当代给水与废水处理原理教学PPT.ppt
上页,下页,结束,返回,首页,记事本,（4）吸附剂 A、要求 表面积大；吸附容量大；机械强度大；化学稳定性强；价格低廉；来源广泛；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,4.3.2 吸附平衡与吸附速度（1）吸附平衡 吸附过程：吸附质被吸附剂吸附；解吸过程：吸附质脱离吸附剂表面回到液相中；吸附平衡：吸附速度解吸速度；平衡浓度：吸附平衡时吸附质在溶液中的残余浓度；吸附量：单位重量吸附剂所吸附的吸附质的量；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,式中：q单位重量吸附剂所吸附物质量，g/g;V废水体积，L；x被吸附量，g；m投加吸附剂(活性炭)量，g；C0吸附前污水中吸附质质浓度，g/L;C吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度，g/L;,例题分析,（2）吸附等温线（吸附量与平衡浓度关系曲线）A、Freurldlich型,1/n=0.1-0.5 易吸附1/n2 难吸附,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,B、Langmuir型：适用条件：单分子层吸附,式中：q吸附量；C吸附质平衡浓度；a、b分别为与吸附量，吸附能量有关的常数；当液相浓度很低时，即bC1 则 q=abC；当液相浓度很高时，即bC1 则 q=a,吸附等温线,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,C、BET型（Brunauer-Emmett-Teller）适用条件：多分子层吸附；,式中：Cs吸附质的饱和浓度；C吸附质的平衡浓度；q0分别表示单分子层吸附时的最大吸附量；B 与吸附能量有关的常数；,q,C,CS,吸附等温线,（3）吸附速度 吸附速度 接触时间 吸附设备容积 吸附速度取决于吸附剂对吸附质的吸附过程:吸附过程:颗粒的外部扩散阶段（慢）；颗粒的内部扩散阶段（慢）；吸附反应阶段(快)；(细孔内表面),上页,下页,结束,返回,首页,记事本,（4）影响吸附的因素 吸附剂的性质 吸附剂的比表面积；吸附剂的种类；吸附剂的颗粒大小、细孔构造和分布、表面化学性质；吸附质的性质 溶解度（低有利于吸附）表面自由能 极性 吸附质分子的大小和不饱和度；吸附质的浓度；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,废水的pH值 共存物质 温度：升高温度，吸附量减少；接触时间,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,（5）活性炭柱吸附操作 A、吸附操作(图)静态：小水量、间歇排放；动态：连续操作；B、吸附床 固定床：升流式、降流式；(布置型式)升流式：运行时间长，易流失吸附剂；降流式：出水水质好，水头损失大，需反冲洗;,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,移动床：优点：占地面积小，出水水质好，不需要反冲洗；缺点：不能使塔内吸附剂上下层互混，操作要求较高，,流化床 特点：吸附剂保持流化状态，与水的接触面积增大；设备小、生产能力大、基建费用低；不需要反冲洗；C、穿透曲线（如图）(Breakthrough Curves),上页,下页,结束,返回,首页,记事本,D、吸附容量的利用 1)采用多床串联操作,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,2)采用升流式移动操作,（6）吸附剂的再生 加热再生法：低温再生:吸附碳氢和芳香化合物的活性碳再生;高温再生:适于粒状活性碳的再生;_脱水、干燥、炭化、活化、冷却；药剂再生法：无机药剂再生、有机溶剂再生；化学氧化法：湿式氧化、电解氧化、臭氧氧化；生物法；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,（7）吸附法的优点 处理程度高；应用范围广；适应性强；吸附剂可再生重复利用；可回收有用物质；设备紧凑，管理方便；（8）吸附塔的设计:博哈特-亚当斯计算法、通水倍数法；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,（9）吸附法在废水处理中的应用 染料化工废水的处理,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,图 二硝基氯苯废水处理工艺流程,二硝基氯苯,铁路货车洗刷废水处理,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,4.4 离子交换法(Ion Exchange)4.4.1 概述 处理对象：去除废水中有毒有害的离子；离子交换树脂：空间网状结构骨架和附属在骨架上活 性基团所构成的高分子化合物；,网状结构骨架,活性基团固定部分,活性基团可交换部分,交换反应：强酸性阳离子交换剂(Strong-acid cation