水處理I-第四章：水的物化處理

第四章污水的物化處理4.1熱過程法

4.2吹脫和汽提4.3吸附法4.4膜分離法4.5離子交換法4.6萃取法§4.1熱過程法（1）定義：依熱量轉移來實現處理目的的方法；（2）分類：蒸發、冷凍、及結晶；A、蒸發：加熱廢水，使水分子汽化逸出，從而達到制取純水和濃縮廢水中的溶質的目的。B、冷凍：將水溫降到冰點以下，使水分子結成冰晶，然后分離冰晶與濃縮液；C、結晶：通過蒸發濃縮或者降溫，使廢水中具有結晶性能的溶質達到過飽和狀態；從而將多余的溶質結晶出來。

蒸發、冷凍、結晶：分離和濃縮溶質；§4.1.1蒸發法一、基本原理（1）汽化：水分子逸入大氣，變成蒸氣的過程；◆蒸發汽化：沸點以下進行的表面汽化；◆沸騰汽化：沸點時發生的內部汽化過程；（2）蒸發過程的物料衡算：A、一次蒸氣：用于加熱廢水，使之沸騰蒸發的蒸氣；B、二次蒸氣：廢水在蒸發器內沸騰蒸發，逸出蒸氣；C、蒸發前后溶質量不變；G1B1=G2B2+G3B3=G2B2+（G1-G2）B3●濃縮后的溶質濃度： B3=（G1B1-G2B2）/G3；●蒸發濃縮倍數：●去除效率：G-水量；B-溶質的濃度；二、蒸發工藝（1）單效蒸發工藝系統定義：二次蒸氣冷凝后排出，不再利用（2）多效蒸發工藝系統A、定義：多次利用二次蒸氣進行蒸發的工藝；B、條件：前一級產生的二次蒸氣的溫度必須高于后一級的廢水沸騰溫度；C、類型：并聯式、順流串聯式、逆流串聯式；三、蒸發法處理廢水的應用（1）濃縮放射性廢水：蒸發濃縮后，濃縮液密閉固封，讓其自然衰變；（2）濃縮高濃度有機廢水；蒸發濃縮后，綜合利用或焚燒處理；（3）濃縮和回收廢酸、廢堿液；

§4.1.2結晶法（1）定義：通過蒸發濃縮或降溫冷卻，使溶液達到飽和，讓多余的溶質結晶析出，加以回收利用；（2）結晶條件：過飽和狀態——改變溫度、移去部分溶劑（3）物質的溶解度及溶解曲線；◆物質的溶解度隨溫度升高而增大；KNO3、NaNO3◆物質的溶解度曲線有折點；Na2SO4·10H2O◆物質的溶解度受溫度影響很小；NaCl（4）晶體過程的控制◆晶核的形成；◆晶核的長大；晶核的形成速率晶體的成長速率，晶粒小而多；晶核的形成速率晶體的成長速率，晶粒大而少；§4.1.3冷凍法（1）目的

◆濃縮高濃度有機或無機廢液；

◆從廢水中制取脫鹽的高品質用水；（2）工藝過程◆凍結；◆固液分離；◆洗滌與融化；（3）流程及方法◆流程：

§4.2吹脫和汽提§4.2.1概述（1）分離實質：氣—液相轉移分離；（2）分離過程：氣體（載氣）廢水溶解氣體或易揮發溶質氣液界面氣相實現污染物的去除（3）載氣類型A、吹脫：空氣（伴隨充氧和化學氧化作用）B、汽提：水蒸汽§4.2.2吹脫法（溶解氣體和揮發性有機物）（1）氣液相平衡理論◆亨利定律：P*=E·Xi(平衡狀態)；（2）傳質速度

