水处理原理与工艺课件物理化学处理法萃取膜分离

水处理原理与工艺课件物理化学处理法萃取膜分离1第1页，共75页，2023年，2月20日，星期一第一章水处理方法概论第二章物理处理法工艺原理第三章化学处理法工艺原理第四章物理化学处理法工艺原理第五章生物处理法工艺原理第六章污水的深度处理技术第七章工业循环冷却水的水质处理与控制2第2页，共75页，2023年，2月20日，星期一第四章

物理化学处理法工艺原理3第3页，共75页，2023年，2月20日，星期一1、混凝物化处理法应用的场合很多，多用在废水的深度处理中，在自来水的常规处理工艺以及工业给水的处理工艺中，也常见到物化的处理技术。2、离子交换3、吸附4、萃取5、膜分离4第4页，共75页，2023年，2月20日，星期一

水处理中，萃取法目前仅适用于为数不多的几种有机废水和个别重金属废水的处理，如含酚废水、含铜废水等。但萃取在医药、化工等行业作为一种传质分离手段应用广泛，利用溶质在两种不互溶的液相间分配性质的差异实现液体混合物分离。4、萃取

向水中加入不溶于水的溶剂（萃取剂），与水充分接触，使水中的溶质转溶于萃取剂中，直到溶质在两个液相中达到平衡，然后静置，靠重力差把萃取剂与水分离，萃取剂再生后重复使用，废水得到净化并回收了有用物质。5第5页，共75页，2023年，2月20日，星期一

萃取法的步骤：步骤把萃取剂加入废水，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剂中把萃取剂和废水分离开了，废水就得到了处理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取过程才算在技术上已经成立；其次，就是经济上的考虑6第6页，共75页，2023年，2月20日，星期一1、萃取剂

在萃取操作过程中，选择合适的萃取剂，对萃取效率和经济效果均有较大影响，选取萃取剂时，可以从以下几个方面考虑：（1）萃取能力大：即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解度要低。

萃取法的关键是选择适宜的萃取剂和萃取设备。

分配系数表征萃取剂的溶解性能：7第7页，共75页，2023年，2月20日，星期一（2）分离性能好：萃取过程中不乳化、不随水流失，容易同废水分离，要求萃取剂粘度小，与废水的密度差大，表面张力适中。（3）化学稳定性好：难燃爆、毒性小、腐蚀性低、闪点高、凝固点低、蒸汽压小，便于室温下贮存和使用。（4）来源广，价格便宜（5）容易再生和回收溶质：将萃取相分离，可同时回收溶剂和溶质，具有重大的经济意义。萃取剂的再生方法有两种：物理蒸馏和化学药剂法。8第8页，共75页，2023年，2月20日，星期一混合：把萃取剂与废水进行充分接触，使溶质从废水中转移到萃取剂中去；分离：使萃取相与萃余相分层分离；；回收：从两相中回收萃取剂和溶质。根据萃取剂与废水接触方式不同，萃取作业可以分为间歇式和连续式两种；根据二者接触次数的不同，萃取流程可分为单级萃取、多级错流萃取、多级逆流萃取。2、萃取工艺9第9页，共75页，2023年，2月20日，星期一

萃取剂与废水经一次充分混合接触，达到平衡后即进行分相。单级萃取流程的操作是间歇的，在一个设备装置中即可完成，主要用于实验室和生产规模不大的萃取过程。单级萃取过程

10第10页，共75页，2023年，2月20日，星期一原料液A+B萃取剂S混合器澄清器萃取相E回收溶剂S萃取液E′萃余液Ｒ′萃余相Ｒ回收溶剂S溶剂回收塔溶剂回收塔11第11页，共75页，2023年，2月20日，星期一静置分层振荡萃取萃取过程

12第12页，共75页，2023年，2月20日，星期一

将多次萃取操作串联起来，实现废水与萃取剂的逆流操作。在萃取过程中废水和萃取剂分别由第一级和最后一级加入，萃取相和萃余相逆向流动，逐级接触传质，最终萃取相由进水端排出，萃余相从萃取剂加入端排出。这一过程可在混合沉降器中进行，也可在各种塔式设备中进行。该流程体现了逆流萃取传质推动力大、分离程度高、萃取剂用量少的特点。“多级多效萃取”多级逆流萃取过程

