廢水處理化學(xué)單元課件

廢水處理化學(xué)單元廢水處理化學(xué)單元1課程內(nèi)容壹、 前言貳、中和叁、化學(xué)沉降肆、混凝與膠凝伍、離子交換陸、吸附柒、化學(xué)氧化還原捌、逆滲透玖、消毒課程內(nèi)容壹、 前言2壹、前言壹、前言3化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)要項物質(zhì)：到底誰參予反應(yīng)?條件(3T)：溫度(Temperature)、時間(Time)、攪拌(Turbulence)化學(xué)反應(yīng)之現(xiàn)象動力：到底有多快?熱力：到底變成誰?各物種間的質(zhì)量關(guān)係為何?化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)要項4化學(xué)處理原則使隱形現(xiàn)身：溶解性無機物主要包括陰、陽離子兩大類，需以化學(xué)方法將隱形變?yōu)橛行吾岱娇杉右匀コ?。一才多用：化學(xué)藥劑應(yīng)用於各種水處理之種類和形式甚多，同一種藥劑經(jīng)?？墒褂渺恫煌哪康摹Ｒ虿氖┙蹋横槍υ|(zhì)與處理要求選擇適當(dāng)之化學(xué)藥劑與設(shè)備，並對化學(xué)藥劑的特性、處理效果、加藥方式和反應(yīng)控制等加以瞭解，才能經(jīng)濟有效地達(dá)到處理的目的?；瘜W(xué)處理原則使隱形現(xiàn)身：溶解性無機物主要包括陰、陽離子兩大類5貳、中和貳、中和6中和的目的中和為化學(xué)處理中調(diào)整反應(yīng)系統(tǒng)條件的手段，有時單藉由中和並無法達(dá)到處理目的提供反應(yīng)系統(tǒng)H+與OH-離子調(diào)整反應(yīng)系統(tǒng)之pH值，使其符合預(yù)設(shè)之最佳條件中和的目的中和為化學(xué)處理中調(diào)整反應(yīng)系統(tǒng)條件的手段，有時單藉由7中和反應(yīng)中和反應(yīng)係指將水中含氫(H+)之酸性化合物與鹼性之氫氧基(OH-)反應(yīng)，生成水和鹽類之化學(xué)反應(yīng)。理論上pH值是以水溶液中氫離子活性取對數(shù)值乘以負(fù)號，但在低離子強度時可以用氫離子濃度表示。(熱力學(xué)平衡方程式)水溶液溫度為25℃，pH=7.0時為中性，pH<7.0代表水溶液呈酸性，pH>7.0代表水溶液呈鹼性。僅適用於低離子強度，高離子強度時需考慮共同離子效應(yīng)中和反應(yīng)中和反應(yīng)係指將水中含氫(H+)之酸性化合物與鹼性之氫8中和劑之種類鹼劑：用於酸性廢水(包括金屬工業(yè)、有機工業(yè)、染整工業(yè)、電鍍工業(yè)、印刷電路板製造業(yè)等之廢水)。氫氧化鈉(NaOH)蘇打灰(Na2CO3)酸劑：用於鹼性廢水(包括化學(xué)工業(yè)、製紙工業(yè)、皮革工業(yè)、石油精製工業(yè)、染整工業(yè)等之廢水)。硫酸(H2SO4)中和劑之種類鹼劑：用於酸性廢水(包括金屬工業(yè)、有機工業(yè)、染整9中和劑的應(yīng)用金屬化學(xué)沉澱

藉由添加提高pH值，使產(chǎn)生氫氧化金屬沉澱混凝單元以鋁系或鐵系之混凝劑進(jìn)行混凝沉澱操作，各有其適當(dāng)之反應(yīng)pH值高級氧化

Fenton氧化法之反應(yīng)最適pH值為2~4之間逆滲透(RO)處理程序

為預(yù)防結(jié)垢，需將進(jìn)流水調(diào)整至適當(dāng)之pH值，使水中鹽類之溶解度最大其他

含氰化物之廢水處理系統(tǒng)中，為防止HCN毒性氣體之產(chǎn)生，則需要將廢水之pH值維持在鹼性調(diào)整出流水pH值使符合標(biāo)準(zhǔn)中和劑的應(yīng)用金屬化學(xué)沉澱10加藥控制原理緩衝範(fàn)圍設(shè)定的控制為最傳統(tǒng)的控制方式，設(shè)定緩衝範(fàn)圍，當(dāng)測定值落於此範(fàn)圍內(nèi)則停止加藥，此緩衝時間使藥劑得以混合均勻?qū)嵗哼B續(xù)進(jìn)流酸性原水，反應(yīng)系統(tǒng)要求pH10，緩衝範(fàn)圍pH9.5~10.5反應(yīng)系統(tǒng)pH監(jiān)測電極是否高於10.5是停止加藥或降低加藥速度否是否低於9.5是否開始添加或加速添加鹼劑加藥控制原理緩衝範(fàn)圍設(shè)定的控制為最傳統(tǒng)的控制方式，設(shè)定緩衝範(fàn)11連續(xù)進(jìn)流加藥控制方式隨偵測之pH值距離設(shè)定點之遠(yuǎn)近，而調(diào)整加藥機之啟動，當(dāng)測定值愈趨近設(shè)定點，則加藥機停止愈久比例式頻率控制隨偵測之pH值距設(shè)定點之遠(yuǎn)近，調(diào)整加藥機之運轉(zhuǎn)頻率，測定值離設(shè)定點愈遠(yuǎn)，則加藥頻率愈高，優(yōu)點是加藥不停止，只調(diào)整加藥的速度，對於水量較大，且pH值變化較快的程序，可以更快速地調(diào)節(jié)到穩(wěn)定的狀況比例式脈衝控制連續(xù)進(jìn)流加藥控制方式隨偵測之pH值距離設(shè)定點之遠(yuǎn)近，而調(diào)整加12叁、

化學(xué)沉降叁、

化學(xué)沉降13化學(xué)沉降原理(I)不同的溶解性離子於水相環(huán)境中結(jié)合成為不溶性之產(chǎn)物 A+(aq)+B-(aq)

AB(s)k=[A+(aq)][B-(aq)]

固體生成後經(jīng)過結(jié)晶成長成為可沉降之大顆粒實際應(yīng)用時通常陽離子為金屬離子M+n，陰離子可選擇OH-、SO42-、CO32-、Cl-等會與金屬離子產(chǎn)生不溶性鹽類同一陰離子通常不會僅與一種陽離子作用，因此所得之沉澱物通常含有多種鹽類化學(xué)沉降原理(I)不同的溶解性離子於水相環(huán)境中結(jié)合成為不溶14化學(xué)沉降原理(II)平衡常數(shù)k為一溫度的函數(shù)，且通常會隨著溫度的升高而增加。但並非所有物質(zhì)都依此原則化學(xué)沉降原理(II)平衡常數(shù)k為一溫度的函數(shù)，且通常會隨著15化學(xué)沉降原理(III)結(jié)晶：過程可分為晶核形成與成長兩階段晶核形成：晶核只是一種概念，在沉澱反應(yīng)達(dá)到平衡時不斷有產(chǎn)物生成，也不斷有產(chǎn)物溶解，兩者速率相等可分為一次(primary)與二次(secondary)晶核兩種一次晶核僅為幾個原子或分子聚集在一起形成的聚集體，隨時會崩解，為不穩(wěn)定平衡狀態(tài)當(dāng)一次晶核殘存下來，繼續(xù)接受其他分子而成長，稱為二次晶核

，為穩(wěn)定平衡狀態(tài)成核種類：均相結(jié)核：由沉澱物成份離子對做結(jié)晶核異相結(jié)核：以其它微粒表面作結(jié)晶核(例如熬煮地瓜糖時，多於糖份只會在地瓜表面結(jié)晶)。通常會在過飽和條件下進(jìn)行(濃度、溫度)化學(xué)沉降原理(III)結(jié)晶：過程可分為晶核形成與成長兩階段16化學(xué)沉降原理(IV)結(jié)晶成長與溶液中離子擴散、溶液-固體界面上的質(zhì)傳、以及晶格堆積方式有密切關(guān)係結(jié)晶成長速率：靜態(tài)系統(tǒng)中晶體成長速率可以統(tǒng)計熱力學(xué)中的波茲曼統(tǒng)計定理推算，動態(tài)系統(tǒng)中(如流體化床)則必須額外考慮流體狀態(tài)對結(jié)晶之影響C=C–C*C=標(biāo)的離子之實際濃度C*=標(biāo)的離子在設(shè)定溫度下之飽和濃度且C>C*m=1 離子於容易中之?dāng)U散速度較慢1<m<2晶體表面結(jié)晶速度較慢化學(xué)沉降原理(IV)結(jié)晶成長C=C–C*17化學(xué)沉降原理(V)老化(aging)：結(jié)晶結(jié)構(gòu)因時間而變化的現(xiàn)象稱。沉澱物結(jié)晶變大的現(xiàn)象稱為熟化。實際沉澱反應(yīng)的平衡常數(shù)常與理論值不同雜質(zhì)之影響：如錯鹽形成，結(jié)晶界面之吸附雜質(zhì)，及形成固體混合物等，均會影響沉澱物的實際溶解度反應(yīng)條件之影響：濃度、溫度、壓力、額外提供之接觸介面化學(xué)沉降原理(V)老化(aging)：結(jié)晶結(jié)構(gòu)因時間而變18化學(xué)沉降之應(yīng)用-硬水軟化化學(xué)沉降之應(yīng)用-硬水軟化19化學(xué)沉降之應(yīng)用-重金屬去除化學(xué)沉降之應(yīng)用-重金屬去除20兩性金屬氫氧化物之溶解度兩性金屬氫氧化物之溶解度21計算例估算個別沈降1kg之Cr3+、Ni2+、Cu2+、Zn2+時所產(chǎn)生之沈澱物乾重(1)Cr3+