當P<P*由液相向氣相傳質；當P>P*由氣相向液相傳質；◆提高傳質速度的方法：①提高水溫；②使用新鮮空氣或負壓操作；③增大氣液接觸面積；④增大接觸時間；（3）吹脫設備A、吹脫池（曝氣池）◆自然吹脫池：◆強化吹脫：◆吹脫效果：①吹脫時間②水層高度③接觸面積◆適用條件：①溶解氣體極易揮發；②水溫較高；③風速較大；④有開闊地段，不產生二次污染的場合；B、吹脫塔◆功能：

提高吹脫效率，回收有用氣體；

防止二次污染；◆類型：填料塔、板式塔；

板式塔的主要特征：

（4）吹脫氣體量：Q—廢水流量，m3／h；c0—原水中的氣體濃度，mg／L；

c—出水中的氣體濃度，mg／L；（5）吹脫影響因素：◆溫度：升溫對吹脫有利

◆氣水比：工程上常采用80％作為設計氣水比◆pH值：pH值5678910游離H2S，%10095641520游離HCN，%99.799.393.358.112.2游離H2S和HCN與pH的關系§4.2.3汽提法（1）去除對象：脫除揮發性溶解物質：酚、甲醛、苯胺、硫化氫（2）分離過程：◆廢水與水蒸氣直接接觸；◆水中揮發性物質擴散到氣相中；◆實現廢水中污染物的分離；（3）含酚廢水的處理 上段：汽提段A、汽提塔下段：再生段B、流程◆汽提段：脫除廢水中酚◆再生段：用堿液從蒸汽中吸收酚（4）含硫廢水的處理§4.3吸附法(Absorption)§4.3.1概述（1）定義：利用多孔性的固體物質，水廢水中的一種或多種物質被吸附在固體表面而去除的方法：（2）吸附對象：

溶解性有機質

微生物

痕量重金屬（3）吸附類型：物理吸附和化學吸附主要特征物理吸附化學吸附吸附力選擇性吸附熱吸附速度吸附層可逆性分子間力不明顯較小<41.9kJ.mol-1速度快且易于平衡單分子或多分子可逆化學鍵力很明顯較大，近于反應熱83.7-418.7kJ.mol-1速度慢且難于平衡只能是單分子不可逆吸附特征對比表（4）吸附劑A、要求◆表面積大；◆吸附容量大；◆機械強度大；◆化學穩定性強；◆價格低廉；◆來源廣泛；B、類型活性炭硅藻土磺化煤活化煤腐殖質酸焦炭活性白土C、吸附機理◆細孔構造（小、中、大孔）；◆化學不飽和性（石墨型晶體）；§4.3.2吸附平衡與吸附速度（1）吸附平衡

吸附過程：吸附質被吸附劑吸附；

解吸過程：吸附質脫離吸附劑表面回到液相中；

吸附平衡：吸附速度＝解吸速度；

平衡濃度：吸附平衡時吸附質在溶液中殘余濃度；

吸附量：單位重量吸附劑所吸附的吸附質的量；式中：q—單位重量吸附劑所吸附物質量，g/g;V—廢水體積，L；x—被吸附量，g；m—投加吸附劑(活性炭)量，g；C0—吸附前污水中吸附質質濃度，g/L;C—吸附平衡時水中剩余的吸附質濃度，g/L;【例題分析】例4-1用活性炭吸附水中色素試驗方程式為：q=3.9C0.5，今有100L溶液，色素濃度為0.05g/L，欲將色素除去90%，需加多少活性炭？解：平衡時的C=0.05×(1-90%)=0.005(g/L)故q=3.9×0.0050.5=0.276(g/g)由

得：

（2）吸附等溫線（吸附量與平衡濃度關系曲線）A、Freurldlich型1/n=0.1-0.5易吸附1/n>2難吸附qC吸附等溫線B、Langmuir型：◆適用條件：單分子層吸附式中：q—吸附量；C—吸附質平衡濃度；a、b—分別為與吸附量，吸附能量有關的常數；

