第二章-工业废水废液处理与转化工程实践--课件

第二章第二章 工业废水、废液处理与工业废水、废液处理与转化工程实践转化工程实践 2.1.水污染及其成因水污染及其成因 2.2.苦咸水淡化与除盐概述苦咸水淡化与除盐概述 2.3.离子交换除盐方法与系统离子交换除盐方法与系统 2.4.电渗析法淡化与除盐电渗析法淡化与除盐 2.5.反渗透、超滤与纳滤反渗透、超滤与纳滤 1PPT课件第一节第一节 水污染及其成因水污染及其成因 一、天然水的自净作用一、天然水的自净作用 二、水污染二、水污染 三、水污染的防治三、水污染的防治2PPT课件1 1、定义：、定义：指环境本身对外来物质的消解，同化能力。干净天然水体通过物理净化、化学净化、生物净化对污染物起到净化的作用一、天然水的自净作用一、天然水的自净作用3PPT课件日本人工湿地净化系统示意图示4PPT课件2 2、影响水体自净能力的因素、影响水体自净能力的因素流动速度更新周期溶解氧1 12 23 3快短多自净能力强综合来看，河流的自净能力比湖泊强，湖泊的自净能力比地下水强。充分利用不同水体的自净规律，就可以用最经济的方法控制和治理水污染。5PPT课件 指污染物的排放超过水体自净能力，从而导致水体和底泥理化性质，水中生物群落组成改变；导致水质恶化，水体利用价值下降甚至丧失的现象。1 1、定义、定义二、水污染二、水污染6PPT课件河道中水的净化作用示意图7PPT课件2 2、污染物来源、污染物来源 工业废水：各类工矿企业在生产过程中排出的液态废弃物,具有量大、面广、成分复杂、毒性大、不易净化、难处理的特点。农业污水：主要来自牲畜粪便、农药、化肥。生活污水：主要是生活中各种洗涤水，含有无毒的有机盐、需氧的 有机物、病原微生物，无机盐如氮、磷等含量较高。8PPT课件3 3、水体污染表现、水体污染表现A、水体富营养化植物生长所需的营养物质（氮、磷）在水体中富集导致水质变坏的过程。水花（水华）赤潮湖泊海洋9PPT课件(N、P)等营养物质进入进入缓流水体藻类大量繁殖爆发爆发水华、赤潮消消耗耗氧氧气气遮遮蔽蔽阳阳光光鱼类死亡、鱼类死亡、水质变坏。水质变坏。水深变浅，水深变浅，湖沼变迁。湖沼变迁。10PPT课件湖泊变迁示意（富营养化过程）11PPT课件B、海洋水体污染海洋石油污染 污染物的来源 近海石油的开采、加工和运输过程中，流入 海洋中的大量石油是海洋石油污染物的主要来 源。其中大型和超大型油轮事故，是常引发附近 海域严重污染的急性事件。12PPT课件13PPT课件 海洋石油污染的危害 石油污染海洋给海洋生物带来巨大危害，对海洋和 海岸环境造成极其严重的破坏。污染物质及过程危害油污染直接导致海洋生物毛、皮丧失保温性能；或因堵塞呼吸道和感觉器官而死亡油膜和油块粘住大量鱼卵和幼鱼，阻碍海藻光合作用沉降至海底石油影响海洋底栖动物石油氧化分解消耗溶解氧，间接危害生物14PPT课件处理水污染的三大原则处理水污染的三大原则1 预防：通过控制，减少污染源排放污染物质。具体措施如实施清洁生产。2 治理：采取措施，确保污水在排入自然水体前 达到国家或地方规定的排放标准。具体如建立污水处理厂、改进生产技术等。3 管理：对污染源、水体及处理设施进行管理，以管代治，加大执法力度。三、水污染的防治三、水污染的防治15PPT课件第二节第二节 苦咸水淡化与除盐概述苦咸水淡化与除盐概述 一、水的纯度一、水的纯度 二、海水（苦咸水）淡化与水的除盐方法二、海水（苦咸水）淡化与水的除盐方法 三、进水水质预处理三、进水水质预处理16PPT课件一、水的纯度一、水的纯度在工业用水中，水的纯度常以水中含盐量或水的电阻率来衡量。水的含盐量：指水中阴阳离子浓度总含量（mol/L）。水的电阻率：指断面1cm1cm、长1cm的水所测得的电阻（cm）。17PPT课件淡化水（一般除盐水）：将高含盐量的水经过局部除盐处理后变成生活及生产用的淡水。海水、苦咸水淡化属于这一类。脱盐水（深度除盐水，相当于普通蒸馏水）：水中大部分强电解质已去除，剩余含盐量约为15mg/L，水的电阻率为0.11.0106 cm。纯水(去离子水)：水中绝大部分强电介质已去除，而弱电解质如硅酸和碳酸等也去除到一定程度。剩余含盐量在1.0mg/L以下，25摄氏度电阻率 1.010106 cm。根据工业用水对水质要求的不同，水的纯度分为四种：18PPT课件理想纯水：理论上的纯水，25摄氏度电阻率 18.3106 cm。超纯水（高纯水）：水中导电介质几乎已全部去除，而水中的胶体微粒、微生物、溶解气体和有机物等亦已经去除到最低程度。剩余含盐量应在0.1mg/L以下，25摄氏度时电阻率10106 cm以上。超纯水容易被污染，所以在使用之前进行终端处理以确保水的纯度。19PPT课件二、海水（苦咸水）淡化与水的除盐方法二、海水（苦咸水）淡化与水的除盐方法淡化水的制取经局部除盐，剩余含盐量很高，称苦咸水淡化。脱盐水，纯水，超纯水的制备统称为水的除盐。20PPT课件方法：冷冻法：蒸馏法：多级闪蒸 海水淡化的主要方法反渗透法：应用较多电渗析法：与反渗透法同为膜分离技术以上方法用于苦咸水或海水淡化离子交换法：主要用于淡水除盐，与膜法联合用于水的深度除盐处理。21PPT课件进水水质预处理是水的淡化与除盐系统的一个重要组成部分，是保证处理装置安全运行的必要条件。预处理包括去除悬浮物，有机物，胶体物质，微生物，细菌以及某些有害物质（Fe、Mn）。