廢水的物理化學(xué)處理-3離子交換、膜分離、萃取 課件

1、水污染控制工程水污染控制工程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容 污水處理技術(shù)的基本術(shù)語、理論及理念； 污水處理技術(shù)的基本計(jì)算方法； 污水處理主要構(gòu)筑物的構(gòu)造及工作原理； 污水處理技術(shù)的應(yīng)用范圍和運(yùn)行特點(diǎn)。第四章 廢水的物理化學(xué)處理 廢水物理化學(xué)處理法是廢水處理方法之一種。系運(yùn)用物理和化學(xué)的綜合作用使廢水得到凈化的方法。 它是由物理方法和化學(xué)方法組成的廢水處理系統(tǒng)，或是包括物理過程和化學(xué)過程的單項(xiàng)處理方法，如浮選、吹脫、結(jié)晶、吸附、萃取、電滲析、離子交換、反滲透等。 如為去除懸浮的和溶解的污染物而采用的化學(xué)混凝沉淀和活性炭吸附的兩級(jí)處理，是一種比較典型的物理化學(xué)處理系統(tǒng)。第四章 廢水的物理化學(xué)處理 和生物處理法相比，

2、此法優(yōu)點(diǎn)：占地面積少；出水水質(zhì)好，且比較穩(wěn)定；對(duì)廢水水量、水溫和濃度變化適應(yīng)性強(qiáng)；可去除有害的重金屬離子；除磷、脫氮、脫色效果好；管理操作易于自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制等。但是，處理系統(tǒng)的設(shè)備費(fèi)和日常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)較高。 第一節(jié) 混凝 第二節(jié) 氣浮第三節(jié) 吸附 第四節(jié) 離子交換第五節(jié) 膜分離 第六節(jié) 萃取、吹脫與汽提 第四節(jié) 離子交換一、基本原理 離子交換樹脂遇水溶液時(shí)，能夠從水溶液中吸著某種(類)離子，而把本身所具有的另外一種相同電荷符號(hào)的離子等摩爾量地交換到溶液中去，這種現(xiàn)象稱為離子交換。 離子交換法是一種借助于離子交換劑上的離子和水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)而去除水中有害離子的方法。 在工業(yè)廢水處理中，主要用

3、于回收貴重金屬離子，也用于放射性廢水和有機(jī)廢水處理。 按照交換離子帶電的性質(zhì)，離子交換反應(yīng)可分為陽離子交換和陰離子交換兩種類型。 以陽離子交換為例來說明離子交換的基本原理 RA+B+RB+A+ 一般只能處理低濃度廢水二、離子交換劑 離子交換劑分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。前者有天然沸石和人造沸石等；后者是一種高分子聚合物電解質(zhì)，稱為離子交換樹脂，是使用最廣泛的離子交換劑。 （一）離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)組成 離子交換樹脂由骨架和活性基團(tuán)兩部分組成。 R-SO3H 骨架又稱為惰性母體R-，不參加交換過程。 活性基團(tuán)連接在骨架上，活性基團(tuán)由固定離子和可交換離子組成。可交換離子與溶液中同性離子進(jìn)行交換反應(yīng)。（二）

4、離子交換樹脂的性質(zhì) 離子交換樹脂是人工合成的高分子聚合物，常見的單體是苯乙烯系、酚醛系或丙烯酸系。 1.物理性能（1）外觀：外觀呈透明或半透明球形。（2）含水率：每克濕樹脂所含水分的百分比(50%)（3）溶脹性：離子交換器的設(shè)計(jì)和使用過程中，應(yīng)注意樹脂的溶脹和收縮性能。（4）濕視密度：指樹脂在水中溶解后的質(zhì)量與堆積體積之比，一般為0.600.85g/mL。（5）耐熱性: 樹脂的貯藏和使用溫度540。2. 化學(xué)性能 （1）交換容量：表示樹脂交換能力的大小，常用容積法表示。容積法是指單位體積的濕樹脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用Ev（mol/L）表示。(2) 選擇性：離子交換樹脂優(yōu)先吸附某種離子的性能稱