◆當液相濃度很低時，即b·C〈〈1則q=abC；◆當液相濃度很高時，即b·C〉〉1則q=a吸附等溫線qCaC、BET型（Brunauer-Emmett-Teller）

◆適用條件：多分子層吸附；式中：

Cs—吸附質的飽和濃度；C—吸附質的平衡濃度；q0—分別表示單分子層吸附時的最大吸附量；B—與吸附能量有關的常數；qCCS吸附等溫線（3）吸附速度◆吸附速度接觸時間吸附設備容積

◆吸附速度取決于吸附劑對吸附質的吸附過程:

◆吸附過程:

顆粒的外部擴散階段（慢）；顆粒的內部擴散階段（慢）；吸附反應階段(快)；(細孔內表面)（4）影響吸附的因素

吸附劑的性質吸附劑的比表面積；吸附劑的種類；吸附劑的顆粒大小、細孔構造和分布、表面化學性質；吸附質的性質溶解度（低有利于吸附）

表面自由能

極性吸附質分子的大小和不飽和度；吸附質的濃度；廢水的pH值共存物質溫度：升高溫度，吸附量減少；接觸時間（5）活性炭柱吸附操作

A、吸附操作◆靜態：小水量、間歇排放；◆動態：連續操作；B、吸附床◆固定床：升流式、降流式；升流式：運行時間長，易流失吸附劑；降流式：出水水質好，水頭損失大，需反沖洗;

◆移動床：優點：占地面積小，出水水質好，不需要反沖洗；缺點：不能使塔內吸附劑上下層互混，操作要求較高，◆流化床特點：

吸附劑保持流化狀態，與水的接觸面積增大；

設備小、生產能力大、基建費用低；

不需要反沖洗；C、穿透曲線（如圖）(BreakthroughCurves)aba-穿透點b-吸附終點c0ca=(0.050.1)c0cb=(0.900.95)c0D、吸附容量的利用1)采用多床串聯操作

2)采用升流式移動操作（6）吸附劑的再生◆加熱再生法：低溫再生:吸附碳氫和芳香化合物的活性碳再生;高溫再生:適于粒狀活性碳的再生;____脫水、干燥、炭化、活化、冷卻；◆藥劑再生法：無機藥劑再生、有機溶劑再生；◆化學氧化法：濕式氧化、電解氧化、臭氧氧化；◆生物法；（7）吸附法的優點◆處理程度高；◆應用范圍廣；◆適應性強；◆吸附劑可再生重復利用；◆可回收有用物質；◆設備緊湊，管理方便；（8）吸附法在廢水處理中的應用

染料化工廢水的處理

調節池冷卻沉降結晶廢水池固定床吸附塔石灰石膨脹中和濾池 圖二硝基氯苯廢水處理工藝流程二硝基氯苯鐵路貨車洗刷廢水處理§4.4離子交換法(IonExchange)§4.4.1概述◆處理對象：去除廢水中有毒有害的離子；

◆離子交換樹脂：空間網狀結構骨架和附屬在骨架上活性基團所構成的高分子化合物；RSO3-H+網狀結構骨架活性基團固定部分活性基團可交換部分RCH3N+(CH3)3OH-◆交換反應：

強酸性陽離子交換劑(Strong-acidcationresins)

弱酸性陽離子交換劑(Weak-acidcationresins)強堿性陰離子交換劑(Strong-baseanionresins)

弱堿性陰離子交換劑(Weak-baseanionresins)◆交換過程

外擴散（慢）；內擴散（慢）；進行離子交換反應（快）；內擴散；外擴散；§4.4.2離子交換法基本原理RH+M+=RM+H+交換交換飽和樹脂離子樹脂平衡狀態時有：

K越大表示樹脂對該離子的交換能力越強；§4.4.3離子交換劑§4.4.3.1離子交換劑分類離子交換劑有機類無機類天然沸石合成沸石天然合成強酸陽離子交換樹脂RSO3H

