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1、水污染控制工程水污染控制工程 Water Pollution Control Engineering唐玉朝唐玉朝唐玉朝唐玉朝 安徽建筑工业学院环境工程系安徽建筑工业学院环境工程系安徽建筑工业学院环境工程系安徽建筑工业学院环境工程系E-mail: E-mail: Department of Environmental Department of Environmental Engineering, ,Anhui Anhui University of University of ArchitectureCopyrightReserved! 课程内容n第五节第五节吸附吸附吸附原理吸附原理,吸附等温
2、式吸附等温式,吸附剂吸附剂,吸附工艺吸附工艺n第六节第六节离子交换离子交换离子交换原理离子交换原理,交换树脂交换树脂,交换平衡与计算交换平衡与计算吸附法吸附法 Water Pollution Control Engineering吸附吸附n吸附概述吸附概述n吸附等温式吸附等温式n吸附剂吸附剂n吸附速率吸附速率n吸附工艺吸附工艺n吸附设计简介吸附设计简介吸附吸附n吸附原理吸附原理：固体表面的分子或原子因为受力不均匀具有：固体表面的分子或原子因为受力不均匀具有剩余的表面能，该力能够吸引其他物质在固体的表面上。剩余的表面能，该力能够吸引其他物质在固体的表面上。固体称吸附剂，被吸附的称吸附质，吸附的结
3、果是吸附固体称吸附剂，被吸附的称吸附质，吸附的结果是吸附质在吸附剂表面浓缩，而吸附剂的表面能降低。质在吸附剂表面浓缩，而吸附剂的表面能降低。 Water Pollution Control Engineering1. 1. 吸附概吸附概述述吸附吸附 在水污染控制工程中吸附指利用多孔性的固体物在水污染控制工程中吸附指利用多孔性的固体物质吸附水中污染物质到固体物质表面从而将污染物去质吸附水中污染物质到固体物质表面从而将污染物去除的方法。对废水中无机、有机污染物、重金属都有除的方法。对废水中无机、有机污染物、重金属都有效，适宜处理低浓度废水效，适宜处理低浓度废水( (深度处理深度处理) ) 。 Wa
4、ter Pollution Control Engineering吸附吸附n1.2吸附类型：吸附类型：物理吸附，物理吸附，是分子间力范德华力，吸附热小，可以单是分子间力范德华力，吸附热小，可以单层也可多层吸附，吸附无选择性，容易解吸，是可逆层也可多层吸附，吸附无选择性，容易解吸，是可逆吸附，低温下物理吸附大，吸附量与表面积成比例。吸附，低温下物理吸附大，吸附量与表面积成比例。化学吸附化学吸附是形成化学键的吸附，吸附热大，具有选择性，是形成化学键的吸附，吸附热大，具有选择性，单分子层吸附，化学键、离子交换或形成配位体。物单分子层吸附，化学键、离子交换或形成配位体。物理化学吸附常常同时发生。理化学
5、吸附常常同时发生。Water Pollution Control Engineering吸附吸附n吸吸附附气气体体时时则则物物理理吸吸附附热热与与气气体体液液化化热热相相当当，而而化化学学吸附与化学反应相当。吸附与化学反应相当。 Water Pollution Control Engineering作用力作用力吸附热吸附热是否可是否可逆逆选择选择性性吸附层数吸附层数物理吸附物理吸附范德华力范德华力小小,气体液化热气体液化热可逆可逆无无单、多分子层单、多分子层化学吸附化学吸附化学键化学键大大,化学反应热化学反应热不可逆不可逆有有单分子层单分子层物理吸附与化学吸附的比较物理吸附与化学吸附的比较返回
6、返回吸附等温式吸附等温式 吸附等温式是描述吸附量与平衡时液相中吸附质浓度吸附等温式是描述吸附量与平衡时液相中吸附质浓度的关系的数学式。吸附等温式描述的是物理吸附。的关系的数学式。吸附等温式描述的是物理吸附。Langmuir吸附等温式吸附等温式Freundlich吸附等温式吸附等温式BET吸附等温式吸附等温式(Henry等温式等温式)Water Pollution Control Engineering2.吸附等温式吸附等温式(等温线等温线)n Langmuir吸附等温式：吸附等温式：Langmuir第第一一个个对对吸吸附附现现象象进进行行系系统统研研究究，提提出出“单单分分子子层层吸吸附附理理
