污水的化学处理与物理化学处理课件.ppt

污水的化学处理与物理化学处理 污水的化学处理是利用化学反应的作用以去除水中的杂质。它的处理对象主要是污水中无机的或有机的(难于生物降解的)溶解物质或胶体物质。常用的化学处理法有混凝法、中和法、化学沉淀法和氧化还原法。污水也可以利用物理化学的原理和化工单元操作以去除水中的杂质，常用的方法有吸附法、离子交换法、萃取法和膜析法。第一节 化学混凝法一、混凝原理化学混凝所处理的对象，主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。,1胶体的稳定性胶体微粒都带有电荷。天然水中的粘土类胶体微粒以及污水中的胶态蛋白质和淀粉微粒等都带有负电荷，它的中心称为胶核。其表面选择性地吸附了一层带有同号电荷的离子，这层离子称为胶体微粒的电位离子，它决定了胶粒电荷的大小和符号。由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量的异号离子，形成了所谓“双电层”。这些异号离子，其中紧靠电位离子的部分被牢固地吸引着，当胶核运行时，它也随着一起运动，形成固定的离子层。而其他的异号离子，离电位离子较远，受到的引力较弱，不随胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势，形成了扩散层。固定的离子层与扩散层之间的交界面称为滑动面。滑动面以内的部分称为胶粒，胶粒与扩散层之间，有一个电位差。此电位称为胶体的电动电位，常称为电位。而胶核表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位或电位。,氢氧化铁胶体的结构,一般 粘土动电位-15 - 40mV 细菌动电位-30 -70mV 胶粒在水中受几方面的影响：由于上述的胶粒带电现象，带相同电荷的胶粒产生静电斥力，而且(电位愈高，胶粒间的静电斥力愈大；受水分子热运动的撞击，使微粒在水中作不规则的运动，即“布朗运动；”胶粒之间还存在着相互引力范德华引力。范德华引力的大小与胶粒间距的2次方成反比，当间距较大时，此引力略去不计。 使胶体微粒不能相互聚结的另一个因素是水化作用。由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。,2混凝原理 化学混凝的机理至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度，以及混凝剂的性质和混凝条件等。但归结起来，可以认为主要是四方面的作用：,1、压缩双电层 加入电解质对胶体进行脱稳 电解质加入与反离子同电荷离子 由于异号离子相吸作用和扩散作用而挤入扩散层、吸附层胶粒带电荷数减小压缩双电层 电位 稳定性 凝聚, 当两个胶粒相互接近时，由于电位降低，它们互相排斥的 力就减小了，即：溶液中离子浓度高的胶粒间斥力比离子 浓度低的要小。 由于扩散层变薄，它们相撞时距离减小，导致相互间吸力 增大，合力变为以吸力为主，胶粒得以迅速凝聚。,局限性-不能解释以下现象： 混凝剂投加过多，混凝效果反而下降； 与胶粒带同样电荷的聚合物或高分子也会有很好的混凝效果。,该机理可以较好地解释港湾处的沉积现象：因淡水进入海水时，盐类增加，离子浓度增高，淡水携带胶粒的稳定性降低，所以在港湾处粘土和其它胶体颗粒易沉积。,2、吸附电中和 指胶粒表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，中和了部分电荷，因而降低了电位，减小了静电斥力，使胶粒脱稳。吸附+静电作用。,例：用Na+和有机胺离子RNH3+去除带负电的碘化银溶液 造成的浊度。,发现有机胺离子脱稳的能力比Na+大得多， Na+ 投加过量不会造成胶粒再稳，而有机胺则不然，超过一定投量时能使胶粒再稳。说明胶粒吸附了过多的反离子，使原来带的负电荷转变成带正电荷。,铝盐、铁盐投加量高时也发生再稳现象及电荷变号现象,3、吸附架桥 指高分子物质和胶粒、以及胶粒与胶粒之间的吸附与桥连作 用。,现象： 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； 但投加过多，会出现“胶体保护”现象。 