第八章离子交换

第八章离子交换第1页，共139页，2023年，2月20日，星期三硬度的危害长期饮用高硬度的水，会造成胆结石等疾病锅炉用水中含有硬度盐类，会在受热表面形成水垢，轻则降低锅炉效率，重则会引起爆炸第2页，共139页，2023年，2月20日，星期三硬度的单位硬度的单位为meq/L10mgCaO/L为1度（德国）mgCaCO3/L（美国，日本）1meq/L＝2.8德国度＝50mgCaCO3/L法定计量单位为物质的量浓度mol/L第3页，共139页，2023年，2月20日，星期三水的软化处理药剂软化法基于溶度积的原理，加入某些药剂，把水中钙镁离子转变成难溶解化合物使之沉淀析出离子交换法利用某些离子交换剂所具有的阳离子与水中钙镁离子进行交换反应电渗析利用离子交换膜的选择透过性，在外加直流电场作用下，通过离子的迁移达到软化的目的第4页，共139页，2023年，2月20日，星期三石灰软化熟石灰提供了OH－离子将水中的HCO3－离子转化成CO32－，使之与Ca2＋形成沉淀析出石灰软化不能降低水的非碳酸盐硬度，不过其可以去除水中部分铁和硅的化合物过量投加石灰反而会增加水的硬度一般用于原水中碳酸盐硬度较高且要求深度处理的情况，作为钠离子交换法的预处理第5页，共139页，2023年，2月20日，星期三石灰苏打软化同时投加石灰和苏打，石灰用于降低水的碳酸盐硬度，苏打用于降低水的非碳酸盐硬度。软化水的剩余硬度可以降低到0.15~0.2mol/L适应于硬度大于碱度的水第6页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换法概述8.1.1离子交换剂8.1.2离子交换速度8.1.3树脂层的离子交换过程8.1.4水的离子交换软化8.1.5水的离子交换除盐8.1.6离子交换法在废水处理中的应用

第7页，共139页，2023年，2月20日，星期三概述在给水处理中，离子交换是软化、除盐的主要方法之一；废水处理中，常用于去除金属离子。离子交换的实质是不溶性离子化合物（离子交换剂）上的可交换离子与溶液中其它同样离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆的化学吸附。反应式可表达为：RH+M+RM+H+（11-1）

第8页，共139页，2023年，2月20日，星期三概述平衡时，有：（11-2）K——平衡常数。K越大，越有利于交换反应。K值能定量地表示离子交换选择性的大小，故亦称为选择性系数。第9页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换剂水处理中常用的离子交换剂为磺化煤和离子交换树指，废水处理中主要用树指。磺化煤：煤研磨后经浓硫酸处理而得的碳质离子交换剂。离子交换树脂：有凝胶型、大孔型和等孔型等。根据交换基团（活性基团）的不同，可分为强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性四种。前两种有酸性交换基团，为阳离子型交换树脂；后两种带碱性交换基团，为阴离子交换树脂。

第10页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换剂一、离子交换树脂的结构二、树脂的类型三、离子交换树指的性能指标四、废水水质对离子交换的影响

第11页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换树脂的结构离子交换树脂是人工合成的高分子化合物(小球状、多孔结构)，由树脂本体(母体、骨架)和交换基团两大部分组成。母体：由高分子化合物与交联剂经聚合反应而成。树脂中交联剂的重量在树脂重量中所占的百分数称为交联度。交换基团：树脂母体并不具有离子交换性能，只能在母体上引入交换基团才成为离子化合物，具有离子交换能力。第12页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换树脂的结构常用的交换基团有：经磺化反应引入的-SO3H（阳离子）；经氯甲基化及胺化引入的≡NOH（强碱性阴离子）、≡NHOH（叔胺型）、=NH2OH（仲胺型）和—NH3OH（伯胺型）等。交换基团分为固定离子和活动离子第13页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换树脂的结构固定离子：与母体牢固结合，固定在树脂的网状骨架上，不能自由移动。活动离子：依靠静电引力与固定离子结合，遇水可离解，并能在一定范围内自由移动，与水中其它同性离子进行交换反应，为可交换离子。例：—SO3H中，—SO3固定，H+移动；≡NHOH中，≡NH固定，OH-移动故：酸性树脂以RH表示；碱性树脂以ROH表示