22PPT课件三、进水水质预处理三、进水水质预处理 1、膜分离装置和离子交换器对进水水质的要求、膜分离装置和离子交换器对进水水质的要求23PPT课件2、水中杂质水中杂质对对膜和树脂的危害膜和树脂的危害的的表现表现 (1)悬浮物和胶体物质容易粘附在膜面上或堵塞树脂微孔道，使脱盐效率降低；(2)微生物、细菌容易在膜和树脂表面生长繁殖，降低设备性能；3)水中无机离子主要是高价离子(如铁、锰等)能与膜和树脂牢固结合，并使之中毒，从而降低其工作性能；钙、镁离子在某些情况下能在膜面上结垢沉淀，在反渗透法中应采取调整PH值控制措施；(4)水中游离氯能对膜进行氧化，使树脂降解，出而对其含量有严格要求。24PPT课件第三节第三节 离子交换除盐方法与系统离子交换除盐方法与系统一、阴离子交换树脂一、阴离子交换树脂二、阴离子交换树脂的工艺特性二、阴离子交换树脂的工艺特性三、离子交换除盐系统三、离子交换除盐系统四、特殊离子交换除盐四、特殊离子交换除盐五、树脂的污染与复苏处理五、树脂的污染与复苏处理25PPT课件一、阴离子交换树脂一、阴离子交换树脂阳离子交换树脂在水中解离生成阳离子，阴离子树脂在水中解离生成阴离子。对于H+树脂，交换后水中阳离子全部为H+，同样对OH-树脂，交换后水中阴离子全部为OH-，因此水中全部阴阳离子变为H+、OH-，结合为水，这样达到除盐的目的。26PPT课件1 1、阴离子树脂的构造、阴离子树脂的构造与阳离子类似，也分为两部分组成：空间网状结构的母体和活性基团（解离出阴离子）按解离常数的大小可分为强碱性、弱碱性树脂。区别：树脂在水中解离出阴离子，呈碱性，常用的阴离子交换树脂是胺类树脂，其活性基团有四种：27PPT课件 R为简单的有机基团，上述基团也就是NH4OH中的H被若干个有机基团R取代而得，其中的交换离子为OH-，整体简化表示为ROH，R代表树脂母体及其所属的活性基团的固定部分。对于季胺型的强碱树脂又分为：一型：碱性较强，除硅能力强，适用于制取纯水；二型：碱性较弱，交换容量大于一型。28PPT课件2 2、阴离子交换树脂的特点、阴离子交换树脂的特点 上述树脂均为凝胶型结构，特点是：容易破碎：浸入水中有溶胀现象，使用过程不断转型，体积随之不断变化；容易被高分子有机物堵塞：孔道不均匀（胶联不居于），有些孔道过于狭窄；交换容量低：抗有机污染能力差。29PPT课件针对上述特点，近年来研制出：A.大孔型离子交换树脂：大孔结构是树脂网络骨架中所固有的并非由于溶胀产生。特点：孔道大而且多，比表面积大，交换速度快，稳定性好，抗污染能力强。B.均孔型树脂：交联均匀，孔道大小基本一致，特点：对有机物的吸附与洗脱效果，交换容量高于大孔型树脂。30PPT课件二、阴离子交换树脂的工艺特性二、阴离子交换树脂的工艺特性1 1、树脂对水中阴离子的选择性（置换序列）、树脂对水中阴离子的选择性（置换序列）强碱树脂：SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3-弱碱树脂：OH-SO42-NO3-Cl-HCO3-置换序列是根据一定条件下树脂的活性基团对溶液中阴离子的亲和力大小而定，亲和力大的先置换，亲和力小的排在后面。上述序列强弱的明显区别是OH-的位置，显然一定条件下强碱性树脂对OH-的亲和力小于弱碱性树脂。31PPT课件2 2、工作原理、工作原理(1)强碱树脂可以去除强酸和弱酸的阴离子：32PPT课件 天然水中常常含有一定量的硅，以H2SiO3形式存在，可用强碱树脂将其去除，具体要求有：进水呈酸性，在低PH运行。此时硅酸以H4SiO4形式存在，有利于交换进行，如酸性降低则以NaHSiO3形式存在，交换以后以离解出大量的OH-，影响除硅效果。进水Na+含量要低，否则酸度低，水的碱度增大。再生条件要求高：再生剂用量6496KgNaOH/m3，再生液浓度24%，再生时间大于1Hr，n=46，适当提高再生液温度，能改善再生效果，有利于提高下一周期出水水质。一般对强碱一型控制在4050，二型为35.33PPT课件(2)弱碱树脂只能去除强酸离子：解释一：弱酸树脂在水溶液中不易解离，OH-小，对于强酸：水中H+高，易发生H+OH-=H2O，推动了ROH的解离所以SO42-可以被吸附到树脂上，对于弱酸：水中H+低，不易发生H+OH-=H2O，解释二：虽然亲和力OH-SO42-，但水中，OH-低，而SO42-高，所以易吸附。弱碱树脂不能与水中弱酸发生反应，对中性盐类也没有分解能力。34PPT课件3 3、树脂的再生、树脂的再生(1)强碱树脂：R2SO4+2NaOH=2ROH+Na2SO4RCl+NaOH=ROH+NaCl因亲和力Cl-、SO42-大于OH-，要使再生顺利进行，必须提高NaOH，同时增加NaOH用量，n=4。35PPT课件(2)弱碱树脂：再生容易，再生剂选用NaOH、Na2CO3、NH4OH均可，再生效果依次变差，NH4OH克当量低，价格便宜。R2SO4+Na2CO3+2H2O=2ROH+Na2SO4+H2CO3 RCl+NH4OH=ROH+HCl+NH3 因OH-与树脂的亲和力大，易被树脂吸附所以再生剂用量少，n=1.01.2。36PPT课件强碱性树脂可以去除强酸弱酸，但再生剂用量高n=4，弱碱性树脂只能去除强碱，但再生 剂 耗 量 少，n=1.01.2，维护费用低。4 4、强碱树脂和弱碱树脂的比较、强碱树脂和弱碱树脂的比较37PPT课件 下图表示强碱阴离子交换器的运行过程曲线。