现代水处理技术进展

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1、1班级：环境工程班级：环境工程 0802 班班 姓名：赵恩泽姓名：赵恩泽 学号：学号：080704031现代水处理技术进展综述及技术工艺设计现代水处理技术进展综述及技术工艺设计摘要摘要自从水污染成为威胁人类健康的一大公害，正如 18 世纪的伦敦瘟疫一样，给人类的生 活带来无穷的麻烦，污水的处理渐渐走入了人类的视野中，并且成为了保障现代人类生活 质量的不可或缺的技术。在这两个多世纪的发展过程中，我们环境工程行业的现行者们发 明了各种各样的技术，来解决水处理的问题，比如沿用至今仍在被不断改进着的活性污泥 法、氧化沟法等，也有随着科技的发展而运用新兴技术的膜处理法等。本文的目的在于对 污水处理方面的

2、新兴技术以及现有技术的发展进行一个简要的综述，包括污水的物理处理 法、化学处理法、物理化学处理法以及生物处理法。污水的物理处理法主要介绍的包括重 力分离法、离心分离法、筛滤截留法等；污水的化学处理法主要介绍的包括混凝、中和、 氧化还原等方法；污水的物理化学处理法主要介绍的包括浮选、吹脱、结晶、吸附、萃取、 电解、电渗析、离子交换、反渗透等。污水的生物法主要介绍的包括厌氧生物处理和好氧 生物处理等方法。关键字关键字水处理；新技术；物理处理法；化学处理法。废水物理处理法废水物理处理法废水物理处理法是通过物理作用分离和去除废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物（包 括油膜、油珠）的方法。处理过程中，污染物

3、的化学性质不发生变化。方法有：1.重力分 离法，其处理单元有沉淀、上浮（气浮）等，使用的处理设备是沉淀池、沉砂池、隔油池、 气浮池及其附属装置等。2.离心分离法，其本身是一种处理单元，使用设备有离心分离机、 水旋分离器等。3.筛滤截留法，有栅筛截留和过滤两种处理单元，前者使用格栅、筛网， 后者使用砂滤池、微孔滤机等。新兴技术则包括纳米技术等。一、纳米技术在水处理中的应用一、纳米技术在水处理中的应用 （纳米颗粒光催化技术为例）（纳米颗粒光催化技术为例）1.1.纳米颗粒光催化技术的应用纳米颗粒光催化技术的应用 （1）用于废水处理 如，印染废水、农药废水、造纸废水等 （2）用于气体净化 （3）用于杀

4、菌 （4）用于制造防污、自洁材料 2.2.光催化剂的发展方向和应用前景光催化剂的发展方向和应用前景 （1）TiO2 材料性能的进一步探讨 （2）掺杂和光催化效率的研究2（3）TiO2 光催化剂薄膜的探索 （4）探寻新的光催化分解对象-有机生物体 3.3.机理机理一般认为，光催化活性是由催化剂的吸收光能力、电荷分离和向底物转移的效率决定 的。当纳米半导体粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到 导带而产 生了电子空穴对。电子具有还原性，空穴具有氧化性，从而促进了有机物的合成或使有 机物降解。纳米半导体材料的特性和催化效果各有不同，但作为光催化剂它们的催化活性 与相应的体相材料相比有

5、显著提高，其原理在于：通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移； 由散射的能级和跃迁选律造成光谱吸收和发射行为结构比；与体相材料相比，量子阱 中的热载流子冷却速度下降，量子效率提高；纳米半导体粒子所具有的量子尺寸效应使 其导带和价带能级变成分立的能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正， 这意味着纳米半导体粒子获得了更强的还原及氧化能力，从而催化活性随尺寸量子化程度 的 提高而提高。除此以外，还在于纳米半导体粒子的粒径和吸收特性。 纳米半导体粒子的粒径通常小于空间电荷层的厚度。在此情况下，空间电荷层的任何 影响都可忽略，光生载流子可通过简单的扩散从粒子内部迁移到粒子表面而与电子供体或 受体

6、发生还原或氧化反应。粒径越小则电子与空穴复合几率越小，电荷分离效果越好，从 而导致催化活性的提高。在光催化反应中，反应物吸附在催化剂的表面是光催化反应的一 个前置步骤，催化反应的速率与该物质在催化剂上的吸附量有关。纳米半导体粒子强的吸 附效应甚至允许光生载流子优先与吸附的物质进行反应而不管溶液中其他物质的氧化还原 电位顺序。在催化反应过程中，纳米材料的表面特性和缺陷数量具有同样重要的作用。纳米催化剂的催化效果还与其材料类型有关。研究发现，禁带宽度大的金属氧化物因 具有抗光腐蚀性而更具有实用价值。CdS 的禁带宽度较窄，对可见光敏感，在起催化作用 的同时晶格硫以硫化物和 SO32-形式进入溶液中