第14页，共139页，2023年，2月20日，星期三树脂的类型按树脂类型和孔结构不同，分为凝胶型、大孔型、多孔型、巨孔型等。按活性基团不同：阳离子(酸性基团)：强酸型(-SO3H)；弱酸性(-COOH)阴离子(碱性基团)：强碱性(≡NOH)；弱碱性(≡NHOH，=NH2OH，—NH3OH)螯合树指（羟胺基团）氧化还原树指：两性树指等。

第15页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换树脂的性能指标1、密度

2、含水率3、酸、碱性4、选择性

5、交换容量6、交联度7、树脂的再生

第16页，共139页，2023年，2月20日，星期三密度（1）湿真密度：树脂在水中经充分膨胀后的颗粒密度

（11-3）一般在1.04~1.3之间

第17页，共139页，2023年，2月20日，星期三密度（2）湿视密度：树脂在水中充分膨胀后的堆积密度

（11-4）一般在0.6~0.85之间，常用来计算树脂的用量

第18页，共139页，2023年，2月20日，星期三含水率在水中充分膨胀后的湿树脂所含溶胀水的重量与湿树脂重量的百分比

（11-5）一般为50%第19页，共139页，2023年，2月20日，星期三酸、碱性离子交换树脂具有一般酸、碱的反应性能，在水中离解出H+或OH-。根据离解能力的大小，树脂的酸、碱性有强、弱之分。pH影响活性基团的电离能力，强酸强碱性受其影响小，弱酸碱性则受pH影响大。树脂类型强酸强碱弱酸弱碱有效pH范围1~141~125~140~7

第20页，共139页，2023年，2月20日，星期三选择性离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为离子交换选择性。选择性表示了交换离子取代树脂上可交换离子的难易程度，与树脂间结合力的大小，离子交换的先后顺序和交换量。交换离子与树脂的亲和力的大小称为交换势。交换势越大，表明选择性越高。

第21页，共139页，2023年，2月20日，星期三选择性关于不同离子交换势的大小，有多种理论解释，影响因素较多，一般有如下规律：①离子的交换势，与自身化学性质，树脂化学性有关，并受温度和浓度影响较大。下面介绍的规律适用于常温和低浓度溶液中。②离子所带电荷愈多，交换势愈大。Th4+>Al3+>Ca2+>Na+PO43->SO42->Cl-第22页，共139页，2023年，2月20日，星期三选择性③电荷相同时，大致是原子序数愈高或水合半径愈小，交换势愈大，副族元素正好相反。Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+≈NH3+>Na+>Li+NO3->Cl->HCO3->HSiO3-第23页，共139页，2023年，2月20日，星期三选择性④H+和OH-的交换选择性与树脂的酸、碱性关系很大，如：强酸性阳树脂Fe3+>Al3+>Ca2+>…>Na+>H+>Li+弱酸性阳树脂H+>Fe3+>…强碱性阴树脂SO42->NO3->Cl->OH->F->HCO3->HSiO3-弱碱性阴树脂OH->SO42->…第24页，共139页，2023年，2月20日，星期三选择性⑤离子量高的有机离子和金属络合离子交换势特别大。⑥大孔型树脂具有很强的吸附性，可以吸附非离型杂质。上述规律适用于稀溶液，当离子浓度很高时则可使交换次序发生改变，再生时即如此。

第25页，共139页，2023年，2月20日，星期三交换容量是树脂最重要的性能指标，定量表示树指交换能力的大小。表示方法：①重量表示法：单位重量干树脂的交换能力，毫克当量/克(干树脂)②体积表示法：单位重量湿树脂的交换能力，毫克当量/毫升(湿树脂)

第26页，共139页，2023年，2月20日，星期三交换容量两种表示方法之间具有如下关系：

（11-6）式中：Ev—单位体积湿树脂的交换能力（毫克当量/毫升湿树脂）Ew—单位重量干树脂的交换能力（毫克当量/克干树脂）

第27页，共139页，2023年，2月20日，星期三交换容量树脂的交换容量有几种，常用两种：（1）全（总）交换容量：指单位重量（干）或单位体积（湿）树脂的交换基团总数，用滴定法测定。（2）工作交换容量：指树脂在动态工作状态下的交换容量，即树脂在给定工作条件下的实际交换能力，一般为总交换容量的60~70％。影响因素包括再生程度、废水的离子种类、浓度、树脂层高度、水流速度、交换终点指标等。

第28页，共139页，2023年，2月20日，星期三交联度树脂中交联剂重量占树脂总重量的百分数，影响树脂的许多性能。交联度高，孔隙率低，密度大，离子扩散速率较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较小，溶胀率小，稳定，不易破碎。水处理中使用的离子交换树指，交联度一般7~10％。