7、论论”。假假设设固固体体表表面面各各处处的的吸吸附附力力场场均均匀匀相相同同，表表面面吸吸附附单单分分子子层层就就饱饱和和，且且被被吸吸附附分分子子无无相互作用，物理吸附。相互作用，物理吸附。吸附速率：吸附速率：VakaC(1).(1)脱附速率：脱附速率：Vdkd.(2)表示被吸附的分子占据固体表面的覆盖度。表示被吸附的分子占据固体表面的覆盖度。C为吸附质为吸附质浓度，浓度，ka、kd为吸附和脱附速率常数。为吸附和脱附速率常数。Water Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式吸附等温式吸附等温式n平衡时：平衡时：kaC(1)kdkd+kaCkaC，k1
8、=ka/kd若以若以q、qm分别表示吸附量和饱和吸附量，则分别表示吸附量和饱和吸附量，则q/qmWater Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式nq/qm=即为即为Langmuir吸附等温式，在液相中吸附等温式，在液相中C实际是吸附质的浓度实际是吸附质的浓度。Water Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式nLangmuir吸附等温吸附等温式吸附质在液相浓度式吸附质在液相浓度C与吸附量与吸附量q的关系的关系q=qmk1C1,q=qmk1C1k1C1吸附等温式吸附等温式nLangmuir吸附等温吸附等温式式1/C
9、对对1/q的关系的关系=Water Pollution Control Engineering1/1/q q0 01/C1/qm1/qmk1吸附等温式吸附等温式nFreundlich吸附等温式吸附等温式(经验式经验式):qKC1/nlgq=lgK+lgCK，n为常数，在低浓度下较适用。为常数，在低浓度下较适用。K大小反映吸附性能，越大吸附量越大，大小反映吸附性能，越大吸附量越大，n小吸小吸附困难，而附困难，而n大，吸附容易。大，吸附容易。 Water Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式nFreundlich吸附等温式吸附等温式lgC与与lgq的关系的
10、关系lgq=lgK+lgCK大小反映吸附性能，越大吸大小反映吸附性能，越大吸附量越大附量越大;n小吸附困难，而小吸附困难，而n大，吸附容易大，吸附容易.注意：注意：1/n反反映了增量，增量大未必容易映了增量，增量大未必容易吸附，故吸附，故n1n=1n1K吸附等温式吸附等温式n BET吸附等温式：吸附等温式： 可以解释实验观察到的可以解释实验观察到的5种物理吸附等温线，假设固体表种物理吸附等温线，假设固体表面是均匀的，可以为多分子层吸附，每一单层符合面是均匀的，可以为多分子层吸附，每一单层符合Langmuir吸附，第二层以后的吸附是分子间的引力。吸附，第二层以后的吸附是分子间的引力。Water
11、Pollution Control Engineering如果如果CsC,则：则：近似简化为近似简化为Langmuir吸附等温式吸附等温式返回返回吸附剂吸附剂n 固体物质都有吸附能力，只有具有巨大比表面积或很细固体物质都有吸附能力，只有具有巨大比表面积或很细的颗粒可以作为吸附剂使用。的颗粒可以作为吸附剂使用。水污染控制要求吸附剂吸附能力强水污染控制要求吸附剂吸附能力强,吸附选择性好吸附选择性好,平衡平衡液相浓度低液相浓度低,容易再生利用容易再生利用,机械强度高机械强度高,化学稳定性高化学稳定性高,来源广价格低等。来源广价格低等。废水处理用的吸附剂：活性炭废水处理用的吸附剂：活性炭,吸附树脂吸附