弱酸陽離子交換樹脂RCOOH強堿陰離子交換樹脂R-R3’NOH弱堿陰離子交換樹脂R-NH3OH§4.4.3.2離子交換劑的交換能力影響因素（1）離子交換樹脂的選擇性1）強酸陽樹脂的選擇順序：

Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH+4>Na+>Li+2）弱酸陽樹脂的選擇順序：

Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH+4>Na+>Li+3）強堿陰樹脂的選擇順序：

Cr2O72->SO42->NO3->Cl->F->HCO3->HSiO3-

4）弱堿陰樹脂的選擇順序：

Cr2O72->SO42->NO3->Cl->HCO3-（2）廢水水質對交換能力的影響1）懸浮物和油脂2）有機物3）高價金屬離子4）pH值：弱酸、堿離子交換樹脂5）水溫：732#陽樹脂<110C，717#陰樹脂<60C,6）氧化劑：O2、Cl2、H2Cr2O7（3）離子交換樹脂的物理化學特性A、物理性能◆外觀：透明或半透明球體；◆粒度：0.3—1.2mm； ◆密度：1.04-1.3g／mL。◆含水率：50％左右；◆交聯度：8％-12％；◆機械強度：年損耗量<3％—7%；◆耐熱性：貯藏和使用溫度為5-40℃。◆導電性：干樹脂不導電，濕樹脂可以導電；B、化學性能◆樹脂的交聯度：樹脂合成時采用交聯劑的用量◆樹脂的酸堿性：樹脂活性基團在水中可解離RSO3-H+RCH3N+(CH3)3OH-◆選擇性：化合價、離子半徑；◆交換容量（1）定義：指一定量樹脂中所含交換基團或可交換離子的摩爾數，以每g干樹脂的摩爾數表示；（2）分類：全交換容量(E全)、工作交還容量(E工)；E工=(60%70%)E全

§4.4.3.3離子交換樹脂的保存和使用（1）保存：溫度：0-400C，飽和食鹽水；（2）使用：◆新樹脂：水、5%HCl、2-4%NaOH清洗2次，每次4-8小時；◆轉型處理：陽樹脂（HCl）、陰樹脂（NaOH）§4.4.3.4離子交換樹脂的再生（1）再生方法◆用酸、堿再生；◆用中性鹽再生；◆用絡合劑（焦磷酸鉀）洗脫再生；（2）再生工藝◆順流再生：再生劑流向與交換時水流方向相同；◆逆流再生：再生劑流向與交換時水流方向相反；§4.4.4離子交換的工藝過程和設備(1)離子交換的工藝過程

交換階段反沖洗階段松動樹脂層，使再生液能均勻滲入層中;沖走的破碎粒子和截留的污物;再生階段清洗階段洗滌殘留的再生液和再生時出現的反應產物;(2)離子交換設備單床多床混合床移動床連續床流動床固定床動態法靜態法離子交裝置復床流動床：床內樹脂呈流動狀態，產水、再生、清洗都是連續進行；RNaCa(HCO3)2Mg(HCO3)2CaCl2MgCl2CaSO4MgSO4NaHCO3Na2SO4NaCI軟化水單床系統示意圖RNaRNa原水出水二級Na型離子交換系統示意圖CFAF原水出水復床離子交換系統示意圖CF陽離子樹脂AF陰離子樹脂CFAFLMCF-陽離子交換樹脂；AF-陰離子交換樹脂；LM-陰、陽離子交換樹脂原水出水混合床離子交換系統§4.4.5離子交換在水處理中的應用(1)水的軟化與除鹽2RH+Ca(HCO3)2=R2Ca+2CO2+2H2O2RH+Mg(HCO3)2=R2Mg+2CO2+2H2O2RH+CaCl2=R2Ca+2HCl2RH+MgSO4=R2Mg+H2SO4Ca2+R2CaRH+Mg2+=R2Mg+H+Na+RNa2ROH+SO42-=R2SO4+2OH-ROH+Cl-=RCl+OH-（2）離子交換處理含鉻廢水(Cr3+、Cr2O72-、CrO42-)；