(2)Ni2+

計算例估算個別沈降1kg之Cr3+、Ni2+、Cu222(3)Cu2+

(4)Zn2+

※相同原理亦可用於計算所需之最低鹼劑用量(3)Cu2+(4)Zn2+※相同原理亦可用於計算所23化學(xué)沉降之應(yīng)用-高濃度離子之去除氟系廢水處理：氟化鈣法

CaCl2+2HF→CaF2(s)↓+2HCl含砷廢水處理：含氫化砷尾氣洗滌後產(chǎn)生之含砷酸廢水AsH3+4NaOCl(漂白水)→H3AsO4+4NaCl3Mg2++2AsO43-→Mg3(AsO4)2(s)↓化學(xué)沉降之應(yīng)用-高濃度離子之去除氟系廢水處理：氟化鈣法24肆、混凝與膠凝肆、混凝與膠凝25混凝與膠凝目的前述化學(xué)沉澱所產(chǎn)生的無機鹽類顆粒粒徑往往很小，以致於無法以重力直接沉降，必須藉由混凝等程序使顆粒聚集、粒徑放大，以利沉降去除一些本來就存在於水中的懸浮性膠體，由於沉降速度過慢，亦不適於以沉澱法去除，故需藉混凝/膠凝加以去除混凝與膠凝目的前述化學(xué)沉澱所產(chǎn)生的無機鹽類顆粒粒徑往往很小，26混凝/膠凝原理(I)–電雙層理論顆粒於水中表面會聚集水中解離的OH-或H+離子，使表面帶有電位，因此水中存在的其他異性電荷離子便會集中於顆粒表面，而同性電荷離子便被排斥在外，在某一個介面上(剪力面)就會有同性電荷過量的現(xiàn)象，這稱為“電雙層”現(xiàn)象?；炷?膠凝原理(I)–電雙層理論顆粒於水中表面會聚集水27混凝/膠凝原理(II)界達(dá)電位越高表顆粒間斥力越大，顆粒不易凝結(jié)一起，所有固體微粒均勻分布於水中，漿體也就越穩(wěn)定混凝/膠凝目的即在使?jié){體不穩(wěn)定化(Destabilization)藉由加入一些添加劑可將這種現(xiàn)象克服，使顆?？梢曰ハ嘟Y(jié)合變大，達(dá)到可自然沉降的大小混凝/膠凝原理(II)界達(dá)電位越高表顆粒間斥力越大，顆粒不28混凝/膠凝原理(III)膠凝與混凝的差別：膠凝Flocculation：顆粒間僅藉由巨大分子鏈拉在一起，本身的界達(dá)電位並未改變，如陰離子性/非離子性有機膠凝劑的作用混凝Coagulation：藉由一些金屬氫氧化物的作用(如氫氧化鐵/氫氧化鋁)，顆粒表面界達(dá)電位被中和混凝/膠凝原理(III)膠凝與混凝的差別：29混凝/膠凝作用機制電雙層壓縮

(double-layercompression)離子吸附

(SpecificIonAdsorption)聚合物吸附(PolymerChargePatch)聚合物架橋(PolymerBridging)混凝/膠凝作用機制電雙層壓縮30電雙層壓縮當(dāng)外界異性電荷離子濃度增加，電雙層厚度也會隨著降低，相對地排斥力也會犧牲。通常加入無機鹽類(尤其是單價離子)可達(dá)到這目的。電雙層壓縮當(dāng)外界異性電荷離子濃度增加，電雙層厚度也會隨著降低31特定離子吸附是指陰離子以化學(xué)吸附方式鍵結(jié)至顆粒表面，並中和顆粒表面電位以鐵/鋁等三價鹽類為例之作用機制：鐵/鋁鹽類水解為帶有不同數(shù)量氫氧根之氫氧化物(隨pH而定)吸附至顆粒表面依據(jù)氫氧化物本身所帶的電荷中和顆粒表面電荷特定離子吸附是指陰離子以化學(xué)吸附方式鍵結(jié)至顆粒表面，並中和32聚合物吸附聚合物於水中形成正負(fù)不同的電荷中心，並以庫倫靜電力方式吸引並中和顆粒表面電荷小分子陰離子性聚合物(如聚乙烯亞胺Polyethylenimine)多以此方式作用聚合物吸附聚合物於水中形成正負(fù)不同的電荷中心，並以庫倫靜電力33聚合物架橋LoopsTrainsTails聚合物於水中以靜電力、凡德瓦爾力、氫鍵以及化學(xué)吸附等作用，吸附至鄰近顆粒表面大分子非離子性聚合物多以此方式作用屬於膠凝作用聚合物架橋LoopsTrainsTails聚合物於水中以靜34混凝劑之種類名稱化學(xué)式商品成分形狀適合的pH值硫酸鋁(鋁明礬)Al2(SO4)3

?8H2O15~22%Al2O3塊狀粒狀粉末4.5~8.0硫酸鐵Fe2(SO4)390~94%Fe2(SO4)325~26%Fe粒狀粉末4~12氯化鐵FeCl3?6H2O59~61%FeCl320~21%Fe塊狀4~12聚氯化鋁(多元氯化鋁PAC)[Al2(OH)nCl6-n]n10~15%Al2O3液狀粉狀6~9混凝劑之種類名稱化學(xué)式商品成分形狀適合的pH值硫酸鋁Al2(35膠凝劑之種類活性矽酸

是帶負(fù)電的溶液，其作用在於幫助由金屬鹽形成的帶正電的金屬氫氧化物的膠凝作用，在低溫下使用降低混凝不良情況。如液態(tài)矽酸鈉。增重劑

用來增加膠羽重量，適用在低濁度、高色度的原水，如黏土、飛灰等，使用時和混凝劑同時加入可以作為膠羽成長的核凝以增加重量，促進(jìn)膠羽沉澱。陽離子高分子電解質(zhì)(常用)一般可單獨使用，藉吸附和電價中和及架橋作用將懸浮膠體粒子（一般表面帶負(fù)電）去除，但所加藥量需控制於適當(dāng)範(fàn)圍，以免過多的使用量造成仍具穩(wěn)定性的粒子。陰離子性和非離子性高分子電解質(zhì)(常用)可用於化學(xué)沉澱析出之金屬氫氧化物，或使用於無機類混凝劑之後，藉架橋作用形成更大之顆粒，以增加沉降速度。陰離子性聚電解質(zhì)之效果受pH值、鹼度、硬度及濁度等之影響較小。膠凝劑之種類活性矽酸36混凝/膠凝之操作快混在促使混凝劑與廢水於短時間內(nèi)充分混合，破壞粒子表面電荷層之穩(wěn)定性。慢混即膠凝，其利用速度坡降(velocitygradient)，使顆粒相互碰撞而生成較大且緻密之膠羽?；炷?膠凝之操作快混37攪拌強度G：速度梯度，mps/m或s-1W：每單位水體積之?dāng)嚢鑴恿?，N-m/s－m3P：攪拌動力，N-m/s或WV：池體積，m3：水之絕對黏滯係數(shù)，N-s/m2混合的效果或程度可以外加在水中的動力來決定，此動力之強度可用速度梯度G來表示兩個流體粒子相距0.05m，而其相對速度為2m/s，則速度梯度為2m/s÷0.05m=40mps/s=40s-1

攪拌強度G：速度梯度，mps/m或s-1混合的效果或程度可以38混凝之最適pHpH=5.0~7.0pH=4.0~9.0鋁鹽鐵鹽混凝之最適pHpH=5.0~7.0pH=4.0~9.0鋁鹽39混凝最適加藥量之確認(rèn)瓶杯試驗(Jar-test)加藥量vs.殘餘濁度混凝最適加藥量之確認(rèn)瓶杯試驗(Jar-test)加藥量v40混凝/膠凝劑使用注意事項高分子聚合物本身無毒，但可能含有具毒性之有機單體(如丙烯醯胺，美國EPA標(biāo)準(zhǔn)上限值為0.05%)各種藥劑中有害雜質(zhì)含量均有法規(guī)限制(請參閱環(huán)保署水處理藥劑相關(guān)規(guī)定)各種藥劑加藥量之確定需注意法規(guī)、技術(shù)、處理效果與經(jīng)濟等方面混凝/膠凝劑使用注意事項高分子聚合物本身無毒，但可能含有具毒41伍、離子交換伍、離子交換42離子交換原理(I)為高級處理之ㄧ種固相與液相中帶有同性電荷的離子相互取代的反應(yīng)，可分為陽離子與陰離子交換兩種，簡單反應(yīng)可以下列反應(yīng)式表示： -R-A+(s)+B+(aq)

-R-B+(s)+A+(aq) -R-C-(s)+D-(aq)

-R-D-(s)+C-(aq)

