滤微孔小于0.01微米，能彻底滤除水中的细菌、铁锈、胶体等有害物质，保留水中原有的微量元素和矿物质。超滤是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜， 而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到了部分的纯化。 HYPERLINK /view/1194270.htm t _blank 超滤原理也是一种膜分离过程原理，超滤利用一种压力活性膜，在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质，而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。通过膜表面的微孔筛选可 HYPERLINK /view/2196446.htm t _blank 截留分子量为3000010000的物质。当被处理水借助于外界压力的作用以一定的流速通过膜表面时，水分子和分子量小于300500的溶质透过膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于筛分作用被截留，从而