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1、第十七章 污水的吸附法、離子交換法、萃取法和膜析法處理 17-1 吸附法 一、吸附原理與類型 1、概念 吸附是一種物質(zhì)附著在另一種物質(zhì)表面上的過程，它可以發(fā)生在氣-液、氣-固、液-固兩相之間。 在污水處理中，吸附則是利用多孔性固體吸附劑的表面吸附污水中一種或多種污染物，達(dá)到污水凈化的過程。具有吸附能力的多孔性固相物質(zhì)稱為吸附劑，而污水中被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。 這種方法主要用于低濃度工業(yè)廢水的處理。 2、吸附原理 吸附的主要原因在于溶質(zhì)對(duì)水的疏水特性或者在于溶質(zhì)對(duì)固體顆粒的高度親合力；吸附作用的第二種原因是主要由溶質(zhì)與吸附劑之間的靜電引力、范德華引力或化學(xué)鍵力所引起。 與此相

2、對(duì)應(yīng)，可把吸附分為3種基本類型。 3、吸附類型 (1) 物理吸附 物理吸附是吸附質(zhì)與吸附劑之間的分子引力(范德華力)所產(chǎn)生的吸附。這是最常見的一種吸附現(xiàn)象。 特征： ① 被吸附物分子稍能在界面上作自由移動(dòng)； ② 吸附時(shí)表面能降低，所以是放熱反應(yīng)； ③ 由于物理吸附是分子間力，而分子引力普遍存在，所以吸附基本上是無選擇性的； ④ 低溫就能進(jìn)行吸附； ⑤ 可以形成單分子層或多分子層吸附； ⑥ 吸附速率快，易于達(dá)到平衡； ⑦ 由于吸附力弱，物理吸附也容易解吸(或脫附)，反應(yīng)高度可逆。 (2) 化學(xué)吸附 化學(xué)吸附是吸附質(zhì)與吸附劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵和表面配合物。

3、 特征： ① 吸附質(zhì)分子不能在表面自由移動(dòng)； ② 吸附時(shí)放熱量大，與化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱相近； ③ 是選擇性吸附； ④ 一般需在較高的溫度下進(jìn)行吸附； ⑤ 只能是單分子層吸附或不滿一層； ⑥ 吸附較穩(wěn)定，不易解吸(不可逆)； (3) 離子交換吸附 離子交換吸附即溶質(zhì)的離子由于靜電引力作用聚集在吸附劑表面的帶電點(diǎn)上，同時(shí)吸附劑也放出一個(gè)等當(dāng)量離子。 離子的電荷是交換吸附的決定因素：離子所帶電荷越多，吸附越強(qiáng)；電荷相同的離子，其水化半徑越小，越易被吸附。 在水處理中，吸附過程往往是上述幾種吸附作用的綜合結(jié)果。由于吸附質(zhì)、吸附劑及其它因素的影響，可能某種吸附是主要的。 二、吸附平

4、衡和吸附容量 1、吸附平衡和平衡濃度 吸附過程是一個(gè)可逆過程，當(dāng)污水、吸附劑兩相經(jīng)充分接觸后，最終將達(dá)到吸附與脫附的動(dòng)態(tài)平衡，即吸附平衡。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附速度與脫附速度相等，吸附質(zhì)在吸附劑及溶液中的濃度都將不再改變。 此時(shí)，吸附質(zhì)在液相中的濃度稱為平衡濃度。 2、吸附容量 指單位質(zhì)量吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的質(zhì)量。 式中：q——吸附容量，g/g； V——廢水體積，L； c0——原水中吸附質(zhì)濃度，g/L； c——吸附平衡時(shí)水中剩余的吸附質(zhì)濃度，g/L； W——吸附劑投加量，g。 吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸收效果，一般用吸附容量和吸附速度來

5、衡量。 3、吸附速度 指單位質(zhì)量的吸附劑在單位時(shí)間內(nèi)所吸附的物質(zhì)的量。 吸附速度決定了污水和吸附劑的接觸時(shí)間，取決于吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附過程，通常由試驗(yàn)確定。 4、吸附等溫線 是表征吸附容量與相應(yīng)的平衡濃度之間的關(guān)系曲線。 5、吸附等溫式 描述吸附等溫線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。常見的有朗格繆爾(Langmuir)吸附等溫式、弗蘭德里希(Freundlich)（在低濃度時(shí)較適用）吸附等溫式和BET等溫式。 三個(gè)吸附等溫式僅適用于單組分吸附體系。 (1) 朗格繆爾吸附等溫式 假設(shè)：①吸附是單分子層吸附，其吸附量達(dá)到最大值；②吸附分子之間沒有作用力；③一定條件下，吸附與脫附可達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

6、 (17-1) 式中：Nm——單分子層覆蓋的飽和值，與溫度無關(guān)； q——平衡吸附量，mg/g； k——吸附系數(shù)，代表了固體表面吸附能力的強(qiáng)弱，又稱吸附平衡常數(shù)； c——吸附質(zhì)濃度，g/L。 為了方便起見，可將(4-1)式變形為一個(gè)線性形式： (17-2) 根據(jù)試驗(yàn)情況，可按(17-2)式以[1/q]對(duì)[1/c]作圖，得到一條直線見圖17-1。 1/q 1/C 圖4-1 Langmuir吸附等溫式常數(shù)圖解法 (2) Freundlich吸附等溫式 為指數(shù)型的經(jīng)驗(yàn)公式： (17-3) 式中

7、：K——Freundlich吸附系數(shù)； n——常數(shù)，通常大于1； 其它符號(hào)同前。 式(17-3)雖然為經(jīng)驗(yàn)式，但與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合，通常將該式繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以便確定K與n值。式(17-3)兩邊取對(duì)數(shù)，得： (17-4) 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按式(17-4)作圖得到一直線，如圖17-2，其斜率等于1/n，截距等于lgK。一般認(rèn)為，1/n值介于0.1～0.5，則易于吸附，1/n >2時(shí)難以吸附。 1/n lgqe lgce lgK 圖17-2 Freundlich吸附等溫式常數(shù)圖解法

8、 Freundlich吸附等溫式在一般的濃度范圍內(nèi)與Langmuir吸附等溫式比較接近，但在高濃度時(shí)不像Langmuir吸附等溫式那樣趨向于一個(gè)定值；在低濃度時(shí)也不會(huì)還原成一條直線。當(dāng)污水中混合著吸附難易不同的物質(zhì)時(shí)，則等溫線不成直線。 表17-1列舉了活性炭吸附污水中酚、醋酸等時(shí)的K和n值，可供參考。 表17-1 活性炭在某些物質(zhì)水溶液中的吸附 吸附質(zhì) 溫度/℃ K n 吸附質(zhì) 溫度/℃ K n 酚 20 17.18 0.23 醋酸 20 0.97 0.4 70 2.19 0.47 50 0.08 0.66 甲酚 20 2.00 0.4