13第13页，共75页，2023年，2月20日，星期一14第14页，共75页，2023年，2月20日，星期一

由单级萃取设备所得的萃余相中通常含有较多的欲分离的溶质，为进一步萃取溶质，可将多个单级萃取设备串联起来，并在各级中均加入新鲜溶剂，组成多级错流萃取流程。在多级错流萃取流程中，由于在各级均加入新溶剂，萃取的传递推动力大，因而萃取效果较好，但是溶剂耗用量大，混合萃取液中含有大量溶剂，溶质浓度低，溶剂回收费用高。多级错流萃取过程

15第15页，共75页，2023年，2月20日，星期一16第16页，共75页，2023年，2月20日，星期一料液在第一级进行萃取后得萃余相R1继续在第二级用新鲜溶剂萃取，一直到第N级得萃余相RN的浓度符合要求为止。17第17页，共75页，2023年，2月20日，星期一分类罐式(萃取器)塔式(萃取塔)离心机式(离心萃取机)3、萃取设备18第18页，共75页，2023年，2月20日，星期一1）筛板萃取塔19第19页，共75页，2023年，2月20日，星期一20第20页，共75页，2023年，2月20日，星期一2）脉动筛板萃取塔21第21页，共75页，2023年，2月20日，星期一22第22页，共75页，2023年，2月20日，星期一3）转盘萃取塔对于两液相界面张力较大的物系，为改善塔内的传质状况，需要从外界输入机械能来增大传质面积和传热系数。23第23页，共75页，2023年，2月20日，星期一4）填料萃取塔常用的填料由拉西环和弧鞍等，材料由陶瓷、塑料和金属等。24第24页，共75页，2023年，2月20日，星期一离心式萃取设备

离心萃取机结构紧凑，处理能力大，能有效地强化萃取过程，特别使用于其他萃取设备难以处理的物系。能处理两相密度差小的体系，缺点是结构复杂，造价高，能耗大，使其应用受到限制。25第25页，共75页，2023年，2月20日，星期一萃取法处理废水的一般流程

4、萃取法的应用26第26页，共75页，2023年，2月20日，星期一1）萃取法处理含酚废水27第27页，共75页，2023年，2月20日，星期一2）萃取法处理含重金属废水

某铜矿矿石场废水中含铜0.3~1.5g/L，含铁4.5~5.4g/L，含砷10~300mg/L，pH＝0.1~3。该废水用N-510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H2SO4进行反萃取，再生后重复使用。28第28页，共75页，2023年，2月20日，星期一（1）给水处理领域中，膜分离方法大规模应用于海水淡化、苦咸水淡化、纯水生产，在城市生活饮用水净化方面也有应用。（2）废水处理领域中，在城市污水处理与利用以及各种工业废水处理与回收利用方面正逐步得到推广和应用。5、膜分离

膜分离法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法总称。以具有选择透过功能的薄膜为分离介质，通过在膜两侧施加一种或多种推动力，使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离和产物提取、浓缩、纯化的目的。29第29页，共75页，2023年，2月20日，星期一以压力差为推动力：微滤、超滤、纳滤、反渗透等以浓度差为推动力；渗析、乳化液膜以电位差为推动力：电渗析等以分压差为推动力；渗透蒸发膜分离过程的推动力有浓度差、压力差和电位差等。

膜分离方法的分类5.1膜分离方法概述30第30页，共75页，2023年，2月20日，星期一膜分离方法的特点1）膜分离过程中，不发生相变，能量转化效率高；2）一般不需要投加其他物质，不改变分离物质的性质，并节省原材料和化学药品；3）膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，可回收有价值的物质；4）常温下操作，不会破坏对热敏感和对热不稳定的物质；5）适应性强，易于实现自动化控制，运行稳定。31第31页，共75页，2023年，2月20日，星期一

膜分离的表征参数（1）渗透性：渗透通量或渗透速率，表示单位时间通过单位膜面积的渗透物的通量，可以用体积通量来表示，m3/(m2.s)，反映了膜的效率（生产能力）。32第32页，共75页，2023年，2月20日，星期一（2）选择性：指在混合物的分离过程中膜将各组分分离开来的能力，对于不同的膜分离过程和分离对象，其选择性可用不同的方法来表示。对于溶液脱盐或脱除微粒、高分子物质等情况，可用截留率来表示。