第29页，共139页，2023年，2月20日，星期三树脂的再生交换后的树脂在强酸或强碱中浸泡可恢复交换能力，称为树脂的再生。

第30页，共139页，2023年，2月20日，星期三水质对离子交换的影响1、悬浮物、油脂：堵塞树指孔隙，包裹树脂颗粒，影响交换容量。预处理：沉淀、过滤、除油等。2、有机物：某些高分子有机物与固定离子结合力很强，使树脂难以再生，降低了交换容量。减少有机污染，选用低交联度树脂，预处理，特殊的再生操作(加氧化剂等)。

第31页，共139页，2023年，2月20日，星期三水质对离子交换的影响3、高价金属离子：Fe3+、Al3+、Cr3+，与固定离子结合力强，优先交换。难以再生、洗脱(中毒)，降低工作容量。高浓度酸（10~15％HCl或20％H2SO4）长时间浸泡。4、氧化剂：如Cl2、O2、H2Cr2O7等，会使树脂氧化分解，强碱性树脂容易被氧化，使交换基团变成非碱性物质，完全丧失交换能力；氧化作用影响母体，使树脂加速老化。选用交联度大的树指，加入适当的还原剂等。

第32页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换速度一、交换过程二、影响交换速度的因素

第33页，共139页，2023年，2月20日，星期三交换过程1、水中Na+离子扩散至树脂表面水膜（膜扩散）2、Na+经水膜至某一交换基团位置（内扩散）3、Na+与H+交换4、交换下的H+经孔隙向树脂表面扩散（内扩散）5、H+经水膜向水中扩散（膜扩散）其中第三步速度快，其余步骤速度慢，离子交换速度指全过程的速度。

第34页，共139页，2023年，2月20日，星期三影响交换速度的因素1、交联度2、水中的离子浓度3、水的流速4、树脂颗粒大小5、水温

第35页，共139页，2023年，2月20日，星期三树脂层的离子交换过程在离子交换柱中装填钠型树脂，从上而下通以含有一定浓度钙离子的硬水，逐层取出样品并测定其吸着的钙离子含量以及饱和程度。图中，黑点表示钙型树脂，白点表示钠型树脂，1段表示树脂已全部被钙离子饱和，2段表示正在进行离子交换反应的部分，其饱和程度顺着流向逐渐减小，3段表示树脂尚未进行交换的区段。如把整个树脂层各点饱和程度连成曲线，即得图所表示的饱和程度曲线。

第36页，共139页，2023年，2月20日，星期三树脂层的离子交换过程实验证明，树脂层离子交换过程可分为两个阶段（见图）。交换带是指在某一时刻正在进行交换反应的软化工作层。这个软化工作层并非在一段时间内固定不动的，而是随着时间的推移而缓慢地推移。交换带厚度可以理解为处于动态的软化工作层的厚度。

第37页，共139页，2023年，2月20日，星期三树脂层的离子交换过程当交换带下端到达树脂层底部，硬度也就开始泄漏。此时，整个树脂层可分为两个部分：树脂交换容量得到充分利用的部分称为饱和层，树脂交换容量只是部分利用的部分称为保护层。可见，交换带厚度相当于此时的保护层厚度，在水的离子交换软化的情况下，交换带厚度主要与进水流速及进水总硬度有关。

第38页，共139页，2023年，2月20日，星期三第39页，共139页，2023年，2月20日，星期三第40页，共139页，2023年，2月20日，星期三水的离子交换软化水的离子交换软化是指利用离子交换去除水中的硬度离子（Ca、Mg），主要利用阳离子交换树脂的交换特性。一、阳离子交换树脂的交换特性二、离子交换软化系统三、离子交换软化装置

第41页，共139页，2023年，2月20日，星期三阳离子交换树脂的交换特性1、钠型树脂的交换特性2、强酸性H型树脂的交换特性3、弱酸性H型树脂的交换特性

第42页，共139页，2023年，2月20日，星期三钠型树脂的交换特性2RNa+Ca(HCO3)2R2Ca+2NaHCO3(11-7)2RNa+Mg(HCO3)2R2Mg+2NaHCO3(11-8)2RNa+CaSO4R2Ca+Na2SO4(11-9)2RNa+MgCl2R2Mg+2NaCl(11-10)水的硬度可分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。从上述反应方程式可以看出，利用钠型树脂可去除水中的硬度，但不能去除碱度。第43页，共139页，2023年，2月20日，星期三强酸性H型树脂的交换特性2RH+Ca(HCO3)2R2Ca+2CO2+2H2O(11-11)2RH+CaSO4R2Ca+H2SO4(11-12)2RH+CaCl2R2Ca+2HCl(11-13)RH+NaClRNa+HCl(11-14)

