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1、第四节 废水的物理化学处理法,一.吸附法 吸附法是利用多孔性固体吸附剂来处理废水的方法。（一）基本原理 吸附是发生在固液（气）两相界面上的一种复杂的表面现象，在吸附剂的内层，分子在各方向所受周围分子的吸引力相同，而在吸附剂表面层的分子，受内层分子的引力与受外界分子的引力是不同的，即表面层分子受力不均匀，存在着剩余的表面自由力场。水中溶质分子在碰撞到固体表面时，则会在表面力场的作用下被吸附，不断地从溶液中转移到吸附剂表面，直到表面力场全部被抵消为止。,根据吸附剂和吸附质之间发生吸附时作用力性质的不同，可以将吸附过程分为三类：,物理吸附 由分子间作用力（范德华力）而产生的吸附，它的选择性不强，热效
2、应也比较小（约42kJmol或更小），其吸附速率较大，受温度影响也较小，但吸附的牢固程度低，是一个可逆过程。影响物理吸附的主要因素是吸附剂的比表面积和微孔的分布。化学吸附 由化学键力引起的吸附过程，有选择性，热效应比较大，与化学反应的反应热相近，约为84420kJmol。化学吸附受温度影响较大，温度上升吸附速率也迅速上升。由于化学吸附的化学键力远远超过物理吸附的范德华力，所以一般是不可逆的。,交换吸附 溶质的离子由于静电引力作用而聚集在吸附剂表面的带电点上并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。影响交换吸附的主要因素是离子电荷数和水合半径大小。,（二）吸附剂,废水处理中常用的吸附剂有白土、硅
3、藻土、硅胶、活性炭、合成沸石等。吸附剂的再生：（1）水蒸气吹脱法 向吸附剂层通人水蒸气，使被吸附物质脱除并随水蒸气一起离开床层，并能去掉颗粒表面阻塞物，该法只限于再生吸附易挥发性物质的活性炭。（2）溶剂萃取法 吸附质在某种溶剂中溶解度较大，而吸附剂对该溶剂吸附作用较弱 的情况下，可以使该溶剂做萃取剂将吸附物溶解下来。,（3）加热法 升高温度有利于脱附的实现。因此，将吸附剂加热到一定温度（如活性 炭的活化可加热到700900），即可使被吸附物质脱附。在高温时，还可使有机物质分 解。该法应用最广泛，但应防止炭的着火，且炭的损失也较高，每再生一次，可损失7 10左右。（4）化学氧化法 使被吸附物质发
4、生化学反应生成一种不易被吸附的物质而脱附。例如，对活性炭上吸附的有机物，可以有蒸汽和空气的混合物，使其氧化为CO2而脱附。,吸附剂的再生：,（四）吸附法处理废水的应用实例 含汞废水的处理,活性炭吸附法多和其他方法配合使用，置于二级处理后面，作为废水的深度处理。,二.离子交换法,离子交换法是利用离子交换剂来分离废水中有害物质的方法，这是一种特殊的物理化学方法在固体物质上吸附离子并进行离子交换，它可改变所处理液体的离子成份，但不改变交换前后废水中离子的总电荷数。目前离子交换法已成为实验室研究工作和化工过程中的一个重要的分离手段，但其最广泛应用的还是在水处理方面，它能有效去除废水中重金属离子（如 C
5、u、Ni、Zn、Hg、Ag、Au等）和磷酸、硝酸、有机物和放射性物质等。,（一）离子交换原理,离子交换剂是一种带有可交换离子（阳离子或阴离子）的不溶性固体物，由固体母体和交换基团两部分组成，交换基团内含有可游离交换的离子。离子交换反应就是这种可游离交换的离子与水中同性离子间的交换过程，它也是一种特殊的化学吸附过程。典型的阳离子交换反应可表示为：典型的阴离子交换反应可表示为：,（二）离子交换剂,人工合成的离子交换树脂由树脂本体（又称母体）和活性基团两个部分组成。树脂母体通常是由具有线型结构的高分子有机化合物聚苯乙烯和一定数量的二乙烯苯所组成。二乙烯苯也称交联剂，它的作用是使线状聚合物之间相互交联
6、，成立体网状结构。活性基团由固定离子和活动离子组成，固定离子固定在树脂的网状骨架上，活动离子（又称交换离子）则依靠静电引力与固定离子结合在一起，二者电性相反，电荷数相等。,1.离子交换树脂类型,2离子交换树脂的基本性能,（1）含水量和密度 树脂交联网孔内，都含有一定量的结合水分，树脂交联度愈小，内部孔隙率则愈大，含水率也大。含水率也与官能基的性质有关，并随着空气湿度变化而改变。,阳离子交换树脂的干真密度约为 1.4gcm3，阴离子交换树脂的干真密度为1.2gcm3。,湿真密度是指按产品要求的含水率的商品树脂颗粒本身的密度,视密度指树脂在水中充分膨胀时（树脂工作状态）的堆积密度,粒度指树脂颗粒大