已经架桥凝聚的胶粒，如受剧烈的长时间的搅拌，架桥聚 合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回原所在胶粒表 面，造成再稳。,聚合物在胶粒表面的吸附力：范德华引力、静电引力、氢键、配位键等,可以解释非离子型或带同电号的离子型高分子絮凝剂有较好的混凝效果的现象,4、沉淀网捕或卷扫 当金属盐（铝盐、铁盐）或金属氧化物和氢氧化物（如石 灰）做混凝剂时，当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物 或金属碳酸盐时，水中的胶粒可被这些沉淀物在形成时所网 捕。,小胶粒与大矾花发生接触凝聚 澄清池中发生的现象,水中胶粒本身可作为金属氢氧化物沉淀物形成的核心，因而混凝剂投加量与被去除物质的浓度成反比，即胶粒越多，混凝剂投加量越少。,三、混凝剂和助凝剂 1、混凝剂的种类,(1)无机盐类混凝剂 目前应用最广的是铝盐和铁盐。铝盐中主要有硫酸铝、明矾等。明矾是硫酸铝和硫酸钾的复盐K2S0424H20AL203含量约10.6。铁盐中主要有三氯化铁、硫酸亚铁和硫酸铁等更深的溶解物。,（1）硫酸铝 Al2(SO4)3nH2O, n=6, 10, 14, 16, 18, 27 大多使用块状或粒状 投加方式：干式或湿式， 湿式： 10-20%（重量） 使用水温：20-40 适宜pH范围：5.58，且随原水的硬度而异 软 水：5.5-6.6 中等硬度: 6.6-7.2 硬度高时: 7.2-8 特点： 使用便利，混凝效果好； 但可导致老年痴呆症，投加量大时会出现浑浊现象,（2）聚合氯化铝, Al2(OH)nCl6-nm n=1-5, m10, 整数 混凝效果与水解度B*的关系较大,B*为2.5时，Al13可达80%以上,Al13 Keggin结构, 对污染严重或低浊度、高浊度的原水均有较好的处理效果； 水温低时也有较好的处理效果； 矾花形成快，颗粒大且重，沉淀性能好； 适宜的pH范围宽(5-9), 投加过量时不会象硫酸铝那样造成水混浊的反效果; 对设备的腐蚀小，出水的pH值下降较小, 特 点,（3）铝盐在水中的化学反应 水解过程： 配位水分子发生水解： Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+ H+ 其结果是：价数降低，pH降低，最终产生Al(OH)3沉淀 缩聚反应： OH发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物）,产物包括： 未水解的水合铝离子 单核羟基络合物 多核羟基络合物 氢氧化铝沉淀,结果是：电荷升高，聚合度增大,（1）三氯化铁 FeCl36H2O，黑褐色晶体，有强烈吸水性，极易溶于水 特点： 矾花大，易沉降； 受水温影响小，低温低浊时仍有好的处理效 果； 适宜pH范围宽（6-11）； 溶液具有强腐蚀性； 处理后水的色度比用铝盐高。,3、铁系混凝剂,优点,缺点,（2）聚合硫酸铁 特点： 具有较强的除浊、去除COD及重金属离子的能力，同时还具有脱色、脱臭、脱水等功能，其适宜的pH范围宽，絮凝体比重大，沉降迅速，在低温时也有较好的处理效果。,（3）铁盐在水中的化学反应,四个步骤 ： A. 水解生成单体，二聚体与三聚体； B. 低聚物与低分子量高分子的快速生成与溶解； C. 高分子量高分子聚合物的慢速形成； D. 沉淀的形成。,（4）水解所需的碱度 铝盐、铁盐投入天然水体，将逐步水解产生H+，要使反应 继续进行，就必须要有碱度来中和H+。 一般加石灰，用量用下式计算： 铝盐：CaO=0.5a-56x+b a铝盐的投加量， mg/L x原水的碱度， mmol/L b使反应顺利进行多加的剂量， mg/L，一般20 mg/L,4、有机高分子混凝剂,高分子混凝剂的凝聚作用： 由于氢键、静电、范德华力等作用对胶粒有较强的吸附 结合力； 因为高聚合度的线型高分子在溶液中保持适当的伸展形 状，从而发挥吸附架桥作用。,高分子混凝剂有无机和有机的两种。聚合氯化铝和聚合氯化铁是目前国内外研制和使用比较广泛的无机高分子混凝剂。 有机高分子混凝剂有天然的和人工合成的。这类混凝剂都具有巨大的线性分子。每一大分子有许多链节组成。链节间以共价键结合。我国当前使用较多的是人工合成的聚丙烯酰胺，分子结构为： 聚丙烯酰胺的聚合度可多达21049104，相应的分子量高达150104600104。