12、树脂,腐殖酸类腐殖酸类,粘粘土矿物土矿物,硅藻土硅藻土,活性氧化铝等。活性氧化铝等。Water Pollution Control Engineering3.吸附剂吸附剂吸附剂吸附剂(1).活性炭：活性炭：是以含炭物质为原料经过热脱水是以含炭物质为原料经过热脱水(120-130),高温炭高温炭化化(200-600)和活化和活化(700-900)制备的疏水性吸附剂，制备的疏水性吸附剂，形状为粉末形状为粉末(几十微米几十微米),颗粒颗粒(圆柱形圆柱形,无定型无定型,大小数毫米大小数毫米),纤维状活性炭纤维状活性炭,粉末炭再生困难一般不重复利用粉末炭再生困难一般不重复利用,而颗粒而颗粒炭造价高炭造价
13、高,但可以再生利用但可以再生利用.活化过程可以用药剂活化活化过程可以用药剂活化(化化学学)或气体活化或气体活化(物理物理).性质：性质：比表面大比表面大(2000m2/g),微孔发达微孔发达,2nm微孔微孔,占活性占活性炭比表面积的炭比表面积的95,过渡孔过渡孔2-100nm,比表面积比表面积5%,100nm大孔大孔.具有好的吸附性能及化学性质稳定具有好的吸附性能及化学性质稳定,耐酸碱耐酸碱.Water Pollution Control Engineering吸附剂吸附剂n活性炭再生：活性炭再生：1.加热再生加热再生:原理是挥发原理是挥发(容易脱附容易脱附,低沸点分子低沸点分子量小的化合物量
14、小的化合物,100-200),热分解热分解(分解为小分子分解为小分子),炭化炭化(难难脱附的有机物脱附的有机物).n高温热再生分干燥高温热再生分干燥,炭化炭化,活化过程活化过程.需要少量的氧气以氧化需要少量的氧气以氧化有机物但不使活性炭燃烧损失有机物但不使活性炭燃烧损失.恢复恢复95%,烧损烧损5,方法简单方法简单,效果好效果好,适应性广且无废液产生适应性广且无废液产生,但能耗大但能耗大.Water Pollution Control Engineering吸附剂吸附剂Water Pollution Control Engineering泥浆泵泥浆泵失效炭失效炭脱水罐脱水罐螺旋传送器螺旋传送器
15、废气处理废气处理装置装置再生炉再生炉水蒸汽水蒸汽冷却罐冷却罐再生炭储罐再生炭储罐炭末炭末排排水水再生炭再生炭高温加热再生系统高温加热再生系统活性炭活性炭浆池浆池吸附剂吸附剂n2.药剂再生药剂再生:通过化学反应使吸附质转化为可脱附易溶解通过化学反应使吸附质转化为可脱附易溶解的物质而解吸的物质而解吸.需要选择合适的化学物质需要选择合适的化学物质,如常用有机溶如常用有机溶剂脱附剂脱附,化学再生损失小，而且可以在吸附塔内进行化学再生损失小，而且可以在吸附塔内进行,物物质容易回收利用质容易回收利用,但再生效率低但再生效率低,再生不完全再生不完全.3.氧化再生氧化再生:湿式氧化湿式氧化,电氧化电氧化,生物
16、氧化生物氧化,O3氧化等氧化等.Water Pollution Control Engineering吸附剂吸附剂(2).吸附树脂吸附树脂:nTNT废水毒性大废水毒性大,活性炭处理后再生困难活性炭处理后再生困难(难脱附难脱附,热再生易爆炸热再生易爆炸),而吸附树脂可以高效处理且回收而吸附树脂可以高效处理且回收.Water Pollution Control Engineering(3).活性氧化铝活性氧化铝,沸石沸石,硅胶硅胶n具有多孔结构的以具有多孔结构的以Al2O3,SiO2成分为主的吸附剂。成分为主的吸附剂。n活性氧化铝活性氧化铝:铝水合物加热处理，包括铝水合物加热处理，包括(水合水合)
17、Al2O3,氢氧氢氧化铝晶体等。化铝晶体等。n沸石沸石：铝硅酸盐晶体，含：铝硅酸盐晶体，含Al2O3,SiO2成分。成分。n硅胶硅胶：硅酸聚合物，：硅酸聚合物，SiO2 H2O吸附剂吸附剂Water Pollution Control Engineering吸附剂吸附剂n(4).其他其他(腐殖酸腐殖酸,粘土矿物粘土矿物,粉煤灰等粉煤灰等)腐殖酸腐殖酸:天然含腐殖酸的泥煤天然含腐殖酸的泥煤,褐煤等直接使用或简单处褐煤等直接使用或简单处理理.富含活性基团富含活性基团,离子交换离子交换,螯合螯合,凝聚凝聚,物理吸附物理吸附,化化学吸附等作用学吸附等作用,故适宜处理重金属废水故适宜处理重金属废水.天然
