第九章 污水物理化学处理法

水污染控制工程第9章污水的吸附法、离子交换法、萃取法和膜析法处理目录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、吸附原理吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附：吸附剂与吸附质之间通过分子间引力（即范德华力）产生吸附。化学吸附：吸附剂与吸附质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附。一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质、浓度和温度有关。表明被吸附物质的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。1.弗劳德利希（Freundlich)吸附等温式两边取对数：式中：y—吸附剂吸附的物质总量，mgm—投加的吸附剂量，mgρ—到达平衡时溶液中被吸附物的浓度，mg/LK、n—经验常数。N值在正常条件下大于1。2.朗格缪尔（Langmuir）吸附等温式两边同时被ρ除：式中：y—吸附剂吸附的物质总量，mgm—投加的吸附剂量，mgρ—到达平衡时溶液中被吸附物的浓度，mg/LK、K1—经验常数。二、影响吸附的因数吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。固体吸附剂的吸附能力可用吸附量来衡量。吸附速度指单位重量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。它决定接触时间及吸附设备的容积。吸附过程基本上可分为三个连续的阶段。第一阶段为吸附质扩散通过水膜而到达吸附剂表面(膜扩散)；第二阶段为吸附质在孔隙内扩散；第三阶段为吸附质在吸附剂内表面上发生吸附。通常吸附阶段反应速度非常快，总的过程速度由第一、二阶段速度所控制。在一般情况下，吸附过程开始时往往由膜扩散控制，而在吸附接近终了时，内扩散起决定作用。吸附剂结构的影响