凡有机高分子混凝剂链节上含有的可离解基团离解后带正电的称为阳离子型，带负电的称为阴离子型；链节上不含可离解基团的称非离子型。,5、助凝剂 可以参加混凝，也可不参加混凝，能促进混凝过程，产生大 而结实的矾花。 分类： 酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等 ； 加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、 骨胶、高分子絮凝剂 ；, 氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、 O3等 。, 原水浊度高时- 先加PAM，后加其它混凝剂。让PAM先在较高浊度水中充分发挥作用，吸附一部分胶粒，使浊度有所降低，其余胶粒由其它混凝剂脱稳，再由PAM吸附，这样可以降低其它混凝剂用量。 原水浊度低时- 先加其它混凝剂，半分钟后加PAM，使杂质颗粒先脱稳到一定程度，为PAM大分子的絮凝作用创造有利条件。,PAM作为助凝剂常与其他混凝剂一起使用：,6、铝盐和铁盐的混凝机理 四种作用： Al3+或Fe3+ 和低聚合度高电荷的多核配合离子的压缩双电 层和吸附电中和的脱稳凝聚作用； 高聚合度配合离子的桥连絮凝作用； 氢氧化物沉淀形态存在时的网捕作用,三、影响混凝的主要因素 1、水温 低温，混凝效果差，原因： 无机盐水解为吸热，水温低，水解慢； 温度降低,粘度升高布朗运动减弱，絮凝体不易形成； 水温过高: 易使高分子絮凝剂老化生成不溶性物质，降低混 凝效果 。 2、水的pH及碱度 视混凝剂品种而异。 无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。,水的pH值对混凝的影响程度视混凝剂的品种而异。用硫酸铝去除水中浊度时，最佳pH值范围在6.57.5之间；用于除色时，pH值在4.55之间。用三价铁盐时，最佳pH值范围在6.08.4之间，比硫酸铝为宽。如用硫酸亚铁，只有在pH8.5和水中有足够溶解氧时，才能迅速形成Fe3+，这就使设备和操作较复杂。为此，常采用加氯氧化的方法，其反应为： 高分子混凝剂尤其是有机高分子混凝剂，混凝的效果受pH值的影响较小。3水中杂质的成分、性质和浓度 水中杂质的成分、性质和浓度都对混凝效果有明显的影响。例如，天然水中含粘土类杂质为主，需要投加的混凝剂的量较少；而污水中含有大量有机物时需要投加较多的混凝剂才有混凝效果，其投量可达10103mg/l。但影响的因素比较复杂，理论上只限于作些定性推断和估计。, 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。, 水中存在二价以上的正离子，对天然水压缩双电层有利；, 颗粒杂质越单一、均匀、越细越不利，大小不一的颗粒有利 于混凝；,低温水与低浊水的混凝具有不利因素，成为专门研究的课题,4水力条件 混凝过程中的水力条件对絮凝体的形成影响极大。整个混凝过程可以分为两个阶段：混合和反应。水力条件的配合对这两个阶段非常重要。 混合阶段的要求是使药剂迅速均匀地扩散到全部水中以创造良好的水解和聚合条件，使胶体脱稳并借颗粒的布朗运动和紊动水流进行凝聚。在此阶段并不要求形成大的絮凝体。混合要求快速和剧烈搅拌，在几秒钟或一分钟内完成。,（1）混合： 作用：迅速、均匀地将药剂分散到水中，形成细小矾花， 完成凝聚过程 要求： 时间短（一般几十s，不超过2min)； 搅拌强度大（2）絮凝： 作用：使细小矾花逐渐长大成大颗粒（ d=0.6-1.2mm ）而 便于沉降 要求： 水流有适当的紊流程度； 适当的搅拌时间,四、化学混凝的设备包括：混凝剂的配制和投加设备、混合设备和反应设备。1混凝剂的配制和投加设备 混凝药剂投加到要处理的水中，可以用干投法和湿投法。干投法使用较少。湿投法是将混凝剂先溶解，再配制成一定浓度的溶液后定量地投加。(1)混凝剂的溶解和配制 混凝剂是在溶解池中进行溶解。溶解池应有搅拌装置，搅拌的目的是加速药剂的溶解。,(2)混凝剂溶液的投加 药剂投入原水中必须有计量及定量设备，并能随时调节投加量。计量设备可以用转子流量计，电磁流量计等。,2混合设备 常用的混合方式是水泵混合、隔板混合和机械混合。(1)水泵混合 利用提升水泵进行混合是一种常用的方法。