18、粘土矿物天然粘土矿物:种类多种类多,来源广来源广,价格低价格低,使用方便使用方便,与腐殖与腐殖酸一样也具有多重作用酸一样也具有多重作用(吸附吸附,凝聚凝聚,离子交换离子交换).Water Pollution Control Engineering返回返回吸附速率吸附速率 单单位位质质量量的的吸吸附附剂剂一一定定时时间间内内吸吸附附吸吸附附质质的的量量，多多孔孔吸吸附附剂剂吸吸附附的的过过程程：吸吸附附质质扩扩散散通通过过水水膜膜到到达达吸吸附附剂剂的的表表面面，(膜膜扩扩散散)；吸吸附附质质在在吸吸附附剂剂的的孔孔隙隙内继续扩散达到吸附点，内继续扩散达到吸附点，(内扩散内扩散)；吸附反应。吸附
19、反应。Water Pollution Control Engineering4.吸附速率吸附速率吸附速率吸附速率nFick定律，水膜内的溶质传质速度定律，水膜内的溶质传质速度V：V=D=D(C-Ci)/k(C-Ci)D扩散系数扩散系数m2/h，k为水膜的传质系数为水膜的传质系数m/h，(C-Ci)水膜内外水膜内外的浓度差的浓度差kg/m3，为水膜厚度为水膜厚度m。Water Pollution Control Engineering吸附速率吸附速率n吸附速度：吸附速度：VS=k(C-Ci)SS为吸附为吸附剂的比表面积，剂的比表面积，m2/kg。 Water Pollution Control
20、Engineering吸附速率吸附速率 影响吸附的因素：影响吸附的因素：吸附剂性质，吸附剂性质，BET和孔结构：和孔结构：n吸附剂的表面化学性质：表面酸性碱性吸附剂的表面化学性质：表面酸性碱性,低温活化容易生低温活化容易生成表面酸性活性中心成表面酸性活性中心,而高温易于形成碱性活化中心。而高温易于形成碱性活化中心。n吸附剂孔径大，对吸附质的内扩散是有利的，但比表面吸附剂孔径大，对吸附质的内扩散是有利的，但比表面积小，孔径小，不利内扩散，而且大分子物质直径可能积小，孔径小，不利内扩散，而且大分子物质直径可能大于孔径。对活性炭来说，由于比表面积由微孔决定，大于孔径。对活性炭来说，由于比表面积由微孔
21、决定，所以对大分子物质需要预处理。所以对大分子物质需要预处理。Water Pollution Control Engineering吸附速率吸附速率n吸附剂孔径大吸附剂孔径大小与吸附的关小与吸附的关系示意图系示意图Water Pollution Control Engineering溶质分子溶质分子水分子水分子吸附速率吸附速率吸附质吸附质( (污染物污染物) )性质性质n溶溶解解度度，溶溶解解度度低低容容易易被被吸吸附附；活活性性炭炭是是非非极极性性吸吸附附剂剂，非非极极性性溶溶质质容容易易吸吸附附，而而活活性性氧氧化化铝铝极极性性吸吸附附剂剂，容易吸附极性溶质。容易吸附极性溶质。n吸吸附附质
22、质的的分分子子大大小小，活活性性炭炭容容易易吸吸附附分分子子量量大大的的溶溶质质，而而沸沸石石容容易易吸吸附附分分子子量量小小，饱饱和和与与不不饱饱和和溶溶质质液液影影响响吸附过程。吸附过程。Water Pollution Control Engineering吸附速率吸附速率Water Pollution Control Engineering非极性非极性极性极性饱和饱和不饱和不饱和大大分分子子小小分分子子炭素炭素氧化氧化铝铝活性活性炭炭硅胶硅胶分子分子筛筛沸石沸石n各各吸吸附附剂剂的的适适用条件比较用条件比较吸附速率吸附速率n废水性质废水性质:pH和温度和温度,pH影响吸附剂的表面化学性质
23、影响吸附剂的表面化学性质,对吸附质主要影响其结构与溶解度等。温度对液相吸附对吸附质主要影响其结构与溶解度等。温度对液相吸附影响较小影响较小,吸附放热吸附放热,所以温度高对吸附不利所以温度高对吸附不利,根据废水性根据废水性质选择吸附剂。质选择吸附剂。n反应条件反应条件:接触时间接触时间.吸附过程要搅拌吸附过程要搅拌,水膜的厚度要水膜的厚度要薄薄,吸附剂需要合适的吸附剂需要合适的pH,接触时间长接触时间长,提高吸附剂的吸提高吸附剂的吸附容量附容量,但设备处理能力降低但设备处理能力降低,作为深度处理的预处理情作为深度处理的预处理情况。况。Water Pollution Control Enginee