resins)弱酸性阳离子交换剂(Weak-acid cation resins),上页,下页,结束,返回,首页,记事本,强碱性阴离子交换剂(Strong-base anion resins)弱碱性阴离子交换剂(Weak-base anion resins),上页,下页,结束,返回,首页,记事本,交换过程 外扩散（慢）；内扩散（慢）；进行离子交换反应（快）；内扩散；外扩散；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,4.4.2 离子交换法基本原理 RH+M+=RM+H+交换 交换 饱和 树脂 离子 树脂 平衡状态 时有：K越大表示树脂对该离子的交换能力越强；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,4.4.3 离子交换剂4.4.3.1 离子交换剂分类,4.4.3.2 离子交换剂的交换能力影响因素（1）离子交换树脂的选择性 1）强酸阳树脂的选择顺序：Fe3+Cr3+Al 3+Ca2+Mg2+K+=NH+4 Na Li+2）弱酸阳树脂的选择顺序：H+Fe3+Cr3+Al 3+Ca2+Mg2+K+=NH+4 Na Li+3）强碱阴树脂的选择顺序：Cr2O72-SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3-4）弱碱阴树脂的选择顺序：OH-Cr2O72-SO42-NO3-Cl-HCO3-,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,（2）废水水质对交换能力的影响 1）悬浮物和油脂 2）有机物 3）高价金属离子 4）pH值：弱酸、碱离子交换树脂 5）水温：732#阳树脂110C，717#阴树脂60C,6）氧化剂：O2、Cl2、H2Cr2O7,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,（3）离子交换树脂的物理化学特性 A、物理性能 外观：透明或半透明球体；粒度：0.31.2mm；密度：1.04-1.3gmL。含水率：50左右；交联度：8-12；机械强度：年损耗量37%；耐热性：贮藏和使用温度为5-40。导电性：干树脂不导电，湿树脂可以导电；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,B、化学性能 交换容量（1）定义：指一定量树脂中所含交换基团或可交换离子 的摩尔数，以每g干树脂的摩尔数表示；（2）分类：全交换容量(E全)、工作交换容量(E工)；E工=(60%70%)E全（3）确定方法：实验法、单元结构计算 酸碱性：选择性：化合价、离子极性、离子半径；,4.4.3.3 离子交换树脂的保存和使用（1）保存：温度：0-400C，饱和食盐水；（2）使用：新树脂：水、5%HCl、2-4%NaOH清洗2次，每次4-8小时；转型处理：阳树脂（HCl）、阴树脂（NaOH）,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,4.4.3.4 离子交换树脂的鉴别,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,4.4.3.5 离子交换树脂的再生（1）再生方法 用酸、碱再生；用中性盐再生；用络合剂（焦磷酸钾）洗脱再生；（2）再生工艺 顺流再生：再生剂流向与交换时水流方向相同；逆流再生：再生剂流向与交换时水流方向相反；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,4.4.4 离子交换的工艺过程和设备(1)离子交换的工艺过程 交换阶段 反冲洗阶段 松动树脂层，使再生液能均匀渗入层中;冲走的破碎粒子和截留的污物;再生阶段 清洗阶段 洗涤残留的再生液和再生时出现的反应产物;,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,(2)离子交换设备,单床,多床,混合床,移动床,连续床,流动床,固定床,动态法,静态法,离子交装置,复床,流动床：床内树脂呈流动状态，产水、再生、清洗 都是连续进行；,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,（2）离子交换处理含铬废水(Cr3+、Cr2O72-、CrO42-)；三价铬的交换（阳柱）3RH+Cr3+=R3Cr+3H+六价铬的交换（阴柱）2ROH+CrO42-=R2CrO4+2OH-2ROH+Cr2O72-=R2Cr2O7+2OH-阳柱、阴柱的再生 2R3Cr+3H2SO4=6RH+Cr2(SO4)3 R2CrO4+2NaOH=2ROH+Na2CrO4 R2Cr2O7+4NaOH=2ROH+2Na2Cr2O7+H2O,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,工艺流程,（3）离子交换处理含汞废水；聚硫代苯乙烯阳离子交换树脂对Hg2+、CH3Hg+用盐酸再生；（4）离子交换处理含锌废水；6RSO3Na+ZnSO4=(RSO3)2Zn+Na2SO4（交换）(RSO3)2Zn+Na2SO4=2RSO3Na+ZnSO4（再生）,上页,下页,结束,返回,首页,记事本,3-1 活性炭的性能,活性炭的来源 活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原料来制造，这包括木材、锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油焦、皮革废物、纸厂废物等等。