5、為選擇性。在常溫和低濃度溶液中，各種樹脂對(duì)不同離子的選擇性大致有如下規(guī)律： 離子價(jià)數(shù)越高，選擇性越好。 注意點(diǎn)：高濃度時(shí)，濃度成為交換反應(yīng)的決定性因素，主要依據(jù)濃度的大小排列順序，這是樹脂再生的依據(jù)之一。（3）有效pH值范圍 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性交換樹脂與pH值無關(guān)。弱酸性樹脂pH低時(shí)不電離或部分電離，適合堿性溶液。弱堿性樹脂則相反，適合酸性溶液。 （三）離子交換樹脂的選用 1當(dāng)分離無機(jī)陽離子或有機(jī)堿性物質(zhì)時(shí)，宜選用陽離子交換樹脂；2當(dāng)分離無機(jī)陰離子或有機(jī)酸時(shí)，宜選用陰離子交換樹脂；3對(duì)氨基酸等兩性物質(zhì)的分離，即可用陽離子交換樹脂，也可用陰離子交換樹脂；4對(duì)某些貴金屬和有毒金屬離子（Hg2+）可選用螯

6、合樹脂交換回收；5. 對(duì)有機(jī)物（如酚）宜用低交聯(lián)度（交聯(lián)劑含量的百分?jǐn)?shù)）的大孔樹脂處理。 （四）如何鑒別離子交換樹脂？ 水處理中常用的四大類樹脂往往不能從外觀鑒別。根據(jù)其化學(xué)性能，可用以下方法區(qū)分。 未知樹脂的鑒別三、離子交換與再生 離子交換法的全過程包括：交換、反沖洗、再生、清洗四個(gè)階段。（一）交換階段 從廢水中分離、脫除需要去除的離子的操作過程。當(dāng)運(yùn)行到出水中的離子濃度達(dá)到限定值時(shí)，應(yīng)立即停止交換。（二）反沖洗階段：反沖洗目的有兩個(gè)：1松動(dòng)樹脂層，使再生液能均勻滲入層中，與交換劑顆粒充分接觸；2. 交換階段產(chǎn)生的破碎離子和截留的污物沖走。沖洗水可用自來水或廢再生液。 （三）再生階段 再生是

7、通過使較高濃度的再生液流過樹脂層，把吸附的離子置換出來，使樹脂恢復(fù)交換能力。 1.再生方式分為順流再生和逆流再生。（1）順流再生:再生階段的液流方向和交換時(shí)水流方向相同。缺點(diǎn)：再生劑用量多、交換容量低、出水水質(zhì)差（2）逆流再生：再生階段的液流方向和交換時(shí)水流方向相反。優(yōu)點(diǎn)：再生劑用量少、樹脂再生程度高、保證出水質(zhì)量。缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜、操作控制較嚴(yán)格。 2. 再生劑的選擇 盡量使用濃度較高的再生劑、采用順流交換、逆流再生方法。再生時(shí)，交換劑的交換能力恢復(fù)到原來的80%即可。這樣不僅可以節(jié)約再生劑、縮短再生時(shí)間、而且提高了再生液中回收物質(zhì)的濃度，有利于回收。（四）清洗階段 清洗目的是洗滌殘留的再生液

8、和再生時(shí)可能出現(xiàn)的反應(yīng)產(chǎn)物。清洗水最好用交換處理后的凈水。 1、離子交換樹脂由 和 兩部分組成。2、離子交換法的全過程包括 、 、 、 四個(gè)階段。習(xí)題： 你知道嗎四、離子交換工藝 （一）離子交換設(shè)備 常用的有固定床、移動(dòng)床和流動(dòng)床三種，應(yīng)用最廣泛的是固定床離子交換器。1.固定床離子交換器 分為單層床、雙層床和混合床三種。 單層床只裝一種樹脂；雙層床裝兩種同性不同型的樹脂，由于比重不同而分為兩層；混合床是把陰陽離子兩種樹脂混合裝成一床使用。（1）結(jié)構(gòu)：床層固定不變，水流由上而下流動(dòng)。（2）優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備緊湊、操作簡單、出水水質(zhì)好。 缺點(diǎn)：再生費(fèi)用大、生產(chǎn)效率不高。2.移動(dòng)床離子交換器 包括交換柱和再