(2)隔板混合 在混合池内设有数块隔板，水流通过隔板孔道时产生急剧的收缩和扩散，形成涡流，使药剂与原水充分混合。(3)机械混合 用电动机带动桨板或螺旋桨进行强烈搅拌是一种有效的混合方法。,3反应设备 反应设备有水力搅拌和机械搅拌两大类。(1)隔板反应池 往复式隔板反应池如图168所示。它是利用水流断面上流速分布不均匀所造成的速度梯度，促进颗粒相互碰撞进行絮凝。为避免结成的絮凝体被打碎，隔板中的流速应逐渐减小。,(2)机械反应池 机械搅拌反应池如图169所示。图中的转动轴是垂直的，也可以用水平轴式。,第二节 中 和 法 酸和碱是常用的工业原料。使用酸、碱的工厂往往有酸性废水和碱性废水因为天然水的碱度是重碳酸盐(HCO3-)，有一定的缓冲作用。少量的酸、碱废水混人大量的城市污水，不致使后者的pH值偏离7过大。但是，酸性废水破坏水泥管，不能容许它进入城市沟道。至于以酸或碱作为洗涤剂的生产工序，产生日大量废水需要处理则是不言而喻的。 中和剂能制成溶液或浆料时，可用投加法。中和剂为粒料或块料时，可用过滤法。用烟道气中和碱性废水时，可在塔式反应器中接触中和。常用的碱性中和剂有石灰、电石渣和石灰石、白云石。常用的酸性中和剂有废酸、粗制酸和烟道气。,1投加法 投药中和法常用的药剂是石灰、电石渣、石灰石等，有时也采用苛性钠和碳酸钠。中和药剂的投加量，可按化学反应式进行估算。比较正确的方法是通过试验。例如碱性药剂的用量可按下式计算： 石灰常使用熟石灰，配制成石灰乳液，浓度在10左右，反应在池中进行。,2石灰石或白云石做中和剂时常呈粗粒状，可作滤料，故用过滤法。 石灰石的主要成分是CaCO3，白云石的主要成分是CaCO3MgCO3。若废水含硫酸而浓度又较高时，粒料将因表面形成硫酸钙外壳而失去中和作用。因此，以石灰石为滤料时，废水的硫酸浓度一般不应超过12g/L。如硫酸浓度过高，可以回流出水，予以稀释。 采用升流式膨胀滤池，可以改善硫酸废水的中和过滤。当粒料的粒径较细(3mm)，废水上升滤速较高(5070m/h)时，滤床膨胀，粒料相互碰撞摩擦，有助于防止结壳。,第三节 化学沉淀法 用易溶的化学药剂(可称沉淀剂)使溶液中某种离子以它的一种难溶的盐或氢氧化物从溶液中析出，在化学上称沉淀法。废水处理中，常用化学沉淀法去除废水中的有害离子，阳离子如Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+，阴离子如SO42-、PO43-。 难溶盐和难溶氢氧化物在溶液中的离子的浓度之积(称溶度积Ks)是常数。当能结合成难溶盐的两种离子的浓度之积超过这盐的溶度积时，这盐将析出，而这两种离子的浓度将下降，需要去除的离子就与水分离。例如水中的Zn2+浓度cZn2+需要降低，可投加Na2S，S2-的浓度为CS2-；若cZn2+cs2-超过ZnS的Ksl.210-23，则ZnS从水中析出，Zn2+的浓度降低。说明一点，易溶难溶是相对的，我们可用较难溶的作为沉淀剂去除能构成更难溶盐中的某一离子。例如难溶盐CaSO4的Ks=2.4510-5很低，但BaSO4的Ks=0.8710-l0更低，可以用CaSO4作为沉淀剂，沉淀Ba2+。,例:粘胶纤维厂含锌废水的处理,酸浴成份为硫酸与硫酸锌的溶液,第四节 氧化还原法 氧化还原法在废水处理中不多见。电镀废水处理中去除铬酸根和氰根可用氧化还原法。含汞废水亦可用氧化还原法回收汞。 常用的氧化还原法有加氯法、电解法和置换法。1加氯氧化CN-根 分批处理时，分两步进行。先加碱，调整pH值至10以上，同时按计算量(CN-:Cl2=1:2.7)加氯，搅拌混合数分钟。然后调整pH值到8.5，再按计算量(CN-：Cl2=1:4.1)的110第二次加氯，搅拌1小时以上完成反应，其反应式如下：,快,慢,连续运行时，加氯加酸与废水同时混合，pH值在5左右；然后加碱提高pH值至11.5左右，接着第二次加氯。其反应式如下：2电解法 直流电流通过电解质溶液时，在两个电极上引起的化学变化称电解。阴离子在阳极失去电子而被氧化；阳离子在阴极得到电子而被还原。有时，阳极材料会被氧化成阳离子。,3置换法 又称取代法。电动序中电位较高的金属能取代水溶液中电位较低的金属的离子，前者析出而后者溶人水中。显然，金属与废水的接触表面愈大愈好，接触时间也是一个重要因素。金属常制成粒状滤料，反应器制成过滤柱。