,第三章 活性炭吸附,碳化的定义 碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热，一般温度在600以下。有时原材料先经无机盐溶解处理后再碳化。,活化的定义 活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性炭产品。当氧化过程的温度在800-900时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化剂；当氧化温度在600以下时，一般用空气做氧化剂。,活性炭的制作 活性炭的制作分碳化及活化两步。,第三章 活性炭吸附,第三章 活性炭吸附,第三章 活性炭吸附,第三章 活性炭吸附,3-2 吸附等温线,第三章 活性炭吸附,常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸附公式，如下图所示。,第三章 活性炭吸附,处理吸附等温线的公式,第三章 活性炭吸附,3-3 Langmuir 公式的推导,推导的假定,只考虑在单层内的平衡关系,被吸附的物质只有一层分子厚,被吸附物质的颗粒和水分子一样大,每个被吸附颗粒占面积,第三章 活性炭吸附,Langmuir公式推导的图示,第三章 活性炭吸附,Langmuir公式推导：,在达到平衡时，存在下列关系:未被吸附的物质颗粒数目+被吸附的水分子数目=被吸附物质颗粒的数目+未被吸附的水分子数目,得到Langmuir公式为：,第三章 活性炭吸附,3-4 吸附公式的应用,求吸附公式Langmuir中的常数 每个吸附公式都包含了两个常数，这些常数可以通过数学方法处理试验数据得出，最常用的是图解法。用某一种活性炭做吸附试验所得的数据往往只符合一个吸附公式，这可在图解法中很清楚地看出来。图1中 小于1，图2中 大于1。,第三章 活性炭吸附,BET公式的图解法如下：,求Freundlich公式的常数：,第三章 活性炭吸附,3-5 吸附柱的设计,第三章 活性炭吸附,ka代表单位体积活性炭在单位时间内所吸收的杂质量。活性炭的容量传质系数可以通过实验得出。当这个系数已知后，就能够确定吸附柱所需要的活性炭总体积。但这需要知道吸附柱的吸附容量、吸附柱的吸附过程曲线与容积传质系数三者间的关系。,容量传质系数 为了更方便的研究，我们将单位容积活性炭所具有的吸附面积a与反应速率k相乘，得到一个组合参数ka，称为容量传质系数，其纲量为:,第三章 活性炭吸附,求活性炭的容量传质系数 活性炭的容量传质系数ka，一般通过用初始有机物浓度1的水样，每升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系：在时刻t水样中有机物的减少速率=在时刻t活性炭吸附有机物的增加速率，即,对上式积分得:由此式可以绘成如右图所示的直线，由直线的斜率可求出ka值来。,第三章 活性炭吸附,吸附柱的泄漏和衰耗过程 如果将出水的有机物浓度与吸附柱的产水量与相应的运行时间的关系绘成曲线，则得下图的吸附过程曲线。,图中表示了出水有机物浓度从零开始逐渐增加的过程。允许的最高出水浓度则称为吸附柱的泄漏浓度。相应的运行时间称为吸附周期。出水浓度达到 时称为耗竭，这时吸附柱所吸附有机物质了代表了吸附柱所具有的总吸附能力。,第三章 活性炭吸附,吸附柱的设计 建立吸附柱过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的S形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带厚度到达柱底（此时吸附柱到达吸附周期）起到它的吸附能力完全耗竭止（即到达耗竭时间）的吸附能力消失过程。吸附能力的消失也就是吸附带的消失,即x/m值AC线从tb起不断向下运动，最后在运行时间tx到达吸附柱底，曲线C点与B点重合，吸附带消失。,第三章 活性炭吸附,上图表示吸附带刚达到吸附柱底时（相当于运行恰好达吸附周期），其中活性炭吸附量沿吸附带高度的分布曲线，由底部值逐渐增大为顶部的，与运行时间的出水浓度相对应。图中的面积ABC，代表了吸附带在 时所剩余的吸附容量。为了便于处理关系，在建立ka与泄露曲线的关系时，流量Q/A按换算成Fm kg/m2.min表示。从 流量Fm 中所去除的有机物=每分钟在活性炭容积中所吸附的有机物量假定：公式为一条通过原点的直线方程，又令=1，该直线通过吸附等温线的（x/m）1点，因此可以求出s来，这一条直线称作操作线。,第三章 活性炭吸附,从图中可以看出，对同一吸附值x/m，可以从等温线及操作线得出平衡浓度e及1,即在x/m时，存在浓度差（-e）,即吸附的推动力，由 经推导得：可以计算吸附带高度，吸附的有效容积及饱和百分数。,
