污水的吸附法、离子交换法、萃取法和膜析法处理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 污水的吸附法、离子交换法、萃取法和膜析法处理,第一节 吸附法,第二节 离子交换法,第三节 萃取法,第四节 膜析法,第一节 吸附法,一、定义,吸附法是利用吸附剂吸附废水中某种或几种污染物，以便回收或去除它们，从而使废水得到净化的方法。,吸附法作用,-,应用领域,化工,环境保护,医药卫生,生物工程等领域,吸附法作用,-,应用方向,化工和环境保护方面，吸附法主要用于净化废气、回收溶剂和脱除水中的微量污染物。在处理流程中，吸附法可作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除有机物、胶体及余氯等，也可作为二级处理后的深度处理手段。利用吸附法进行水处理，具有适应范围广、处理效果好、可回收有用物料以及吸附剂可重复使用等优点。,二、吸附机理及分类,吸附剂与吸附质之间的作用力除了分子之间的引力,(,范德华力,),以外还有化学键力和静电引力。根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种类型。,1,、,吸附原理,吸附,物理吸附,化学吸附,吸附剂与吸附物质之间是通过分子间引力,(,即范徳华力,),而产生的吸附,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,2,、吸附平衡与吸附等温式,吸附过程中，固、液两相经过成分接触后，最后将达到吸附与脱附的动态平衡。达到平衡时，单位吸附剂所吸附的物质的数量称为平衡吸附量，常用,q,e,(mg/g,),表示。,平衡吸附量计算公式：,式中：,V,溶液体积，,L,；,c,0,、,c,e,分别为溶质的初始和平衡浓度，,mg/L,；,W,吸附剂用量，,g,。,（,1,）,Langmuir,等温式,Langmuir,假设吸附剂表面均一，各处的吸,附能相同，吸附是单分子层的。当吸附剂,表面的吸附质饱和时，其吸附量达到最大,值，在吸附剂表面上的各个吸附点间没有,吸附质转移运动，达到动态平衡状态时，,吸附和脱附速度相等。,Langmuir,吸附等温式：,其中：,C,e,被吸附物质的平衡浓度，,mg/L;,q,e,单位吸附剂所吸附的物质的量，即平衡,吸附量，,mg/g;,Q,0,吸附剂的最大吸附量,mg/g;,b,Langmuir,常数,L/mg,。,2,、,Freundlich,等温式,一般认为，,1/n,值介于,0.1,0.5,，则易于吸附，,1/n2,时难以吸附。利用,K,和,1/n,两个常数，可以比较 不同吸附剂的特性。,Freundlich,吸附等温式,其中,Freundlich,参数,式中,C,0,和,C,e,分别为被吸附物质的初始浓度和平,衡浓度,mg/L;,q,e,平衡吸附量，,mg/g;,W,吸附剂用量,g;,k,和,1/n,Freundlich,参数。,三、影响吸附的因素,衡量指标,吸附能力,吸附速度,固体吸附剂用吸附量衡量,单位质量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量,吸附阶段,颗粒外部扩散阶段,孔隙扩散阶段,吸附反应阶段,吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面,吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散,吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的吸附点表面,吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。,外部扩散速度,与溶液浓度成正比,与吸附剂的比表面积的大小成正比,吸附剂颗粒直径越小，速度越快,增加溶液与颗粒间的相对运动速度，可提高速度,孔隙扩散速度,吸附剂颗粒越小，速度越快,吸附剂的物理化学性质和吸附质的物理化学性质对吸附有很大影响。,极性分子,(,或离子,),型的吸附剂容易吸附极性分子,(,或离子,),型的吸附质。,非极性分子型的吸附剂容易吸附非极性的吸附质。