图1614示以铜屑置换废酸中汞的流程。,第五节 吸附法 固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力，比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力，可用作吸附剂。吸附可分为物理吸附和化学吸附。如果吸附剂与被吸附物质之间是通过分子间引力(即范德华力)而产生吸附，称为物理吸附；如果吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附，称为化学吸附。 一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质及其浓度和温度有关。表明被吸附物的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。目前常用的公式有二：弗劳德利希(Freundlich)吸附等温式，朗格缪尔(Langmuir)吸附等温式。,1.弗劳德利希等温式,2朗格缪尔等温式 该公式是在被吸附物质仅为单分子层的假定下导出的，形式为：,二、影响吸附的因素 吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。固体吸附剂吸附能力的大小可用吸附量来衡量。吸附速度是指单位重量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。在水处理中，吸附速度决定了污水需要与吸附剂接触的时间。三、吸附剂 吸附剂的种类很多。常用是活性炭和腐植酸类吸附剂。1. 活性炭 在生产中应用的活性炭的种类很多。一般都制成粉末状或颗粒状。粉末状的活性炭吸附能力强，制备容易，价格较低，但再生困难，一般不能重复使用。颗粒状的活性炭价格较贵，但可再生后重复使用，并且使用时的劳动条件较好，操作管理方便。因此在水处理中较多采用颗粒状活性炭。,2腐殖酸类吸附剂 用作吸附剂的腐植酸类物质主要有：天然的富含腐殖酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将富含腐殖酸的物质用适当的粘合剂制备成的腐殖酸系树脂。 腐殖酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。腐殖酸类物质在吸附重金属离子后，可以用H2SO4、HCl、NaCl等进行解吸。 吸附能力不高,机械强度低,适用pH值范围较窄.,四、吸附工艺和设备 吸附的操作方式分为间歇式和连续式。间歇式是将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液。间歇式吸附主要用于小量废水的处理和实验研究，在生产上一般要用两个吸附池、交换工作。在一般情况下，都采用连续的方式。 连续吸附可以采用固定床、移动床和流化床。固定床连续吸附方式是废水处理中最常用的。吸附剂固定填放在吸附柱(或塔)中，所以叫固定床。移动床连续吸附是指在操作过程中定期地将接近饱和的一部分吸附剂从吸附柱排出，并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中。所谓流化床是指吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，悬浮于由下而上的水流中。由于移动床和流化床的操作较复杂，在废水处理中较少使用。,第五节 离子交换法 离子交换法是水处理中软化和除盐的主要方法之一。离子交换的实质是不溶性离子化合物(离子交换剂)上的可交换离子与溶液中的其它同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆性化学吸附。 离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式：,一、离子交换剂 离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由树脂本体(又称母体或骨架)和活性基团两个部分组成。,二、离子交换树脂的选用1离子交换树脂的有效pH值范围2交换容量 交换容量是离子交换树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力的大小。