9、8 70 0.04 0.75 醋酸戊酯 20 4.80 0.49 【例】用活性炭吸附水中色素的試驗(yàn)方程式為：。今有100L溶液，色素濃度為0.05g/L，欲將色素除去90％，應(yīng)加多少活性炭？ 解：平衡時(shí)的c＝0.05(1－90%)=0.005g/L 三、影響吸附的因素 1、吸附劑的性質(zhì) (1) 孔的大小 吸附劑的內(nèi)孔大小和分布對(duì)吸附性能影響很大?？讖教螅砻娣e小，吸附能力差；孔徑太小，則不利于吸附質(zhì)擴(kuò)散，并對(duì)直徑較大的分子起屏蔽作用。 (2) 比表面積 由于吸附現(xiàn)象是發(fā)生在固體表面上，所以吸附劑的比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)，吸附容量也

10、越大，因此，比表面積是吸附作用的基礎(chǔ)。 但要注意與處理水的性質(zhì)相適應(yīng)，對(duì)分子量大的吸附質(zhì)，微孔提供的表面積不起很大作用，所以單純強(qiáng)調(diào)比表面積會(huì)有片面性，不能不分處理對(duì)象任意用炭。 (3) 吸附劑的表面化學(xué)特性 一般極性分子型吸附劑易吸附極性分子型吸附質(zhì)，非極性分子型吸附劑易吸附非極性的吸附質(zhì)。 活性炭本身是非極性的，在制造過程中，處于微晶體邊緣的碳原子，由于共價(jià)鍵不飽和而易與其他元素如氧、氫等結(jié)合形成含各種含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基、羰基等，從而具有微弱極性，使其他極性溶質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)活性炭表面的活性位置，導(dǎo)致非極性溶質(zhì)吸附量降低，而對(duì)水中某些金屬離子產(chǎn)生離子交換吸附或絡(luò)合反應(yīng)，提高處理效果。

11、 2、吸附質(zhì)的性質(zhì) 吸附質(zhì)在水中溶解度、分子極性、分子量大小等都對(duì)吸附都有影響。 (1) 溶解度 一般溶質(zhì)溶解度越低，越容易被吸附，而不易被解吸。 通常有機(jī)物在水中溶解度隨著鏈長(zhǎng)的增加而減小，而活性炭在污水中對(duì)有機(jī)物的吸附容量隨著同系物分子量的增大而增加。 (2) 表面自由能 能夠使液體表面自由能(或叫表面張力)降低越多的吸附質(zhì)，越容易被吸附。例如活性炭在水溶液中吸附脂肪酸，由于含碳越多的脂肪酸分子可使炭液界面自由能降低得越多，所以吸附量也越大。 (3) 極性 吸附質(zhì)極性強(qiáng)弱對(duì)吸附影響很大。極性的吸附質(zhì)易被極性的吸附劑吸附，非極性的吸附質(zhì)易被非極性的吸附劑吸附。 硅膠和活性氧

12、化鋁為極性吸附劑，可以從污水中吸附極性分子。 3、吸附操作條件 (1) 污水(或廢水)的pH值 溶液的pH值影響溶質(zhì)處于分子或離子絡(luò)合狀態(tài)的程度；也影響到活性炭表面電荷特性(電荷正、負(fù)性及電荷密度等)。 研究表明，在等電點(diǎn)處可發(fā)生最大的吸附，說明中性物質(zhì)的吸附為最大。 (2) 溫度 對(duì)于物理吸附，吸附時(shí)放熱，所以溫度提高，吸附量減少，反之，則吸附量增大。 溫度對(duì)氣相吸附的影響比液相吸附的影響大。 (3) 接觸時(shí)間 進(jìn)行吸附操作時(shí)，應(yīng)保證吸附質(zhì)與吸附劑有一定的接觸時(shí)間，使吸附接近平衡，以充分利用吸附劑的吸附能力。 最佳接觸時(shí)間，宜通過活性炭吸附柱的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來確定。 (4)

13、共存物質(zhì) 一般共存吸附多種物質(zhì)時(shí)，吸附劑對(duì)某種吸附質(zhì)的吸附能力比只含該種吸附質(zhì)時(shí)的吸附能力差。 (5) 生物協(xié)同作用 水處理中，特別是在廢水處理中，使用活性炭一段時(shí)間后，在炭表面上會(huì)繁殖微生物，參與對(duì)有機(jī)物的去除，使活性炭的去除負(fù)荷及使用周期甚至?xí)杀对鲩L(zhǎng)。 同時(shí)也帶來了不利的影響，例如在炭柱裝置中，會(huì)增加水頭損失，需要經(jīng)常反沖洗，容易造成厭氣(缺氧)狀態(tài)，產(chǎn)生硫化氫臭氣等。 四、吸附劑 廣義而言，一切固體表面都有吸附作用，但實(shí)際上，只有多孔物質(zhì)或細(xì)微顆粒由于具有較大的比表面積，才具有明顯的吸附能力。 工業(yè)上應(yīng)用的吸附劑必須滿足下列要求： (1) 吸附能力強(qiáng)； (2) 吸附選

14、擇性好； (3) 吸附平衡濃度低； (4) 容易再生與再利用； (5) 化學(xué)穩(wěn)定性好； (6) 機(jī)械強(qiáng)度好； (7) 來源廣、價(jià)格低廉。 一般工業(yè)吸附劑很難同時(shí)滿足以上要求，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合選用合適的吸附劑。 污水處理中常見的吸附劑有活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭、活性白土、腐殖酸及大孔徑吸附樹脂等。 1、活性炭 活性炭是目前應(yīng)用最為廣泛的吸附劑。 活性炭是一種非極性吸附劑，是以含炭為主的物質(zhì)作原料，經(jīng)高溫炭化和活化制得的疏水性吸附劑。外觀為暗黑色，有粒狀和粉狀2種，目前工業(yè)上大量采用粒狀活性炭。 常用活性炭比表面積在500～700m2/g，微孔有效半徑1

15、～1000nm，其中小孔半徑在2nm以下，過渡孔半徑在2～100nm，大孔半徑在100～10000nm。小孔容積一般在0.15～0.90mL/g，其比表面積應(yīng)占此面積的95％以上，活性炭表面吸附量主要受小孔支配來完成。 活性炭主要成分為炭，除此以外還含有少量O、H、S等元素，以及水分、灰分。 它具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用，不易破碎。 表17-2 污水處理適用的粒狀活性炭性能參考 序號(hào) 項(xiàng)目 數(shù)值 序號(hào) 項(xiàng)目 數(shù)值 1 比表面積/( m2/g) 950~1500 6 碘值(最小)/(mg/g) 900 2 密

16、度 堆積密度 顆粒密度 真密度 0.44 1.3～1.4 2.1 7 磨損值(最小)/% 70 3 粒徑 有效粒徑/mm 平均粒徑/mm 0.8～0.9 1.5～1.7 8 灰分(最大)/% 8 4 均勻系數(shù) ≤1.9 9 包裝后含水率(最大)/% 2 5 空隙容積/(cm3/g) 0.85 10 篩徑(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))大于8號(hào)(最大)/% 小于30號(hào)(最小)/% 8 5 *根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，活性炭主要通過亞甲基藍(lán)指標(biāo)值表現(xiàn)活性炭中孔的發(fā)達(dá)程度，碘值表現(xiàn)活性炭微孔的發(fā)達(dá)程度，pH值表現(xiàn)活性炭的酸堿度，粒度或目數(shù)表現(xiàn)活性炭的顆粒