清洗分为两步：第一步将清洗水排出，直到清洗排水总溶解固体等于进水总溶解固体；第二步将清洗水循环回收到阳离子交换器的入口，直到出水电导率符合要求，即开始正常运行。在运行阶段，出水电导率与硅含量均较稳定。当到达运行终点时，在电导率上升之前，硅酸已经开始泄漏。v 而在硅酸泄漏过程中，电导率出现瞬时下降，这是由于出水中含有的微量苛性钠为突然出现的弱酸所中和。v 生成硅酸钠和碳酸氢钠，其导电性能低于氢氧化钠的缘故。v 若阴床运行以硅酸开始泄漏作为失效控制点，则电导率瞬时下降可视作周期终点的讯号。v 由图看出，在开始泄漏之后，出水硅含量迅速上升。38PPT课件 右图为弱碱阴离子交换器的运行过程曲线。清洗亦分为两步。正常出水水质呈弱碱性，当Cl-开始漏泄，出水出现酸性，由于酸导电性能较碱为强，因而出水电导率迅速上升，即为周期终点的讯号。弱减阴离子交换器的运行过程曲线39PPT课件三、离子交换除盐系统三、离子交换除盐系统一般适用于原水含盐量小于500mg/L的情况。阴床的构造类似于阳床，但是阴树脂的工作交换容量常是阳树脂的0.5倍，所以，与阳床配套时，阴树脂层厚为阳树脂层厚的2被左右。系统根据原水水质和对出水的要求不同有所区别，最基本的有：40PPT课件（一）复床除盐（一）复床除盐1 1、强酸、强酸脱气脱气强碱系统强碱系统 该系统适用于制取脱盐水。含盐量不大于500mgL的原水经处理后，出水电阻率可达到0.1xl06.cm以上，硅含量在0.1mgL以下。在运行中，有时出水的pH值和电导率都偏高，这往往是由于阳床泄漏Na+过量所致。为提高出水水质，可采用逆流再生，另外，强碱阴床采用热碱液再生，有利于除硅。41PPT课件 除二氧化碳器放在阴床之前是为了减轻阴床负荷。水量小和进水碱度低的小型除盐装置可以省去除二氧化碳器。强碱阴床设置在强酸阳床之后的原因在于；若进水先通过阴床，容易生成CaCO3、MgOH)2沉积在树脂层内，使强碱树脂交换容量降低。阴床在酸性介质中易于进行离子交换，若进水先经过阴床，更不利于去除硅酸，因为强碱树脂对硅酸盐的吸附要比对硅酸的吸附差得褥多。强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂。若原水先通过阴床，本应由除二氧化碳器去除的碳酸，都要由阴床承担，从而加了再生剂耗用量。42PPT课件2 2、强酸、强酸弱碱弱碱脱气系统脱气系统 该脱盐系统适用于无除硅要求的场合(见图224)。由于弱碱树脂的应用，不仅交换容量有所提高，而且再生比耗显著降低。弱碱树脂用Na2CO3或NaHCO3再生时，由于经弱碱阴床后，水中会增加大量的碳酸，因此脱气应在最后进行。若用NaOH再生，除二氧化碳器设置在弱碱阴床之前或之后均可。该系统正常运行时，出水的pH值为66.5，电阻率在5x104.cm左右。43PPT课件3 3、强酸、强酸脱气脱气弱碱弱碱强碱系统强碱系统 适用于原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况。弱碱树脂用于去除强酸阴离于，强碱树脂主要用于除硅。再生采用串联再生方式，全部NaOH再生液先用来再生强碱树脂，然后再生弱碱树脂。对于强碱树脂来说，再生水平是很高的，而总的看，再生比耗并不大，再生剂能有效地加以利用。除二氧化碳器设置在阴床前面，以便于强碱阴床与弱碱阴床串联再生。该系统出水水质与系统(一)大致相同，但运行费用略低。若将本系统中的强碱阴床代之以阴、阳树脂混合床，可得到纯度更高的纯水。阴离子再生树脂以氢氧化钠为主。工业用氢氧化钠有液态和固态两种。前者浓度为40%42%，其贮存、输送、配制大致与酸再生系统相同；后者可参照食盐再生系统，但溶碱时应用蒸气加热至3540。44PPT课件4 4、强酸、强酸弱碱弱碱脱气脱气强碱系统强碱系统当原水中各种酸根阴离子浓度相近时,原水(滤后水)RH(出水酸性)弱ROH(除强酸)除CO2器强ROH(除弱酸主要是硅酸)纯水5 5、强酸、强酸弱碱弱碱强碱系统强碱系统当原水中SO42-、Cl-浓度高，碱度低时利用弱ROH、强ROH的优势且不用除CO245PPT课件（二）混合床除盐（二）混合床除盐 阴阳离子交换树脂装填在同一个交换器内，再生时使之分层再生，使用时先将其均匀混合，这种阴、阳树脂混合在一起的离子交换器称为混合床。46PPT课件1 1、原理与特点、原理与特点（1）原理：由于混合床中阴、阳树脂紧密交替接触。好像有许多阳床和阴床串联一起，构成无数微型复床，反复进行多次脱盐，因而出水纯度高，其电阻率达到510 106 cm47PPT课件（2）特点：a.出水水质纯度高。混床离子交换可以把水中含有的离子几乎全部去除，出水含盐量在10mgL以下。对需高纯水的场合，混合床完全成了标准的方法，一般不需考虑其它技术。下表列出混合床与双层床出水水质的比较。b.工作条件变化时对出水水质影响较小，且工作周期较长。混床开始运行时有32min出水的电导串较高，然后急剧降到0.5scm-1以下，这是因为床内残留的微量酸，碱和盐很快地被阳、阴树脂吸收掉。另外，快速正洗是混合床的一大特点，再生总时间比双层床少，相应地工作周期长，而且原水水质变化和再生剂比耗对出水纯度影响较小，这是因为混合床中离子的泄漏因另一种树脂的存在而大大减少所致。48PPT课件 c.间断运行对出水水质的影响小。d.交换终点明显。