从上述反应方程式可知，利用强酸性H型树脂不仅可去除水中的硬度，还可去除碱度。第44页，共139页，2023年，2月20日，星期三弱酸性H型树脂的交换特性弱酸性H型树脂常用的有丙烯酸型，交换基团是-COOH，交换时只能去除碳酸盐硬度，而不能去除非碳酸盐硬度。

第45页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换软化系统1、Na离子交换软化系统2、离子交换脱碱软化系统

第46页，共139页，2023年，2月20日，星期三Na离子交换软化系统Na离子交换软化系统只去除硬度，不能去除碱度。常用的有单级Na离子交换软化系统和多级Na离子交换软化系统（见图11-1-3，11-1-4）。

第47页，共139页，2023年，2月20日，星期三第48页，共139页，2023年，2月20日，星期三第49页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换脱碱软化系统在锅炉给水中，有时需同时去除硬度和碱度。降低碱度最简单的方法是加酸。在Na离子交换的出水中加酸可以去除碱度，但加酸的结果使水中溶解性固型物增加。因此，为达到去除硬度，降低碱度又不增加水中溶解性固体的目的，常采用H-Na离子交换法来处理。（1）H-Na并联离子交换系统（见图）（2）H-Na串联离子交换系统（见图）

第50页，共139页，2023年，2月20日，星期三第51页，共139页，2023年，2月20日，星期三第52页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换软化装置离子交换装置，按照运行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类：单层床固定床双层床混合床离子交换装置移动床连续床流动床

第53页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换软化装置

单层固定床离子交换装置是最常用、最基本的形式。离子交换树脂（或磺化煤）装填在离子交换器内。在操作过程中，树脂不往外输送，所以称为固定床。移动床、流动床都是与固定床相对而言的，并在固定床基础上发展起来的。1、固定床离子交换设备2、连续床离子交换设备

第54页，共139页，2023年，2月20日，星期三固定床离子交换设备

固定床离子交换装置根据原水与再生液的流动方向，可分为两种形式：原水与再生液分别从上而下以同一方向流经离子交换器的，成为顺流再生固定床；原水与再生液流向相反的，成为逆流再生固定床。后一种目前得到广泛应用。图给出了固定床逆流再生离子交换器的构造。第55页，共139页，2023年，2月20日，星期三固定床离子交换设备（1）逆流再生固定床离子交换装置的构造圆形压力钢罐，一般承压4~6Kg/cm2树脂层：1.5~2.0m，上部有足够空间保证反冲洗时树脂层膨胀用；上部：进水系统(反洗水出口)，距树脂层40~80％层高下部：排水系统(出水、清洗、反洗进口)多孔板、滤布层第56页，共139页，2023年，2月20日，星期三固定床离子交换设备固定床操作过程：四个步骤（交换、反洗、再生、清洗），交换过程就是软化过程，而反洗、再生、清洗属于再生工序。

逆流再生有两种操作方式：一是采用再生液向上流、水向下流的方式，应用比较成功的有气顶压法、水顶压法等；一是采用再生液向下流，水流向上的方式，应用较为成功的有浮动床法。

第57页，共139页，2023年，2月20日，星期三固定床离子交换设备（2）固定床软化设备的设计计算物料衡算：

（11-15）式中：F—离子交换器截面积，m2；h—树脂层高，m；q—树脂工作交换容量，mmol/L；Q—软化水水量，m3/h；T—软化工作时间，即从软化开始到出现硬度泄漏的时间，h；C0—原水硬度，mmol/LC—出水硬度，mmol/L第58页，共139页，2023年，2月20日，星期三固定床离子交换设备图表示阳离子交换器软化水剩余硬度与出水量的关系曲线。出水量到达b点时，硬度开始泄漏，b点称为硬度泄漏点。如交换反应继续进行，则软化水剩余硬度很快上升，直至接近原水硬度。此时，交换器的交换能力几乎全部耗尽。图中面积abedca表示在给定条件下交换器总的交换能力，面积abdca为交换器的工作交换能力。后者除以树脂体积即等于树脂工作交换容量。

