【環(huán)境課件】第9章污水的吸附法、離子交換法、萃取法和膜析法處理

水污染控制工程水污染控制工程第第9章章 污水的吸附法、離子交換法、污水的吸附法、離子交換法、萃取法和膜析法處理萃取法和膜析法處理內(nèi)蒙古科技大學(xué)環(huán)境工程教研室內(nèi)蒙古科技大學(xué)環(huán)境工程教研室 目錄w第一節(jié) 吸附法w第二節(jié) 離子交換法w第三節(jié) 萃取法w第四節(jié) 膜析法第一節(jié) 吸附法一、吸附原理w吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。w物理吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間通過分子間引力（即范德華力）產(chǎn)生吸附。w化學(xué)吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間產(chǎn)生化學(xué)作用，生成化學(xué)鍵引起吸附。w一定的吸附劑所吸附物質(zhì)的數(shù)量與此物質(zhì)的性質(zhì)、濃度和溫度有關(guān)。表明被吸附物質(zhì)的量與濃度之間的關(guān)系式稱為吸附等溫式。w1.弗勞德利希（Freundlich)吸附等溫式n1Kmylogn1logK)my(log兩邊取對(duì)數(shù)：式中：y吸附劑吸附的物質(zhì)總量，mgm投加的吸附劑量，mg到達(dá)平衡時(shí)溶液中被吸附物的濃度，mg/LK、n經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。 N值在正常條件下大于1。w2.朗格繆爾（Langmuir）吸附等溫式1K1KmyKKK1my1兩邊同時(shí)被除：式中：y吸附劑吸附的物質(zhì)總量，mgm投加的吸附劑量，mg到達(dá)平衡時(shí)溶液中被吸附物的濃度，mg/LK、K1經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。二、影響吸附的因數(shù)w吸附能力和吸附速度是衡量吸附過程的主要指標(biāo)。固體吸附劑的吸附能力可用吸附量來衡量。吸附速度指單位重量吸附劑在單位時(shí)間內(nèi)所吸附的物質(zhì)量。它決定接觸時(shí)間及吸附設(shè)備的容積。u 吸附過程基本上可分為三個(gè)連續(xù)的階段。第一階段為吸附質(zhì)擴(kuò)散通過水膜而到達(dá)吸附劑表面(膜擴(kuò)散)；第二階段為吸附質(zhì)在孔隙內(nèi)擴(kuò)散；第三階段為吸附質(zhì)在吸附劑內(nèi)表面上發(fā)生吸附。通常吸附階段反應(yīng)速度非?？欤偟倪^程速度由第一、二階段速度所控制。在一般情況下，吸附過程開始時(shí)往往由膜擴(kuò)散控制，而在吸附接近終了時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散起決定作用。 u吸附劑結(jié)構(gòu)的影響 比表面積 孔結(jié)構(gòu) 大孔 100 nm 2nm過渡孔100nm 微孔2nm 表面化學(xué)性質(zhì) 表面含氧官能團(tuán)的性質(zhì) COOH、OH等 有助于對(duì)極性分子的吸附u吸附質(zhì)性質(zhì)的影響 對(duì)于一定的吸附劑，由于吸附質(zhì)性質(zhì)的差異，吸附效果也不一樣。通常有機(jī)物在水中的溶解度隨著鏈長的增長而減小，而活性炭的吸附容量卻隨著有機(jī)物在水中溶解度的減少而增加，也即吸附量隨有機(jī)物分子量的增大而增加（不能過大）。如活性炭對(duì)有機(jī)酸的吸附量按甲酸乙酸丙酸丁酸的次序而增加。 活性炭處理廢水時(shí)，對(duì)芳香族化合物的吸附效果較脂肪族化合物好，不飽和鏈有機(jī)物較飽和鏈有機(jī)物好，非極性或極性小的吸附質(zhì)較極性強(qiáng)吸附質(zhì)好。實(shí)際廢水體系的吸附質(zhì)往往不是單一的，它們之間可以互相促進(jìn)、干擾或互不相干。 