17、大小，強(qiáng)度表現(xiàn)活性炭的堅(jiān)硬程度，水份表現(xiàn)活性炭中的水份含量程度，灰份表現(xiàn)活性炭中雜質(zhì)的含量程度，以及其他如鐵鹽、氯化物等特殊的指標(biāo)值表現(xiàn)在活性炭中該種化學(xué)物質(zhì)的含量程度，醋酸吸附、醋酸鋅吸附的指標(biāo)值主要用在維尼綸炭方面，載銀量、載鈀量等指標(biāo)值主要用在催化劑載體炭方面。 2、腐殖酸類吸附劑 作為吸附劑的腐殖酸類物質(zhì)主要有：天然的富含腐殖酸的風(fēng)化煤、泥煤、褐煤等，它們可以直接使用或經(jīng)簡(jiǎn)單處理后使用；將富含腐殖酸的物質(zhì)用適當(dāng)?shù)恼澈蟿┲苽涑傻母乘嵯禈渲? 腐殖酸是一組芳香結(jié)構(gòu)的，性質(zhì)與酸性物質(zhì)相似的復(fù)雜混合物。它含的活性基團(tuán)有酚羥基、羧基、醇羥基、甲氧基、羰基、醌基、胺基、磺酸基等。這些活性基

18、團(tuán)有陽離子吸附性能。腐殖酸對(duì)陽離子的吸附，包括離子交換、螯合、表面吸附、凝聚等作用。 腐殖酸類物質(zhì)能吸附工業(yè)廢水中的許多金屬離子，如汞、鉻、鋅、鎘、鉛、銅等。腐殖酸類物質(zhì)在吸附重金屬離子后，可以用H2SO4、HCl、NaCl等進(jìn)行解吸。 目前，這方面的應(yīng)用還處于試驗(yàn)、研究階段，還存在吸附(交換)容量不高，適用的pH范圍較窄，機(jī)械強(qiáng)度低等問題，需要進(jìn)一步研究和解決。 五、吸附劑的再生 所謂再生，就是在吸附劑本身結(jié)構(gòu)不發(fā)生或很少發(fā)生變化的情況下，用某種方法把吸附質(zhì)從吸附劑孔隙中除去，恢復(fù)它的吸附能力，以達(dá)到重復(fù)使用的目的。 活性炭的再生方法主要有：加熱再生法、藥劑再生法、化學(xué)氧化法和生物

19、法。 圖17-3 立式多段再生爐 (1) 加熱再生法 這是目前粒狀活性炭的最常用最有效的再生方法。在高溫下，吸附質(zhì)分子易于從吸附劑活性中心點(diǎn)脫離；同時(shí)，吸附的有機(jī)物在高溫下能氧化分解，或以氣態(tài)分子，或斷裂成短鏈，降低了吸附劑對(duì)它的吸附能力。 加熱再生過程由下列幾個(gè)步驟進(jìn)行：①脫水、使活性炭和輸送液分離；②干燥，加溫到100～150℃，把細(xì)孔中的水分蒸發(fā)出來，同時(shí)使一部分低沸點(diǎn)的有機(jī)物也揮發(fā)出來；③炭化，加熱到300～700℃，使高沸點(diǎn)有機(jī)物熱分解，一部分低沸點(diǎn)物質(zhì)揮發(fā)，另一部分被炭化留在活性炭細(xì)孔中；④活化，加熱到700～1000℃，使留在細(xì)孔中的殘留物與活化氣體(如水蒸氣、CO2

20、和O2)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物以氣態(tài)形式逸出，達(dá)到重新造孔的目的；⑤冷卻，把活化后的活性炭用水急劇冷卻，防止氧化。 上述干燥、炭化、活化三步在一個(gè)直接燃燒立式多段再生爐中進(jìn)行。再生爐體為鋼殼內(nèi)襯耐火材料，內(nèi)部分隔成4～9段爐床。中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)把柄使活性炭自上段向下段移動(dòng)。該再生爐為六段，第一、二段用于干燥，第三、四段用于炭化，第五、六段為活化。 從再生爐排出的廢氣中含有甲烷、乙烷、焦油蒸氣、SO2、CO2、CO、H2、過剩O2等。為防止廢氣污染大氣，可將排出的廢氣先送入燃燒器后，再送入水洗塔除去粉塵和有臭味物質(zhì)。 (2) 化學(xué)氧化法 活性炭的化學(xué)氧化法再生可分為下列幾種方法。 ① 濕式氧化

21、法 在某些處理工程中，為了提高曝氣池的處理能力，向曝氣池內(nèi)投加粉狀炭，吸附飽和后的粉狀炭可采用濕式氧化法進(jìn)行再生。其工藝流程如圖17-4所示。飽和炭用高壓泵經(jīng)換熱器和水蒸氣加熱后送入氧化反應(yīng)塔。在塔內(nèi)被活性炭吸附的有機(jī)物與空氣中的氧反應(yīng)，進(jìn)行氧化分解，使活性炭得到再生。再生后的炭經(jīng)熱交換器冷卻后，送入再生炭?jī)?chǔ)槽。在反應(yīng)器底積集的無機(jī)物(灰分)定期排出。 圖17-4 濕式氧化再生工藝流程 ② 電解氧化法 將炭作為陽極進(jìn)行水的電解，在活性炭表面產(chǎn)生的氧氣把吸附質(zhì)氧化分解。 ③ 臭氧氧化法 利用強(qiáng)氧化劑臭氧，將吸附在活性炭上的有機(jī)物加以分解。由于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面原因，此法實(shí)際應(yīng)用不多。

22、 (3) 溶劑再生法 用溶劑將活性炭吸附的物質(zhì)解吸下來。常用的溶劑有酸、堿、苯、丙酮、甲醇等。此方法在制藥等行業(yè)常有應(yīng)用，有時(shí)還可以進(jìn)一步由再生液中回收有用物質(zhì)。 (4) 生物法 利用微生物的作用，將被活性炭吸附的有機(jī)物加以氧化分解。在再生周期較長(zhǎng)、處理水量不大的情況下，可以將炭床內(nèi)的活性炭一次性卸出，然后放置在固定的容器內(nèi)進(jìn)行生物再生，待一段時(shí)間后活性炭?jī)?nèi)吸附的有機(jī)物基本上被氧化分解，炭的吸附性能基本恢復(fù)時(shí)即可重新使用。另外也可以在活性炭吸附處理過程中，同時(shí)向炭床內(nèi)鼓入空氣，以供炭粒上生長(zhǎng)的微生物生長(zhǎng)繁殖和分解有機(jī)物的需要。這樣整個(gè)炭床就處在不斷地由水中吸附有機(jī)物，同時(shí)又在不斷氧化分

23、解這些有機(jī)物的動(dòng)態(tài)平衡中。因此，炭的飽和周期將成倍地延長(zhǎng)，甚至在有的工程實(shí)例中一批炭可以連續(xù)使用五年以上。這也就是近年來使用越來越多的生物活性炭處理新工藝。 活性炭再生后，炭本身及炭的吸附量都不可避免地會(huì)有損失。對(duì)加熱再生法，再生一次損耗炭約5％～10％，微孔減少，過渡孔增加，比表面積和碘值均有所降低。對(duì)于主要利用微孔的吸附操作，再生次數(shù)對(duì)吸附有較重要的影響，因而做吸附試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用再生后的活性炭，才能得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于主要利用過渡孔的吸附操作，則再生次數(shù)對(duì)吸附性能的影響不大。 六、吸附操作方式與設(shè)計(jì) 1、吸附操作 吸附的操作方式分為靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附2種。 (1) 靜態(tài)吸附