混床的主要缺点是：混床的主要缺点是：树脂层工作交换容量的利用率低，再生剂利用率低；再生时阳、阴树脂很难彻底分层，特别是当有部分阳树脂混杂在阴树脂层内时，这部分阳树脂在碱液再生阴树脂时转为钠型，造成运行后的Na泄漏，即所谓的交叉污染；混床对有机物污染很敏感，污染后很快出现出水质量降低、正洗时间延长和工作容量减少。为了克服交叉污染所引起的Na泄漏，近年来曾发展了三层混床新技术。此法即在普通混合床中另装填一层厚约1015cm的惰性树脂，其密度介于阴，阳树脂之间，其颗粒大小也能保证在反洗时将阴、阳树脂分隔开来。实践表明，三层混床水质忧于昔通混床，出水Na的含量不大于0.1gL。49PPT课件2 2、装置及再生方式、装置及再生方式（1）装置：混床交换器里，阴树脂的体积一般是阳树脂的两倍。其再生过程巧妙地利用了阳、阴树脂真比重的差异这一性质。混床在反洗时阳树脂(比重1.231.27gml)会逐渐下沉到阴树脂(比重1.061.11gmL)的下面，反洗完毕阴阳树脂自动分成为两层。在两层交界处装了一个再生排水系统，再生碱液从上面进入交换器，由中间排水系统排出；再生的酸液由下部进入交换器，也由这个排水系统排出。每层树脂分别再生完毕后，最后从树脂层底部的压缩空气管进压缩空气，把两种树脂均匀混合成为交换层。50PPT课件（2）再生方式及步骤：混合床反洗分层主要借助于阴、阳树脂湿真密度的差别。再生方式有体内再生与体外再生两种。体内再生又区分为酸、碱分别再生和同时再生。以体内分别再生为例(见下图)，混合床再生操作步骤有51PPT课件 混床还可以对阴树脂采用体外再生法。即在阴阳树脂分层后将阴树脂外卸到阴树脂再生罐内再生，阳树脂则仍在原罐内再生。阴树脂再生。清洗净后再装进原交换器内与阳树脂混合。体内再生还可采用同步再生法，即再生时以相同的流速从树脂层上、下两端同时进碱再生液与酸再生液，废液从中间排水装置排出，然后由上、下同时进清洗水洗净。（2）再生方式及步骤：52PPT课件3 3、影响混合床运行质量的因素、影响混合床运行质量的因素再生剂用量:对树脂的工作交换容量影响很大,但再生水平对其出水质量并无明显影响。阴(anion)阳（cation）树脂的比例：选用原则，等当量，以便二者同时失效：qCVC=qAVA，理论上qC=（2.53.5）qA所以VA=（2.53.5）VC，对其他体积比实验，出水水质变化不大，国内一般采用VA=（1.52）VC强碱树脂被水中污染物或毒物污染,FI污染指数53PPT课件4 4、高纯水的制备与终端处理、高纯水的制备与终端处理复床与混合床串联或二级混合床串联是制取纯水及高纯水的有效方法.强酸脱气强碱混合床系统:电阻率 107 cm，硅含量0.02mg/L；强酸弱碱混合床混合床系统：电阻率 107 cm以上，硅含量0.005mg/L电子工业用水水质要求同时去除水中全部电解质和水中的微粒及有机物；这种纯水极易被污染，在适用之前要进行终端处理，方法有：紫外线杀菌、精制混床、超滤等。54PPT课件在逆流再生固定床设备内，按一定比例装填强、弱两种同性离子交换树脂所构成的交换器，称双层床交换器。由于强、弱树脂密度与粒径的差异，密度小，颗粒细的弱性树脂处于上部，密度大、颗粒粗的强性树脂处于下部，在交换器内形成上下两层，称双层床。运行时，水自上而下，先经过弱性树脂，后经过强性树脂，再生时采用逆流再生，再生液自下而上，先经过强性树脂，后经过弱性树脂，从而充分利用再生剂（再生强性树脂后的低浓度再生液对弱性树脂仍有80100%的效率）。（三）离子交换双层床（三）离子交换双层床55PPT课件1 1、双层床的优点、双层床的优点减少了交换器个数，简化了系统，降低了设备投资及占地面积；利用弱性树脂的大交换容量，应用逆流串联再生，使双层床的交换能力大为提高，特别是强碱树脂增强了除硅能力；再生剂比耗大为降低；排除的再生废液浓度降低；强碱树脂对有机物有良好的吸收和解析能力，从而减缓了强碱树脂被有机物的污染状况。56PPT课件57PPT课件58PPT课件2 2、阳离子交换双层床、阳离子交换双层床 阳离子交换双层床即在同一交换器内装有弱酸和强酸两种树脂，借助于树脂湿真密度之差别，经反洗分层后，使弱酸树脂位于上层，强酸树脂位于下层，组成了如左图所示的双层床。由于弱酸树脂以及逆流串联再生的应用，使阳双层床的交换能力提高，酸比耗降低，废酸量亦显著减少59PPT课件再就离子交换过程来看，弱酸树脂主要用于去除水中碳酸盐硬度，强酸树脂主要用于去除水中其余的阳离子(包括非碳酸盐硬度以及钠盐)。当原水从上而下流经弱酸树脂层，与HCO3-结合的Ca2Mg2为H所取代，待进入强酸树脂层时，水中阳离子总量与原水相比已减少，但Na占阳离子总量的百分比却增大。这一情况本应造成Na泄漏率的增加，但因强酸树脂层经受高再生水平的逆流再生，所以Na泄漏率仍可保持低值，为了保证出水水质，强酸树脂层高度应不低于80cm。至于弱酸树脂层，只要体积比选用恰当，其交换容量几乎全部发挥作用，甚至达到饱和状态。在阳双层床中，弱酸，强酸树脂的体积比主要取决于树脂交换容量与原水水质，设计计算时，树脂体积比的选择应通过实验确定，亦可按下式进行初步估算：60PPT课件适用条件：硬度与碱度的比值接近于1或略大 于1而钠离子含量不高的水。弱酸树脂主要用于去除水中碳酸盐硬度，如硬度与碱度的比值太小，所需弱酸树脂层就很薄，失去了双层床的意义。过分增加弱酸树脂层的厚度，则强酸树脂层已经饱和，而弱酸树脂层的交换容量还未用尽，造成浪费。61PPT课件3 3、阴离子交换双层床、阴离子交换双层床失效后应立即再生，以避免在长时间放置过程中，强碱树脂上的硅酸发生聚合，给再生带来困难，并影响下一周期的出水水质。