u操作條件的影響 吸附是放熱過程，低溫有利于吸附，升溫有利于解吸。溶液的pH值影響到溶質(zhì)的存在狀態(tài)(分子、離子、絡(luò)合物），也影響到吸附劑表面的電荷特性和化學(xué)特性，進(jìn)而影響到吸附效果。國內(nèi)用太原8炭吸附CdCN絡(luò)合物的試驗(yàn)結(jié)果如圖所示。三、吸附劑w活性炭：比表面積可達(dá)8002000m2/g，有很高的吸附能力。一般可制成粉末狀或顆粒狀。粉末狀活性炭吸附能力強(qiáng)，制備容易，價(jià)格降低，但再生困難，一般不能重復(fù)使用。顆粒狀活性炭價(jià)格較貴，但可再生重復(fù)使用，并且使用時(shí)勞動(dòng)條件較好，操作管理方便。活性炭的再生方法主要有：加熱再生、化學(xué)再生。w腐殖酸類吸附劑：天然的富含腐殖酸的風(fēng)化煤、泥煤、褐煤等，它們可直接使用或簡單處理后使用。腐殖酸是一組芳香結(jié)構(gòu)的，性質(zhì)與酸性物質(zhì)相似的復(fù)雜混合物，可吸附工業(yè)廢水中許多金屬離子，如汞、鎘、鎘、鋅、鉛、銅等。四、吸附工藝和設(shè)備w吸附的操作方式分為間歇式和連續(xù)式。w間歇式是將廢水和吸附劑放在吸附池內(nèi)進(jìn)行攪拌30min左右，然后靜置沉淀，排除澄清液。w連續(xù)式吸附可以采用固定床、移動(dòng)床和流化床。五、吸附法在污水處理中的應(yīng)用w由于吸附法對(duì)廢水的預(yù)處理要求高，吸附劑價(jià)格昂貴，因此在廢水處理中，吸附法主要用于去除廢水吸附法主要用于去除廢水中的微量污染物中的微量污染物，以達(dá)到深度凈化的目的。w例1：吸附法除汞工藝流程含汞廢水排放反應(yīng)池沉淀池Ca(OH)2FeSO4Na2S吸附池1吸附池2圖17-2 吸附法除汞流程（10 -20m3/d)w例2：煉油廠、印染廠廢水的深度處理 含油廢水經(jīng)隔油、氣浮和生物處理后，再經(jīng)砂濾和活性炭過濾深度處理。廢水中含酚量從0.1（生物處理后）降至0.005mg/L，氰從0.19mg/L降至0.048mg/L，COD從85mg/L降至18mg/L。第二節(jié) 離子交換法w在廢水處理中，離子交換主要用于去除廢水中的金屬離子。離子交換的實(shí)質(zhì)是不溶性離子化合物（又稱離子交換劑）上的可交換離子與溶液中的其它同性離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過程，通常是可逆性化學(xué)吸附。HRMMRH在平衡狀態(tài)下，樹脂中及溶液中的反應(yīng)物濃度符合下列關(guān)系式：KMRHHRMK是平衡常數(shù)。K大于1，且越大越有利于交換反應(yīng)。K值得大小能定量的反映在離子交換劑對(duì)某兩個(gè)固定離子交換選擇性的大小。一、交換樹脂w離子交換樹脂是人工合成的高分子聚合物，由樹脂本體樹脂本體（又稱母體或骨架）和活性基團(tuán)活性基團(tuán)兩個(gè)部分組成。生產(chǎn)離子交換劑的樹脂母體最常見的是苯乙烯的聚合物，是線性結(jié)構(gòu)的高分子有機(jī)化合物。在原料中常加入一定數(shù)量的二已烯苯做交聯(lián)劑，使線性聚合物之間相互交聯(lián)，成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。樹脂本身不是離子化合物，無離子交化能力，需經(jīng)適當(dāng)處理加活性基團(tuán)，活性基團(tuán)由固定離子和活動(dòng)離子組成。固定離子固定在樹脂網(wǎng)狀骨架上，活動(dòng)離子（或稱交換離子）則依靠靜電引力與固定離子結(jié)合在一起，二者電性相反電荷相等。w離子交換樹脂外形呈球狀顆粒，按樹脂類型和孔結(jié)構(gòu)的不同分為：凝膠型、大孔型、多孔凝膠型、巨孔型（MR）和高巨孔型（超MR）樹脂等。按活性基團(tuán)的不同分為：含有酸性基團(tuán)的（強(qiáng)酸性、弱酸性）陽離子交換樹脂，含有堿性基團(tuán)（強(qiáng)堿性、弱堿性）的陰離子交換樹脂、含有胺酸基團(tuán)等的螯合樹脂，含有氧化還原基團(tuán)的氧化還原樹脂和兩型樹脂等。