24、(即間歇式) 靜態(tài)吸附指污水在不流動(dòng)的條件下進(jìn)行的吸附操作。 靜態(tài)吸附操作的工藝過程是把一定量吸附劑投入欲處理的污水中，不斷地進(jìn)行攪拌，達(dá)到吸附平衡后，再用沉淀或過濾的方法使污水與吸附劑分開。如經(jīng)一次吸附后，出水的水質(zhì)達(dá)不到要求時(shí)，往往采取多次靜態(tài)吸附操作。 由于多次吸附操作是一個(gè)非連續(xù)的間歇操作過程，處理大批污水時(shí)較為煩雜，故間歇式操作主要用于少量廢水的處理及實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)際生產(chǎn)中采用較少。 (2) 動(dòng)態(tài)吸附(即連續(xù)式) 動(dòng)態(tài)吸附就是污水在流動(dòng)條件下進(jìn)行的吸附。它是把欲處理的污水連續(xù)地通過吸附劑填料層，使污水中的雜質(zhì)得到吸附。 根據(jù)實(shí)際操作所選用的設(shè)備不同，吸附操作又分為固定床式

25、、移動(dòng)床式和流化床式。 ① 固定床 這是水處理工藝中最常用的一種方式。 當(dāng)廢水連續(xù)通過填充吸附劑的吸附設(shè)備(吸附塔或吸附池)時(shí)，廢水中的吸附質(zhì)便被吸附劑吸附。若吸附劑數(shù)量足夠時(shí)，從吸附設(shè)備流出的廢水中吸附質(zhì)的濃度可以降低到零。吸附劑使用一段時(shí)間后，出水中的吸附質(zhì)的濃度逐漸提高，當(dāng)提高到某一數(shù)值時(shí)，應(yīng)停止通水，將吸附劑進(jìn)行再生。吸附和再生可在同一設(shè)備內(nèi)交替進(jìn)行，也可將失效的吸附劑排出，送到再生設(shè)備進(jìn)行再生。因?yàn)檫@種動(dòng)態(tài)吸附設(shè)備中吸附劑在操作中是固定的，所以叫固定床。 圖17-5 固定床 固定床根據(jù)水流方向又分為升流式和降流式兩種形式。 降流式固定床(見圖17-5)的出水水質(zhì)較好，

26、但經(jīng)過吸附層的水頭損失較大，特別是處理含懸浮物較高的廢水時(shí)，為了防止懸浮物堵塞吸附層，須定期進(jìn)行反沖洗。有時(shí)需要在吸附層上部設(shè)反沖洗設(shè)備。在升流式固定床中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水頭損失增大時(shí)，可適當(dāng)提高水流流速，使填充層稍有膨脹(上下層不能互相混合)就可以達(dá)到自清的目的。這種方式由于層內(nèi)水頭損失增加較慢，所以運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)為其優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)廢水入口處(底層)吸附層的沖洗難于降流式。另外由于流量變動(dòng)或操作一時(shí)失誤就會(huì)使吸附劑流失，為其主要缺點(diǎn)。 固定床根據(jù)處理水量、原水的水質(zhì)和處理要求可分為單床式、多床串連式和多床并聯(lián)式3種。 圖17-6 固定床吸附操作示意圖 (a)單床式；(b)多床串聯(lián)式；(c)多床并

27、聯(lián)式 圖17-7 固定床多床操作示意圖 ② 移動(dòng)床 圖17-8 移動(dòng)床吸附塔構(gòu)造示意圖 1.通氣閥；2.進(jìn)料斗；3.溢流管；4.5直流式襯膠閥；6.水射器；7.截止閥 圖17-9 多層流化床吸附塔構(gòu)造示意 原水從吸附塔底部流入和吸附劑進(jìn)行逆流接觸，處理后的水從塔頂流出，再生后的吸附劑從塔頂加入，接近吸附飽和的吸附劑從塔底間歇排出。 優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，連接管路少，基本上不需要反沖洗。 缺點(diǎn)：難于均勻地排出炭層；操作要求嚴(yán)格，不能使塔內(nèi)吸附劑上下層互混；不利于生物協(xié)同作用。 ③ 流動(dòng)床(流化床) 吸附劑在塔中處于流化狀態(tài)，并由上向下移動(dòng)，原水由底部升流式通過床層

28、。因此，吸附劑與水的接觸面積增大。流動(dòng)床是一種較為先進(jìn)的床型。與固定床相比，可使用小顆粒的吸附劑，吸附劑一次投量較少，不需反洗，設(shè)備小，生產(chǎn)能力大，預(yù)處理要求低。但運(yùn)轉(zhuǎn)中操作要求高，不易控制，同時(shí)對(duì)吸附劑的機(jī)械強(qiáng)度要求高。目前應(yīng)用較少。 為了防止吸附劑全塔混層，以充分利用其吸附容量并保證處理效果，塔內(nèi)吸附劑采用分層流化。 2、吸附裝置的設(shè)計(jì) 通常吸附裝置的設(shè)計(jì)步驟如下： ① 選定吸附操作方式及吸附裝置的型式； ② 參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇最佳空塔流速(空塔體積流速vL或空塔線速度vs)； ③ 根據(jù)吸附柱實(shí)驗(yàn)，求得動(dòng)態(tài)吸附容量q及通水倍數(shù)n(即單位質(zhì)量吸附劑所能處理的水的質(zhì)量)； ④

29、 根據(jù)水流速度和出水要求，選擇最適炭層高度H (或接觸時(shí)間t)； ⑤ 選擇吸附裝置的個(gè)數(shù)N及使用方式， ⑥ 計(jì)算裝置總面積F(F＝Q／vs)和單個(gè)裝置的面積f(f＝F／N)，并確定吸附塔直徑； ⑦ 計(jì)算再生規(guī)模，即每天需再生的飽和炭量W(W＝ΣQ／n)。 【例】某煉油廠擬采用活性炭吸附法進(jìn)行煉油廢水深度處理。處理水量Q為600m3/h，廢水COD平均為90mg/L，出水COD要求小于30 mg/L，試計(jì)算吸附塔的主要尺寸。 根據(jù)動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果，決定采用間歇式移動(dòng)床活性炭吸附塔，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下： (1) 空塔速度VL＝10m/h； (2) 接觸時(shí)間T＝30min； (3) 通

30、水倍數(shù)n＝6.0 m3/kg； (4) 活性炭填充密度P＝0.5t/m3。 【解】吸附塔總面積F＝Q/VL＝600/10=60m3 吸附塔個(gè)數(shù)：采用4塔并聯(lián)，N＝4，每個(gè)吸附塔的過水面積： f＝60/4=15 m2 吸附塔的直徑： 每個(gè)吸附塔的炭層高度： h＝VLT=100.5＝5m 每個(gè)吸附塔填充活性炭的體積： V＝f h＝155＝75m3 每個(gè)吸附塔填充活性炭的質(zhì)量： G＝VP＝750.5＝37.5t 每天需再生的活性炭質(zhì)量： W＝24Q/n＝2.4t 七、吸附在污水處理中的應(yīng)用 由于吸附法對(duì)進(jìn)水的預(yù)處理要求高，吸附劑的價(jià)格昂貴，因此在廢水處理中，吸附法主