比表面积孔结构大孔>100nm2nm<过渡孔<100nm

微孔<2nm

表面化学性质表面含氧官能团的性质－COOH、－OH等有助于对极性分子的吸附吸附质性质的影响对于一定的吸附剂，由于吸附质性质的差异，吸附效果也不一样。通常有机物在水中的溶解度随着链长的增长而减小，而活性炭的吸附容量却随着有机物在水中溶解度的减少而增加，也即吸附量随有机物分子量的增大而增加（不能过大）。如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸＜丁酸的次序而增加。活性炭处理废水时，对芳香族化合物的吸附效果较脂肪族化合物好，不饱和链有机物较饱和链有机物好，非极性或极性小的吸附质较极性强吸附质好。实际废水体系的吸附质往往不是单一的，它们之间可以互相促进、干扰或互不相干。操作条件的影响吸附是放热过程，低温有利于吸附，升温有利于解吸。溶液的pH值影响到溶质的存在状态(分子、离子、络合物），也影响到吸附剂表面的电荷特性和化学特性，进而影响到吸附效果。国内用太原8＃炭吸附Cd—CN络合物的试验结果如图所示。三、吸附剂活性炭：比表面积可达800—2000m2/g，有很高的吸附能力。一般可制成粉末状或颗粒状。粉末状活性炭吸附能力强，制备容易，价格降低，但再生困难，一般不能重复使用。颗粒状活性炭价格较贵，但可再生重复使用，并且使用时劳动条件较好，操作管理方便。活性炭的再生方法主要有：加热再生、化学再生。腐殖酸类吸附剂：天然的富含腐殖酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可直接使用或简单处理后使用。腐殖酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物，可吸附工业废水中许多金属离子，如汞、镉、镉、锌、铅、铜等。四、吸附工艺和设备吸附的操作方式分为间歇式和连续式。间歇式是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。连续式吸附可以采用固定床、移动床和流化床。五、吸附法在污水处理中的应用由于吸附法对废水的预处理要求高，吸附剂价格昂贵，因此在废水处理中，吸附法主要用于去除废水中的微量污染物，以达到深度净化的目的。例1：吸附法除汞工艺流程含汞废水排放反应池沉淀池Ca(OH)2FeSO4Na2S吸附池1吸附池2图17-2吸附法除汞流程（10-20m3/d)例2：炼油厂、印染厂废水的深度处理含油废水经隔油、气浮和生物处理后，再经砂滤和活性炭过滤深度处理。废水中含酚量从0.1（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。第二节离子交换法在废水处理中，离子交换主要用于去除废水中的金属离子。离子交换的实质是不溶性离子化合物（又称离子交换剂）上的可交换离子与溶液中的其它同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆性化学吸附。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：K是平衡常数。K大于1，且越大越有利于交换反应。K值得大小能定量的反映在离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。一、交换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（又称母体或骨架）和活性基团两个部分组成。生产离子交换剂的树脂母体最常见的是苯乙烯的聚合物，是线性结构的高分子有机化合物。在原料中常加入一定数量的二已烯苯做交联剂，使线性聚合物之间相互交联，成立体网状结构。树脂本身不是离子化合物，无离子交化能力，需经适当处理加活性基团，活性基团由固定离子和活动离子组成。固定离子固定在树脂网状骨架上，活动离子（或称交换离子）则依靠静电引力与固定离子结合在一起，二者电性相反电荷相等。离子交换树脂外形呈球状颗粒，按树脂类型和孔结构的不同分为：凝胶型、大孔型、多孔凝胶型、巨孔型（MR）和高巨孔型（超MR）树脂等。按活性基团的不同分为：含有酸性基团的（强酸性、弱酸性）阳离子交换树脂，含有碱性基团（强碱性、弱碱性）的阴离子交换树脂、含有胺酸基团等的螯合树脂，含有氧化还原基团的氧化还原树脂和两型树脂等。二、离子交换树脂的选用1.离子交换树脂的有效PH值范围：强酸、强碱性交换树脂的活性基团电离能力强，其交换能力基本上与PH值无关。弱酸性离子交换树脂在碱性溶液中才有较高的交换能力；若碱性离子则反之。2.交换容量：全交换容量与工作交换容量。单位：mol（可交换离子）/kg(干树脂或湿树脂）。树脂的全交换容量可由滴定法测定。3.交联度：交联度较高的树脂，孔隙度较低，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小，浸泡在水中则水化度较低，形变较小，也比较稳定，不易破裂。水处理中使用的交换树脂，交联度为7%-10%。4.交换势：对同一种交换树脂RH讲，交换反应的平衡常数K值随交换离子M+而异，K值越大，表明交换离子越容易取代树脂上的可交换离子，也表明交换离子与树脂的亲和力愈大，通常说这种离子的交换势很大；反之，K值愈小，通常说交换势很小。当含有多种离子的废水同离子交换树脂接触时，交换势大的离子必然最先同树脂上的离子进行交换。三、离子交换的工艺和设备离子交换装置，按照进行方式的不同，可分为固定床（单层床、双层床、混合床）和连续床（移动床、流动床）两大类。其中在废水处理中，单层固定床离子交换装置（图17-4）是最常用、最基本的一种型式。用于废水处理的离子交换系统一般包括：预处理设备（一般包括砂滤器，用于去除悬浮物，防止离子交换树脂受污染和交换床堵塞）、离子交换器和再生附属设备（如再生液配制设备）。离子交换的运行操作包括四个步骤：交换、反洗、再生、清洗。四、离子交换法在废水处理中的应用表17-2离子交换法在废水处理方面的某些应用废水种类有害离子树脂类型废水出路再生剂再生液出路电镀铬废水CrO42-大孔型阴离子交换树脂循环使用食盐或烧碱用氢型阳离子交换树脂除钠后回用于生产电镀废水Cr3+，Cu2+氢型强酸性阳离子交换树脂循环使用18%-20%硫酸蒸发浓缩后回用含汞废水Hg2+HgClx(x-2)-氯型强碱性大孔阴离子交换树脂中和后排放盐酸回收汞粘胶纤维废水Zn2+强酸性阳离子交换树脂中和后排放硫酸回用于生产氯苯酚废水氯苯酚弱碱性大孔型离子交换树脂排放2%NaOH甲醇回收酚或甲醇第四节膜析法膜析法是用薄膜（又称半透膜）以分离水溶液中某些物质的方法统称。目前有扩散渗析法（渗析法）、电渗析法、反渗透法和超滤法等。图17-15渗析现象清水盐水半透膜一、渗析法起渗析作用的薄膜，因对溶质的渗透性有选择作用，故叫半透膜。半透膜的渗析作用有三种类型：①依靠薄膜中“孔道”的大小分离大小不同的分子或离子；②依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子，例如阳离子交换树脂做成的薄膜可以透过阳离子，叫阳离子交换膜，用阴离子交换树脂