7、。ZnO 比 TiO2 的催化活性高，但自身会发 生光腐蚀。-Fe2O3 能吸收可见光(激发波长为 560nm)，但是催化活性低8。与其他 n 型 半导体纳米材料相比，TiO2 具有化学稳定性好、反应活性大等特点，是一种优异的光电功 能材料，并以其优越的催化性能被广泛应用于污染物的降解，取得了令人鼓舞的进展。用 纳米 TiO2 作催化剂氧化水中污染物的试验是目前研究工作的热点(主要围绕不同类型污染 物的降解效果这一主题，同时进行水处理体系中 TiO2 的存在形式、反应器类型等应用技术 的研究)。研究结果显示，纳米 TiO2 光催化氧化技术有良好的应用前景。废水化学处理法废水化学处理法废水化学处

8、理法是通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的 污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。以投加药剂产生化学反应为基础的处理单元 有混凝、中和、氧化还原等；以传质作用为基础的处理单元有萃取、汽提、吹脱、吸附、 离子交换以及电渗吸和反渗透等。一、水的高级氧化技术一、水的高级氧化技术 （高铁酸盐）（高铁酸盐）1 1、概述：、概述：1702 年，德国化学和物理学家 Georg Stahl 首次将硝石和铁屑混合加热后的产物溶 于水中得到了一种不稳定的紫红色物质，这是有关高铁酸盐最早的报道。1841 年才由 Fremy 首次在实验室成功合成高铁酸钾，标志在实验室研究高铁酸钾的开始。189

9、7 年3Moeser 对高铁酸盐的性质进行了系统的描述。 高铁酸盐通常是指铁的 6 价化合物Fe(VI)，其化学式为 MFeO4(M 代表碱金属或碱土 金属)，主要有 K2FeO4、Na2FeO4，还有 Li2FeO4、Ag2FeO4、CaFeO4、MgFeO4、BaFeO4、ZnFeO4 等。 高铁酸盐(K2FeO4)是 20 世纪 70 年代以来研发的新型多功能绿色水处理剂。具有杀菌、 消毒、氧化、絮凝、助凝、吸附、脱色等多种功能。高铁酸钾消毒后的水无嗅、无味、口 感好，有望成为新一代绿色的饮用水处理剂。 由于高铁酸盐具有较高的电位电势和比容量等优点，也被作为环保型电池材料而受到 广泛的关

10、注。 氧化能力强于高锰酸盐、臭氧和氯气。整个 pH 范围内，都可以去除有机物和无机污染 物。分解产物 Fe(OH)3 还具有较好的絮凝作用，且对水体无二次污染。因此,针对于高铁酸 钾为主的研究和应用得到了较为广泛的关注，具有广阔的应用前景。 目前，在实验室已经成功合成了多种高铁酸盐，但普遍存在的问题是稳定性差、制备 工艺复杂、合成产物杂质多、操作条件苛刻、成本高等。因此，研究高铁酸盐的制备方法 和工艺条件，提高高铁酸盐的稳定性及在水处理中的应用是目前研究的热点。 由于次氯酸盐氧化法在实验室易于实现，而且合成的高铁酸钾纯度高、产率高，被实 验人员广泛应用。目前，国内外有关高铁酸盐的合成方法主要有

11、，次氯酸盐氧化法、电解 法和高温氧化法等。 高铁酸盐水溶液极易分解及固态高铁酸盐制备成本高，从而限制了它的实际应用。高 铁酸盐稳定性与溶液浓度、pH、温度、高铁酸盐纯度和离子掺杂等因素有关。 鉴于高铁酸钾在水处理中的优越性，关于它与其它技术联用的研究也得到了显著的进 展，研究表明，高铁酸钾与铝盐、臭氧、光催化等的联用技术均能得到良好的处理效果。 特别是高铁酸钾光催化具有明显的协同作用，可以有效提高光催化效率及污染物去除率。2 2、优缺点：、优缺点： 1 1优点优点 高铁酸钾作为一种高效的净水剂，和现有的净水材料相比，高铁酸盐具有很强的氧化 性，广泛 pH 值范围，是一种集氧化、吸附、絮凝、助凝