31、要用來去除廢水中的微量污染物，達(dá)到深度凈化的目的。如廢水中少量金屬離子的去除，少量有害的生物難降解有機(jī)物的去除，脫色除臭等。 美國(guó)于1972年在Carson煉油廠建成第一套用活性炭處理煉油廢水的工業(yè)裝置，處理能力約16000m3/d，COD去除率達(dá)95％。 我國(guó)于1976年建成第一套大型煉油廢水活性炭吸附處理的工業(yè)裝置。 1、吸附法除汞 活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有限，只適宜于處理含汞量低的廢水。 某工廠用活性炭作為汞廢水的最終處理，其流程如圖17-10所示。該廠的廢水量不大(10~20m3/d)，但含汞的濃度較高，因此先用化學(xué)沉淀法(如Na2S，同時(shí)加石灰和硫酸

32、亞鐵)處理，處理后廢水含汞約1mg/L，不符合排放標(biāo)準(zhǔn)。然后，用活性炭作進(jìn)一步處理。有兩個(gè)間歇式吸附池，每池容積40m3，交替工作，池內(nèi)共盛放2.7 t次品活性炭(相當(dāng)于池水的5％左右)。當(dāng)某池盛滿廢水，用壓縮空氣攪拌30min，再靜置2h，經(jīng)取樣測(cè)定廢水含汞量符合排放標(biāo)準(zhǔn)后(≤0.05mg/L)，排放上清液?；钚蕴棵磕旮鼡Q一次，用加熱干餾法再生(干餾溫度1000℃)，可取得純凈的汞。 圖17-10 吸附法除汞流程 2、某染料廠化工廢水處理 某染料廠在二硝基氯苯生產(chǎn)過程中，排出含有二硝基氯苯洗滌廢水。廢水量為320m3/d，二硝基氯苯濃度為1000～1200mg/L。 含酸(以硫酸

33、計(jì))0.5％。采用的處理工藝流程如圖17-11所示。 圖17-11 二硝基氯苯廢水處理工藝流程 吸附塔工藝參數(shù)：空塔流速V L＝14～15m/h，停留時(shí)間t＝0.25h，采用兩塔串聯(lián)，一塔備用。每塔直徑900mm，高5000mm，每塔裝活性炭2.0m3，重1.09t，裝填高度3.2m。 廢水經(jīng)冷卻，沉降及活性炭吸附處理。吸附塔進(jìn)水二硝基氯苯濃度為700mg/L，吸附塔出水為5mg/L，pH>6，出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 3、生物活性炭(BAC) (1) 處理微污染水源水 用O3-活性炭工藝微污染水源水，出水水質(zhì)很好，對(duì)氧化過程中形成的可生物降解的溶解性有機(jī)物(BDOC)、DOC、包括

34、可能轉(zhuǎn)變?yōu)槎竞ξ锏娜芙庑杂袡C(jī)物、臭氧化產(chǎn)物、合成有機(jī)混合物(如殺蟲劑)，產(chǎn)生臭味的化合物及氨的去除均十分有效。 (2) 處理印染廢水 BAC技術(shù)與其他工藝相結(jié)合，也可以處理難度較大的工業(yè)廢水。國(guó)外一些大學(xué)研制的生物活性炭攪拌池反應(yīng)器，在處理印染廢水上取得了很好的效果。 (3) 處理制藥廢水 比利時(shí)Gent大學(xué)研究的生物活性炭氧化過濾器系統(tǒng)(BACOF)，在處理制藥廢水上取得了良好效果。經(jīng)該工藝處理，制藥廠出水中難生物降解的COD去除率在70％以上，處理后出水COD低于25mg/L。廢水中對(duì)硝化菌有害的微污染物也會(huì)被去除，使得難生物降解的含氮化合物被硝化。制藥廠廢水經(jīng)生化處理后的出水對(duì)魚

35、類有較強(qiáng)毒害作用，而再經(jīng)BACOF系統(tǒng)處理的出水，對(duì)檢測(cè)范圍內(nèi)的魚類種類既無急性亦無慢性毒害作用。 (4) 處理生活污水 由于BAC法結(jié)合了生物降解和吸附2個(gè)過程，對(duì)于去除非離子合成表面活性劑(NISS)非常有效。德國(guó)的Schroder等學(xué)者在進(jìn)行城市生活污水處理的研究時(shí)，采用新的總和參數(shù)分析及質(zhì)量光譜分析來監(jiān)測(cè)、檢測(cè)污染物的去除率，證明了用O2-BAC法處理城市生活污水，對(duì)其中烷基苯類化合物及其降解產(chǎn)物等極性化合物的去除率更好，這類化合物對(duì)水體中生物群落的內(nèi)分泌系統(tǒng)有很強(qiáng)的毒害作用。 17-2 離子交換 離子交換法是一種借助于離子交換劑(ion exchange resin)上的離子

36、和廢水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)而除去廢水中有害離子的方法。 離子交換過程也可以看成是一種特殊吸附過程，所以在許多方面都與吸附過程類同。 離子交換過程的特點(diǎn)在于:它主要吸附水中以離子態(tài)存在的物質(zhì)，并進(jìn)行等當(dāng)量的離子交換。 在廢水處理中，離子交換主要用于回收和去除廢水中金、銀、銅、鎘、鉻、鋅等金屬離子，對(duì)于凈化放射性廢水及有機(jī)廢水也有應(yīng)用。 一、離子交換劑 1、離子交換劑的分類 離子交換劑分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。 無機(jī)的離子交換劑有天然沸石和人工合成沸石。沸石既可作陽離子交換劑，也能用作吸附劑。 早在古希臘時(shí)期人們就會(huì)用特定的黏土純化海水，算是比較早的離子交換法，這些黏土主要是沸石。

37、 有機(jī)的離子交換劑有磺化煤和各種離子交換樹脂。 離子交換樹脂是一類具有離子交換特性的有機(jī)高分子聚合電解質(zhì)，是一種疏松的具有多孔結(jié)構(gòu)的固體球形顆粒，不溶于水，也不溶于電解質(zhì)溶液。 2、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu) 離子交換樹脂由樹脂本體(resin matrix) (又稱母體或骨架)和活性基團(tuán)(functional group)2部分組成。 樹脂本體最常見的是苯乙烯的聚合物，是線性結(jié)構(gòu)的高分子有機(jī)化合物?；钚曰鶊F(tuán)由固定離子和活動(dòng)離子組成。固定離子固定在樹脂的網(wǎng)狀骨架上，活動(dòng)離子則依靠靜電引力與固定離子結(jié)合在一起，兩者電性相反電荷相等。 3、離子交換樹脂的分類 (1) 按樹脂的類型和孔結(jié)構(gòu)

38、的不同，可分為：凝膠型、大孔型、多孔凝膠型、巨孔型(MR型)和高巨孔型(超MR型)樹脂等。 (2) 按活性基團(tuán)的不同，可分為：陽離子交換樹脂(cation resin)、陰離子交換樹脂(anion resin)、螯合樹脂、氧化還原樹脂和兩性樹脂等。 其中，陰、陽離子交換樹脂按照活性基團(tuán)電離強(qiáng)弱程度，可分為： a. 強(qiáng)酸性(strong acid)陽離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為－SO3H，故又稱磺酸型陽離子交換樹脂。 b. b. 弱酸性(weak acid)陽離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為－COOH，故又稱羧酸型陽離子交換樹脂。 其中活性基團(tuán)中的H+可以被Na+代替，因此陽離子交換樹脂