9、生柱兩個(gè)主要部分，是一種半連續(xù)式交換設(shè)備，整個(gè)交換樹脂在間斷移動(dòng)中完成交換和再生。 優(yōu)點(diǎn)：樹脂利用率高、連續(xù)運(yùn)行、效率高。 缺點(diǎn)：設(shè)備較復(fù)雜。3.流動(dòng)床離子交換器 交換樹脂在連續(xù)移動(dòng)中完成交換和再生。 （二）離子交換器的設(shè)計(jì) 1. 離子交換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（1）根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)或出水去向和用途，確定處理后的水質(zhì)要求。（2）根據(jù)廢水水量、水質(zhì)及處理要求，選擇交換器類型，確定合理的處理流程。（3）選用離子交換樹脂、再生劑種類，確定樹脂和再生劑用量。選擇中綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)因素。（4）確定合理的工藝參數(shù)。選定合適的過濾速度及工作周期。（5）進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。 2.固定床的設(shè)計(jì)計(jì)算 通過實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)踐取得設(shè)計(jì)

10、參數(shù)后，按下法計(jì)算。（1）樹脂用量的初步計(jì)算選定交換周期T(h)，計(jì)算一個(gè)交換周期內(nèi)應(yīng)去除的污染物總量N(mol)： N=Q（Co-C）T根據(jù)選定的樹脂工作交換容量E(mol/m3樹脂)，計(jì)算所需的樹脂體積VR(m3)： VR=N/E根據(jù)樹脂的濕視密度(t/m3)，計(jì)算樹脂重量M(t)： M=VR （2）交換柱主要尺寸的計(jì)算 先選定樹脂層的高度HR（一般為0.701.50m）再根據(jù)VR和HR計(jì)算交換柱的直徑D。 H=(1.82.0)HR（3）核算過濾速度 按照下式核算過濾線速度V是否合適： 式中：F交換柱截面面積 如果計(jì)算出的濾速與一般經(jīng)驗(yàn)值相差太大，就得重新計(jì)算。 此外，也可先選定濾速V，按

11、上式計(jì)算交換柱的直徑。 五、離子交換在廢水處理中的應(yīng)用 主要用于回收廢水中的重金屬和貴稀金屬。1.含鉻廢水的處理 電鍍含鉻廢水中主要含有以CrO42-和Cr2O72-形式存在的六價(jià)鉻和少量的三價(jià)鉻。 2. 鍍金廢水中金的回收 鍍金廢水中金以絡(luò)陰離子Au(CN)2-的形式存在，因此選用強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂進(jìn)行處理。交換反應(yīng)式為： 失效的樹脂可用焚燒樹脂的辦法來回收黃金或采用丙酮、HCl水溶液進(jìn)行再生并回收黃金，再生反應(yīng)為： 得到含AuCl的丙酮溶液，對(duì)此溶液進(jìn)行蒸餾，回收丙酮。第五節(jié) 膜分離 一、概述 膜分離技術(shù)是利用特殊的薄膜對(duì)液體中的某些成分進(jìn)行選擇性透過的技術(shù)總稱。 常用的膜分離法有電滲析

12、、反滲透、膜濾(微濾、納濾、超濾)，其次還有自然滲析和液膜技術(shù) 共同的優(yōu)點(diǎn)：1）可在常溫下得到分離，特別適于對(duì)熱敏感性物質(zhì)的分離。2）能耗較低，因此又稱為節(jié)能技術(shù)。3）設(shè)備簡單、易于操作、便于維修、適用范圍廣二、電滲析 （一）電滲析原理 電滲析是在直流電場(chǎng)的作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、濃縮精制或純化的目的。 滲透膜有陽離子交換膜和陰離子交換膜，陽膜只能透過陽離子而陰膜只能透過陰離子。 （二）電滲析裝置 電滲析裝置主要包括電滲析器本體及輔助設(shè)備兩部分。電滲析器本體包括膜堆、極區(qū)和壓緊裝置三大部分。輔助設(shè)備是指各種料液槽、水泵