24、ring返回返回吸附工艺吸附工艺n n(1).间歇吸附间歇吸附(混合接触吸附装置混合接触吸附装置)吸附剂与废水在反应器内混合吸附剂与废水在反应器内混合,搅拌搅拌,静置静置.一般用粉末吸附剂一般用粉末吸附剂,需要两个反应器需要两个反应器,适宜水量适宜水量小小.Water Pollution Control Engineering5.吸附工艺吸附工艺吸附工艺吸附工艺n(2)连续吸附连续吸附1.吸附设备吸附设备A固定床：吸附剂固定在吸附塔内，水流过吸附剂层固定床：吸附剂固定在吸附塔内，水流过吸附剂层,分为升流和降流式分为升流和降流式.降流式出水水质好降流式出水水质好,但水头损失但水头损失大大,需要定
25、期反冲洗需要定期反冲洗;升流式出水略差升流式出水略差,吸附剂容易流吸附剂容易流失失,提高进水流速使吸附剂稍微膨胀提高进水流速使吸附剂稍微膨胀,可以达到相当于可以达到相当于反冲洗的效果反冲洗的效果.Water Pollution Control Engineering吸附工艺吸附工艺n单床单床,多床串联多床串联,多床并联多床并联n多床串连降流吸附塔示多床串连降流吸附塔示意图意图A再生再生,B-C-D-E;B再生再生,C-D-E-A;余类推余类推Water Pollution Control EngineeringABCDE进水进水出水出水再生再生吸附工艺吸附工艺nB移移动动床床：废废水水由由下下
26、而而上上流流动动,吸吸附附剂剂由由上上而而下下运运动动(间间歇歇或或连连续续),饱饱和和的的吸吸附附剂剂从从底底部部卸卸出出.可可充充分分利利用用吸吸附附剂剂的的吸吸附附容容量量,悬悬浮浮物物及及时时从从塔塔底底部部随随吸吸附剂排出附剂排出,。占地面积小占地面积小,处理水质好处理水质好,由于塔内吸附剂不能混由于塔内吸附剂不能混,故故操作要求高。操作要求高。Water Pollution Control Engineering吸附工艺吸附工艺n移动床吸移动床吸附塔示意附塔示意图图Water Pollution Control Engineering装炭装炭卸炭卸炭进水进水出水出水吸附工艺吸附工艺
27、nC.流化床流化床：吸附剂处于流化状：吸附剂处于流化状态态,为了避免吸附剂在全塔内混为了避免吸附剂在全塔内混合合,需要分层流化需要分层流化,废水由下而上废水由下而上,吸附剂基本按由上而下吸附剂基本按由上而下,使用小使用小的吸附剂的吸附剂,对废水预处理要求低对废水预处理要求低,反应速率快反应速率快,处理能力强处理能力强.Water Pollution Control Engineering废水废水吸附剂吸附剂2.穿透曲线穿透曲线(1)吸附带：指正在发生吸附作用的那段填充层吸附带：指正在发生吸附作用的那段填充层,在吸附带下在吸附带下部的填充层几乎没有发生吸附作用部的填充层几乎没有发生吸附作用,而在
28、吸附带上部的填而在吸附带上部的填充层已达到饱和状态充层已达到饱和状态,不再起吸附作用不再起吸附作用.(2)穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标,以以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线叫穿透曲线出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线叫穿透曲线.(3)穿透点：当出水吸附质浓度穿透点：当出水吸附质浓度Ca为为(0.050.10)Co时所对应的时所对应的出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的那一点叫穿透点出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的那一点叫穿透点.吸附工艺吸附工艺Water Pollution Control Engineering(4)吸附终