39、又可分為氫型和鈉型。 c. c. 強(qiáng)堿性(strong base)陰離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為≡NOH，故又稱為季胺型陰離子交換樹脂。 d. 弱堿性(weak base)陰離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般有 -NH3OH、＝NH2OH和≡NHOH之分，故分別又稱伯胺型，仲胺型和叔胺型離子交換樹脂。 陰離子交換樹脂中的氫氧根離子OH-可以用氯離子Cl-代替。因此，陰離子交換樹脂又有氫氧型和氯型之分。 二、離子交換樹脂的性能指標(biāo) (1) 離子交換容量 交換容量(exchange capacity)是樹脂交換能力大小的標(biāo)準(zhǔn)，可以用重量法和容積法兩種方法表示。 重量法是指單位重量的干樹

40、脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mmo1/g或mo1/g來表示。 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mmol/L或mol/m3樹脂來表示。由于樹脂一般在濕態(tài)下使用，因此常用的是容積法。 全交換容量是指樹脂中活性基團(tuán)的總數(shù)。 工作交換容量是指在給定的工作條件下，實(shí)際所發(fā)揮的交換容量，實(shí)際應(yīng)用中由于受各種因素的影響，一般工作交換容量只有總交換容量的60％～70％。 有效交換容量是指出水到達(dá)一定指標(biāo)時(shí)交換樹脂的交換容量。 (2) 含水率 含水率通常以每克濕樹脂（去除表面水分后）所含水分百分?jǐn)?shù)來表示。 (3) 相對(duì)密度 離子交換樹脂的相對(duì)密度有三種表示方法：干真密度、濕真密

41、度和濕視密度。 干密度是指在115℃真空干燥后的密度； 濕真密度是指樹脂在水中充分膨漲后的質(zhì)量與樹脂所占體積（不包括空隙）之比； 濕視密度是指樹脂在水中充分膨漲后單位體積樹脂所具有的質(zhì)量。 (4) 溶脹性 當(dāng)樹脂由一種離子型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N離子型態(tài)時(shí)所發(fā)生的體積變化稱為溶脹性或膨脹性。 樹脂溶脹的程度用溶脹度來表示。如強(qiáng)酸陽離子交換樹脂由鈉型轉(zhuǎn)變成氫型時(shí)，其體積溶脹度約為5％～7％。 (5) 耐熱性 各種樹脂所能承受的溫度都有一個(gè)高限，超過這個(gè)極限，就會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的熱分解現(xiàn)象，影響交換容量和使用壽命。 (6) 交聯(lián)度 交聯(lián)劑占單體質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度。 交聯(lián)度直接影響

42、樹脂的性能，交聯(lián)度越高，樹脂的機(jī)械強(qiáng)度就越大，對(duì)離子的選擇性就越強(qiáng)，但交換速度就越慢。 (7) 選擇性 離子交換樹脂對(duì)水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為選擇性，它是決定離子交換法處理效率的一個(gè)主要因素。 (8) 化學(xué)穩(wěn)定性 廢水中的氧化劑，如氧、氯、鉻酸、硝酸等，由于其氧化作用能使樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，活性基團(tuán)的數(shù)量和性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。 防止樹脂因氧化而化學(xué)降解的辦法有三種：一是采用高交聯(lián)度的樹脂；二是在廢水中加入適量的還原劑；三是使交換柱內(nèi)的pH值保持在6左右。 除上述幾項(xiàng)指標(biāo)外，還有樹脂的外形、粘度、耐磨性、在水中的不溶性等。 三、離子交換的工藝過程 離子交換方式可分為靜態(tài)交換與

43、動(dòng)態(tài)交換兩種。 靜態(tài)交換是將廢水與交換劑同置于一耐腐蝕的容器內(nèi)，使它們充分接觸（可進(jìn)行不斷攪拌）直至交換反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此法適用于平衡良好的交換反應(yīng)。 動(dòng)態(tài)交換是指廢水與樹脂發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，它又有塔式(column)（柱式）與連續(xù)式之分。在離子交換系統(tǒng)中多采用柱式交換法。 (1)柱式交換法 1）工藝過程 國(guó)內(nèi)常用的固定床式離子交換柱與吸附柱基本相同。樹脂在柱內(nèi)不移動(dòng)，廢水通過一定高度的樹脂層進(jìn)行交換。當(dāng)樹脂失去交換能力時(shí)，或出水中某種離子的濃度超過一定數(shù)值時(shí)，需進(jìn)行反洗和再生。 柱式交換法的工作是周期性進(jìn)行的。交換效果受樹脂對(duì)離子的選擇性、樹脂的再生程度、樹脂層的高度、廢水的流

44、速及離子濃度等因素影響。 2）裝置類型 （a）單床離子交換器:使用一種樹脂的單床結(jié)構(gòu)； （b）多床離子交換器:使用一種樹脂，由兩個(gè)以上交換器組成離子交換系統(tǒng)； （c）復(fù)床離子交換器:使用兩種樹脂的兩個(gè)交換器的串聯(lián)系統(tǒng)； （d）混合床離子交換器:同一交換器內(nèi)填裝陰、陽兩種樹脂； （e）聯(lián)合床離子交換器:將復(fù)床與混合床聯(lián)合使用。 離子交換柱組合方式 單床離子交換器 復(fù)合床離子交換器 混合床離子交換柱 圖17-12 離子交換柱組合方式 (2

45、)連續(xù)式交換法 連續(xù)式交換法的特點(diǎn)是交換、再生、清洗等操作在裝置的不同部位同時(shí)進(jìn)行，飽和的樹脂連續(xù)進(jìn)入再生柱，新生的樹脂同時(shí)又連續(xù)進(jìn)入交換柱。 該法進(jìn)行交換所需樹脂量比柱式少，樹脂利用率高，連續(xù)運(yùn)行，效率高。 但設(shè)備較復(fù)雜，樹脂磨損大。 三塔式移動(dòng)床系統(tǒng)由交換塔、再生塔和清洗塔組成。 圖17-13三塔移動(dòng)床示意圖 圖17-14 三塔移動(dòng)床離子交換器 四、離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用 1、轉(zhuǎn)換離子組成，回收貴金屬離子，或匯集有毒害的離子 2、濃縮離子的濃度 將廢液中低

46、濃度微量物質(zhì)進(jìn)行富集濃縮。 3、廢水脫鹽和酸、堿廢水處理 4、提純分離 5、作某些化學(xué)過程的催化劑、脫水劑、吸附劑。 離子交換法能有效的去除離子，卻無法有效的去除大部分的有機(jī)物或微生物。而微生物可附著在樹脂上，并以樹脂作為培養(yǎng)基，使得微生物可快速生長(zhǎng)并產(chǎn)生熱源。因此，需配合其他的純化方法設(shè)計(jì)使用。 17-3 萃取法 一、萃取原理 化工上，用適當(dāng)?shù)娜軇┓蛛x混合物的過程叫萃取。 萃取的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)在水中和溶劑中有不同的溶解度。溶質(zhì)從水中轉(zhuǎn)入溶劑中是傳質(zhì)過程，其推動(dòng)力是廢水中實(shí)際濃度與平衡濃度之差。在達(dá)到平衡濃度時(shí)，溶質(zhì)在溶劑中及水中的濃度呈一定的比例關(guān)系：