第59页，共139页，2023年，2月20日，星期三第60页，共139页，2023年，2月20日，星期三第61页，共139页，2023年，2月20日，星期三连续床离子交换设备固定床的基本缺陷：①树脂不能边失效，边再生，造成交换器内树指积压，利用率低，交换器容积利用不充分；②树脂层中树脂交换能力使用不匀，上层饱和程度高，下层低。连续式的特点:树脂不固定在交换器内，而是处于连续循环运动中，交换与再生长则在不同塔内进行。树脂的用量比固定床减少1/3~1/2，设备单位容积的产水量还可提高。连续式离子交换至分移动床和流动床两种。

第62页，共139页，2023年，2月20日，星期三水的离子交换除盐一、阴离子交换树脂的工作特性二、离子交换除盐系统

第63页，共139页，2023年，2月20日，星期三阴离子交换树脂的交换特性1、强碱性阴树脂的工作特性2、弱碱性阴树脂的工作特性

第64页，共139页，2023年，2月20日，星期三强碱性阴树脂的工作特性强碱性阴树脂（ROH）可以和经H离子交换的出水中各种阴离子进行交换，发生如下反应：ROH+H2SO4RHSO4+H2O(11-16)2ROH+H2SO4RSO4+2H2O(11-17)ROH+HClRCl+H2O(11-18)ROH+H2CO3RHCO3+H2O(11-19)

第65页，共139页，2023年，2月20日，星期三弱碱性阴树脂的工作特性弱碱性阴树脂只能与水中的强酸阴离子起反应，而不能吸附水中的弱酸阴离子。不仅如此，即使是强酸阴离子，也只有以酸的形式存在时，才能被弱碱性阴树脂所交换，发生如下反应：R-NH3OH+HClR-NH3Cl+H2O(11-20)2R-NH3OH+H2SO4(R-NH3)2SO4+2H2O(11-21)根据交换离子的选择性，对弱碱性而言，OH-的交换势最大，故用弱碱性树脂交换阴离子，应严格控制水的pH值，应小于9。

第66页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换除盐系统离子交换除盐系统是由H型阳离子和OH型阴离子交换装置串联而成；也可将两种树脂混装于同一交换装置中；或分层填放在同一交换装置中，均能达到除盐的目的。1、复床除盐系统2、混合床除盐

第67页，共139页，2023年，2月20日，星期三复床除盐系统复床是指阳、印离子交换器串联使用，常用的复床除盐系统有下述两种。（1）强酸-脱气-强碱系统（如图11-1-9所示）（2）强酸-脱气-弱碱-强碱系统（见图11-1-10）第68页，共139页，2023年，2月20日，星期三第69页，共139页，2023年，2月20日，星期三第70页，共139页，2023年，2月20日，星期三混合床除盐阴、阳离子交换树脂装填在同一个交换器内，再生时使之分层再生，使用时先将其均匀混合，这种阴、阳离子交换树脂混合一起的离子交换装置成为混合床。由于混合床内阴、阳树脂紧密交替接触，好像有许多阳床和阴床串联在一起，构成无数微型复床，反复进行多次脱盐，因而出水纯度很高。

第71页，共139页，2023年，2月20日，星期三混合床除盐混合床的缺点是再生时阴、阳树脂难以彻底分层，另外对有机物污染很敏感。因此，为了防止有机物污染对阴树脂的影响，在水进入混合床之前应进行必要的预处理。除了上述介绍的两种离子交换除盐系统外，还有氢精处理器、双层床离子交换装置等。

第72页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换法在废水处理中的应用主要去除对象：铜、镍、镉、铬、锌、汞、金、银、铂、磷酸、硝酸、氨、有机物、放射性物质等。下面以离子交换法处理含铬废水为例说明其在废水处理中的应用。

第73页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换法在废水处理中的应用双阴柱全酸性全饱和流程处理含铬废水1、目的：实现铬的回收及漂洗水的循环回用2、处理流程（见图11-1-11）含铬电镀废水：主要含有CrO42-和Cr2O72-，少量Cr3+以及其它离子第74页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换法在废水处理中的应用废水先经阳柱，除去阳离子(Fe3+、Cr3+、Ca2+、Mg2+等)，并使废水的pH下降至5以下，此时铬大部分以Cr2O72-的形式存在。然后废水进入阴柱Ⅰ，根据交换选择性Cr2O72->CrO42->SO42->Cl-，随着交换的进行，阴柱Ⅰ中顺序出现Cl-、SO42-、CrO42-的泄漏，为了保证阴柱Ⅰ全部为Cr2O72-饱和，在阴柱Ⅰ后面接另一阴柱Ⅱ。当柱Ⅰ全部为铬饱和时柱Ⅰ开始再生，可获得纯度较高的铬酸。此流程称为双阴柱全酸性全饱和流程，出水纯度较高。第75页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换法在废水处理中的应用阳柱采用HCl或H2SO4再生。阴柱采用NaOH再生(只再生Cr6+饱和的柱，根据出水水质的要求)为了回收H2Cr2O7，可将再生阴树脂获得的再生洗脱液，经H型阳柱：4RH+2Na2CrO4→4RNa+H2Cr2O7+H2O（11-22）