在再生过程中，不仅再生碱液要加热，而且要使交换器内温度保持约40，这对于避免产生胶体硅以及降低出水硅含量都很重要。先用浓度l的碱液以较快流速通过双层床，这一方面为了洗脱强碱树脂层的部分硅酸，另方面也使弱碱树脂层得到初步再生井及时提高其碱性，然后用浓度3的碱液以正常流速进行再生。此外，亦可采用同一浓度(2)的碱液以先快后慢的流速进行再生。碱液与树脂的接触时间约1h。阴双层床的再生操作步骤，除了再生后有时要进行反洗分层外，基本上与单层床逆流再生相同。不过，再生条件要求更为严格。62PPT课件四、特殊离子交换除盐系统四、特殊离子交换除盐系统1、氢型精处理器（Hipol）：在复床后设置一高流速阳床以替代混合床。目的：克服混合床再生操作复杂，阴阳树脂难以彻底分开。原理：复床中的阳床容易泄漏钠离子，且阳床再生液氢氧化钠在阳床内残留，导致出水电解质主要是氢氧化钠。再经过一道阳床（即氢型精处理器）可简单彻底地去除钠离子：NaOH+RH=RNa+H2O63PPT课件优点：高流速（100M/hr）时出水水质好。使用条件：只有复床出水水质达到规定要求时，才能取代混合床提纯水质。当阳床SiO2泄漏时，Hipol电导率上升，因此可替代硅表监视终点。2 2、其他特殊离子交换除盐系统：、其他特殊离子交换除盐系统：离子交换中和器Desal法SulBisul法热再生法64PPT课件五、树脂的污染与复苏处理五、树脂的污染与复苏处理1 1、污染、污染 树脂的污染主要是由于进水中的悬浮物、微生物、各种无机物和有机物所致。污染的主要标志是，树脂工作交换容量下降，颜色变深、出水水质恶化。阳树脂的污染主要来自无机物，特别是A13、Fe3等重金属离子，这些离子与阳树脂之间的静电作用力极强，使树脂上一部分活性基团转变成Al和Fe型，导致工作交换容量逐渐减小。65PPT课件 天然水中的有机物(如腐植酸、富里酸)对强碱阴树脂的污染主要是以范德华力为主的物理吸附，用通常的NaOH再生方法难以洗脱。此外吸附在阴树脂上的胶体二氧化硅，用NaOH再生洗脱亦比较困难。而在运行中又会因不断水解而泄漏，导致出水漏硅提前。而铁、铝，铜等重金属离子可能与其它无机离子或有机物生成复杂的络合物，并以阴高于形态交换吸附到阴树脂上，使树脂性能显著下降。66PPT课件2、复苏处理、复苏处理 受无机阳离子污染的阳树脂通常用盐酸酸洗处理，必要时，可辅以压缩空气擦洗。受有机物污染的阴树脂可用5NaOH溶液进行处理。提高再生液温度可增大有机物的洗脱率。硅污染的阴树脂可用过量的碱再生液(约40)进行再生，受铁；铝等金属离子污染的阴树脂可浸泡在含1015HCl的高浓度溶液中约12h，可获得较好的除铁效果。用碱性氯化钠混合复苏液(4NaOH+10NaCl)处理受有机物污染的强碱阴树脂，复苏效果较为理想。67PPT课件第四节第四节电渗析法淡化与除盐电渗析法淡化与除盐一、离子交换膜及其作用机理：一、离子交换膜及其作用机理：二、电渗析原理及过程二、电渗析原理及过程三、电渗析器的构造与组装三、电渗析器的构造与组装四、电流效率与极限电流密度四、电流效率与极限电流密度五、极化与沉淀五、极化与沉淀六、电渗析法水处理除盐工艺系统六、电渗析法水处理除盐工艺系统七、电渗析技术的新发展七、电渗析技术的新发展68PPT课件 电渗析、反渗透、超滤以及渗析统称为膜分离法。所谓膜分离系指在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能，达到分离水中离子或分子以及某些微粒的目的。膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。这种分离方法可在室温、无相变条件下进行，具有广泛的适用性。各种膜分离法的推动力与分离对象如下表所示。膜能使溶剂(水)透过的现象称为渗透，膜能使溶质透过的现象为渗析。69PPT课件一、离子交换膜及其作用机理1 1、离子交换膜、离子交换膜 离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，按其选择透过性能，主要分为阳膜与阴膜、按其膜体结构，可区分为异相膜、均相膜、半均相膜3种。异相膜的优点是机械强度好、价格低，缺点是膜电阻大、耐热差、透水性大。均相膜则相反。异相模通常是具有交换基团的聚合电解质(树脂)与成膜材料(粘合剂)粘合生成薄膜，井加入衬网而制成。这种膜中的聚合电解质并不是连续的，它的化学性能不均匀，如下图所示，在没合电解质之间为成膜材料所充满，故叫异相膜，膜中离子的迁移或靠聚合电解质颗粒之间的接触，或借颗粒之间存在的溶液，成当两者同时存在时发生。70PPT课件 均相膜指整张膜完全是按离子交换树脂的制造工艺制成的，是将树脂的母体连接起来，成为连续的膜状物，在这种膜中聚合电解质和成膜材料之间发生了化学结合而成为共聚体。如下图所示。由于这种膜的化学性能是均匀的，膜的各部分具有相同特性，是单相的，故叫均相膜。半均相膜的聚合电解质与成膜材料混合得十分均匀，它的化学性能的均匀性可以大为提高，但两者之间没有化学结合。71PPT课件72PPT课件(1)选择透过率：离子交换膜的选择透过性实际上并不是那样理想的，因为总是有少量的同号离子(即与膜上的固定活性基电荷符号相同的离子)同时透过。例如，阳膜对阳离子的选择透过性可由如下指标表示：73PPT课件(2)膜电阻：膜电阻与电渗析所需要的电压有密切的关系。