其中R為樹脂有機官能基，此種反應(yīng)的發(fā)生並不會改變樹脂本身的結(jié)構(gòu)。當(dāng)在水溶液中的離子快速地擴散進(jìn)入樹脂的分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(molecularnetwork)中，被交換的離子則經(jīng)由相同的路徑進(jìn)入溶液中，至達(dá)成交換平衡為止。離子交換原理(I)為高級處理之ㄧ種43StructureofacationexchangerthatexchangesH+forNa+ionsStructureofacationexchange44離子交換原理(II)離子交換達(dá)平衡時，所有離子濃度遵循熱力學(xué)平衡中之質(zhì)量作用定理–恆溫模式Na+

–

Ca2+一/二價離子交換之平衡曲線(恆溫曲線IonexchangeIsotherm)(a–e為表不同初始濃度，且a<b<c<d<e)離子交換原理(II)離子交換達(dá)平衡時，所有離子濃度遵循熱力學(xué)45恆溫曲線種類：和標(biāo)的離子對樹脂之親合力有關(guān)凹面曲線–樹脂中離子濃度較水中為高，亦即親合力較強凸面曲線–樹脂中離子濃度較水中為低，亦即親合力較弱S型曲線–表示親和力在不同階段會有變化斜率為1之直線–表示交換與被交換離子對樹脂之親合力相等水平線y=1表示非可逆交換，即無法再生y=0表示無任何交換能力，親合力為0恆溫曲線種類：和標(biāo)的離子對樹脂之親合力有關(guān)46離子交換原理(III)活性較高的離子傾向於進(jìn)入液相形成解離狀態(tài)，活性較低的則會傾向於進(jìn)入固相形成鍵結(jié)狀態(tài)，亦即陰陽離子與樹脂官能基鍵結(jié)能的高低，便決定誰可以將誰從液相交換到固相。陰離子F-<H2PO4-<HCO3-<OH-<Cl-<NO2-<HSO3-<CN-<NO3-<HSO4-<I-一價金屬陽離子Li+<H+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Ag+<Tl+二價金屬陽離子Mn2+<Mg2+<Zn2+<Co2+<Cu2+<Ni2+<Ca2+<Sr2+<Pb2+<Ba2+三價金屬陽離子Al3+<Sc3+<Y3+<Eu3+<Sm3+<Nb3+<Pr3+<Ce3+<La3+離子交換原理(III)活性較高的離子傾向於進(jìn)入液相形成解離狀47離子交換原理(IV)不同價數(shù)的離子間活性高低在低濃度條件下可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位來判斷，但是在高濃度條件下，之間的差異便漸漸減少?；旧显诟邼舛葼顩r下，平衡會偏向低價數(shù)的離子，也就是一價陽離子會比三價陽離子更傾向於進(jìn)入水相中。除了可交換的離子外，官能基的種類也是相當(dāng)重要，由官能基與可交換離子配合，變形成強/弱不同的酸/鹼性離子交換樹脂。離子交換原理(IV)不同價數(shù)的離子間活性高低在低濃度條件下可48離子交換原理(V)離子交換速率由於同性離子間的相斥作用，速率決定步驟為離子於水相與樹脂中之?dāng)U散，稱為唐南排斥作用DonnanExclusion接近樹脂表面會有一穩(wěn)定層，不受到水相中任何流力狀態(tài)影響(如對流)，稱為NernstFilm典型之離子交換動力曲線DuoliteA

101Uinuraniumextraction離子交換原理(V)離子交換速率典型之離子交換動力曲線49有機陽離子交換樹脂種類離子交換樹脂類型主要離子類型離子交換主要反應(yīng)式再生劑強酸性陽離子樹脂(SAC)氫離子型HClH2SO4鈉離子型NaCl弱酸性陽離子樹脂(WAC)氫離子型HClH2SO4鈉離子型NaCl有機陽離子交換樹脂種類離子交換主要離子類型離子交換主要反應(yīng)式50有機陰離子交換樹脂種類離子交換樹脂類型主要離子類型離子交換主要反應(yīng)式再生劑強鹼性陰離子樹脂(SBA)氫氧根離子型NaOH氯離子型NaClHCl弱鹼性陰離子樹脂(WBA)自由鹼或氫氧根離子型NaOHNH4OHNa2CO3氯離子型HCl有機陰離子交換樹脂種類離子交換主要離子類型離子交換主要反應(yīng)式51離子交換的選擇性常溫及低濃度狀態(tài)下，高價離子親和力較低價離子大

Fe3+＞Mg2+＞K+或PO43-＞SO42-＞NO3-常溫及低濃度狀態(tài)下，同價離子與樹脂之親和力，隨原子序之增加而增加

Ca2+＞Mg2+＞Be2+或K+＞Na+＞Li+樹脂對不同離子的交換能力與濃度有很大的關(guān)係。分子量較大的有機離子與金屬錯化合物陰離子(如Zn(CN)42-及Ni(CN)42-)具有較大的交換能力。離子交換的選擇性常溫及低濃度狀態(tài)下，高價離子親和力較低價離52離子交換設(shè)備之種類固定床式離子交換管柱：交換與樹脂再生可在同一設(shè)備中進(jìn)行無須拆卸或更換管路，也無須另外設(shè)置反交換再生設(shè)備對於濁度與懸浮固體敏感度高須隨壓損變化而改變操作壓力，以保持固定停留時間流體化床式：可在無壓損狀況下進(jìn)行連續(xù)操作控制技術(shù)要求高後續(xù)需經(jīng)額外固液分離步驟離子交換設(shè)備之種類固定床式離子交換管柱：53固定床式離子交換樹脂之操作飽合樹脂半飽合樹脂新樹脂(1)反沖洗水(2)進(jìn)流(3)清洗水(4)前段離子交換出流水(5)再生樹脂(6)新樹脂(7)出流(8)至下段管柱(9)反沖洗水(10,11)至樹脂再生(12)樹脂至前段管柱(13)礫石層固定床式離子交換樹脂之操作飽合樹脂半飽合樹脂新樹脂(1)反54流體化床式離子交換設(shè)備進(jìn)流水樹脂進(jìn)流樹脂出流出流水導(dǎo)板曝氣管氣舉用進(jìn)氣管氣舉管篩網(wǎng)回流水檔板流體化床式離子交換設(shè)備進(jìn)流水55操作及貫穿曲線貫穿點一般被設(shè)定於出流與進(jìn)流濃度比(Ce/C0)＝0.05時操作及貫穿曲線貫穿點一般被設(shè)定於出流與進(jìn)流濃度比(Ce/C56反洗達(dá)到飽和後，則先以部分處理水反沖洗樹脂交換床，以利後續(xù)之樹脂再生的操作。反洗的目的有：打散成團(tuán)的樹脂去除床內(nèi)因過濾作用而陷入的微細(xì)懸浮物質(zhì)消除空氣孔穴，避免短流現(xiàn)象重組樹脂交換床，使成均勻分布，以避免再操作時水流的槽化現(xiàn)象反洗達(dá)到飽和後，則先以部分處理水反沖洗樹脂交換床，以利後續(xù)57再生藉由再生劑使樹脂回復(fù)到原有的交換容量，通常會使用強酸來再生陽離子交換樹脂，強鹼來再生陰離子交換樹脂。再生劑必須要能提供一最大之尖峰洗出液離子濃度(eluteconcentration)，並伴隨一最小的洗出液濃度尾巴(tailing)。被洗出的離子當(dāng)量數(shù)，必等於操作階段時被交換的離子當(dāng)量數(shù)，但一般再生的情形無法達(dá)到此理想的程度。再生效率定義為：再生時從樹脂中移除的總離子當(dāng)量數(shù)和再生劑溶液中所含有的總離子當(dāng)量數(shù)比值。再生操作通常僅回復(fù)部分有效的交換容量(30-65%)。再生藉由再生劑使樹脂回復(fù)到原有的交換容量，通常會使用強酸來58洗滌樹脂交換床回到交換階段之前，必須先洗滌交換床，使得交換床內(nèi)沒有過剩的再生劑。通常使用處理水，其包括兩個步驟慢洗(slowrinse)，其流率與再生操作之流率相同，係將柱床內(nèi)之再生劑溶液洗出，此部分之廢液可和再生廢液一同處置快洗(fastrinse)，將過剩的離子洗出，而此部分之廢液經(jīng)常是被收集貯存，作為配製再生劑之稀釋水洗滌樹脂交換床回到交換階段之前，必須先洗滌交換床，使得交換59樹脂交換能力之影響因子懸浮固體和油脂覆蓋於樹脂表面，妨礙離子交換的通路。有機物有機物和離子交換樹脂活性官能基結(jié)合力強會降低樹脂再生率與交換容量。高價金屬離子高價金屬離子如Fe3+、Al3+、Cr3+易被樹脂所吸附，影響交換容量。pH值廢水中陰陽離子的比例與pH值有關(guān)，弱陽離子樹脂在低pH值時電離性低，必須在鹼性條件下才有較大的交換能力。同理，弱陰離子樹脂則須在酸性條件下，才有較大的交換能力。水溫溫度高可增加離子交換反應(yīng)，但溫度太高則會部份破壞樹脂結(jié)構(gòu)。氧化劑如Cl2、O3等會使樹脂氧化分解，喪失交換能力。樹脂交換能力之影響因子懸浮固體和油脂60實廠應(yīng)用實例：