β＝（CF-CP)/CF

式中CF、CP膜过滤原水和出水中物质的浓度。33第33页，共75页，2023年，2月20日，星期一

膜组件

由膜、固定膜的支撑材料、间隔物或外壳等组装成的一个单元称为膜组件。膜组件的结构与型式取决于膜的形状，工业上应用的膜组件主要有中空纤维式、管式、螺旋卷式、板框式等型式。34第34页，共75页，2023年，2月20日，星期一35第35页，共75页，2023年，2月20日，星期一36第36页，共75页，2023年，2月20日，星期一在浓度差的推动下，利用离子交换膜实现溶质从浓度高的一侧透过膜扩散到浓度低的另一侧，称为扩散渗析。

膜分离过程中，一般把原料中的溶质透过膜的现象渗析；溶剂透过膜的现象称为渗透。5.2电渗析37第37页，共75页，2023年，2月20日，星期一38第38页，共75页，2023年，2月20日，星期一

电渗析是在渗析法的基础上发展起来的，是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。

电渗析的原理39第39页，共75页，2023年，2月20日，星期一（1）离解：废水中的电解质在电场作用下离解；（2）离子的迁移：产生的阴、阳离子分别向电场的正负极移动，由于离子交换膜的选择透过性，使得一些小室离子浓度降低成为淡室，相邻的成为浓室；（3）电极反应：电极与膜之间的极室中的离子与电极反应，阳极发生氧化反应、阴极发生还原反应。40第40页，共75页，2023年，2月20日，星期一

电渗析的应用（1）电渗析法最先用于海水淡化制取饮用水和工业用水，海水浓缩制取食盐，以及其他单元组合制取高纯水，目前已经成为一种新的分离单元操作广泛应用于冶金、化工、纺织、造纸、电镀等行业；（2）废水处理中，主要用于从废水中分离污染物离子，或者从废水中提取酸和碱。41第41页，共75页，2023年，2月20日，星期一2）从含金属离子的废水中分离和浓缩重金属离子，然后对浓缩液进一步处理或回收利用3）从放射性废水中分离放射性元素，将其浓缩4）从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠5）从酸洗废液中制取硫酸及沉积重金属离子6）处理电镀废水和废液等1）处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木质素废水处理中的应用42第42页，共75页，2023年，2月20日，星期一阳极反应式：阴极反应式：43第43页，共75页，2023年，2月20日，星期一44第44页，共75页，2023年，2月20日，星期一电渗析设备45第45页，共75页，2023年，2月20日，星期一

反渗透法(RO)是以压力为驱动力的膜法分离技术。渗透和反渗透5.3反渗透46第46页，共75页，2023年，2月20日，星期一如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透（图a）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。

反渗透的原理47第47页，共75页，2023年，2月20日，星期一

随着水的渗透，高浓度水溶液（盐水）一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。

48第48页，共75页，2023年，2月20日，星期一

如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图c）。49第49页，共75页，2023年，2月20日，星期一

反渗透是利用反渗透膜选择性的只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服溶液的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程。

因此，进行RO有两个必要条件：一是膜对透过组分具有高选择性吸附、溶解能力和高透过能力；二是料液侧压力必须足够高，以能克服膜两侧的渗透压差和透过膜的阻力。50第50页，共75页，2023年，2月20日，星期一

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，其数学表达式为：

式中，R为理想气体常数，c为溶质的浓度，T为绝对温度，i为范特霍夫系数，表示溶质的离解状态，当完全解离时，i等于阴、阳离子的总数；对非电解质，则i＝1。51第51页，共75页，2023年，2月20日，星期一

反渗透膜的种类很多，通常以制取膜材料和膜的形式来命名，目前研究和应用较多的是醋酸纤维素膜(CA膜)和芳香族聚酰胺膜。

反渗透膜>900.643.5％NaCl，1032.5kPa芳香聚酰膜>920.443.5％NaCl，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>900.81％NaCl，5066.3kPaCA2.5膜脱盐率/%透水性测试条件品种