13、、直流電源及進(jìn)水預(yù)處理設(shè)備等。1. 膜堆 膜堆主要由交替排列的陰、陽離子交換膜和隔板組成。 2. 極區(qū) 主要作用是供給直流電源。3. 壓緊裝置 作用是把極區(qū)和膜堆組成不漏水的電滲析器整體（三）電滲析技術(shù)的應(yīng)用 海水、苦咸水淡化 ；2. 電廠和其他工業(yè)鍋爐用水；3. 工藝用水除鹽、初級(jí)純水制備；4. 純水、超純水制備 ；5. 廢水處理、有用物質(zhì)回收和再生水回用。 浙江省郵電印刷廠投產(chǎn)了一套電滲析和離子交換聯(lián)合工藝裝置，實(shí)現(xiàn)了含銅廢水閉路循環(huán)處理廢水含銅濃度從100mg/L降到1mg/L，達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)。處理水作為沖洗用水，減少了自來水用量 三、反滲透 （一）反滲透原理 反滲透過程必須具備兩個(gè)條件

14、：1）必須有高選擇性和高滲透性的選擇性半透膜；2）操作壓力必須高于溶液的滲透壓。 (二)反滲透膜 反滲透膜要具備以下多種性能：1. 單位面積上透水量大，脫鹽率高；2. 機(jī)械強(qiáng)度好，多空支撐層的壓實(shí)作用?。?. 化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、堿腐蝕和微生物侵蝕；4. 結(jié)構(gòu)均勻，使用壽命長，性能衰減慢；5. 制模容易，價(jià)格便宜，原料充足。常用的膜有兩種： 醋酸纖維素膜（CA膜）和芳香聚酰胺膜。 (三) 反滲透裝置 反滲透裝置有板框式、管式、螺卷式和中空纖維式四種。板框式反滲透裝置優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，體積 比管式的小。缺點(diǎn)：裝卸復(fù)雜，單位 體積膜表面積小。 2管式反滲透裝置 優(yōu)點(diǎn)：水力條件好，能防止膜的污染和堵塞

15、，能處理含懸浮物的溶液，安裝、清洗、維修方便。缺點(diǎn)：膜的有效面積小，裝置體積大，而且兩頭需要較多的連接裝置。 3螺旋卷式反滲透裝置 優(yōu)點(diǎn)：單位體積內(nèi)膜的裝載面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小。缺點(diǎn)：容易堵塞、清洗困難，因此對(duì)原液的預(yù)處理要求嚴(yán)格。 4中空纖維式反滲透裝置 優(yōu)點(diǎn)：單位體積的膜表面積大， 裝備緊湊。缺點(diǎn)：原液預(yù)處理要求嚴(yán)格，難 以發(fā)現(xiàn)損壞膜。 （四）反滲透處理工藝 包括被處理廢水的預(yù)處理工藝、膜分離工藝、膜的清洗工藝。1預(yù)處理工藝 包括去除水中過量的懸浮物，調(diào)節(jié)和控制進(jìn)水的pH值和水溫，去除乳化和未乳化的油類與溶解性有機(jī)物。 2. 膜分離工藝組件的組合方式 組件的組合方式主要有三種形式，

16、即一級(jí)一段連續(xù)式工藝，一級(jí)一段循環(huán)式工藝及多級(jí)串聯(lián)連續(xù)式工藝。 3. 反滲透膜的清洗 最簡單的辦法是用低壓高速水沖洗膜面，也用空氣與水混合的高速氣-液流噴射清洗。 當(dāng)膜面污垢較密實(shí)而且厚度較大時(shí)，可采用化學(xué)法清洗。主要是加入化學(xué)清洗劑清洗。 （五）反滲透技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用 電鍍廢水 該流程具有以下優(yōu)點(diǎn)。1) 可實(shí)現(xiàn)電鍍廢水按電鍍槽液成分進(jìn)行原樣濃縮,濃縮的電鍍廢水可以重新返回鍍槽使用。而透過液可重新被用作清洗水。（2）反滲透法不添加任何化學(xué)物質(zhì)，因此不產(chǎn)生污泥和殘?jiān)?，也不產(chǎn)生二次污染。 注意點(diǎn)（1）膜對(duì)電鍍廢水中各個(gè)成分的分離率不完全相同。因此濃縮液返回鍍槽前，需要對(duì)各組分的配比按鍍液各組