混合樹脂水處理設(shè)備DG

=

atmosphericdegasserIN

=

inertresinSAC

=

stronglyacidiccationexchangerSBA

=

stronglybasicanionexchangerWAC

=

weaklyacidiccationexchangerWBA

=

weaklybasicanionexchanger實廠應(yīng)用實例：

混合樹脂水處理設(shè)備DG

=

atmosphe61陸、吸附陸、吸附62吸附原理(I)–吸附現(xiàn)象與種類吸附為流體相中彌散性物質(zhì)在固體(吸附劑)表面上依據(jù)不同力作用產(chǎn)生局部濃集現(xiàn)象(例如水中染料被活性碳吸附)吸附種類物理吸附：以凡德瓦爾力、庫倫靜電力等為主要吸引力化學(xué)吸附：形成新的化學(xué)鍵吸附質(zhì)吸附劑脫附作用吸附作用吸附原理(I)–吸附現(xiàn)象與種類吸附為流體相中彌散性物質(zhì)在63吸附原理(II)–恆溫吸附模式吸附平衡時可用恆溫模式表示單層吸附Langmuir模式：僅有單一原子/分子層吸附在固體表面多層吸附BET模式：固體表面可吸附多層原子/分子多層吸附單層吸附固相中濃度液相中濃度吸附原理(II)–恆溫吸附模式吸附平衡時可用恆溫模式表示64影響吸附效能主要參數(shù)比表面積cm2/g：比表面積越大，固/流體間接觸介面積越大，可供給吸附之表面也就越多孔徑分布：孔徑主要影響吸附質(zhì)進(jìn)入吸附劑內(nèi)部的難易程度，會影響吸附恆溫曲線巨大孔徑弱吸附強吸附微細(xì)孔徑影響吸附效能主要參數(shù)比表面積cm2/g：比表面積越大，固/65影響吸附效能主要參數(shù)孔洞形狀：影響吸附/脫附曲線間的關(guān)係(遲滯現(xiàn)象)影響吸附效能主要參數(shù)孔洞形狀：影響吸附/脫附曲線間的關(guān)係(66吸附劑微孔矽膠粗孔矽膠分子篩活性氧化鋁微孔活性碳粗孔活性碳主成分SiO2SiO2SiO2,

Al2O3Al2O3CC粒徑mm1

–

51

–

51

–

52

–

103

–

103

–

10質(zhì)料密度kg/m3220022002600300020002200實際密度kg/m3110011001100

–

15001200800600

–

700鬆密度kg/m3700

–

800400

–

800600

–

900700

–

850400

–

500300

–

500微孔體積cm3/g0.35

–

0.450.30

–

0.450.25

–

0.300.400.25

–

0.400.20

–

0.30粗孔體積cm3/g<0.100.25

–

0.100.30

–

0.400.100.20

–

0.400.30

–

0.50比表面積m2/g600

–

850250

–

350500

–

1000100

–

4001000

–

18001000

–

1500常見之工業(yè)用吸附劑吸附劑微孔矽膠粗孔矽膠分子篩活性氧化鋁微孔活性碳粗孔活性碳主67活性碳(ActivatedCarbon)是一種多孔性具有極大表面積的材料，當(dāng)空氣或水中的微量有機污染物接觸活性碳時，會被活性碳所吸引，進(jìn)而停留在碳表面，達(dá)到去除污染的目的。主要用於去除水中/空氣中有機或非極性物質(zhì)活性碳表面的孔隙可分成微孔(micropore,<2nm)、中孔(mesopore,2-100nm)及粗孔(macropore,>100nm)製造原料包括木材、煤炭、石化焦炭、泥煤等活性碳(ActivatedCarbon)是一種多孔性具有68活性碳吸附之原理溶質(zhì)在活性碳表面擴散吸附路徑污染物在液膜中之移動及由活性碳表面?zhèn)魉椭量紫秲?nèi)部為吸附速度的限制因子，其中粉狀活性碳因粒徑小，內(nèi)部擴散限制則較小活性碳吸附之原理溶質(zhì)在活性碳表面擴散吸附路徑污染物在液膜中69各種活性碳孔徑大小活性碳：0.8~1nm活性焦炭：0.5~0.7nm碳分子篩：0.2~0.3nm各種活性碳孔徑大小活性碳：0.8~1nm70活性碳之種類活性碳依使用目的及形狀可分成三種粉狀活性碳(powderedactivatedcarbon,PAC)粒徑小於約200mesh(0.075mm)的活性碳，可添加於快混池或活性污泥曝氣池中，可吸附對水中生物難分解或?qū)ξ⑸镉泻Φ奈镔|(zhì)，以增加生物處理的效率及污泥沉澱速率。粒狀活性碳(granularactivatedcarbon,GAC)粒徑大於0.1mm以上的活性碳，為目前使用最廣的一種，常用於廢水處理中的管柱吸附，或厭氧生物流體化床中作為微生物生長及支撐微生物的介質(zhì)?；钚蕴祭w維(activatedcarbonfiber,ACF)等。以人造纖維作為活性碳的原料製成布料的形式，其成本較，品質(zhì)較均勻。成品具有良好的吸附效果及低壓降的特性，通常用於空氣污染控制設(shè)備或價值較高之溶劑回收設(shè)備。活性碳之種類活性碳依使用目的及形狀可分成三種71活性碳吸附設(shè)備之型態(tài)名稱概要型態(tài)接觸時間設(shè)備費設(shè)備面積壽命接觸過濾粉狀活性碳直接投入膠凝沉澱設(shè)施，於攪拌之同時達(dá)吸附效果，吸附後之活性碳予以沉澱分離之。粉狀長便宜--一次性固定床填充粒狀活性碳於塔或槽內(nèi)，其水流方向有向上流及向下流等分類。粒狀短~長比較高比較廣長期流體化床水以加壓狀態(tài)向上流，活性碳自塔之上部連續(xù)投入，自下部排出。粒狀短~長比較高可較小長活性碳吸附設(shè)備之型態(tài)名稱概要型態(tài)接觸時間設(shè)備費設(shè)備面積壽命接72固定床吸附裝置分類及其特性名稱概要向下流串聯(lián)式一塔或多塔串聯(lián)。一塔者使用於被吸附物質(zhì)濃度低或易吸附者。複數(shù)塔者，以被吸附物質(zhì)濃度高者或不易吸附者用之。並聯(lián)式被吸附物質(zhì)濃度低或吸附性佳者用之。處理大量水時用之。向上流串聯(lián)式及並聯(lián)式一塔或多塔者。串聯(lián)與並聯(lián)同為向下流式?；钚蕴伎膳蛎?0%，因此必須注意流速，以防活性碳流出。固定床吸附裝置分類及其特性名稱概要向下流串聯(lián)式一塔或多塔串73操作影響參數(shù)(1)活性碳性質(zhì)包括比表面積大小、孔隙大小分佈、粒徑大小、硬度、表面官能基及極性等。(2)吸附質(zhì)性質(zhì)包括其分子大小、溶解度及離子化程度等。(3)水溶液性質(zhì)包括有pH值、溫度、溶解性固體濃度及其他存在之競爭吸附有機物。操作影響參數(shù)(1)活性碳性質(zhì)74典型廢水處理用活性碳性質(zhì)及其對吸附特性之影響典型廢水處理用活性碳性質(zhì)及75活性碳吸附之操作注意事項a.定期進(jìn)行反沖洗，以降低水頭損失。b.定期採樣分析，以判定去除效果。c.如果濁度為排放水標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)連續(xù)監(jiān)測濁度。d.經(jīng)常檢查吸附床內(nèi)活性碳高度。e.程序監(jiān)測及檢討。f.紀(jì)錄保存?；钚蕴嘉街僮髯⒁馐马梐.定期進(jìn)行反沖洗，以降低水頭76活性碳再生–脫附物理處理再生法：

以熱再生為基礎(chǔ)所發(fā)展之方法包括有濕式氧化法、間接加熱法、流體化床燃燒法、多床爐法、旋轉(zhuǎn)窯法及微波加熱法等。化學(xué)處理再生法：

包括有酸或鹼再生、化學(xué)氧化法、溶劑萃取法、超臨界萃取再生法等。生物處理再生法：

分為好氧法及厭氧法活性碳再生–脫附物理處理再生法：77活性碳應(yīng)用實例活性碳去除水中酚/四硝基酚之恆溫吸附曲線活性碳應(yīng)用實例活性碳去除水中酚/四硝基酚之恆溫吸附曲線78活性碳應(yīng)用實例20C固定床式活性碳吸附管柱去除水中酚/四硝基酚之貫穿曲線(初始濃度1mmole/L)活性碳應(yīng)用實例20C固定床式活性碳吸附管柱79柒、化學(xué)氧化還原柒、化學(xué)氧化還原80狹義的氧化還原定義氧化：物質(zhì)與氧相化合之過程稱為氧化(Oxidation)作用例:鎂在空氣中燃燒生成氧化鎂:2Mg+O2→2MgO

稱Mg被氧化。氫與氧化銅作用:H2+CuO→H2O+Cu

稱H2被氧化還原：由物質(zhì)奪去氧的反應(yīng)，還原是氧化的逆反應(yīng)。例：Fe203之氧被CO還原為金屬Fe：Fe203+3CO→2Fe+2CO2(碳熱還原)狹義的氧化還原定義81廣義的氧化還原定義由電子移轉(zhuǎn)之觀念解釋：氧化：失去電子的變化；例:Zn(S)→

Zn2+(aq)+2e-還原：獲得電子的變化；例:Ni2+(aq)+2e-→

Ni(s)