几种反渗透膜的性能52第52页，共75页，2023年，2月20日，星期一53第53页，共75页，2023年，2月20日，星期一装置板框式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的两侧，构成一个渗透元件管式把渗透膜装在耐压微孔承压管的内侧或外侧，制成管状膜的元件螺旋卷式在两层反渗透膜中间夹一层多孔的柔性格网，再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上，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中空纤维式在两层反渗透膜的原料空心纺丝而成中空纤维管

反渗透装置54第54页，共75页，2023年，2月20日，星期一55第55页，共75页，2023年，2月20日，星期一

主要应用领域有：海水淡化、苦咸水净化、工业废水处理与有用物质的回收等。反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为2～100MPa。用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶质分子。

反渗透的应用56第56页，共75页，2023年，2月20日，星期一在废水处理中的应用反渗透法处理酸性尾矿水纸浆及造纸废水处理丝绸染整厂废水处理57第57页，共75页，2023年，2月20日，星期一

纳滤(NF)是介于反渗透与超滤之间的一种压力驱动型膜分离技术，适用于分离相对分子质量为数百的有机小分子，并对离子有选择截留性，一价离子可以大量地渗过纳滤膜（但并非无阻挡），而对多价离子具有很高的截留率。纳滤对离子的渗透性主要取决于离子的价态。由于部分无机盐能透过纳滤膜，因此纳滤膜的渗透压远比反渗透膜低，相应地其操作压力比反渗透操作压力低，通常在0.5~1.0MPa之间。（低压反渗透）5.4纳滤58第58页，共75页，2023年，2月20日，星期一

超滤是与反渗透法极相似的一种膜分离技术。常温下，以压力差为驱动力，迫使水和低分子量溶质透过膜，而截留水中胶体大小的颗粒，从而达到废水净化或浓缩的目的。超滤和反渗透的主要区别在于所需操作压力不同。因为超滤膜的孔径比较大(2~10nm)，只能阻滞大分子物质和胶体物质(1nm~0.05μm)，如蛋白质、多糖、颜料等，所以超滤所需压力低(0.3~1.0MPa)；微滤的分离范围在0.05~10μm，操作压力0.1~0.3MPa，主要用于去除水中胶体和悬浮微粒，如细菌、油类等。就分离范围而言，超滤和微滤填补了反渗透、纳滤与普通过滤之间的空隙。5.5超滤与微滤59第59页，共75页，2023年，2月20日，星期一

超滤和微滤对大分子物质、胶体和悬浮微粒等的去除机理：（1）膜面的机械截留作用（筛分）；（2）膜面及微孔内的吸附（一次吸附）；（3）在膜孔中滞留而被去除（阻塞）。一般认为以筛分作用为主。60第60页，共75页，2023年，2月20日，星期一

超滤和微滤近年发展迅速，是所有膜过程中应用最广泛的，以超滤和微滤膜为核心的膜集成技术的主要应用领域包括城市污水回用、饮用水净化、家用净水器、反渗透的预处理、工业废水处理与有用物质回收等。

如处理纸浆废水、颜料和颜色废水、含油废水、放射性废水的处理及食品工业废水中蛋白质、淀粉等的回收都十分有效。超滤与微滤的应用61第61页，共75页，2023年，2月20日，星期一超滤设备62第62页，共75页，2023年，2月20日，星期一5.6小结（反渗透、纳滤与超滤、微滤）1原理比较微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)都是以压差为推动力使溶剂(水)通过膜的分离过程，使一部分溶剂透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到混合物分离的目的。四个过程的差别在于被分离粒子或分子的大小和所采用膜的性能。它们组成了可以分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程.63第63页，共75页，2023年，2月20日，星期一64第64页，共75页，2023年，2月20日，星期一2膜及膜组件比较

MF膜材料最早使用的是醋酸纤维素，现在聚砜、聚烯烃系列已得到大量使用，氧化铝、二氧化钛等无机材料膜也已得到应用，多数为对称膜，也有非对称膜。

UF膜材料目前以聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈为主，多为非对称膜。

RO膜材料以前多使用醋酸纤维素（CA），现在聚酰胺系列复合膜已成为RO膜的主流，但CA膜耐氯、廉价，且可方便制得中空纤维非对称膜，因此仍被广泛使用，而聚酰胺不耐氯，且复合膜只能制成平膜，做成卷式组件。