二、 離子交換樹脂的選用w1.離子交換樹脂的有效PH值范圍：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性交換樹脂的活性基團(tuán)電離能力強(qiáng)，其交換能力基本上與PH值無關(guān)。弱酸性離子交換樹脂在堿性溶液中才有較高的交換能力；若堿性離子則反之。w2.交換容量：全交換容量與工作交換容量。單位：mol（可交換離子）/kg(干樹脂或濕樹脂）。樹脂的全交換容量可由滴定法測定。w3.交聯(lián)度：交聯(lián)度較高的樹脂，孔隙度較低，密度較大，離子擴(kuò)散速度較低，對(duì)半徑較大的離子和水合離子的交換量較小，浸泡在水中則水化度較低，形變較小，也比較穩(wěn)定，不易破裂。水處理中使用的交換樹脂，交聯(lián)度為7%-10%。w4.交換勢(shì)：對(duì)同一種交換樹脂RH講，交換反應(yīng)的平衡常數(shù)K值隨交換離子M+而異，K值越大，表明交換離子越容易取代樹脂上的可交換離子，也表明交換離子與樹脂的親和力愈大，通常說這種離子的交換勢(shì)很大；反之，K值愈小，通常說交換勢(shì)很小。當(dāng)含有多種離子的廢水同離子交換樹脂接觸時(shí)，交換勢(shì)大的離子必然最先同樹脂上的離子進(jìn)行交換。三、離子交換的工藝和設(shè)備w離子交換裝置，按照進(jìn)行方式的不同，可分為固定床（單層床、雙層床、混合床）和連續(xù)床（移動(dòng)床、流動(dòng)床）兩大類。其中在廢水處理中，單層固定床離子交換裝置（圖17-4）是最常用、最基本的一種型式。w用于廢水處理的離子交換系統(tǒng)一般包括：預(yù)處理設(shè)備（一般包括砂濾器，用于去除懸浮物，防止離子交換樹脂受污染和交換床堵塞）、離子交換器和再生附屬設(shè)備（如再生液配制設(shè)備）。w離子交換的運(yùn)行操作包括四個(gè)步驟：交換、反洗、再生、清洗。四、離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用表17-2 離子交換法在廢水處理方面的某些應(yīng)用廢水種類有害離子樹脂類型廢水出路再生劑再生液出路電鍍鉻廢水CrO42-大孔型陰離子交換樹脂循環(huán)使用食鹽或燒堿用氫型陽離子交換樹脂除鈉后回用于生產(chǎn)電鍍廢水Cr3+，Cu2+氫型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂循環(huán)使用18%-20%硫酸蒸發(fā)濃縮后回用含汞廢水Hg2+HgClx(x-2)-氯型強(qiáng)堿性大孔陰離子交換樹脂中和后排放鹽酸回收汞粘膠纖維廢水Zn2+強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂中和后排放硫酸回用于生產(chǎn)氯苯酚廢水氯苯酚弱堿性大孔型離子交換樹脂排放2%NaOH甲醇回收酚或甲醇第四節(jié) 膜析法w膜析法是用薄膜（又稱半透膜）以分離水溶液中某些物質(zhì)的方法統(tǒng)稱。目前有擴(kuò)散滲析法（滲析法）、電滲析法、反滲透法和超濾法等。圖17-15 滲析現(xiàn)象清水鹽水半透膜一、滲析法w起滲析作用的薄膜，因?qū)θ苜|(zhì)的滲透性有選擇作用，故叫半透膜。w半透膜的滲析作用有三種類型：依靠薄膜中“孔道”的大小分離大小不同的分子或離子；依靠薄膜的離子結(jié)構(gòu)分離性質(zhì)不同的離子，例如陽離子交換樹脂做成的薄膜可以透過陽離子，叫陽離子交換膜，用陰離子交換樹脂做成的薄膜可以透過陰離子，叫陰離子交換膜；依靠薄膜的有選擇的溶解性分離某些物質(zhì)，例如醋酸纖維膜有溶解某些液體和氣體的性質(zhì)，而使這些物質(zhì)透過薄膜。w一種薄膜只要具備上述三種作用之一，就能有選擇地讓某些物質(zhì)透過而成為半透膜。w在膜析法中，物質(zhì)透過薄膜需要?jiǎng)恿?，目前利用的有三種動(dòng)力：分子擴(kuò)散作用力、電力、壓力。反滲透和超濾都要把水加壓。用電力的是電滲析。依靠分子自然擴(kuò)散的是擴(kuò)散滲析法，簡稱滲析法。二、電滲析