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1、第十七章第十七章 污水的吸附法、离子交换污水的吸附法、离子交换 法、萃取法和膜析法处理法、萃取法和膜析法处理 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 吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能 力,比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。 吸 附 物理吸附 化学吸附 吸附剂与吸附物质之间是通过 分子间引力(即范徳华力)而产 生的吸附 吸附剂与被吸附物质之间产生 化学作用，生成化学键引起吸 附 吸附等温式：表明一定温度下被吸附物的量与浓 度之间的关系式称为吸附等温式。 1. Freundlich等
2、温式 对上式取对数，可得： q单位吸附剂的吸 附量，mg/mg y吸附剂吸附的物 质总量，mg m投加的吸附剂量 ，mg c到达平衡时溶液 中被吸附物的浓度， mg/L k、n经验常数。 n 值在正常条件下大于 1。 2. Langmuir等温式 该公式是在被吸附物质仅为单分子层的假定下 导出的，形式为： 将上式变换成以下形式，使用时较方便： k = qmk1 qm 单位质量或单 位体积吸附剂盖满一 层单分子层时的吸附 量。 k1 朗格缪尔常数 n 吸附速率：单位重量的吸附剂在单位时间内所 吸附的物质的量。 吸附速率决定了废水和吸附剂的接触时间。 吸附速率快接触时间短吸附设备的容积小 影响吸附
3、速度的因素有： 二、 吸附速率 三、影响吸附的因素 吸附 过程 衡量 指标 吸附能力 吸附速率 固体吸附剂用吸附量衡量 单位质量吸附剂在单位 时间内所吸附的物质量 吸附 阶段 颗粒外部 扩散阶段 孔隙扩散 阶段 吸附反应 阶段 吸附质从溶液中扩散到吸附 剂表面 吸附质在吸附剂孔隙中继续 向吸附点扩散 吸附质被吸附在吸附剂孔隙 内的吸附点表面 吸附速率主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。 外部扩 散速度 与溶液浓度成正比 与吸附剂的比表面积的大小成正比 吸附剂颗粒直径越小，速度越快 增加溶液与颗粒间的相对运动速度， 可提高速度 孔隙扩 散速度 吸附剂颗粒越小，速度越快 影响吸附速率的因素 影响
4、吸附能力(吸附量)的因素 1. 吸附剂的性质 比表面越大，吸附能力越强。 极性分子吸附剂易吸附极性分子型的吸 附质。非极性分子的吸附剂易吸附非极 性分子型的吸附质。 颗粒的大小、细孔构造和分布及表面化 学性质。 溶剂的性质、吸附质的性质和吸附过程的操作条件。 影响能力(吸附量)的因素 2. 吸附质的性质 （1）溶解度 一般溶解度越低，越易被吸附 有机物的链越长，溶解度越低。 故活性炭吸附脂肪酸的量，按甲酸、乙酸、丙酸、 丁酸的顺序增加。苯甲醛的吸附量是丁醛的2倍. （2）表面吉布斯函数 能使液固界面吉布斯函数降低越多，则吸附量越大 。 如含碳多的脂肪防酸在活性炭表面吸附。 影响能力(吸附量)的
5、因素 2. 吸附质的性质 （3）极性 极性分子吸附剂易吸附极性分子型的吸附质。非极 性分子的吸附剂易吸附非极性分子型的吸附质。有 机物的链越长，溶解度越低。 硅胶和活性三氧化二铝为极性吸附剂。硅胶吸附柱 先吸附苯达饱和再吸附苯和水混合液，则原先吸附 的苯会逐渐被水置换。 活性炭为非极性吸附剂，可用苯把原先吸附的水置 换解吸出来。 羟基、羧基、硝基、胺基、磺基等能增加分子的极 性 影响能力(吸附量)的因素 （4）吸附质分子的大小 不同孔径的分子筛 影响能力(吸附量)的因素 （5）吸附质的浓度 吸附质浓度较低时，吸附未饱和，提高吸附 质浓度会增加吸附量。 当浓度达到一定数值时，提高浓度增加吸附 量