交换容量的单位是mol/kg(干树脂)或mol/L(湿树脂)。交换容量又可区分为全交换容量与工作交换容量。前者指一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量，后者指树脂在给定工作条件下实际的交换能力。,3交联度 树脂合成时采用的交联剂(如二乙烯苯)的用量，影响树脂分子的交联度。水处理中使用的离子交换树脂，交联度为7一10。4交换势 当含有多种离子的废水同离子交换树脂接触时，交换势大的离子必然最先同树脂上的离子进行交换。简单的试验，把含有铝、钙、钠等离子的水溶液缓慢地流过一个阳离子交换树脂床。如果在交换床的不同深度处采样化验，则将发现上层的水样中已经没有铝离子，中层的水样中只有钠离子，下层的水样中三种离子基本上都没有了，已全部为离子交换树脂中的氢离子所替代。这个现象表明离子交换树脂对交换离子有“选择”性，先交换交换势大的离子，后交换交换势小的离子。 关于不同离子的交换势大小的解释有多种理论，但是，由于影响的因素还不很清楚，因此关于离子交换势的规律还得依靠实践，一些规律可供参考。,膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？ 慢者控制离子交换反应的速度(1) 浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步介于中间则取决于具体情况(2) 流速或搅拌速率： 大，则水膜薄膜扩散快但孔隙扩散基本不受影响(3) 树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比孔道扩散，速度与粒径次方成反比(4) 交联度：交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显 著,三、离子交换的工艺和设备 离子交换装置，按照进行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类： 用于废水处理的离子交换系统一般包括：预处理设备(一般采用砂滤器，用以去除悬浮物，防止离子交换树脂受污染和交换床堵塞)、离子交换器和再生附属设备(再生液配制设备)。 常用的固定床离子交换器见图174所示。,式中:A-截面积 h-树脂层高度 E-交换树脂的工作交换容量,一般是全交换容量的60-80% qv-废水的平均流量 c0-进水浓度 c-出水浓度 T-交换周期 一般离子交换器都有定型产品，它的尺寸和树脂装填高度亦已相应规定。此时，可按上式计算交换周期。如自行设计，则可考虑h用1.5-2.0m，交换周期一般按8-10小时，按上式可以算出交换器截面积和交换器直径。根据交换器截面积和树脂层高度，也就可算出交换树脂的装填量V=Ah(m3)。,离子交换的运行操作包括四个步骤：交换、反洗、再生、清洗。,第六节 膜 析 法 膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法的统称。目前有扩散渗析法(渗析法)、电渗析法、反渗透法和超过滤法等。一、渗析法 人们早就发现，一些动物膜，如膀胱膜、羊皮纸(一种把羊皮刮薄做成的纸)，有分隔水溶液中某些溶解物质(溶质)的作用。如果用羊皮纸或其他半透膜包裹一个穿孔杯，杯中满盛盐水，放在一个盛放清水的烧杯中(见图17-15)，隔上一段时间，我们会发现烧杯内的清水带有咸味，表明盐的分子已经透过羊皮纸或半透膜进入清水。如果把穿孔杯中的盐水换成糖水，则会发现烧杯中的清水不会带甜味。显然，如果把盐和糖的混合液放在穿孔杯内，并不断地更换烧杯里的清水，就能把穿孔杯中混合液内的食盐基本上都分离出来，使混合液中的糖和盐得到分离。这种方法叫渗析法。,半透膜的三种渗析作用:依靠薄膜中”孔道”的大小依靠薄膜的离子结构分离阳离子交换膜阴离子交换膜依靠薄膜的选择性溶解性 在膜析法中，物质透过薄膜需要动力，目前利用的有三种动力：分子扩散作用；电力；压力。反渗透法和超过滤法都要把水加压。用电力的是电渗析法。,二、电渗析法,三、反渗透法 反渗透法是一种借助压力促使水分子反向渗透，以浓缩溶液或废水的方法。,如果将纯水和盐水用半透膜隔开(如上图)，此半透膜只有水分子能够透过而其他溶质不能透过，则水分子将透过半透膜进入溶液(盐水)，溶液逐渐从浓变稀，液面则不断上升，直到某一定值为止。