17、分的配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。(2) 電鍍廢水的性質(zhì)有很大差異。因此正確選擇和使用膜材料，合理地確定相應(yīng)的工藝參數(shù)。 四、超濾 超濾是指利用一定孔徑的膜截流溶液中的大分子物質(zhì)和微粒，而溶液中的溶劑及低分子量物質(zhì)能透過膜從而達(dá)到分離的目的。 用途：主要用于從液相物質(zhì)中分離大分子化合物(蛋白質(zhì)、核酸聚合物、淀粉、天然膠、酶等)、膠體分散液(粘土、顏料、礦物料、微生物等)和乳液(潤滑脂、洗滌劑以及油-水乳液)。 也用于分離溶液中的低分子量溶質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、分離、提純和凈化。 特點(diǎn)：具有相態(tài)不變、無需加熱、設(shè)備簡單、占地少、能耗低、操作壓力小、泵與管道對(duì)材料要求不高。 一、超濾工作原理 二、超濾操作方

18、式 按照操作方式一般有間歇式和連續(xù)式兩種方式間歇式操作：一般在實(shí)驗(yàn)室和中試中使用，料 液處理量較小時(shí)使用。2.連續(xù)式操作：可采用單級(jí)或多級(jí)方式。 三、超濾在廢水處理中的應(yīng)用 1.染料廢水處理 醇式鈉鹽2.電泳涂漆廢水處理第六節(jié) 萃取 萃取是利用廢水中污染物在基本互不相溶的水相和萃取劑相之間溶解度的差異，或是利用污染物與萃取劑之間發(fā)生化學(xué)作用而使污染物從水相轉(zhuǎn)入萃取劑相的過程。一、萃取基本原理 萃取可分為物理萃取和化學(xué)萃取。物理萃取：利用污染物在水相和萃取劑相中的 不同分配關(guān)系將污染物與水分離。 2.化學(xué)萃取：是指污染物與萃取劑之間存在化學(xué) 作用的萃取過程。 （一）萃取劑的選擇 選取萃取劑時(shí)，一

19、般要考慮以下因素： 對(duì)萃取物有高的溶解度，而萃取劑本身在水中 溶解度要低。兩者不形成恒沸物； 萃取劑與水的比重差要大； 兩者沸點(diǎn)差要大，易分離、再生； 無毒，腐蝕性小，不易燃、易爆； 價(jià)低，來源廣。（二）萃取劑的再生 萃取后的萃取相需經(jīng)再生，將萃取物分離后，萃取劑繼續(xù)使用。再生的方法主要有以下兩種：（1）物理法（蒸餾或蒸發(fā)法）。利用萃取劑與萃取物的沸點(diǎn)差來分離。（2）化學(xué)法（反萃?。Ｍ都幽撤N化學(xué)藥劑，使其與萃取物形成不溶于萃取劑的鹽類，從而達(dá)到兩者分離的目的。 二、萃取工藝 萃取工藝過程包括三個(gè)工序：混合：把萃取劑與廢水進(jìn)行充分接觸，使污染物 從廢水中轉(zhuǎn)移到萃取劑中去；2. 分離：使萃取劑與萃余相分層分離；3. 回收：分別從兩相中回收萃取劑和污染物。 廢水處理中最常用的是多級(jí)逆流萃取流程 特點(diǎn)：傳質(zhì)動(dòng)力大、分離程度高、萃取劑用量少三、廢水處理中的應(yīng)用 利用苯-堿法萃取脫酚工藝處理含酚廢水 第五節(jié) 吹脫與汽提 吹脫與汽提均屬于污染物由液相向氣相轉(zhuǎn)移的分離方法。 主要用于脫除廢水中濃度較高、沸點(diǎn)較低、冷凝后又易與氣相介質(zhì)分離的污染物。 將空氣（或CO2、N2）作為載氣來推動(dòng)廢水中污染物向氣相轉(zhuǎn)移的過程，稱為吹脫。 若采用水蒸汽作為載氣，則稱為汽提。 一、吹脫基本原理 將空氣通入廢水中，改變有毒