第76页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换法在废水处理中的应用3、树脂的选择含铬废水pH<6，含强氧化剂H2CrO4和H2Cr2O7，应选择具有较高抗氧化能力和高机械强度的阳、阴树脂。阳柱——强酸型H树脂。阴柱——弱碱型树脂，抗氧化能力较强(强碱型容量大，但易被氧化分解)。

第77页，共139页，2023年，2月20日，星期三离子交换法在废水处理中的应用4、预处理和防腐柱——钢制，不能用橡胶衬里。管道、阀门——硬聚氯乙烯。泵——耐酸泵。二、离子交换法在废水处理中的某些应用（见表11-1）

第78页，共139页，2023年，2月20日，星期三第79页，共139页，2023年，2月20日，星期三第80页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附8.2.1吸附及其类型8.2.2吸附等温线8.2.3吸附速度8.2.4影响吸附的因素8.2.5常用吸附剂8.2.6吸附操作方式与设计8.2.7吸附剂的再生8.2.8吸附在水处理中的应用

第81页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附及其类型一、吸附的定义二、吸附的原因三、吸附的种类四、吸附的特征

第82页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附的定义在相界面上，物质的浓度自动发生积累和浓集的现象称为吸附，它可以发生在不同的相界面上。废水处理中，主要利用固体物质对液相中污染物质的吸附作用。吸附法(工艺)：利用多孔性的固体物质，使废水中一种或多种污染物吸附于固体表面而得到去除。吸附剂──具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质──(废水中)被吸附的物质。

第83页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附的原因由表面张力与表面能的变化引起，具体可参见《物理化学》中表面化学部分。

第84页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附的种类根据吸附力不同可分为：物理吸附：分子间力(范德华引力)吸附化学吸附：化学键力交换吸附：静电引力吸附的实质：表面现象，减小界面能的一种方式物质吸附于固体表面之后，减小表面张力，使界面上的分子受力趋于均衡，故是自动发生的。

第85页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附的特征1、物理吸附①吸附时表面能降低、放热；②可在低温下进行∵不需要活化能③选择性不强，吸引力随分子量增大而增大，可以吸附多种吸附质；④易于解吸(吸附的逆过程)∵分子的热运动；⑤可形成单层或多层吸附。

第86页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附的特征2、化学吸附①吸附热大，需在高温下进行；②具有选择性；③化学键力大时，吸附不可逆；④只能形成单分子吸附层。

第87页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附的特征3、交换吸附吸附质的离子由于静电引力聚集到吸附剂表面带电点，同时吸附剂也放出等当量离子。离子带电荷多，吸附强；电荷相同，水化半径小，吸附力强。三种吸附作用往往相伴发生，水处理中的吸附大部分是综合作用的结果。

第88页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附等温线由于吸附是一种表面化学过程，因此研究吸附可从两方面进行：化学平衡和化学反应速度。吸附等温线实际上表达了吸附达到动态平衡时的平衡浓度表达式。一、吸附平衡二、吸附剂的吸附量三、吸附等温线

第89页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附平衡吸附速度=解吸速度如果吸附是可逆的，存在吸附和解吸两个过程。当吸附质在吸附剂表面达到动态平衡时，吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面的浓度都不再改变，此时溶液中的吸附质浓度称为平衡浓度。

第90页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附剂的吸附量吸附剂吸附能力的大小用吸附量表示：单位重量的吸附剂吸附的吸附质的重量。吸附量q（g/g）按下式计算：

（11-23）式中：V——水的体积，L；C0——原水中吸附质浓度，g/L；C——平衡水中的残余吸附质浓度，g/L；M——活性炭投加量，g

第91页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附等温线温度一定的条件下，V、C0一定时，改变投炭量，吸附的平衡浓度和吸附量均发生相应改变。其规律如图所示。在双对数坐标上可得一近似直线（如图）。表示吸附等温线的方程为等温吸附式，常用两种1、Freundlich等温吸附公式2、Langmuir等温吸附公式