29、点：出水浓度吸附终点：出水浓度Cb为为(0.900.95)Co时所对应的出水时所对应的出水总体积的穿透曲线上的那一总体积的穿透曲线上的那一点叫吸附终点（耗竭点）点叫吸附终点（耗竭点）.(5)吸附带长度吸附带长度：从：从ta到到tb的的t时间内，吸附带所移动的距时间内，吸附带所移动的距离叫吸附带长度离叫吸附带长度.吸附工艺吸附工艺Water Pollution Control Engineering在吸附在吸附吸吸附附带带饱和饱和未吸附未吸附n穿透曲线穿透曲线:吸附工艺吸附工艺Water Pollution Control Engineering出出水水吸吸附附质质浓浓度度C吸附时间吸附时间tC
30、0tatb穿透点穿透点吸附终点吸附终点CaCbCa= 0.050.10C0Cb= 0.900.95C0应用应用:考虑成本和吸附剂再生考虑成本和吸附剂再生,预处理要求高预处理要求高.n1.很低浓度废水的处理很低浓度废水的处理(回收利用回收利用),n2.深度处理深度处理;n3.饮用水处理等方面饮用水处理等方面.吸附工艺吸附工艺Water Pollution Control Engineeringn低浓度废水低浓度废水,处理含汞废水处理含汞废水:吸附工艺吸附工艺Water Pollution Control Engineering反应池混凝剂混凝剂Ca(OH)2,NaS,FeSO4沉淀池HgS Hg
31、O等等吸附池吸附池排放排放空气空气(搅拌搅拌30min,沉淀沉淀2h)返回返回吸附池活性炭投加吸附池活性炭投加5，每年更换，每年更换1次次设计计算设计计算n n由由实实验验确确定定吸吸附附的的参参数数，根根据据废废水水处处理理的的程程度度、流流量量、吸附工艺等确定。吸附工艺等确定。以以静静态态吸吸附附为为例例：固固定定床床吸吸附附采采用用的的床床数数并并计计算算物物料料平平衡。衡。qnq平衡时单位吸附剂吸附的量，平衡时单位吸附剂吸附的量，V溶液的容积，溶液的容积，W吸附剂吸附剂的量，的量，C0Ce进水出水吸附质的浓度。进水出水吸附质的浓度。Water Pollution Control Eng
32、ineering设计计算设计计算n例例题题：废废水水流流量量20m3/h，进进水水COD30mg/L，要要求求处处理理后后COD0.5mg/L，吸吸附附实实验验得得到到等等温温式式为为q0.226Ce1/3，如果以静态吸附工艺处理，求每天需要的活性碳量。如果以静态吸附工艺处理，求每天需要的活性碳量。由由Ce0.5mg/L，代入得到代入得到q0.18mgCOD/mgC。n如果以多级逆流工艺，可显著减少活性碳的量。如果以多级逆流工艺，可显著减少活性碳的量。Water Pollution Control Engineering课程内容n第五节第五节吸附吸附吸附原理吸附原理,吸附等温式吸附等温式,吸附
33、剂吸附剂,吸附工艺吸附工艺n第六第六节节离子交换离子交换离子交换原理离子交换原理,交换树脂交换树脂,交换平衡与计算交换平衡与计算离子交换离子交换 Water Pollution Control Engineering离子交换离子交换 n离子交换剂离子交换剂(树脂树脂)的可交换离子与溶液中同电荷离子发的可交换离子与溶液中同电荷离子发生交换反应生交换反应,离子交换剂实质上是离子化合物离子交换剂实质上是离子化合物,但在水中但在水中不溶解不溶解.离子交换是特殊的吸附离子交换是特殊的吸附,可逆的化学吸附可逆的化学吸附.n分为无机离子交换剂分为无机离子交换剂(沸石沸石)和有机离子交换剂和有机离子交换剂(包
34、括磺化包括磺化煤和离子交换树脂煤和离子交换树脂),磺化煤机械强度差磺化煤机械强度差,交换容量差交换容量差,化化学稳定性差学稳定性差.Water Pollution Control Engineering离子交换离子交换n离子交换特点：去除率高离子交换特点：去除率高,可以浓缩回收物质可以浓缩回收物质,由于范围受限制由于范围受限制,成本高成本高,对废水预处理要求对废水预处理要求高高,交换剂的再生存在问题交换剂的再生存在问题.n适用于给水的除盐适用于给水的除盐,软化水软化水,废水处理中多用废水处理中多用于重金属废水于重金属废水,或回收贵金属等或回收贵金属等.Water Pollution Contr