但有些反應(yīng)雖是氧化還原，但並無明顯的電子移轉(zhuǎn)。例:Zn+Cl2→ZnCl22H2+O2→2H20由氧化數(shù)(原子價)之變化解釋氧化還原：氧化：反應(yīng)後氧化數(shù)增加的反應(yīng)。還原：反應(yīng)後氧化數(shù)減少的反應(yīng)。廣義的氧化還原定義82常用之氧化劑氧–用來氧化去除二價鐵、錳，而如果反應(yīng)時間足夠，亦可分解某些造成異味與臭氣之有機化合物。氯–氯除用於氧化硫化氫、亞硝酸鹽、錳、鐵等，如電鍍廠廢水氰化物氧化。臭氧–主要為鐵錳之去除及氰化物之氧化。高錳酸鉀–可用以去除有毒之無機物，如氰鹽，亦可用於氧化鐵、錳、硫化氫。過氧化氫–過氧化氫近年來其使用於處理家庭污水和工業(yè)廢水。次氯酸鈉–俗稱漂白水，用於處理含芳香族類之有機廢水。常用之氧化劑氧–用來氧化去除二價鐵、錳，而如果反應(yīng)時間足83常用之還原劑a.脫氯作用

較常使用的還原劑是二氧化硫，其反應(yīng)如下：與自由有效氯之作用：與結(jié)合有效氯之作用：b.含鉻金屬廢水六價鉻還原均在酸性下進(jìn)行，一般均調(diào)整廢液pH＜3.0。SO2、FeSO4、Na2SO3、Na2S2O3、NaHSO3等均可使用為還原劑規(guī)模小的處理廠為了使用方便和安全起見，以使用固態(tài)之鈉鹽為佳，於規(guī)模很大的處理廠可考慮使用SO2做為還原劑。還原所得3價鉻以Cr(OH)3沉澱去除，pH宜在7.5-10。利用電解原理，使廢水中之金屬離子於陰極還原為金屬，其中陰極多使用鈦金屬、不銹鋼或石墨，陽極則為金屬合金c.重金屬廢水電解還原常用之還原劑a.脫氯作用與自由有效氯之作用：與結(jié)合有效氯之84高級氧化程序高級氧化程序即利用具高氧化能力的氫氧自由基(hydroxylradicals)來氧化水中不純物質(zhì)或有機物。常見的高級氧化程序包括雖然高級氧化程序提供廢水中難分解污染物更快速的氧化方式，惟其所需之設(shè)備與操作費用也因之增高，因此實廠化仍應(yīng)就整體效益評估後再決定使用之。(Fenton’sreaction)

高級氧化程序高級氧化程序即利用具高氧化能力的氫氧自由基(hy85捌、逆滲透捌、逆滲透86何謂滲透/逆滲透？滲透：較小分子經(jīng)過半透膜，由高濃度區(qū)域擴散至低濃度區(qū)域，為一種自然發(fā)生之物理現(xiàn)象逆滲透：與滲透方向相反，由於為非自然發(fā)生之現(xiàn)象，因此需要藉助額外能量逆滲透處理嚴(yán)格說來並不屬於化學(xué)處理，因為其中並未牽涉到化學(xué)反應(yīng)，滲透為一純粹物理現(xiàn)象何謂滲透/逆滲透？滲透：較小分子經(jīng)過半透膜，由高濃度區(qū)域擴散87RO逆滲透原理水逆滲透現(xiàn)象水滲透現(xiàn)象所施加之壓力>滲透壓＊上圖中左邊(低濃度溶液)表示水分子濃度較高，因此水的自然滲透為由左至右，逆滲透方向則是由右(高濃度表示水分子濃度低)至左RO逆滲透原理水逆滲透現(xiàn)象水滲透現(xiàn)象所施加之壓力>滲透壓88RO薄膜材質(zhì)醋酸纖維膜(celluloseacid,CA)耐氯性高，但當(dāng)原處於鹼性的條件下(pH≧8.0)或細(xì)菌存在的狀況下，將導(dǎo)致使用壽命縮短聚醯胺類(polyamide,PA)對氯及氯氨的承受性則較差，故原水在進(jìn)入逆滲透膜之前，需以活性碳及還原劑等先做處理芳香族聚醯胺類(aromaticpolyamides)聚呋喃化合物(polyfurans)等RO薄膜材質(zhì)醋酸纖維膜(celluloseacid,CA89常見的RO薄膜材料(續(xù))MaterialProcess

aCelluloseacetate(CA)EP,MF,UF,ROCellulosetriacetateMF,UF,ROCA/triacetateblendROPolyamide(aromatic)MF,UF,ROPolybenzimidazole(PBI)ROPolybenzimidiazolone(PBIL)ROPolyimideUF,ROSulfonatedpolysulfoneUF,ROm-Phenylenediamine

+

trimesoylchloride

ROPolyetheramine

+

isophthaloylchlorideROPolyethylenimine

+

isophthaloylchlorideROPolyethylenimine

+

toluenediisocyanateRO

Poly(acrylicacid)

+

hydrouszirconiumoxideUF,ROEP:電泳MF:微過濾UF:超過濾RO:逆滲透常見的RO薄膜材料(續(xù))MaterialProcess

a90RO薄膜型式(Modules)螺旋捲式膜(spiralwound)中空纖維膜(hollowfiber)管式膜(tubular)對稱性膜(symmetricmembrane)非對稱性膜(asymmetricmembrane)薄層合成膜(thinfilmcompositemembrane,TFC)。RO薄膜型式(Modules)螺旋捲式膜(spiralw91螺旋捲式膜及中空纖維膜螺旋捲式膜中空纖維膜螺旋捲式膜及中空纖維膜螺旋捲式膜中空纖維膜92不同RO薄膜型式比較薄膜類型螺旋捲式膜中空纖維膜管式膜薄膜單元特性構(gòu)造需要外支撐架，薄膜織在有針孔的管上且位於壓力管內(nèi)不需要支撐架，中空纖維質(zhì)位於壓力管內(nèi)需要外支撐架，薄膜塞入或附著在小管內(nèi)，小管集合在大管內(nèi)單位體積之膜面積(m2/m3)大大小用途海水淡化海水淡化工業(yè)廢水經(jīng)濟性建造成本低低高操作成本低低高操作效能回收率佳可最佳通量大中大抗懸浮粒子可可最佳清理效果可可最佳流量控制可可最佳不同RO薄膜型式比較薄膜類型螺旋捲式膜中空纖維膜管式膜薄膜93應(yīng)用工業(yè)廢水:二級處理之後及高科技產(chǎn)業(yè)之廢水回收再利用飲用水處理:海水淡化去除率:-單價離子(monovalentions):90~98%-雙價離子(divalentions):95~99%(可以防止分子量大於200Da的物質(zhì)通過)應(yīng)用工業(yè)廢水:二級處理之後及高科技產(chǎn)業(yè)之廢水回收再利用94RO膜之阻塞種類與機制(1/3)可逆性阻塞–濃度極化：當(dāng)膜表面累積溶質(zhì)濃度提升，透膜壓力或滲透壓變大，導(dǎo)致溶質(zhì)反向擴散至水中，當(dāng)達(dá)平衡時溶質(zhì)被帶至膜表面的量等於反向擴散至水中的量，此時膜表面所累積濃度必大於主體溶液之濃度影響：滲透液通量衰減，滲透壓差變大。當(dāng)系統(tǒng)停止操作，此現(xiàn)象將消失，故為可逆之膜阻塞現(xiàn)象，但若不加以重視，將可能導(dǎo)致進(jìn)一步之膜表無機物沉澱結(jié)垢RO膜之阻塞種類與機制(1/3)可逆性阻塞–濃度極化：95顆?；蚰z體性阻塞：顆粒性及膠體性積垢一般包括有懸浮固體物及金屬膠體，如SiO2、Fe2O3、Al2O3等，一般而言，此類物質(zhì)於MF、UF之過濾程序中，阻塞機制為直接沉積於膜表面或進(jìn)入薄膜孔洞之中，然由於RO膜之孔徑約小至0.001m(小於1000MWCO)，因此顆粒及膠體性積垢之形成機制，主要以表面沉澱或受其他具黏性有機質(zhì)黏附為主-衡量水質(zhì)是否適宜進(jìn)入RO單元之重要指標(biāo)：SDI(siltdensityindex)值，當(dāng)SDI<2~3，方可進(jìn)入RO處理單元RO膜之阻塞種類與機制(2/3)顆粒或膠體性阻塞：RO膜之阻塞種類與機制(2/3)96SDI(siltdensityindex)SDI(siltdensityindex)97無機性結(jié)垢：-當(dāng)水流經(jīng)RO膜表面，滲透液不斷被移除，同時濃縮液不斷濃縮，當(dāng)濃縮液之鹽類濃度被濃縮至超過某限值，則將產(chǎn)生鹽類沉澱析出，並於膜表面結(jié)垢。-RO膜之無機性結(jié)垢主要受濃縮水之濃縮倍率影響。一般而言，經(jīng)一階段RO膜後，其濃縮液濃度約可增加2倍，經(jīng)二階段RO膜則可增至4~5倍，RO膜表面最常見之結(jié)垢物包括有CaCO3、CaSO4、BaSO4、CaF2及SiO2等溶解度較低的鹽類。-水中鹽濃度、離子強度、各鹽類溶解度、溫度、pH值及RO水回收率等皆為影響結(jié)垢物於膜表面沉澱析出之重要參數(shù)。RO膜之阻塞種類與機制(3/3)無機性結(jié)垢：RO膜之阻塞種類與機制(3/3)98RO膜與其他薄膜之比較a)固體微粒b)巨大分子c)小分子溶質(zhì)(microsolutes)d)溶劑e)氣體RO膜與其他薄膜之比較a)固體微粒b)巨大分子c99逆滲透膜供應(yīng)商CompanyHollowfiber中空式Spiral螺旋式Du