这个现象叫渗透，高出于水面的水柱高度(决定于盐水的浓度)是由于溶液的渗透压所致。可以理解，如果我们向溶液的一侧施加压力，并且超过它的渗透压，则溶液中的水就会透过半透膜，流向纯水一侧，而溶质被截留在溶液一侧，这种方法就是反渗透法(或称逆渗透法)。 反渗透膜的种类很多，目前研究得比较多和应用较广的是醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜，其他类型的膜材料也正在不断研究开发中。,反渗透膜的分类,按成膜材料可分为有机膜和无机高聚物膜； 按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜； 按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或对称性(均匀性)和不对称性(各向异性)结构膜； 按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分离提纯等的膜,醋酸纤维素膜的结构,这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。,显微镜下膜的相片,反渗透的装置主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式。,(1) 板框式,(2)管式反渗透组件,(3)螺旋卷式反渗透膜组件,（4）中空纤维式反渗透膜组件,中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。 中空纤维外径50200m，内径2542m。 将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。 将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。,反渗透工艺流程,反渗透工艺一般包括预处理和膜分离两部分。 预处理可以用物理化学法，也可以用化学法。 所采取的预处理方法与原水的物理、化学性质及生物学特性有关，还与膜装置的结构有关。,四、超过滤法 超过滤法与反渗透法相似。但超滤膜的微孔孔径比反渗透膜大，在0.0051um之间。超滤的过程并不是单纯的机械截留，物理筛分，而是存在着以下三种作用：溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附；溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质嵌在孔中，引起阻塞；溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜表面被机械截留，实现筛分。毫无疑问，我们应力求避免在孔壁上的吸附和膜孔的阻塞，应选用与被分离溶质之间相互作用弱和膜孔结构是外密内疏的不对称构造的超滤膜。,超过滤简称超滤，它同反渗透一样，都是利用膜来分离废水中溶解的物质。 两种方法的共同点在于：两种过程的动力同是溶液的压力，在溶液的压力下，溶剂的分子通过薄膜，而溶解的物质被阻滞在膜表面上。,两者区别在于：（1）膜不同：超过滤所用的膜(超滤膜)较疏松，透水量大，除盐率低，一般用超过滤分离高分子和低分子有机物以及无机离子等，能够分离的溶质分子至少要比溶剂的分子大10倍，在这种系统中渗透压已经不起作用了。 反渗透所用的膜 (反渗透膜)致密，透水量低，除盐率高，具有选择透过能力，用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质，,（2）机理不同：超过滤的去除机理主要是筛滤作用。在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。（3）工作压力不同：超过滤的工作压力低(0.070.7MPa)。反渗透所需的工作压力高(大于2.8MPa)。 超滤装置与反渗透装置类似，目前我国试验研究及生产中普遍用管式装置。,本章要点,混凝法的原理混凝剂的分类影响混凝法的主要因素吸附法的概念，分类吸附等温式影响吸附的因素,常用的吸附剂离子交换的概念，离子交换树脂分类离子交换的运行操作膜析法的分类膜析法中的动力超滤跟反渗透的不同,