6、不可能。 影响能力(吸附量)的因素 3. 废水的pH值 活性炭在酸性溶液中比在碱性溶液中有 较高的吸附量。 pH值对吸附质在水中的状态（分子、离 子、络合物）及溶解度有影响从而影响 吸附量。 影响能力(吸附量)的因素 4. 共存物质 影响复杂。 一般共存多种吸附质时，对某种吸附质吸附能 力会下降。 水溶液相当于天然含量的无机离子共存时，对 有机物的吸附几乎无影响。 汞、铬、铁等在吸附剂表面氧化还原沉积时， 孔道变小对吸附不利。 油类物质会在吸附剂表面形成油膜，不利。 影响能力(吸附量)的因素 5. 温度 吸附为放热过程，故降低温度有利，但 对于水中吸附影响不大。 6. 接触时间。 要有充分的时
7、间达到吸附平衡，才能充 分利用吸附能力。 三、吸附剂 常用吸附剂有活性炭、磺化煤、沸石、 活性白土、硅藻土、腐殖酸、焦炭、木 炭、木屑、树脂等。 由于活性炭对水中大部分污染物有较好 的吸附作用，因此活性炭吸附应用于水 处理时往往具有出水水质稳定，适用于 多种污水的优点。 目前，活性炭吸附是国内外应用较多的 一种水处理手段。 1. 活性炭 一种黑色多孔的固体炭质。疏水性吸附剂。 早期由木材、硬果壳或兽骨等经炭化、活化制得， 后改用煤通过粉碎、成型或用均匀的煤粒经炭化、 活化生产。也可用木炭、竹炭、各种果壳为原料。 主要有机成分为碳，并含少量氧、氢、硫、氮、氯 等元素。 普通活性炭的比表面积在50
8、01700m2/g间。具有很 强的吸附性能,为用途极广的一种工业吸附剂。吸附 剂。 1）制造： 原料：含碳为主的物质：木材、煤等。 过程： 炭化：把原料热解成炭渣，生成类似石墨的多环芳烃。 活化：使炭渣具有多孔结构。活化剂：氯化锌、硫酸、磷酸 ；也可用CO2、空气、水蒸气活化。 一般制成粉末状或颗粒状。在水处理中较多采用颗粒活性炭 。 2）细孔构造 u比表面积达8002000 m2/g，有很强的吸附能力； u有效孔径：11000nm； u小孔孔径 CrO42- 柠檬酸根酒石酸根 NO3- AsO43- PO43- MoO42- 醋酸根、I-、Br- Cl- F-。 （6）对强碱性阴离子交换树脂
9、讲，离子的交换势 随树脂的性质而异，没有一般性的规律。 （7）氢氧基对阴离子交换树脂的交换势决定于树 脂类型。 （8）离子量高的有机离子和金属络合离子的交换 势特别大。 （9）大孔型树脂具有很强的吸附性能，往往可以 吸附废水中的非离子型杂质。 三、离子交换的工艺和设备 离子交换装置 固定床 单层床 双层床 混合床 连续床 移动床 流动床 1. 交换 开启进水阀1和出水阀2，其余阀门关闭。 2. 反洗 目的在于松动树脂层，以便下一步再生时，注入 的再生液能分布均匀，同时也及时地清除积存在树脂 层内的杂质、碎粒和气泡。 先关闭阀门1和2，打开反洗阀3，然后再逐渐开 大排水阀4进行反洗。 3. 再生
10、 先关闭阀门3和4，打开排气阀7及排水阀5，将水 放到离树脂层表面10cm左右，再关闭阀门5，开启进 再生液阀门8，排出交换器内空气后，即关闭阀门7， 再适当开启阀门5，进行再生。 四、离子交换法在废水处理中的应用 1. 电镀含铬废水的处理 生产实践表明，在电镀车间铬镀槽的洗涤水闭 路循环系统中采用离子交换法分离、回收铬酸是有 效的。 4. 清洗 先关闭阀门8，然后开启阀门1及5。 固定床离子交换器的设计计算，根据物料平衡原理，可得如下基本 公式： A离子交换器截面积，m2；h树脂层高度，m； E交换树脂的工作交换容量，mmol/L;qv废水平均流量，m3/h; c0进水浓度，mmol/L;c