47、式中：C溶——在溶劑中的平衡濃度； C水——在廢水中的平衡濃度； K——分配系數(shù)。 注意：分配系數(shù)的值不是常數(shù)。不但受溫度影響，而且還受濃度的影響。 二、萃取劑 萃取劑的選擇： (1) 萃取劑對(duì)被萃取物的溶解度要高，對(duì)水中其他物質(zhì)的溶解度要低，而萃取劑本身在水中溶解度要低； (2) 萃取劑在廢水中不會(huì)乳化，容易同廢水分離； (3) 萃取劑要易于再生； (4) 價(jià)格低廉，易于獲得； (5) 粘度小、凝固點(diǎn)低、著火點(diǎn)高、毒性小、蒸氣壓小，便于室溫貯存和使用。 三、萃取過程 1、概念 級(jí)數(shù)：料液被萃取的次數(shù)； 效數(shù)：萃取劑使用的次數(shù)。 2、萃取的3種流程 單級(jí)或單效萃

48、取 多級(jí)單效 多級(jí)多效 四、萃取設(shè)備 目前，萃取設(shè)備的種類很多，已有30余種不同型式的萃取設(shè)備在工業(yè)上獲得應(yīng)用。這一方面說明萃取設(shè)備正在不斷地取得進(jìn)展，另一方面說明萃取設(shè)備的研究還不夠成熟，尚不存在各種性能都比較優(yōu)越的設(shè)備。 萃取設(shè)備可以分為3大類，罐式(萃取器)、塔式(萃取塔)和離心機(jī)式(離心萃取機(jī))，其中塔式設(shè)備最常用。 萃取器通常是間歇操作的，萃取塔和萃取離心機(jī)則是連續(xù)操作的。 五、萃取劑的再生 (1) 蒸餾(或蒸發(fā))：利用溶質(zhì)與溶劑的沸點(diǎn)的差別來分離。例如，單元酚的沸點(diǎn)181～230，醋酸丁酯為116℃。該法的優(yōu)點(diǎn)是可直接回收溶質(zhì)。 (2) 投加化學(xué)藥劑，使溶質(zhì)形成不

49、溶于溶劑的鹽類。例如，重苯或脫酚的中油萃取后，投加12～15％或20％的苛性鈉，生成酚鈉鹽，加酸后再生成酚。 六、萃取法在廢水處理中的應(yīng)用 1、處理含酚廢水；2、處理含重金屬廢水 17-4 膜析法 膜分離是利用特殊的薄膜對(duì)液體中某些成分進(jìn)行選擇性透過的統(tǒng)稱。溶劑透過膜的過程稱為滲透，溶質(zhì)透過膜的過程稱為滲析。 常用的膜分離方法有電滲析、反滲透、超濾等。 近年來，膜分離技術(shù)發(fā)展速度極快，在污水、化工、生化、醫(yī)藥、造紙等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。根據(jù)膜的種類不同及推動(dòng)力不同，膜分離法可區(qū)別如表17-3所示。 表17-3 膜分離法 方法 推動(dòng)力 膜的類型 用途 滲析 濃度差 非對(duì)稱膜

50、 分離低分子物質(zhì)、離子(0.0004~0.15μm)，截留物分子量>1000(溶劑) 電滲析 電位差 離子交換膜 分離離子，用于回收酸、堿，苦咸水淡化 反滲透 壓力差 反滲透膜 分離小分子溶質(zhì)，用于海水淡化，去除無機(jī)離子或有機(jī)物 超濾 壓力差 超過濾膜 用于分離相對(duì)分子質(zhì)量大于500的大分子，去除細(xì)菌、蛋白質(zhì)等 液膜 反應(yīng)促進(jìn)和濃度差 液膜 應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、生物、環(huán)境保護(hù)等方面 膜分離法的共同優(yōu)點(diǎn)是：操作可在常溫下進(jìn)行；不發(fā)生相變；不消耗熱能；裝置簡(jiǎn)單，操作容易，易控制，易維修，分離效率高。 缺點(diǎn)：處理能力較?。怀龜U(kuò)散滲析外，需消耗相當(dāng)?shù)哪芰俊? 一

51、、電滲析 1、原理 電滲析是在直流電場(chǎng)的作用下，利用陰、陽離子交換膜對(duì)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(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過程。 圖17-15 實(shí)際應(yīng)用的電滲析器 離子減少的隔室為淡水室，相應(yīng)的出水為淡水；離子增多的隔室為濃水室，相應(yīng)的出水為濃水；與電極板接觸的隔室為極室，其出水為極水。對(duì)于一般的給水處理，得到的為淡水，濃水排走；對(duì)于工業(yè)廢水處理，淡水可無害化排放或重復(fù)利用；濃水則可回收有用物質(zhì)。 2、電滲析器 電滲析器由膜堆、極區(qū)和夾緊裝置三部分組成。膜堆位于電滲析器的中部，由陽膜、濃（或淡）水室隔板、陰膜、淡（濃）

52、水室隔板交替排列成濃水室和淡水室。極區(qū)位于膜堆兩側(cè)，包括電極、極水框和保護(hù)室，其作用是供給電滲析器直流電，將原水導(dǎo)入膜堆的配水孔，將淡水和濃水排出電滲析器，并通入和排出極水。壓緊裝置由蓋板和螺桿組成，其作用是將極區(qū)和膜堆組成不漏水的電滲析器整體，可采用壓板和螺栓拉緊，也可采用液壓壓緊。 3、在廢水處理中的應(yīng)用 (1) 造紙工業(yè)廢水處理，利用電滲析法處理造紙工業(yè)的亞硫酸紙漿廢液和洗漿廢水及堿法造紙黑液，從中回收化學(xué)藥品，已得到工業(yè)應(yīng)用。 (2) 從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉。 (3) 從酸洗廢液中制取硫酸和沉淀重金屬離子。 (4) 電鍍廢水和廢液處理，含Cd2+、Cu2+、Ni2

53、+、Zn2+、Cr6+等重金屬離子和氰化物的電鍍廢水都適宜用電滲析法處理，其中應(yīng)用最成熟的是含鎳廢水處理。 (5) 從放射性廢水中分離放射性元素，然后將其濃縮液掩埋。 二、反滲透 1、原理 一種只能透過溶劑而不能透過溶質(zhì)的膜稱為半透膜。當(dāng)把溶劑和溶液(或把兩種不同濃度的溶液)分別置于此膜的兩側(cè)時(shí)，純?nèi)軇⒆匀淮┻^半透膜而自發(fā)地向溶液(或從低濃度溶液向高濃度溶液)一側(cè)流動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做滲透。兩液面間的高度差稱為該溶液的滲透壓Π 。 若在溶液的液面上再施加一個(gè)大于Π 的壓力P時(shí)，溶劑將與原來的滲透方向相反，開始從溶液向溶劑一側(cè)流動(dòng)，這就是所謂的反滲透。 圖17-16反滲透原理