电阻越小，所需电压越低。膜电阻一般用膜的电阻率乘以膜的厚度表示，单位为cm 2。74PPT课件2、离子交换膜的作用机理、离子交换膜的作用机理（1）道南平衡理论75PPT课件道南平衡理论：（C1+X）X=（C2-X）2 X=C22/（C1+2C2）平衡状态下，膜两侧的Cl-浓度比值：即，当膜一侧NaZ浓度非常大时，X趋近于0，此时膜另一侧的Cl-几乎不能透过膜来。76PPT课件（2）离子交换膜的选择透过性解释把离子交换膜和溶液的界面看作半透膜，固定于离子交换膜上的活性基团相当于不扩散离子Z-，可交换离子为Na+；膜中含有大量的活性基团：C1很大，Cl-几乎进不了膜内，即膜对离子具有选择透过性。增大溶液中NaCl浓度C2，进入膜内的Cl-增加，膜的选择透过性相应降低。阴离子交换膜原理相同。77PPT课件二、电渗析原理及过程二、电渗析原理及过程 电渗析法：电渗析法：外加直流电场作用下，利用离子交换膜的外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使水中阴阳离子做定向迁移，从而达到离子从选择透过性，使水中阴阳离子做定向迁移，从而达到离子从水中分离的一种物理化学过程。水中分离的一种物理化学过程。以最基本的双膜电渗析槽为例：以最基本的双膜电渗析槽为例：78PPT课件 为降低电极反应在总能量消耗中所占的比例，工业生产中组成多膜电渗析槽，称为电渗析器。在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力以及进行电极反应。运行时，进水分别地不断流经浓室、淡室以及极室。淡室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水，被室出水不断排除电极过程的反应物质，以保证电渗析的正常进行。79PPT课件三、电渗析器的构造与组装三、电渗析器的构造与组装1、构造、构造80PPT课件81PPT课件82PPT课件2、组装、组装83PPT课件84PPT课件四、电流效率与极限电流密度四、电流效率与极限电流密度1、电流效率、电流效率85PPT课件86PPT课件2、极限电流密度、极限电流密度电流密度i：电渗析器运行时，单位面积的膜通过的电流称电流密度。极限电流密度iLim：膜表面发生浓差极化现象时的电流密度称极限电流密度。浓差极化：电渗析器在运转中，膜两边出现浓度差的膜界面现象称浓差极化。87PPT课件五、极化与沉淀五、极化与沉淀88PPT课件（一）极化的危害（一）极化的危害极化是电渗析器运行中常见问题，其危害如下。(1)降低电流放率 由于极化时、导致水分子大量解离，在电场作用下，水的解离造成H和OH离子的迁移，可见其部分电能消耗在水的解离和与脱盐无关的H和OH离子迁移上，使电流放率下降。(2)降低除盐率和产率 极化会在浓水室阴膜表面上产生沉淀，形成水垢，对运行带来不良的影响。(3)淡水pH值下降。89PPT课件（二）防止和消除结垢的主要措施（二）防止和消除结垢的主要措施90PPT课件六、电渗析法水处理除盐工艺系统六、电渗析法水处理除盐工艺系统 电渗析法水处理除盐工艺系统可以分两种：一种是电渗析器本体的工艺系统；另一种是电渗折器和其他水处理设备的组合系统。(一一)电渗析器木体的工艺系统电渗析器木体的工艺系统 选则经济合理的电渗析工艺系统(即除盐方式)，是设计电渗析除盐水处理工艺的一个重要部分。一般应根据原水水质、用水水量、用水水质要求等，通过技术经济比较后确定。常用的除盐方式有直流式、循环式和部分循环式三种，如下图所示。91PPT课件 1、直流式除盐、直流式除盐 原水流经一台或多台串联的电渗析器后，即能达到要求的水质。该法的优点是可连续制水、管道简单；缺点是定型设备的出水水质随原水含盐量而变。2、循环式除盐、循环式除盐 将原水在电渗析器和水箱中多次循环，以达到所需出水的水质。其缺点是需设置循环水泵和水箱，并只能间歇供水。3、部分循环式除盐、部分循环式除盐 它是直流式和循环式除盐相结合的一种方式：在部分循环式除盐工艺系统中，电渗析器的出口淡水分成两路，一路连续出水供用户使用；另一路返回电渗析器与水箱中水相混，继续进行除盐。其特点是用定型设备可适用不同水质和水量的要求。在原水含盐量变化时，可调节循环量去保持出水水质稳定，但系统较复杂。92PPT课件(二二)电渗析器与其他水处理设备的组合除盐系统电渗析器与其他水处理设备的组合除盐系统 电渗析一般用于含盐量较高的苦咸水、高硬度水的部分除盐，以作深度除盐的顶处理。由于电渗析法除盐有其适用范围在应用中，应根据原水水质和除盐水水质要求，与离子交换水处理技术等相结合，使其在水处理工艺中各自发挥其优势，以达到合理的技术经济效果，并能稳定运行。其常用的组合除盐水处理系统如下。1 1、“预处理电渗析离子交换预处理电渗析离子交换”的组合除盐系的组合除盐系统统 2 2、“预处理离子交换电渗析预处理离子交换电渗析”的组合除盐系统的组合除盐系统 3 3、“预处理离子交换预处理离子交换(软化软化)电渗析离子交换电渗析离子交换(软化软化)”的组合除盐系统的组合除盐系统 93PPT课件七、电渗析技术的新发展七、电渗析技术的新发展 (1)频繁倒极电渗析工艺：配有自动化控制，每小时倒换电极2-3次，对于消除和防止结垢有良好效果。(2)提高电渗析器的水利用率：采用浓水循环并加入少量盐酸的方法，使水利用率提高到7090。