NF膜大多是界面聚合制得的聚酰胺复合膜，在这些膜上含有带负电的羧基及酰氨基。65第65页，共75页，2023年，2月20日，星期一3浓差极化与膜污染（1）浓差极化：由于膜的选择透过性，溶质大部分被膜截留，积累在膜高压侧表面，造成膜表面到主体溶液间的浓度梯度，促使溶质从膜表面和边界层向主体溶液扩散，但经过一段时间后会达到定态。此时，溶质以对流方式流向膜表面的通量等于溶质通过膜的通量加上从膜表面扩散回主体的通量。66第66页，共75页，2023年，2月20日，星期一浓差极化是压力推动型膜分离过程中重要的现象，它对膜过程产生以下不利影响：由于浓差极化使膜表面处溶液浓度升高，使溶液的渗透压增大，当操作压差一定时，过程的有效推动力下降，导致渗透通量下降，因此为了保持一定的渗透通量，必须提高操作压力；随着渗透通量的增加，浓差极化比急剧增加，溶质的截留率将降低，也就是说，浓差极化的存在对渗透通量的增加提出了限制；膜表面处溶液浓度高于溶解度时，在膜表面上将形成沉淀，使透过膜的阻力增加，此时增加操作压力不仅不能提高渗透通量，反而会加速沉淀的增厚，使透水率进一步下降。为了避免出现结晶沉淀，料液主体浓度不能高于一定值。67第67页，共75页，2023年，2月20日，星期一（2）膜的污染：所有压力推动的膜过程，在实际应用中最大的问题就是膜污染，它会使膜通量在短时间内迅速下降，甚至使膜过程无法继续进行，在污水处理中膜污染往往极为严重，对UF、MF过程的影响尤其大，因为它们截留的组分多为胶体及大分子有机物，非常容易沉积及吸附于膜孔和膜面上，使膜的分离能力很快下降。所谓膜污染即被处理料液中的某些组分吸附、沉积到膜面上，或进入膜孔中，甚至将膜孔堵死，使膜的渗透阻力大大增加。浓差极化会加剧膜污染，膜材料的亲、疏水性及膜的结构对污染作用也有很大影响。68第68页，共75页，2023年，2月20日，星期一如在反渗透运行中，膜污染是经常发生的故障之一。如污染轻，对膜性能和操作没有很大影响，但如污染严重，不仅使膜性能降低，而且对膜的使用寿命产生极大的影响。引起膜污染的原因大致可分为三类：原水中的亲水性悬浮物，在水透过膜时，被膜吸附。包括浮游性悬浮的和有机胶体(如蛋白质、糖质、脂肪类等)。对这类污染物最好预处理掉；原水中本来处于非饱和状态的溶质，在水透过膜后浓度提高变成过饱和状态，在膜上析出。这类污染物主要是一些无机盐类，如碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐、硫酸盐等；

浓差极化使溶质在膜面上析出。69第69页，共75页，2023年，2月20日，星期一膜污染的防治：通过料液预处理和膜的清洗来脱除污染物；料液侧流动的促进湍流，以减少边界层厚度，强化传质；降低膜通量。

这些方法既增加操作费用又增加设备的投资费，因此在考虑膜污染的控制方案时，必须注意经济上的可行性，同时要根据应用的条件来采用可行的措施。70第70页，共75页，2023年，2月20日，星期一污染膜的清洗：包括物理法和化学法

物理清洗法：用淡水冲洗膜面，也可以用预处理后的原水代替淡水，或者用空气与淡水混合液来冲洗。在3kg/cm2下冲洗膜面30分钟，可以清除膜面上的污垢。对管式膜组件，可用直径稍大于管径的聚氨酯海绵球冲刷膜面，能有效去除沉积在膜面上的柔软的有机性污垢；

化学清洗法：化学清洗法是采用一定的化学清洗剂，如硝酸、磷酸、柠檬酸、柠檬酸铵加盐酸、氢氧化钠、酶洗涤剂等在一定压力下一次冲洗或循环冲洗膜面。化学清洗的酸度、碱度和冲洗温度不可太高，防止对膜的损害。当清洗剂浓度较高时，冲洗时间短，浓度较低时，相应冲洗时间延长。

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