Pont(USA)++Dow/Filmtec(USA)+FluidSystems/UOP+Hydranautics/Nitto

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Denko(USA/Japan)+DesalinationSystems(USA)+Millipore(USA)+Osmonics(USA)+Toray(Japan)+Toyobo(Japan)+Others+逆滲透膜供應(yīng)商CompanyHollowfiber中空式S100玖、消毒玖、消毒101消毒的定義藉由化學(xué)藥劑或物理方式殺死族以致病之生物體，或是使其失去活性(Roche百科全書，1984)移除或摧毀致病危生物(牛津醫(yī)學(xué)指南，1986)殺死可造成傳染疾病之各種原因，或使其不可逆地失去活性(衛(wèi)生學(xué)，J.Borneff，1982)消毒的定義藉由化學(xué)藥劑或物理方式殺死族以致病之生物體，或是使102消毒原理消毒反應(yīng)機構(gòu)分兩階段(1)消毒劑破壞細(xì)胞膜(2)消毒劑作用於細(xì)胞之酵素，使細(xì)胞質(zhì)直接退化消毒的方法(1)化學(xué)藥劑法-如投加氧化劑(氯及其化合物、溴、碘 與臭氧)等(2)物理法-如加熱法(3)機械法(4)幅射法-γ輻射及紫外線照射法消毒原理消毒反應(yīng)機構(gòu)分兩階段103影響消毒的因素(1)微生物種類與數(shù)量(2)消毒劑本質(zhì)特性(3)消毒劑濃度(4)接觸時間(5)溫度(6)其他水質(zhì)特性常用消毒劑種類(1)自由氯(2)結(jié)合氯(氯/氨反應(yīng))(3)臭氧(4)二氧化氯(5)紫外光消毒劑種類及影響因素影響消毒的因素常用消毒劑種類消毒劑種類及影響因素104消毒劑種類自由氯結(jié)合氯二氧化氯臭氧紫外光消毒有效性細(xì)菌極佳好極佳極佳好病毒極佳失效極佳極佳失效病原菌失效至不佳不佳好好極佳內(nèi)芽孢不佳至好不佳失效極佳失效殘餘量管制4mg/L4mg/L0.8mg/L-----應(yīng)用劑量(mg/L)1-62-60.2-1.51-520-100(mJ/cm2)常用消毒劑之特性消毒劑種類自由氯結(jié)合氯二氧化氯臭氧紫外光消毒有效性細(xì)菌極佳好105水解離子化氯消毒水解氯消毒106不同pH及溫度下，HOCl與OCl-間之相對分佈百分比HOCl分子較易滲透細(xì)胞膜（一般表面帶負(fù)電），而OCl-易受到細(xì)胞膜表面之負(fù)電推斥，故HOCl之消毒效果較OCl-強80倍

pH5~7.5之操作pH皆為效果較好之操作範(fàn)圍，但於酸性環(huán)境下易有腐蝕問題，故在實際操作時pH值一般以7.5為佳不同pH及溫度下，HOCl與OCl-間之相對分佈百分比HO107

折點加氯示意圖pH>8.5一氯胺4.5<pH<8.5一氯胺及二氯胺pH=4.5以二氯胺為主pH<4.4產(chǎn)生三氯化氮B區(qū)

C區(qū)(Cl2：NH3莫耳比為1後)D區(qū)(Cl2：NH3莫耳比為1.5後)

隨著氯之添加，餘氯亦增加，此轉(zhuǎn)折點則稱為折點breakpoint，折點前所生成之餘氯為結(jié)合氯，折點後生成者則為自由氯折點加氯示意圖pH>8.5一氯胺pH=4.5108不與水中之氨氮或氮化物反應(yīng)，包括最簡單的胺基酸，故二氧化氯較氯之消毒效果佳。一般實際操作顯示，二氧化氯在中性pH值時，其殺菌效率大約與氯相同，但當(dāng)pH值升高至8.5時，二氧化氯的殺菌效率大大地增加，此時0.25mg/l之劑量，殺死99%大腸菌僅需15秒。因此在高鹼度廢水或高pH之石灰軟化水的消毒，使用二氧化氯較為有效二氧化氯藥劑十分不穩(wěn)定，故應(yīng)用時有必須現(xiàn)場製備之限制。二氧化氯消毒不與水中之氨氮或氮化物反應(yīng)，包括最簡單的胺基酸，故二氧化氯較109次氯酸鈉消毒次氯酸鈉NaOCl即俗稱之漂白水。一般含有效氯為6-12%，有效氯會隨時間增加而遞減，導(dǎo)致消毒力減弱。漂白水中OCl-為自由有效氯，其反應(yīng)受pH與溫度影響，必須存放於陰冷及防蝕設(shè)備中。考慮腐蝕與有毒氣體釋出之問題，在實際操作時pH值一般以7.5為佳。次氯酸鈉消毒次氯酸鈉NaOCl即俗稱之漂白水。110氯錠氯錠即為含70-90%有效氯之固體鹽類(如次氯酸鈣與三氯異氰尿酸等)使用時氯錠與廢水接觸而溶解出有效氯。一般使用自動溶解裝置，氯鹽從上部加入，下部則與水接觸溶解，維持0.2-0.4mg/L之餘氯濃度，並可利用水流閘門開度調(diào)整其溶解率。氯錠氯錠即為含70-90%有效氯之固體鹽類(如次氯酸鈣與三氯111臭氧消毒為強氧化劑，比氯更能有效地殺死一般細(xì)菌及病毒，且不會產(chǎn)生溶解性固體物及不受水中氨氮濃度及pH的影響，但其性質(zhì)不穩(wěn)定，通常是在現(xiàn)場製備水質(zhì)對臭氧之消毒效率有很大的影響，因廢水中的成份不同，對臭氧所造成的競爭效應(yīng)亦不同，即耗臭氧量(ozonedemand)不同對於經(jīng)二級或三級處理排放之廢水消毒所需之需臭氧量為1-5mg/L，而對於初級處理之廢水的需臭氧量則超過10mg/L以上也可降低水中COD、色度及濁度等無法殘餘在水中抑制微生物的繼續(xù)繁殖臭氧消毒為強氧化劑，比氯更能有效地殺死一般細(xì)菌及病毒，且不112紫外線消毒UV消毒已經(jīng)變成傳統(tǒng)加氯消毒的替代可行方式，特別是於水回用系統(tǒng)中，可以不直接接觸，藉由UV照射，導(dǎo)致細(xì)菌或病毒之DNA或RNA產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化，喪失複製能力，而無法繁殖，已被證實消毒能力較加氯方式有效。DNA在紫外線波長範(fàn)圍內(nèi)在250-260nm有較大吸光度，故常用於消毒之UV波長為254nm。其受歡迎並成功應(yīng)用於現(xiàn)場消毒的主要原因有二：(1)無加藥量過多及藥劑殘餘之虞(2)沒有含毒性之消毒副產(chǎn)物。主要限制因子為光照劑量、使用波長，及水質(zhì)條件對紫外線於水中之穿透效率的影響，而造成實際消毒之能量顯著減少。此外，不能在配水系統(tǒng)中維持殺菌能力，且造價十分高昂然，亦是其缺點。紫外線消毒UV消毒已經(jīng)變成傳統(tǒng)加氯消毒的替代可行方式，特別113各類消毒系統(tǒng)比較各類消毒系統(tǒng)比較114操作劑量與接觸時間Cnt=常數(shù)對特定微生物在特定狀況下達(dá)到一定程度消毒效果時的Ct乘積值，可用來評估各種消毒劑相對消毒能力和各種病原菌消毒劑的抵抗力，故實務(wù)上，Ct乘積值已可被視為消毒劑劑量。紫外線消毒時則改用It(mJ/cm2)，I為紫外線強度(mW/cm2)。操作劑量與接觸時間Cnt=常數(shù)對特定微生物在特定狀況下115達(dá)99%殺菌率所需之Ct或It值達(dá)99%殺菌率所需之Ct或It值116毒性考量應(yīng)符合環(huán)保署公告各項水處理藥劑相關(guān)法令，如公告飲用水管理條例第十三條飲用水水質(zhì)處理所使用之藥劑(87.03.31)除由供應(yīng)商取得確實成分表外，宜定期採樣送檢應(yīng)注意告種藥劑使用或殘餘時所可能衍生之毒性化學(xué)物質(zhì)毒性考量應(yīng)符合環(huán)保署公告各項水處理藥劑相關(guān)法令，如公告飲用水117演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！118廢水處理化學(xué)單元廢水處理化學(xué)單元119課程內(nèi)容壹、 前言貳、中和叁、化學(xué)沉降肆、混凝與膠凝伍、離子交換陸、吸附柒、化學(xué)氧化還原捌、逆滲透玖、消毒課程內(nèi)容壹、 前言120壹、前言壹、前言121化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)要項物質(zhì)：到底誰參予反應(yīng)?條件(3T)：溫度(Temperature)、時間(Time)、攪拌(Turbulence)化學(xué)反應(yīng)之現(xiàn)象動力：到底有多快?熱力：到底變成誰?各物種間的質(zhì)量關(guān)係為何?化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)要項122化學(xué)處理原則使隱形現(xiàn)身：溶解性無機物主要包括陰、陽離子兩大類，需以化學(xué)方法將隱形變?yōu)橛行吾岱娇杉右匀コ?。一才多用：化學(xué)藥劑應(yīng)用於各種水處理之種類和形式甚多，同一種藥劑經(jīng)常可使用於不同的目的。因材施教：針對原水水質(zhì)與處理要求選擇適當(dāng)之化學(xué)藥劑與設(shè)備，並對化學(xué)藥劑的特性、處理效果、加藥方式和反應(yīng)控制等加以瞭解，才能經(jīng)濟有效地達(dá)到處理的目的。化學(xué)處理原則使隱形現(xiàn)身：溶解性無機物主要包括陰、陽離子兩大類123貳、中和貳、中和124中和的目的中和為化學(xué)處理中調(diào)整反應(yīng)系統(tǒng)條件的手段，有時單藉由中和並無法達(dá)到處理目的提供反應(yīng)系統(tǒng)H+與OH-離子調(diào)整反應(yīng)系統(tǒng)之pH值，使其符合預(yù)設(shè)之最佳條件中和的目的中和為化學(xué)處理中調(diào)整反應(yīng)系統(tǒng)條件的手段，有時單藉由125中和反應(yīng)中和反應(yīng)係指將水中含氫(H+)之酸性化合物與鹼性之氫氧基(OH-)反應(yīng)，生成水和鹽類之化學(xué)反應(yīng)。理論上pH值是以水溶液中氫離子活性取對數(shù)值乘以負(fù)號，但在低離子強度時可以用氫離子濃度表示。(熱力學(xué)平衡方程式)水溶液溫度為25℃，pH=7.0時為中性，pH<7.0代表水溶液呈酸性，pH>7.0代表水溶液呈鹼性。僅適用於低離子強度，高離子強度時需考慮共同離子效應(yīng)中和反應(yīng)中和反應(yīng)係指將水中含氫(H+)之酸性化合物與鹼性之氫126中和劑之種類鹼劑：用於酸性廢水(包括金屬工業(yè)、有機工業(yè)、染整工業(yè)、電鍍工業(yè)、印刷電路板製造業(yè)等之廢水)。氫氧化鈉(NaOH)蘇打灰(Na2CO3)酸劑：用於鹼性廢水(包括化學(xué)工業(yè)、製紙工業(yè)、皮革工業(yè)、石油精製工業(yè)、染整工業(yè)等之廢水)。硫酸(H2SO4)中和劑之種類鹼劑：用於酸性廢水(包括金屬工業(yè)、有機工業(yè)、染整127中和劑的應(yīng)用金屬化學(xué)沉澱