12、、杀菌、除臭、脱色为一体的新型 高效多功能水处理剂，它对工业废水的处理效果明显优于使用单一的絮凝剂或氧化剂，对 水质处理无疑具有较好效果，前景良好。 2 2缺点缺点 （1）高铁酸盐对氧化污染物具有很强选择性，对不同化合物的氧化速率和效率不同。 对于某些难降解有机物，单独高铁氧化去除率不高，并且高铁酸钾自身在 pH 较低条件下容 易分解，影响氧化效率。 （2）目前，高铁酸盐制备、应用的研究工作已取得了一些成果，但距实际应用尚存在 一定距离，目前尚未有一种成熟的工业化合成的方法，仍有其稳定性和生成成本等问题尚 未解决。高铁酸盐稳定性较差，在水溶液中极易分解成 Fe(III)，导致高铁酸盐制备工艺

13、性复杂严格。同时高铁酸盐的不稳定性也不便于贮存和运输，从而限制了其实际应用。因 而其广泛应用受到了明显制约。 （3）价格也一直是制约高铁酸盐应用的主要原因。初步估计，采用次氯酸盐氧化法生 产高铁酸盐的最低成本约为 13 万元/t，市场销售价格将更高。 （4）虽然有关高铁酸盐合成的工艺参数和反应机理已基本成熟，但高铁酸盐的制备还 局限在实验室规模，缺少吨级大规模合成的经验和数据，距离工业化合成还有较大差距。 3 3、应用、应用 4虽然高铁酸钾在水处理中有着比较明显的优势，但是还存在一些缺点。如，Fe(VI)具 有很强的选择性，对不同化合物的氧化速率和效率不同。对于某些难降解有机物，单独高 铁酸钾

14、氧化去除率不高。在 pH 较低情况下，高铁酸钾自身降解速率快，氧化作用时间短， 对有机物去除不完全。因此，为了弥补这些不足发展了高铁酸钾联用技术，达到相互协同， 促进并提高有机物的去除效果。 现有的高铁酸钾联用技术主要有： 高铁酸钾铝盐、高铁酸钾臭氧以及高铁酸钾光催化联用等。 高铁酸钾联用技术是近年来有关高铁酸钾研究的热点与应用方向。高铁酸钾光催化 联用技术协同作用明显，其中高铁酸钾不仅可以部分降解包括 BPA、藻毒素等有机污染物， 同时在水溶液中自身还原降解生成氧自由基和 Fe(V)、Fe(IV)、Fe(III)等电子受体，防止 了电子与空穴的复合，有效地提高光催化效率，加速并提高了污染物的

15、去除率。因此，高 铁酸钾光催化联合氧化技术在环境治理领域有着广阔的应用前景。 4 4、举例：光催化氧化技术、举例：光催化氧化技术 原理原理 1半导体光催化剂的能带结构 光催化反应中，催化剂的能带结构决定了半导体光生载流子的特性。光生电子和光生空 穴在光照的条件下被大于或者等于其禁带宽度的光子激发而产生。根据以能带为基础的电 子理论，半导体的基本能带结构是由填满电子且有较低能量的满带，称为价带(valence band，VB)和有较高能量的空带，称为导带(conduction band，CB)；价带和导带之间为禁 带，禁带宽度称为带隙能，禁带之间不允许有电子存在。而且电子在填充时，优先从能量 低

16、的价带填起。 当用能量等于或大于禁带宽度(Eg)的光(hvEg)照射在半导体材料上时，半导体光催化 剂吸收光，价带上的电子(e-)就会被激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空穴(h+)。 半导体的光吸收阈值 g 与禁带宽度 Eg 有着密切的关系，其关系式为：g(nm)=1240/Eg(eV) 常用的宽禁带半导体的吸收波长阈值大都在紫外光区，它们大多不吸收可见光，因此它 们多是透明的。被广泛应用的半导体光催化剂锐钛矿带隙为 3.2eV，由此可以算出激发锐 钛矿在 pH=1 时光生电子和光生空穴的最大波长为 387.5nm。 2半导体光催化的反应机理 当半导体被能量等于或大于禁带宽度（Eg）的光（hvEg）辐射时，半导体光催化剂吸 收光量子，价带上的电子（e-）被激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空穴（h+） 。 因此光催化剂表面上产生了具有高度活性的空穴/电子对（electron/hole pair） ，在电场 的作用下，电子和空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。价带的光致空穴（h+）有 很强的捕获电子能力，具有