(3)高温电渗析：将进水加热到7075，电渗析工效大为提高，电耗显著下降，但要求膜能耐高温、耐化学侵蚀、强度好。(4)不解体清洗的电渗析：研制出有效的化学清洗液，用以清除膜面附着物(软垢)，可使装置在23年内不必拆开清洗。(5)鼓泡式电渗析：借助于放入气泡的搅动作用来提高传质效果，并能清除膜面污染，该装置不设置隔网，预处理亦可简化，由于借空气的提升力，即可注入水，给水泵亦可省去。(6)与其它脱盐技术相组合的除盐工艺研究：如与离子交换联合组成适应范围更广的电渗析离子交换除盐系统。94PPT课件第五节第五节 反渗透、超滤与纳滤反渗透、超滤与纳滤一、反渗透（一、反渗透（RORO）二、超滤（二、超滤（UFUF）三、纳滤（三、纳滤（NFNF）95PPT课件一、反渗透（一、反渗透（RORO）1、渗透现象与渗透压、渗透现象与渗透压（1）半透膜：只能通过水分子，但不能通过溶质分子的膜。（2）渗透现象：用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过。结果使咸水一侧的液面上升，直至到达某一高度，此即所谓渗透过程，如右图所示。96PPT课件（3）渗透现象的热力学解释：97PPT课件（4）渗透压：渗透平衡时，两边液面高度形成的压力差称渗透压，。渗透压由溶质种类和浓度大小而定，还与温度有关。98PPT课件2、反渗透：、反渗透：向咸水一侧施压P则可阻止渗透的进行，如果P,则咸水溶液中的水分子向纯水一边迁移,此过程称反渗透.99PPT课件理论耗能量:理论上用反渗透法从海水中生产单位体积淡水所耗费的最小能量.Wlim=ARTS/VA系数，0.000537R理想气体常数S海水盐度，一般34.3，代入分子值V水的偏摩尔体积，1.8*105M3/mol实际耗能量比理论值大的多。100PPT课件3、反渗透膜及其透过机理、反渗透膜及其透过机理（1）反渗透膜 反渗透膜是一种只允许水通过而不允许溶质透过的半透膜。用于水的淡化除盐的膜按物理形态可分为：对称膜、不对称膜和复合膜。对称膜又称均质模；复合膜通常是用两种不同的膜材料，分别制成表面活性层和多孔支撑层；不对称膜指膜的断面为不对称结构，主要有醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜两大类。醋酸纤维素膜(CA膜)的断面可分成表皮层、过渡层和支撑层三部分。表皮层结构致密，孔径0.8lnm，厚约0.25um，起脱盐的关键作用。表皮层下面为孔径约20nm的过渡层，其下为结构疏松、孔径为100400nm的多孔支撑层，膜总厚度约100um，含水量占60左右。101PPT课件（2）反渗透膜要求具有下列性能：）反渗透膜要求具有下列性能：单位膜面积的透水速度决。脱盐率高单位膜面积的透水速度决。脱盐率高机械强度好，耐压密机械强度好，耐压密化学稳定性好，能耐酸碱和微生物的侵蚀。能耐污染化学稳定性好，能耐酸碱和微生物的侵蚀。能耐污染使用寿命长，性能衰降小使用寿命长，性能衰降小制膜容易，价格低廉，原料充沛，特殊场合要求耐溶剂、制膜容易，价格低廉，原料充沛，特殊场合要求耐溶剂、耐高温等耐高温等102PPT课件（3）透过机理 选择性吸着毛细管流机理是以吉布斯吸附式为依据，认为膜表面由于亲水性原因，能选择吸附水分子而排斥盐分，因面在固液界面上形成厚度为两个水分子(1nm)的纯水层。在施加压力作用下，纯水层中的水分于便不断通过毛细管流过反渗透膜(见上图)。膜表皮层具有大小不同的极细孔隙，当其中的孔隙为纯水层厚度的一倍(2nm)时，称为膜的临界孔径，可达到理想的脱盐效果。当孔隙大于临界孔径，透水性增大，但盐分容易从孔隙中透过，导致脱盐率下降。反之若孔隙小于临界孔径，脱盐率增大，而透水性则下降。103PPT课件 板框式装置由一定数量的多孔隔板组合而成，每块隔板两面装有反渗透膜。管式装置分为内压管式和外压管式两种。4、反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统、反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统（1）装置 卷式、中空纤维式膜组件(元件)由于膜的充填密度大、单位体积膜组件的处理量大，常用于大水量的脱盐处理；而对含悬浮物、粘度较高的溶液，则主要采用管式及板式膜组件。目前反渗透装置有板框式、管式、卷式和中空纤维式4种类型。工业上应用最多的是卷式和中空纤维式膜组件，它占据了绝大多数天然水的脱盐和海水淡化市场。其中卷式膜组件是在天然水脱盐中使用最广泛的反渗透组件。104PPT课件 卷式装置如右图所示，把导流隔网、膜和多孔支撑材料依次迭合，用粘合剂沿三边把两层膜粘结密封，另一开放边与中间淡水集水管联接，再卷绕一起。含盐水由一端流入导流隔网，从另一端流出，透过膜的淡化水沿多孔支撑材料流动，由中间集水管引出。中空纤维式装置是把一束外径50100 m、壁厚1225m的中空纤维弯成U形，装于耐压管内，纤维开口端固定在环氧树脂管板中，并露出管板。透过纤维管壁的淡化水沿空心通道从开口端引出。该装置特点是，膜的装填密度最大而且不需外加支撑材料。105PPT课件106PPT课件（2）工艺流程 反渗透法工艺流程由预处理、膜分离以及后处理3部分组成。预处理要求进水水质达到规定指标，并且应加酸调节进水pH值到5.56.2，以防止某些溶解固体沉积膜面而影响产水量。