11、出水浓度，nmol/L； T交换周期，h。 2. 离子交换法处理含汞废水 日本和瑞士的氯碱厂采用阴离子交换树脂和螯 合树脂处理含汞(氯化汞络合离子)废水。 第 三 节 萃 取 法 萃取：用适当的溶剂分离混合物的过程。 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 一、萃取剂 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。 分配系数表征
12、萃取剂的溶解性能： 萃取剂在废水中不会乳化，容易同废水分离。 萃取剂要易于再生。 萃取剂价格要低廉，易得。 二、 萃取过程 萃取过程的三种流程 单级萃取中萃取剂用量的计算可根据物料衡算 原理(即流入萃取系统的萃取物量等于流出萃取系统 的萃取物量)，可得： 通常，废水的量和质与萃取剂的质都是已知的， 要计算萃取剂的量，从上式可得： 本式也适用于多效萃取。 传质过程中的物质传递量同传质推动力成正比， 也同两相接触表面的面积成正比，因此得公式： 三、萃取设备 分类 罐式(萃取器) 塔式(萃取塔) 离心机式(离心萃取机) 1. 筛板萃取塔 2. 脉动筛板萃取塔 3. 转盘萃取塔 4. 填料萃取塔 四、
13、萃取法在废水处理中的应用 1. 萃取法处理含酚废水 2. 萃取法处理含重金属废水 某铜矿矿石场废水中含铜0.31.5g/L，含铁 4.55.4g/L，含砷10300mg/L，pH0.13。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。 第 八 节 膜 析 法 膜析法：利用天然或人工薄膜以分离水 溶液中某些物质的方法总称。 类型：渗析法、电渗析法、反渗透法、 超滤法等 渗析法：特制的半透膜将浓度不同的溶液隔开 ，溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散 (diffusion)到浓度低的一侧，这种现象称为渗析 作用。 半透膜：对溶质的渗
14、透性有选择作用故称半透半透膜：对溶质的渗透性有选择作用故称半透 膜膜。 如羊皮纸，食盐可透过，糖、淀粉等则不能透 过，则糖盐混合物可用羊皮纸分离。 一、渗析法 半透膜的 渗析作用 依靠薄膜中“孔道”的大小分离 不同的分子或离子 依靠薄膜的离子结构分离性质 不同的离子。 依靠薄膜的有选择的溶解性分 离某些物质。 如醋酸纤维素膜可溶解某些液 体、气体，是之透过。 渗析作用的类型 n n 阳离子交阳离子交 换膜换膜用用 阳离子交换阳离子交换 树脂制成，树脂制成， 阳离子可以阳离子可以 透过。透过。 n n 阴离子交阴离子交 换膜，阴离换膜，阴离 子可以透过子可以透过 物质 透过 膜的 动力 分子扩散
15、作用 电力 压力 渗析法 电渗析法 反渗法和超过滤法 p336 二、电渗析原理 电渗析的原理 在直流电场的作用下，依靠对水中离子有选择在直流电场的作用下，依靠对水中离子有选择 透过性的透过性的离子交换膜离子交换膜，使离子从一种溶液透过，使离子从一种溶液透过 离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离、提离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离、提 纯、浓缩、回收的目的。纯、浓缩、回收的目的。 电渗析分离原理图 + + + + + + 变 浓 变 淡 变 浓 变 淡 变 浓 变 淡 阳阴阳阴阳阴阳 浓水 淡水 原水极水 极 室 极 室 阳极 阴极 u原理：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。 uu阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过。 u电极两侧会发生氧化还原反应 阴极还原反应 2H+2 eH2阴极室溶液呈碱性结垢 阳极氧化反应 4OH-O2+2H2O+4e 阳极室溶液呈酸性腐蚀 电渗析装置示意动画