35、ol Engineering离子交换离子交换 n离离子子交交换换树树脂脂结结构构：交交换换树树脂脂由由具具有有空空间间网网状状结结构构的的骨骨架架(母母体体)和和活活性性基基团团组组成成,活活性性基基团团分分2部部分分:固固定定离离子子和和交交换换离离子子,交交换换离离子子与与固固定定离离子子电电荷荷相相反反,如如RSO3H+,R为为母母体体,SO3为为固固定定离离子子,H+为为交交换换离离子子.树树脂脂母母体体本本身身不是离子化合物不是离子化合物,不溶解不溶解,无交换能力无交换能力,需要活化需要活化.n离离子子交交换换树树脂脂呈呈球球形形,交交换换速速度度快快,机机械械强强度度和和化化学学稳
36、稳定定性性好好,成本高成本高.Water Pollution Control Engineering2.离子交换树脂离子交换树脂离子交换离子交换n树树脂脂分分类类:含含酸酸性性基基团团的的阳阳离离子子交交换换树树脂脂,强强酸酸性性RSO3H,弱弱酸酸性性RCOOH，含含碱碱性性基基团团的的阴阴离离子子交交换换树树脂脂,强强碱碱性性RNOH,弱弱碱碱性性RNH2OH,RNHOH等等.强强酸酸性性和和强强碱碱性性可可以以在在较较广广泛泛的的pH条条件件下下使使用用,而而弱弱酸酸性性由由于于在在酸酸性性条条件件下下难难以以离离解解,故故只只能能在在中中性性或或碱碱性性条条件件使使用用,同同样样弱弱碱
37、碱性性树树脂脂在在中性或酸性下使用中性或酸性下使用.Water Pollution Control Engineering离子交换离子交换从网状结构分类从网状结构分类:凝胶和大孔型凝胶和大孔型(大孔大孔,巨孔巨孔),凝胶型凝胶型无物理孔隙无物理孔隙,只有在水中显示分子链之间的孔隙只有在水中显示分子链之间的孔隙,而大而大孔树脂具有物理孔隙孔树脂具有物理孔隙,干燥态也有孔隙干燥态也有孔隙,孔隙大孔隙大,吸附吸附能力强能力强,交换速度大交换速度大.n外观外观:mm左右左右.Water Pollution Control Engineering离子交换离子交换n交联度交联度:树脂合成需要使用交联剂树脂
38、合成需要使用交联剂,交联剂交联剂的量占的比重为交联度的量占的比重为交联度,交联度高交联度高,孔隙率低孔隙率低,密度大密度大,离子扩散速率低离子扩散速率低,对半径大或水合离对半径大或水合离子交换容量小子交换容量小,但形变小但形变小,稳定不容易破碎稳定不容易破碎.Water Pollution Control Engineering离子交换离子交换交换容量交换容量:n单单位位质质量量树树脂脂可可以以交交换换离离子子的的量量,总总交交换换容容量量和和工工作作交交换换容容量量,是树脂最重要的性能指标是树脂最重要的性能指标.交交换换容容量量以以滴滴定定方方法法测测量量,也也可可计计算算,如如:右右图图所
39、所示示苯苯乙乙烯烯强强酸酸交交换换树树脂脂,分分子子量量184,即即184g交交换换1H+,每每gmmol, 除除去去交联剂交联剂8,为为4.98mmol/g.Water Pollution Control EngineeringCHCH2SO3H离子交换离子交换n交换势交换势:RH+M+=RM+H+树脂树脂交换离子交换离子平衡常数平衡常数K=K反映了该交换树脂的交换能力反映了该交换树脂的交换能力,K越大越大,交换反交换反应进行越彻底应进行越彻底.交换势与化学平衡不相同交换势与化学平衡不相同,与离与离子性质子性质,溶液组成溶液组成,以及树脂结构都有关系以及树脂结构都有关系.Water Poll
40、ution Control Engineering离子交换离子交换n交换势的规律交换势的规律(常温常温,低浓度低浓度)阳阳离离子子交交换换势势金金属属价价态态越越高高,交交换换势势越越大大;而而同同价价阳阳离离子子与原子序数有关与原子序数有关;H+离离子子对对弱弱酸酸性性阳阳离离子子交交换换树树脂脂具具有有最最高高的的交交换换势势,对对于于强酸性则介于强酸性则介于NaLi之间之间;对对碱碱性性离离子子交交换换树树脂脂,规规律律不不定定,但但OH对对弱弱碱碱性性阴阴离离子子树脂具有最高交换势树脂具有最高交换势;对对螯螯合合树树脂脂,交交换换势势与与树树脂脂种种类类有有关关,而而大大孔孔树树脂脂同