根据生产用水的使用要求，后处理方法有pH调整、杀菌、终端混床、微孔过滤或超滤等工序。107PPT课件（3）布置系统108PPT课件109PPT课件5 5、反渗透系统的应用、反渗透系统的应用 20世纪80年代初,美国政府实验室就开发出第一张复合聚酰胺膜。与纤维素膜相比,具有高而多的水通量和盐截留率,且耐污染，大大促进了反渗透技术的应用。目前已从最初的海水、苦咸水脱盐及各种纯水制造向水污染控制领域发展。反渗透已在城市污水、垃圾填埋场、电镀、食品和制药等行业的废水处理或回用中获得应用。110PPT课件二、超滤（二、超滤（UFUF）：）：用于截留水中胶体大小的颗粒，水和低分子量的溶质则允许透过膜。对比：反渗透、超滤、微孔过滤均以压力差为推动力，电渗析以电压为推动力，渗析以浓度差为推动力。111PPT课件1 1、操作、操作方式：方式：与反渗透工作方式相同，水在膜表面流动，部分水透过膜，大部分水流走的同时将膜表面的截留物质带走。（微孔过滤是将全部进水挤压滤过，因而膜微孔易堵塞）2 2、性能、性能：超滤虽无脱盐性能，但对于去除水中的细菌、病毒、胶体，大分子等微粒相当有效，而且与反渗透相比，操作压力低，设备简单，因此超滤技术用于纯水终端处理是较为理想的处理方法。此外，超滤亦广泛应用于医药工业、食品工业以及工业废水处理等各个领域。112PPT课件3 3、超滤分离的特性：、超滤分离的特性：(1)分离过程不发生相变化、耗能量少；(2)分离过程可以在常温下进行，适合一些热敏性物质如果汁、生物制剂及某些药品等的浓缩或者提纯；(3)分离过程仅以低比压泵提供的压力作为推动力。设备及工艺流程简单、易于操作、管理及维修；(4)适用范围广，凡溶质分子量为50050000道尔顿或者溶质尺寸大小为501000埃左右，都可以利用超滤分离技术，此外采用系列化不同截留分了量的膜，能将不同分子量溶质的混合液中各组分实行分子量分级。113PPT课件 4 4、超滤膜种类、超滤膜种类 目前超滤膜的种类有醋酸纤维素膜，聚砜膜以及聚酰胺膜等。超滤装置如同反渗透装置，有板框式、管式(内压列管式和外压管束式)，卷式和中空纤维式等型式。5 5、膜的截留分子量（表示膜的孔径特征的量）：、膜的截留分子量（表示膜的孔径特征的量）：对特定膜的进行超滤操作，计算被截留物质（分子量不同）的截留率，以物质的分子量为横坐标，截留率为纵坐标，得一曲线，对于该膜的特定曲线，对应于截留率为90%的分子量称为该膜的截留分子量。超滤膜为多孔结构，超滤机理归结为筛出作用，即筛分机理。大于膜的截留分子量的分子几乎全部的被膜截留。114PPT课件膜的截留分子量（表示膜的孔径特征的量）：115PPT课件6 6、超滤、超滤过程的一般过程的一般表达式表达式 水的通量（JW）、溶质的通量（JS）、溶质去除率（R）的表达式及他们之间的关系：116PPT课件7 7、超滤、超滤过程中的过程中的浓差极化浓差极化 在膜分离过程中，水连同小分子透过膜，而大分子溶质则被膜所阻拦并不断积累在膜表面上，使溶质在膜面处的浓度Cm高于溶质在主体溶液中的浓度Cb，从而在膜附近边界层内形成浓度差Cm-Cb，并促使溶质从膜表面向着主体溶液进行反向扩散，这种现象称为浓差极化。由于进行超滤的溶液主要含有大分子，其在水中的扩散系数极小，导致超滤的浓差极化现象尤为严重。117PPT课件三、纳三、纳滤滤1 1、纳、纳滤膜滤膜基本原理基本原理 纳滤（NF）是介于反渗透和超滤之间的一种压力驱动膜过程适于分离分子量在200g/mol以上，分子尺寸在12纳米左右物质。纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。我国于二十世纪90年代初期开始研制纳滤膜，与国外相比，我国纳滤技术整体上只能说是刚刚开始，膜的研制、组器技术和应用开发等都刚起步。2 2、纳、纳滤过程滤过程 纳滤（NF）是介于反渗透很超滤之间的一种压力驱动型膜分离技术。它具有两个特性：对水中的分子量为数百的有机小分子成分具有分离性能；对于不同价态的阴离子存在Donnan效应。物料的荷电性，离子价数荷浓度对膜的分离效应有很大影响。（道南(Donnan)模型=道南(Donnan)效应,Donnan模型以Donnan平衡为基础，用来描述荷电膜的脱盐过程，一般纳滤膜多为荷电膜，所以该模型更多用来描述纳滤过程）118PPT课件3 3、纳滤膜的应用、纳滤膜的应用 纳滤（NF）膜是介于反渗透（RO）膜及超滤（UF）膜之间的一种新型分离膜，由于其具有纳米级的膜孔径、膜上多带电荷等结构特点，因而主要用于以下几个方面：（1）不同分子量的有机物质的分离；（2）有机物与小分子无机物的分离；（3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；（4）盐与其对应酸的分离。从而达到饮用水和工业用水的软化，料液的脱色、浓缩、分离、回收等目的。对Na+和Cl-等单价离子的截留率较低，但对Ca2+、Mg2+、SO42-等二价离子及除草剂、农药、色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（200-1000）物质的截留率很高，而且水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离子和分子量在500到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。119PPT课件