第92页，共139页，2023年，2月20日，星期三Freundlich等温吸附公式根据图11-2-2可知：

（11-24）（11-25）式中：K，n——常数Freundlich等温吸附公式是一个经验公式

第93页，共139页，2023年，2月20日，星期三Langmuir等温吸附公式根据分子运动学说，通过一些假设而推导的单分子层吸附公式如下：

(11-26)式中：a，b—常数

线性化：(11-27)如图所示

第94页，共139页，2023年，2月20日，星期三第95页，共139页，2023年，2月20日，星期三第96页，共139页，2023年，2月20日，星期三第97页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附速度吸附速度：单位时间内单位重量的吸附剂所吸附的物质的量。水中多孔吸附剂对吸附质的吸附过程分三个阶段：①颗粒外部扩散(膜扩散)阶段──吸附质通过液膜②内部扩散阶段──吸附质向细孔深处扩散③吸附反应阶段──吸附质被吸附于细孔表面上第三阶段一般进行很快，故吸附受前两阶段扩散速度控制。

第98页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附速度外部扩散：与膜两边浓度和膜表面积(即吸附剂外表面积)成正比，与溶液搅动程度有关。增加溶液与吸附剂的相对速度，可使液膜变薄，提高外扩速度。内部扩散：比较复杂，与微孔大小、构造、吸附质颗粒大小、吸附剂颗粒大小有关。吸附剂颗粒小，对提高吸附速度有利。

第99页，共139页，2023年，2月20日，星期三影响吸附的因素一、吸附剂的性质二、吸附质的性质三、pH值四、温度

五、接触时间六、生物协同作用

第100页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附剂的性质1、孔的大小活性炭是以含炭物质经高温炭化和活化而成，活化时造成内部孔隙十分发达。一般孔径<40埃为微孔，40~100埃为过渡孔，>100埃为大孔。活性炭的吸附量主要由微孔支配，因微孔的表面积占总表面积的95%以上。

第101页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附剂的性质2、比表面积活性炭的比表面积一般500~1700m2/g。炭的粒径越小，或微孔越发达，则比表面积越大，吸附量就越大。3、炭的表面化学性质活化时能使炭的表面产生微弱极性，有利于产生离子交换吸附或络合反应，提高处理效果。要求吸附容量大，速度快，机械强度好。

第102页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附质的性质能使液体表面张力降低越多的吸附质，越易被吸附；吸附质浓度的影响可由吸附等温线看出。吸附质的溶解度、表面自由能、分子大小和不饱和程度、极性等均对吸附有影响。

第103页，共139页，2023年，2月20日，星期三pH值溶液的pH值影响溶质在水中的存在状态(分子、离子、络合物)和溶解度，也影响炭的表面电荷特性，活性炭在酸性溶液中吸附性能好，pH>9时不易吸附。第104页，共139页，2023年，2月20日，星期三温度吸附是放热反应，因此温度升高，吸附量减少。

第105页，共139页，2023年，2月20日，星期三接触时间受吸附速度影响，应结合技术和经济两方面考虑。吸附时应保证一定的接触时间，以使吸附接近平衡。接触时间为：

（11-28）式中：W——炭层容积，m3；Q——流量，m3/h；h——炭层高度，m；v——空塔过滤速度，m/h

第106页，共139页，2023年，2月20日，星期三生物协同作用活性炭使用一定时间后，其表面会繁殖微生物，参与对有机物的去除。目前，有人利用生物活性炭处理低浓度有机废水，取得了较好的效果。有利──参与有机物的分解、去除。不利──增加水头损失，产生厌氧状态。

第107页，共139页，2023年，2月20日，星期三常用吸附剂广义上，一切固体表面都具有吸附作用。实际上，只有多孔物质和尺度很小的物质因为有巨大的表面积，才有明显的吸附能力。废水中处理中常用的吸附剂：活性炭，磺化煤、活化煤、沸石、活性粘土、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等，以活性炭应用最广。

第108页，共139页，2023年，2月20日，星期三常用吸附剂活性炭：用含炭为主的原料(木材、煤)，经高温炭化和活化而制成的疏水性吸附剂，外观黑色、有粉状和粒状、棒状等。活性炭晶格间有许多不同形状和大小的细孔，吸附作用主要发生的细孔表面，比表面积500～1700m2/g。吸附量与比表面积、细孔构造和分布、表面化学性质有关。