藉由添加提高pH值，使產(chǎn)生氫氧化金屬沉澱混凝單元以鋁系或鐵系之混凝劑進(jìn)行混凝沉澱操作，各有其適當(dāng)之反應(yīng)pH值高級氧化

Fenton氧化法之反應(yīng)最適pH值為2~4之間逆滲透(RO)處理程序

為預(yù)防結(jié)垢，需將進(jìn)流水調(diào)整至適當(dāng)之pH值，使水中鹽類之溶解度最大其他

含氰化物之廢水處理系統(tǒng)中，為防止HCN毒性氣體之產(chǎn)生，則需要將廢水之pH值維持在鹼性調(diào)整出流水pH值使符合標(biāo)準(zhǔn)中和劑的應(yīng)用金屬化學(xué)沉澱128加藥控制原理緩衝範(fàn)圍設(shè)定的控制為最傳統(tǒng)的控制方式，設(shè)定緩衝範(fàn)圍，當(dāng)測定值落於此範(fàn)圍內(nèi)則停止加藥，此緩衝時間使藥劑得以混合均勻?qū)嵗哼B續(xù)進(jìn)流酸性原水，反應(yīng)系統(tǒng)要求pH10，緩衝範(fàn)圍pH9.5~10.5反應(yīng)系統(tǒng)pH監(jiān)測電極是否高於10.5是停止加藥或降低加藥速度否是否低於9.5是否開始添加或加速添加鹼劑加藥控制原理緩衝範(fàn)圍設(shè)定的控制為最傳統(tǒng)的控制方式，設(shè)定緩衝範(fàn)129連續(xù)進(jìn)流加藥控制方式隨偵測之pH值距離設(shè)定點之遠(yuǎn)近，而調(diào)整加藥機之啟動，當(dāng)測定值愈趨近設(shè)定點，則加藥機停止愈久比例式頻率控制隨偵測之pH值距設(shè)定點之遠(yuǎn)近，調(diào)整加藥機之運轉(zhuǎn)頻率，測定值離設(shè)定點愈遠(yuǎn)，則加藥頻率愈高，優(yōu)點是加藥不停止，只調(diào)整加藥的速度，對於水量較大，且pH值變化較快的程序，可以更快速地調(diào)節(jié)到穩(wěn)定的狀況比例式脈衝控制連續(xù)進(jìn)流加藥控制方式隨偵測之pH值距離設(shè)定點之遠(yuǎn)近，而調(diào)整加130叁、

化學(xué)沉降叁、

化學(xué)沉降131化學(xué)沉降原理(I)不同的溶解性離子於水相環(huán)境中結(jié)合成為不溶性之產(chǎn)物 A+(aq)+B-(aq)

AB(s)k=[A+(aq)][B-(aq)]

固體生成後經(jīng)過結(jié)晶成長成為可沉降之大顆粒實際應(yīng)用時通常陽離子為金屬離子M+n，陰離子可選擇OH-、SO42-、CO32-、Cl-等會與金屬離子產(chǎn)生不溶性鹽類同一陰離子通常不會僅與一種陽離子作用，因此所得之沉澱物通常含有多種鹽類化學(xué)沉降原理(I)不同的溶解性離子於水相環(huán)境中結(jié)合成為不溶132化學(xué)沉降原理(II)平衡常數(shù)k為一溫度的函數(shù)，且通常會隨著溫度的升高而增加。但並非所有物質(zhì)都依此原則化學(xué)沉降原理(II)平衡常數(shù)k為一溫度的函數(shù)，且通常會隨著133化學(xué)沉降原理(III)結(jié)晶：過程可分為晶核形成與成長兩階段晶核形成：晶核只是一種概念，在沉澱反應(yīng)達(dá)到平衡時不斷有產(chǎn)物生成，也不斷有產(chǎn)物溶解，兩者速率相等可分為一次(primary)與二次(secondary)晶核兩種一次晶核僅為幾個原子或分子聚集在一起形成的聚集體，隨時會崩解，為不穩(wěn)定平衡狀態(tài)當(dāng)一次晶核殘存下來，繼續(xù)接受其他分子而成長，稱為二次晶核

，為穩(wěn)定平衡狀態(tài)成核種類：均相結(jié)核：由沉澱物成份離子對做結(jié)晶核異相結(jié)核：以其它微粒表面作結(jié)晶核(例如熬煮地瓜糖時，多於糖份只會在地瓜表面結(jié)晶)。通常會在過飽和條件下進(jìn)行(濃度、溫度)化學(xué)沉降原理(III)結(jié)晶：過程可分為晶核形成與成長兩階段134化學(xué)沉降原理(IV)結(jié)晶成長與溶液中離子擴散、溶液-固體界面上的質(zhì)傳、以及晶格堆積方式有密切關(guān)係結(jié)晶成長速率：靜態(tài)系統(tǒng)中晶體成長速率可以統(tǒng)計熱力學(xué)中的波茲曼統(tǒng)計定理推算，動態(tài)系統(tǒng)中(如流體化床)則必須額外考慮流體狀態(tài)對結(jié)晶之影響C=C–C*C=標(biāo)的離子之實際濃度C*=標(biāo)的離子在設(shè)定溫度下之飽和濃度且C>C*m=1 離子於容易中之?dāng)U散速度較慢1<m<2晶體表面結(jié)晶速度較慢化學(xué)沉降原理(IV)結(jié)晶成長C=C–C*135化學(xué)沉降原理(V)老化(aging)：結(jié)晶結(jié)構(gòu)因時間而變化的現(xiàn)象稱。沉澱物結(jié)晶變大的現(xiàn)象稱為熟化。實際沉澱反應(yīng)的平衡常數(shù)常與理論值不同雜質(zhì)之影響：如錯鹽形成，結(jié)晶界面之吸附雜質(zhì)，及形成固體混合物等，均會影響沉澱物的實際溶解度反應(yīng)條件之影響：濃度、溫度、壓力、額外提供之接觸介面化學(xué)沉降原理(V)老化(aging)：結(jié)晶結(jié)構(gòu)因時間而變136化學(xué)沉降之應(yīng)用-硬水軟化化學(xué)沉降之應(yīng)用-硬水軟化137化學(xué)沉降之應(yīng)用-重金屬去除化學(xué)沉降之應(yīng)用-重金屬去除138兩性金屬氫氧化物之溶解度兩性金屬氫氧化物之溶解度139計算例估算個別沈降1kg之Cr3+、Ni2+、Cu2+、Zn2+時所產(chǎn)生之沈澱物乾重(1)Cr3+