41、同时时具具有强的吸附性能有强的吸附性能;有机离子和金属络合离子交换势特别大有机离子和金属络合离子交换势特别大.Water Pollution Control Engineering离子交换离子交换Water Pollution Control Engineering 交换树脂再生：交换树脂再生：再生剂种类：根据废水性质以及树脂种类，酸性树脂再生剂种类：根据废水性质以及树脂种类，酸性树脂可以用可以用HCl，H2SO4再生，强酸性树脂可以再生，强酸性树脂可以NaCl等再等再生生;而碱性树脂可以用而碱性树脂可以用NaOH，而强碱性树脂可以用而强碱性树脂可以用NaCl再生再生.再生剂用量，过多造成浪费
42、甚至反而降低再生效率再生剂用量，过多造成浪费甚至反而降低再生效率.离子交换离子交换Water Pollution Control Engineeringn . .水质对离子交换的影响水质对离子交换的影响油类物质与悬浮物油类物质与悬浮物-堵塞或包裹树脂堵塞或包裹树脂;高价金属离子高价金属离子-树脂中毒树脂中毒;氧化性物质氧化性物质-氧化破坏树脂的结构氧化破坏树脂的结构;pH值值-对对树树脂脂本本身身的的结结构构和和废废水水中中物物质质的的存存在在形形态态有有影响影响;温度温度-高温交换速度快高温交换速度快,但树脂有耐受温度但树脂有耐受温度.离子交换离子交换n 一价对一价反应：一价对一价反应：RA
43、+B+RB+A+平衡常数平衡常数K=Water Pollution Control Engineering3. 离子交换平衡与计算离子交换平衡与计算离子交换离子交换n二价对一价反应：二价对一价反应：2RA+B2+R2B2+2A+平衡常数平衡常数K Water Pollution Control Engineering离子交换离子交换n 4.1离子交换的离子交换的5个步骤个步骤：待交换离子通过水膜扩散到树脂表面，待交换离子通过水膜扩散到树脂表面，待交换离子在树脂孔扩散到达交换位置，待交换离子在树脂孔扩散到达交换位置，交换反应，交换反应，交换后的离子完成交换后的离子完成的相反过程，扩散出孔，的相反
44、过程，扩散出孔，交换后的离子完成交换后的离子完成的相反过程，过水膜到达溶液。的相反过程，过水膜到达溶液。Water Pollution Control Engineering4.离子交换速率离子交换速率离子交换离子交换n4.2 4.2 交换带交换带：交换器内正交换器内正在进行交换在进行交换反应的层厚反应的层厚度度. .Water Pollution Control Engineering交换带交换带饱和带饱和带清洁带清洁带离子交换离子交换n多离子交换过程的交换带：多离子交换过程的交换带：假设假设交换树脂为交换树脂为RH，待处理的废水含待处理的废水含Al3+、Ca2+和和Na+，首先首先RH与与
45、Al3+、Ca2+和和Na+都都进行反应，很快出现分层。进行反应，很快出现分层。Water Pollution Control Engineering离子交换离子交换n3R2Ca+2Al3+2R3Al+3Ca2+n2RNa+Ca2+R2Ca+2Na+nRH+Na+RNa+H+n2RH+Ca2+R2Ca+2H+n3RH+Al3+R3Al+3H+n3RNa+Al3+R3Al+3Na+Water Pollution Control EngineeringAlCaNaCaNaNaH RHRNaR2CaR3Al离子交换离子交换n以以H离离子子交交换换系系统统处处理理水水的的Ca2+Na+离子离子n2RNa + Ca2+=R2Ca+2Na+nRH+Na+=RNa+H+Water Pollution Control Engineering进水进水Na+出水出水Na+进水进水Ca2+出水出水Ca2+H+0酸度酸度碱度碱度t离子交换离子交换 2.反冲洗反冲洗-清除杂质清除杂质,松动树脂层松动树脂层3.再生再生-恢复交换能力恢复交换能力Water Pollution Control Engineering5.离子交换工艺离子交换工艺(操作流程操作流程) 谢谢！谢谢！离子交换离子交换n谢谢谢谢!Water Pollution Control Engineering