54、 凡基于此原理所進(jìn)行的濃縮或純化溶液的分離方法，一般稱之為反滲透工藝。 2、反滲透裝置 工業(yè)生產(chǎn)中使用的膜分離設(shè)備是由多個(gè)構(gòu)造相同的單個(gè)裝置組合而成的，一般把構(gòu)成設(shè)備的相同的裝置稱為膜組件（membrane module）。 反滲透膜組件有板框式（plate and frame）、管式(tubular modules)、螺旋卷式(spirals wound)和中空纖維式(hollow fiber)等四種。 表17-4 四種反滲透裝置的性能及操作特點(diǎn) 比較項(xiàng)目 板框式 管式 螺旋卷式 中空纖維式 填充密度m2/m3 20 150 250 1800 易污染程度

55、 難 中等 易 易 膜清洗難度 內(nèi)壓式易 外壓式難 易 難 難 膜更換難度 內(nèi)壓式難 外壓式易 一般 易 易 原水預(yù)處理成本 低 中等 高 高 相對(duì)價(jià)格 高 高 低 低 （1）板框式反滲透膜組件 圖17-17板框式反滲透膜組件 （2）管式反滲透膜組件 圖17-18 管式反滲透膜組件 （3）螺旋卷式反滲透膜組件 圖17-19螺旋卷式反滲透膜組件 （4）中空纖維式反滲透膜組件 圖17-20中空纖維為U形的膜組件 5、反滲透處理污水舉例 反滲透在水處理中的應(yīng)用日益廣泛，在給水處理中主

56、要用于苦咸水、海水的淡化和純凈水、超純水的制取。在污水處理中主要用于去除重金屬離子和貴重金屬濃縮回收，滲透水也可重復(fù)回用。 (1) 反滲透處理含鎳廢水 某廠把回收槽排出的含鎳漂洗水，經(jīng)過濾器后，用高壓泵(壓力為3Mpa)送入管式反滲透器(其中設(shè)有42根管膜，每根管長(zhǎng)1500m，直徑18mm)。圖17-21為該廠含鎳廢水的反滲透處理流程。 圖17-21 某廠含鎳廢水的反滲透處理流程 對(duì)鎳截留率為95％～99％，對(duì)SO42-截留率為98％，對(duì)Cl-的截留率為80％～90％。水的透過率6.8L/(m2h)。濃液含鎳濃度為3500～11900mg/L，返回鍍槽利用；稀液含鎳濃度為131～4

57、70mg/L，返回水洗槽。該廠鍍槽每日蒸發(fā)量15L，則由反滲透器每日補(bǔ)給15L濃液。 (2) 照相洗印廢水的處理 照相洗印廠、電影制片廠排出多種廢水，從廢水中可以回收許多有用的物質(zhì)。底片沖洗水中含硫酸鈉約5g/L，經(jīng)反滲透處理，處理水中僅含24mg/L，濃縮液中達(dá)33.2 g/L。如采用CA膜，操作壓力為2.8Mpa，水回收率為90％，總鹽去除率為94％。 (3) 其他污水處理 反滲透用于酸性尾礦水、造紙廢水、印染廢水、石油化工廢水、醫(yī)院污水處理和城市污水的深度處理等也獲得了很好的效果。處理造紙廢水，可去除BOD達(dá)70％～80％，COD減少85％～90％，色度減少96%~98%，Ca減

58、少96%~97%，水回用率為80％。用于城市污水深度處理，可降低含鹽量99％以上，而且還可去除各類含N、P化合物，使COD去除96％，達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)。 三、超濾 1、超濾的原理 超濾又稱為超過濾，通過膜表面的微孔結(jié)構(gòu)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離。當(dāng)液體混合物在一定壓力下流經(jīng)膜表面時(shí)，小分子溶質(zhì)透過膜（稱為超濾液），而大分子物質(zhì)則被截留，使原液中大分子濃度逐漸提高（稱為濃縮液），從而實(shí)現(xiàn)大、小分子的分離、濃縮、凈化的目的。 用于去除廢水中大分子物質(zhì)和微粒（分子量>500）。 超濾截留大分子物質(zhì)的機(jī)理是： (1) 膜表面的孔徑機(jī)械篩分作用； (2) 膜孔阻塞、阻滯作用； (3) 膜表

59、面及膜孔對(duì)雜質(zhì)的吸附作用。 2、超濾與反滲透的區(qū)別 超過濾簡(jiǎn)稱超濾，它同反滲透一樣，都是利用膜來分離廢水中溶解的物質(zhì)。 (1) 相同點(diǎn)： 兩種過程的動(dòng)力都是溶液的壓力，在溶液的壓力下，溶劑的分子通過薄膜，而溶解的物質(zhì)被阻滯在膜表面上。 (2) 不同點(diǎn)： ① 膜不同： 超濾所用的膜(超濾膜)較疏松，透水量大，除鹽率低，一般用超過濾分離高分子和低分子有機(jī)物以及無機(jī)離子等，能夠分離的溶質(zhì)分子至少要比溶劑的分子大10倍，在這種系統(tǒng)中滲透壓已經(jīng)不起作用了。 反滲透所用的膜(反滲透膜)致密，透水量低，除鹽率高，具有選擇透過能力，用以分離分子大小大致相同的溶劑和溶質(zhì)。 ② 機(jī)理不同

60、超過濾的去除機(jī)理主要是篩濾作用。在反滲透膜上分離過程伴隨有半透膜、溶解物質(zhì)和溶劑之間復(fù)雜的物理化學(xué)作用。 ③ 工作壓力不同：超過濾的工作壓力低(0.07～0.7MPa)。反滲透所需的工作壓力高(大于2.8MPa)。 超濾裝置與反滲透裝置類似，目前我國(guó)試驗(yàn)研究及生產(chǎn)中普遍用管式裝置。 3、特點(diǎn) (1) 分離過程在常溫和較低壓力的條件下進(jìn)行，能耗低，不需加熱，不需加藥即可達(dá)到分離、濃縮、分離、純化分級(jí)的目的。 (2) 裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，附屬設(shè)備少，易于擴(kuò)容和增加組件。 (3) 裝置操作簡(jiǎn)單，啟動(dòng)快，易于維護(hù)，容易控制。 4、超濾的應(yīng)用 (1) 工業(yè)廢水的處理 ① 電泳涂漆

61、廢水 ② 含油廢水（如油田含油污水、金屬加工用乳化廢液、含油清洗廢水等） ③ 攝影顯影液廢水 ④ 造紙工業(yè)廢水（如亞硫酸紙漿廢液、漂白廢水、紙張上色廢水等） ⑤ 紡織工業(yè)廢水（如羊毛清洗廢水、染料廢水、退漿廢水、滌綸纖維油劑廢水等） ⑥ 光學(xué)玻璃研磨排水 ⑦ 放射性廢水 ⑧ 食品工業(yè)廢水，回收蛋白質(zhì)、淀粉等。 (2) 城市污水處理 (3) 飲用水的生產(chǎn) (4) 蛋白質(zhì)的過濾、回收 (5) 果汁的澄清 (6) 食用油精練 (7) 醫(yī)藥產(chǎn)品的除菌 (8) 激素的提取 (9) 酒類釀制 (10) 電泳涂漆廢水中涂料的回收 93