◆三價鉻的交換（陽柱）3RH+Cr3+=R3Cr+3H+

◆六價鉻的交換（陰柱）2ROH+CrO42-=R2CrO4+2OH-

2ROH+Cr2O72-=R2Cr2O7+2OH-◆陽柱、陰柱的再生2R3Cr+3H2SO4=6RH+Cr2(SO4)3R2CrO4+2NaOH=2ROH+Na2CrO4R2Cr2O7+4NaOH=2ROH+2Na2Cr2O7+H2O◆工藝流程陽離子交換柱（氫型）陰離子交換柱（氫氧型）陽離子交換柱（氫型）電鍍廢水Mn+和CrO42-Cr2O72-Cr2O72-H2SO4M2(SO4)n再生廢液Cr2O72-凈化水(回用)再生液NaOHNa2CrO4Na2SO4H2SO4回收鉻酸離子交換法處理含鉻廢水（3）離子交換處理含汞廢水；

聚硫代苯乙烯陽離子交換樹脂對Hg2+、CH3Hg+用鹽酸再生；

（4）離子交換處理含鋅廢水；

6RSO3Na+ZnSO4=(RSO3)2Zn+Na2SO4（交換）(RSO3)2Zn+Na2SO4=2RSO3Na+ZnSO4（再生）§4.5膜分離法(MembraneSeparationProcessses)§4.5.1概述（1）定義：利用隔膜使溶劑同溶質或微粒分離的方法；（2）類型電滲析擴散滲析反滲透超濾、微濾液膜分離（3）特點：◆膜分離過程不發生相變；◆膜分離過程在常溫下進行；◆分離過程中不需要投加其他物質；◆裝置簡單，操作容易，易控制、維修；◆分離效率高；§4.5.2電滲析（Electro-dialysis）（1）電滲析原理與過程◆定義：在直流電場的作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性（即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過），而使溶液中的溶質與水分離的一種物理化學過程。★推動力：電位差；★傳遞機理：電解質離子選擇性透過；★透過物及大小：溶解性無機物，0.0004-0.1m；（2）離子交換膜的分類I按膜體結構分A、異相膜：離子交換劑和粘合劑混合加工而成的薄膜，

化學結構不連續；◆優點：制造容易、機械強度較高；◆缺點：選擇性差、膜電阻大；B、均相膜：具離子交換基團的高分子材料制成或在高分子膜上接上活性基團而制成的膜；C、半均相膜：成膜材料與活性基團混合得十分均勻，但沒有化學結合；◆優點：制造方便、電化學性能較好；◆缺點：長期使用，活性基團可能從膜材料上脫落；II按活性基團分A、陽離子交換膜；B、陰離子交換膜；C、特種膜

◆兩極膜：陰、陽膜貼在一起復合而得◆兩性膜：陰、陽離子活性基團同時存在，分布均勻III按材料性質分A、有機離子交換膜（聚乙烯、聚氯乙烯）B、無機離子交換膜（磷酸鈣）（3）離子交換膜的必備條件

◆高的離子選擇透過性；

◆高的交換容量；

◆低的電阻和滲水性；◆足夠的化學和機械穩定性；（4）離子交換膜的性能

◆交換容量◆含水量：30-50%◆破裂強度：0.3-1.0MPa◆厚度：異相膜（1mm），均相膜（0.2-0.6mm）◆導電性：干膜不導電；◆離子的選擇透過性和膜電位；（5）離子交換膜的選擇透過機理A、雙電層理論RCH3N+(CH3)3OH-固定基團解離離子磺酸型陽膜RSO3-