(2)Ni2+

計算例估算個別沈降1kg之Cr3+、Ni2+、Cu2140(3)Cu2+

(4)Zn2+

※相同原理亦可用於計算所需之最低鹼劑用量(3)Cu2+(4)Zn2+※相同原理亦可用於計算所141化學(xué)沉降之應(yīng)用-高濃度離子之去除氟系廢水處理：氟化鈣法

CaCl2+2HF→CaF2(s)↓+2HCl含砷廢水處理：含氫化砷尾氣洗滌後產(chǎn)生之含砷酸廢水AsH3+4NaOCl(漂白水)→H3AsO4+4NaCl3Mg2++2AsO43-→Mg3(AsO4)2(s)↓化學(xué)沉降之應(yīng)用-高濃度離子之去除氟系廢水處理：氟化鈣法142肆、混凝與膠凝肆、混凝與膠凝143混凝與膠凝目的前述化學(xué)沉澱所產(chǎn)生的無機鹽類顆粒粒徑往往很小，以致於無法以重力直接沉降，必須藉由混凝等程序使顆粒聚集、粒徑放大，以利沉降去除一些本來就存在於水中的懸浮性膠體，由於沉降速度過慢，亦不適於以沉澱法去除，故需藉混凝/膠凝加以去除混凝與膠凝目的前述化學(xué)沉澱所產(chǎn)生的無機鹽類顆粒粒徑往往很小，144混凝/膠凝原理(I)–電雙層理論顆粒於水中表面會聚集水中解離的OH-或H+離子，使表面帶有電位，因此水中存在的其他異性電荷離子便會集中於顆粒表面，而同性電荷離子便被排斥在外，在某一個介面上(剪力面)就會有同性電荷過量的現(xiàn)象，這稱為“電雙層”現(xiàn)象。混凝/膠凝原理(I)–電雙層理論顆粒於水中表面會聚集水145混凝/膠凝原理(II)界達(dá)電位越高表顆粒間斥力越大，顆粒不易凝結(jié)一起，所有固體微粒均勻分布於水中，漿體也就越穩(wěn)定混凝/膠凝目的即在使?jié){體不穩(wěn)定化(Destabilization)藉由加入一些添加劑可將這種現(xiàn)象克服，使顆?？梢曰ハ嘟Y(jié)合變大，達(dá)到可自然沉降的大小混凝/膠凝原理(II)界達(dá)電位越高表顆粒間斥力越大，顆粒不146混凝/膠凝原理(III)膠凝與混凝的差別：膠凝Flocculation：顆粒間僅藉由巨大分子鏈拉在一起，本身的界達(dá)電位並未改變，如陰離子性/非離子性有機膠凝劑的作用混凝Coagulation：藉由一些金屬氫氧化物的作用(如氫氧化鐵/氫氧化鋁)，顆粒表面界達(dá)電位被中和混凝/膠凝原理(III)膠凝與混凝的差別：147混凝/膠凝作用機制電雙層壓縮

(double-layercompression)離子吸附

(SpecificIonAdsorption)聚合物吸附(PolymerChargePatch)聚合物架橋(PolymerBridging)混凝/膠凝作用機制電雙層壓縮148電雙層壓縮當(dāng)外界異性電荷離子濃度增加，電雙層厚度也會隨著降低，相對地排斥力也會犧牲。通常加入無機鹽類(尤其是單價離子)可達(dá)到這目的。電雙層壓縮當(dāng)外界異性電荷離子濃度增加，電雙層厚度也會隨著降低149特定離子吸附是指陰離子以化學(xué)吸附方式鍵結(jié)至顆粒表面，並中和顆粒表面電位以鐵/鋁等三價鹽類為例之作用機制：鐵/鋁鹽類水解為帶有不同數(shù)量氫氧根之氫氧化物(隨pH而定)吸附至顆粒表面依據(jù)氫氧化物本身所帶的電荷中和顆粒表面電荷特定離子吸附是指陰離子以化學(xué)吸附方式鍵結(jié)至顆粒表面，並中和150聚合物吸附聚合物於水中形成正負(fù)不同的電荷中心，並以庫倫靜電力方式吸引並中和顆粒表面電荷小分子陰離子性聚合物(如聚乙烯亞胺Polyethylenimine)多以此方式作用聚合物吸附聚合物於水中形成正負(fù)不同的電荷中心，並以庫倫靜電力151聚合物架橋LoopsTrainsTails聚合物於水中以靜電力、凡德瓦爾力、氫鍵以及化學(xué)吸附等作用，吸附至鄰近顆粒表面大分子非離子性聚合物多以此方式作用屬於膠凝作用聚合物架橋LoopsTrainsTails聚合物於水中以靜152混凝劑之種類名稱化學(xué)式商品成分形狀適合的pH值硫酸鋁(鋁明礬)Al2(SO4)3

?8H2O15~22%Al2O3塊狀粒狀粉末4.5~8.0硫酸鐵Fe2(SO4)390~94%Fe2(SO4)325~26%Fe粒狀粉末4~12氯化鐵FeCl3?6H2O59~61%FeCl320~21%Fe塊狀4~12聚氯化鋁(多元氯化鋁PAC)[Al2(OH)nCl6-n]n10~15%Al2O3液狀粉狀6~9混凝劑之種類名稱化學(xué)式商品成分形狀適合的pH值硫酸鋁Al2(153膠凝劑之種類活性矽酸

是帶負(fù)電的溶液，其作用在於幫助由金屬鹽形成的帶正電的金屬氫氧化物的膠凝作用，在低溫下使用降低混凝不良情況。如液態(tài)矽酸鈉。增重劑

用來增加膠羽重量，適用在低濁度、高色度的原水，如黏土、飛灰等，使用時和混凝劑同時加入可以作為膠羽成長的核凝以增加重量，促進(jìn)膠羽沉澱。陽離子高分子電解質(zhì)(常用)一般可單獨使用，藉吸附和電價中和及架橋作用將懸浮膠體粒子（一般表面帶負(fù)電）去除，但所加藥量需控制於適當(dāng)範(fàn)圍，以免過多的使用量造成仍具穩(wěn)定性的粒子。陰離子性和非離子性高分子電解質(zhì)(常用)可用於化學(xué)沉澱析出之金屬氫氧化物，或使用於無機類混凝劑之後，藉架橋作用形成更大之顆粒，以增加沉降速度。陰離子性聚電解質(zhì)之效果受pH值、鹼度、硬度及濁度等之影響較小。膠凝劑之種類活性矽酸154混凝/膠凝之操作快混在促使混凝劑與廢水於短時間內(nèi)充分混合，破壞粒子表面電荷層之穩(wěn)定性。慢混即膠凝，其利用速度坡降(velocitygradient)，使顆粒相互碰撞而生成較大且緻密之膠羽?；炷?膠凝之操作快混155攪拌強度G：速度梯度，mps/m或s-1W：每單位水體積之?dāng)嚢鑴恿?，N-m/s－m3P：攪拌動力，N-m/s或WV：池體積，m3：水之絕對黏滯係數(shù)，N-s/m2混合的效果或程度可以外加在水中的動力來決定，此動力之強度可用速度梯度G來表示兩個流體粒子相距0.05m，而其相對速度為2m/s，則速度梯度為2m/s÷0.05m=40mps/s=40s-1

攪拌強度G：速度梯度，mps/m或s-1混合的效果或程度可以156混凝之最適pHpH=5.0~7.0pH=4.0~9.0鋁鹽鐵鹽混凝之最適pHpH=5.0~7.0pH=4.0~9.0鋁鹽157混凝最適加藥量之確認(rèn)瓶杯試驗(Jar-test)加藥量vs.殘餘濁度混凝最適加藥量之確認(rèn)瓶杯試驗(Jar-test)加藥量v158混凝/膠凝劑使用注意事項高分子聚合物本身無毒，但可能含有具毒性之有機單體(如丙烯醯胺，美國EPA標(biāo)準(zhǔn)上限值為0.05%)各種藥劑中有害雜質(zhì)含量均有法規(guī)限制(請參閱環(huán)保署水處理藥劑相關(guān)規(guī)定)各種藥劑加藥量之確定需注意法規(guī)、技術(shù)、處理效果與經(jīng)濟等方面混凝/膠凝劑使用注意事項高分子聚合物本身無毒，但可能含有具毒159伍、離子交換伍、離子交換160離子交換原理(I)為高級處理之ㄧ種固相與液相中帶有同性電荷的離子相互取代的反應(yīng)，可分為陽離子與陰離子交換兩種，簡單反應(yīng)可以下列反應(yīng)式表示： -R-A+(s)+B+(aq)

-R-B+(s)+A+(aq) -R-C-(s)+D-(aq)

-R-D-(s)+C-(aq)

其中R為樹脂有機官能基，此種反應(yīng)的發(fā)生並不會改變樹脂本身的結(jié)構(gòu)。當(dāng)在水溶液中的離子快速地擴散進(jìn)入樹脂的分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(molecularnetwork)中，被交換的離子則經(jīng)由相同的路徑進(jìn)入溶液中，至達(dá)成交換平衡為止。離子交換原理(I)為高級處理之ㄧ種161StructureofacationexchangerthatexchangesH+forNa+ionsStructureofacationexchange162離子交換原理(II)離子交換達(dá)平衡時，所有離子濃度遵循熱力學(xué)平衡中之質(zhì)量作用定理–恆溫模式Na+

–

Ca2+