7、小，它对树脂交换能力、树脂层中水流分布的均匀程度、水通过树脂层的压力降及交换和反冲洗的流失等均有影响。通常使用的树脂，颗粒半径为0.31.2mm。表示粒度方法有两种，一种是颗粒半径表示，另一种是以筛子目数表示，标准筛有两种，美国筛和英国标准筛（BSS）。,（2）粒度,（3）交联度,带有离子团的直链碳氢大分子可溶于水，为使之不溶于水，须用交联剂使之交联，（如聚苯乙烯树脂以二乙烯苯为交联剂），合成时所用单体中含有交联剂质量百分比称为树脂的交联度。如聚苯乙烯树脂的交联度为8DVB，则表示这种树脂合成时，单体中苯乙烯占92，二乙烯苯（交联剂）占8。交联度与树脂的许多性质（溶解度、交换容量、含水量、膨胀
8、性、选择性、稳定性）都有关。因此适当的交联度是有利的，但交联度过高，结构过分紧密，则水溶液中高分子量离子难以进人，且渗透的速率也小。,离子交换树脂能吸水溶胀，这是由于树脂上的活性基团能够电离，其固定离子与反离子均有溶剂化作用的缘故。离子的溶胀取决于所接触的介质（空气、水、溶剂）、树脂本身的结构特征、电荷密度（离子团的性质、浓度）、反离子的种类（价数、离子半径）等。,（4）溶胀性,（5）交换容量,交换容量可反应出树脂交换反离子能力的大小，是离子交换树脂最重要的性能。通常按每克干树脂所能交换离子的毫摩尔数来表示，记为 m mol/g。生产上常用单位体积树脂所能交换的摩尔数表示。它是设计离子交换过程
9、和装置时所必须的数据。,（6）选择性,由于交联剂的加入使树脂结构具有一定的孔隙：网孔，只有比网孔小的离子才能穿过网孔，进入内部进行交换。另外，交换剂对不同离子的亲和力也不相同，使得离子交换树脂具有一定的选择性。常温低浓度水溶液中，不同类型树脂对各种离子的交换顺序归纳如下：,位于顺序前列的离子可以取代位于顺序后列的离子。在高温高浓度时，处于顺序后列的离子也可以取代位于顺序前列的离子，这是树脂再生的依据之一。,3.树脂的再生,碱是一OH型阴离子交换树脂的再生剂。强碱性阴离子交换树脂必须用强碱溶液再生（如 NaOH），而弱碱性阴离子交换树脂除用NaOH作再生剂外，还可用弱碱性物质如Na2CO3和氨水
10、作再生剂。酸是一H型阳离子交换树脂的再生剂，如盐酸、硫酸等。若树脂上吸着有能与Cl-和SO42-形成沉淀物的金属离子时，应用硝酸为再生剂，或先用硝酸淋洗、再生，后用盐酸、硫酸完全再生。,三.膜分离法,膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成份进行选择性透过的一类方法的总称。溶质透过膜的过程称为渗析，溶剂透过膜的过程称为渗透。膜可以是气相、液相和固相，废水处理中应用最广泛的膜常是固相，常用的膜分离法有反渗透法、电渗析法、超过滤法、微孔过滤、隔膜电解法和液膜法等。,（一）反渗透法 1.基本原理,反渗透是自然渗透的逆过程，若将两种不同浓度的溶液用一种只能透过水而不能透过溶质的半透膜隔开，淡水则会自然
11、地从低浓度溶液一侧透过膜渗透到高浓度溶液的一侧，,这一现象叫渗透，渗透达到平衡时的平衡压力称渗透压。若在高浓度一侧加上一大于渗透压的压力，其中的水分则会透过半透膜反向渗透，这一过程叫反渗透。,一般认为是选择性吸附毛细管流机理，即认为反渗透膜是多孔性膜，具有良好的化学性质，当溶液与这种膜接触时，由于界面现象和吸附作用，对于优先吸附在界面上的水以水流的形式通过膜的毛细管并被连续地排出。所以反渗透过程是界面现象和在压力下流体通过毛细管地综合效应。,反渗透膜的透过机理,2.反渗透膜,反渗透膜是一种半透膜，所谓半透膜是指只能通过溶液中某种组分的膜，水处理中所用的半透膜要求只能通过水分子，但也可能有少量的其他离子或小分子通过。半透膜的厚度一般为几个m到0.1m，分平膜和中空纤维膜两种。,醋酸纤维素膜（CA），厚100m左右，乳白色，表面致密层厚0.25m，它具有微孔结构，孔隙率12，为结合水占满，孔径小于8，具有脱盐能力。,致密层下部为多孔支持层，是一种凝胶体的海棉状结构，空隙率为60，含有结合水及毛细管水，但孔径大（有的可达几千A）只起支持致密层和使水流通作用。,（二）、电渗析,电渗析是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性把电解质从溶液中分离出来的过程。电渗析主要用于海水淡化、制取饮用水和工业纯水，目前也开始在重金属废水、放射性废水处理中得到应用。,