H+固定基團解離離子季胺型陰膜◆陽膜固定基團帶負電，只允許陽離子靠近和穿透膜；◆陰膜固定基團帶正電，只允許陰離子靠近和穿透膜；B、Donnan膜平衡理論NaCl（II）=NaCl（I）（化學平衡）[Na+](I)·[Cl-](I)=[Na+](II)·[Cl-](II)電中性原則：[Na+](II)=[Cl-](II)

[Na+](I)=[Cl-](I)+[RSO3-](I)根據以上三式得：[Cl-]2(II)=[Cl-]2(I)+[Cl-](I)[RSO3-](I)

[Na+]2(II)=[Na+]2(I)-[Na+](I)[RSO3-](I)

[Cl-](II)>[Cl-](I)

[Na+](II)<[Na+](I)

陽離子膜的選擇透過性！Na+RSO3-Na+CI-（I）（II）膜相液相磺酸鈉型陽膜（6）電滲析器的構造A、主要部件◆離子交換膜◆隔板◆電極：石墨和金屬◆夾緊裝置B、組裝：一級一段、兩級一段、一級兩段、兩級兩段；（7）工藝流程A、電滲析器本體的脫鹽系統：◆直流式、循環式、部分循環式B、電滲析與其他設備組合工藝系統：①原水→預處理→電滲析→除鹽水②原水→預處理→電滲析→消毒→除鹽水③原水→預處理→軟化→電滲析→除鹽水④原水→預處理→電滲析→離子交換→純水或高純水（8）應用◆海水淡化（或含鹽廢水的濃縮）◆廢水處理§4.5.3擴散滲析(Diffusedialysis)（1）定義：使高濃度溶液中的溶質透過膜向低濃度溶液中遷移的過程；（2）作用機制：溶質擴散；（3）透過物及大小：低分子物質、離子(0.0004-0.15m)（4）擴散滲析應用§4.5.4反滲透(Reverseosmosis)（1）滲透現象與滲透壓◆水分子由純水一側通過膜向咸水一側透過；

原因：純水的化學位高于咸水中水的化學位；

=0+RTlnx◆滲透壓

=iCRT—溶液的滲透壓，Pa；R—理想氣體常數，8.314;T—絕對溫度；Ki—系數（強電解質=陰、陽離子總數，非電解質=1）C—溶質的濃度，mol/m3；（2）反滲透分離原理A、推動力：壓力差；B、分離機理：溶劑的擴散（如圖）

純水咸水半透膜P(P>

)反滲透

（3）反滲透器類型A、板式（承壓板、透水板、膜）B、管式（膜襯在耐壓微孔管內壁）C、卷式D、中空纖維式（4）膜的清洗水力清洗水氣混合沖洗逆流清洗等

氫氧化鐵—檸檬酸銨乳化油廢水—表面活性劑

物理法化學法§4.5.5超濾（Ultrafiltration）（1）分離對象：大分子（M>500D=0.005-10m）微粒（細菌、病毒、蛋白質等）（2）推動力：壓力差（0.1～0.5MPa）（3）分離機理：篩濾及表面作用；◆膜表面孔徑機械篩分作用（主要作用）；◆膜孔阻塞、阻滯作用；◆膜孔對雜質的吸附作用；（4）超濾膜的種類及組件：◆醋酸纖維素超濾膜◆聚砜超濾膜（PS）◆組件：板式、管式、卷式、中空纖維式（5）超濾在環境保護中的應用A、超濾法處理染色廢水；B、超濾法處理含油廢水；還原蒸箱儲液池溢流廢水氧化槽超濾器加壓廢水循環液染料研磨拼、配色軋槽染料廢水處理工藝流程預處理儲存槽乳化油廢水UF超濾液UF濃縮液中間槽RORO濃縮液反滲透超濾處理乳化油廢水工藝出水方法推動力傳遞機理透過物截留物膜類型電滲析電位差離子選擇性透過溶解性無機物0.0004-0.1um非電解質大分子離子交換膜反滲透壓力差溶劑的擴散水、溶劑0.0004-0.06um溶質、鹽(SS