第109页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附操作方式与设计一、操作方式二、设计

第110页，共139页，2023年，2月20日，星期三操作方式废水进行吸附前，应先经预处理去除悬浮物、油类等杂质，避免堵塞吸附剂的孔隙。吸附操作分为静态与动态操作方式。静态为间歇式，很少用(小流量，间歇排放)；动态操作为连续式，有固定床、移动床和流动床三种。

第111页，共139页，2023年，2月20日，星期三操作方式1、固定床水连续进入和流出，经床层吸附杂质可得到清洁的出水。为充分发挥炭床的最大吸附作用，常采用多塔串联运行。2、移动床水由下部进入上部排出，底层饱和的炭定期由下部排出，经再生的炭由塔顶补充，可节省占地面积。3、流动床（流化床）利用进水动力使炭粒之间发生相对运动，呈流化态悬浮，利于炭水的充分接触。

第112页，共139页，2023年，2月20日，星期三设计1、设计步骤（1）根据静态吸附试验得出不同炭的吸附的等温线，从而选择炭型，并按式11-23计算用炭量；（2）由动态吸附柱试验确定设计参数——炭柱形式、串联级数、炭的使用周期、通水倍数(m3水/Kg炭)、最佳空塔速度；接触时间、炭柱容量、用炭量、再生设备容量；每米炭层水头损失、反冲洗频率、强度等。

第113页，共139页，2023年，2月20日，星期三设计2、动态吸附柱的工作过程与计算动态吸附过程可用穿透曲线（图）来表示。以出水吸附质浓度为纵坐标，出水量(或出流时间)为横坐标作图，可得到穿透曲线。

第114页，共139页，2023年，2月20日，星期三设计当废水进入炭柱后，首先由炭层上部发生吸附作用。随着废水的进入，吸附区逐渐下移，当出水中吸附质浓度达到出水要求时，吸附达到终点，此时应对炭柱进行再生。图中炭层上部为饱和区，发生吸附的为吸附带，下部为未吸附区。当出水浓度达到允许的浓度Ca时对应的点为穿透点a；出水浓度达到进水浓度的90~95%时表明吸附能力耗竭，对应的点为吸附终点b。从a到b这段时间Δt内，吸附带所移动的距离为吸附带的长度δ。

第115页，共139页，2023年，2月20日，星期三设计吸附容量的通水倍数：单位重量的炭可处理的水量。若采用单柱吸附，则处理水量为Va，通水倍数为Va/M；若采用多柱串联，则每柱可处理水量增加到Vb，通水倍数为增加为Vb/M。到达吸附终点时，去除的溶质总量相当于穿透曲线与过C0点的水平线之间的面积，可用图解积分求出：

（11-29）第116页，共139页，2023年，2月20日，星期三设计若为多柱串联，则串联级数为：

（11-30）（11-31）第117页，共139页，2023年，2月20日，星期三第118页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附剂的再生在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，将吸附质从吸附剂表面去除，以便恢复吸附剂的吸附能力的过程称为吸附剂的再生。再生方法有加热再生法、蒸汽法、溶剂法、臭氧氧化法和生物法等。

第119页，共139页，2023年，2月20日，星期三吸附在水处理中的应用给水处理：过滤之后，去除微量有害物质的臭味，脱氯废水处理：深度处理，微量污染物。去除难以生物降解或化学氧化的少量有害物质，去色、杀虫剂，洗涤剂及金属离子。与其它水处理技术联合使用：①臭氧—活性炭—饮用水去除有机物，印染废水脱色②投炭活性污泥法(PACT)③生物活性炭法第120页，共139页，2023年，2月20日，星期三膜分离法概述8.3.1扩散渗析法8.3.2电渗析

8.3.3反渗透8.3.4超滤

第121页，共139页，2023年，2月20日，星期三概述凡是使溶液中一种或几种成分不能透过，而其它成分能透过的膜都叫着半透膜。膜分离法就是用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使溶液中的某种溶质或溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的。半透膜最大的特点是选择透过性。

第122页，共139页，2023年，2月20日，星期三概述根据采用的膜的种类不同和分离的推动力不同，膜分离法可区别如下：

分离过程推动力膜用途扩散渗析浓度差渗析膜分离溶质，回收酸、碱等电渗析电位差离子交换膜分离离子，用于回收酸、碱，苦咸水淡化反渗透压力差反渗透膜分离小分子溶质，用于海水淡化、去除无机离子或有机物超滤压力差超过滤膜截留分子量大于500的大分子，去除粘土、植物质、油漆、微生物等第123页，共139页，