,四、吸附剂,吸附剂是决定高效能的吸附处理过程的关键因素，广义而言，一切固体都具有吸附能力，但是只有多孔物质或磨得极细的物质，由于其具有很大的表面积，才能作为吸剂。,1.,工业吸附剂必须满足的要求,(,1),吸附能力强；,(2),吸附选择性好；,(3),吸附平衡浓度低；,(4),容易再生和再利用；,(5),机械强度好；,(6),化学性质稳定；,(7),来源广；,(8),价廉。,2.,吸附剂种类,活性炭（活性炭纤维）,吸附树脂,腐植酸类吸附剂,改性淀粉类吸附剂,改性纤维素类吸附剂,以及其他可吸收污染物质的药剂、物料等,1.,活性炭,在水处理中较多采用颗粒活性炭。,再生是在吸附剂本身的结构基本不发生变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去,恢复它的吸附能力。,再生方法,加热再生法,在高温条件下，提高了吸附质分子的能量，使其易于从活性炭的活性点脱离；而吸附的有机物则在高温下氧化和分解，成为气态逸出或断裂成低分子,化学再生法,通过化学反应，使吸附质转化为易溶于水的物质而解吸下来,活性炭再生方法比较,活性炭的再生方法主要有加热再生法、药剂再生法、化学再生法、湿式氧化再生法和生物再生法等。用加热再生法处理活性炭时，炭的损失率高，而且再生成本也较高，而药剂再生法处理成本高并易造成二次污染，因此化学再生法,(,如臭氧再生法,),、生物再生法和湿式氧化再生法是今后活性炭再生方法的发展方向。与国外同类产品相比，我国活性炭存在产量少、质量差、使用寿命短、再生率低等缺点，因此如何改进活性炭生产工艺，提高其产量和质量是当前迫切需要解决的问题。,2.,活性炭纤维,活性炭纤维是一种新型高效吸附材料。它是有机炭纤维经活化处理后形成的。具有发达的微孔结构，巨大的比表面积，以及众多的官能团，因此，吸附性能大大超过目前普通的活性炭。,3,、吸附树脂,-,种类、性能和应用,吸附树脂按基本结构分类，可分类为非极性、中极性、极性和强极性四种类型。常见产品有美国,Amberlite,XAD,系列，日本,HP,系列，法国,Duolite,A,系列等。此外，国内一些单位也研制出一些性能优良的大孔吸附树脂。吸附树脂具有适应性大、应用范围广、吸附选择性好、稳定性高等优点，因此国内外对吸附树脂在水处理方面的应用进行了大量的研究。目前，吸附树脂可用于去除废水中的重金属脂肪酸钠盐、阴离子表面活性剂、酚类物质、稀土元素、对苯二甲酸、苯胺、氟离子等。,4.,腐植酸类吸附剂,种类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将富含腐植酸的物质用适当的黏合剂制备成的腐植酸系树脂。,腐植酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物。,腐植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。,腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、螯合、表面吸附、凝聚等作用。,腐植酸类物质在吸附重金属离子后,可以用,H,2,SO,4,、,HCl,、,NaCl,等进行解吸。,5,、改性淀粉类吸附剂,淀粉分散在水介质中，在较温和的条件下就具有较高的反应性能，可以用比较简单的方法将其变性和转化；淀粉还极容易被酸、酶部分或全部水解成低聚糖或单糖，这些水解产物又可进一步衍生成更多的有机化合物。而且，淀粉资源丰富、价格低廉，因此世界各国都十分重视对淀粉的研究、开发和利用。淀粉衍生物在水处理中的应用主要是作为重金属离子、,CrO,4,2-,以及酚类物质的吸附剂，此外还可作为染料废液处理剂。,6,、改性纤维素类吸附剂,纤维素是地球上最丰富的、可以恢复的天然资源，具有价廉、可降解并对环境不产生污染等优点，因此对纤维素的改性研究一直受到人们的重视。纤维素的化学改性研究大致可归结为三个主要方向：,(1),利用一般酯化和醚化的方法；,(2),利用有机化学改性的方法；,(3),利用接枝共聚的方法。改性纤维素类吸附剂是改性纤维素产品中具有重要应用价值的研究方向之一。,6,、改性纤维素类吸附剂,纤维素是地球上最丰富的、可以恢复的天然资源，具有价廉、可降解并对环境不产生污染等优点，因此对纤维素的改性研究一直受到人们的重视。纤维素的化学改性研究大致可归结为三个主要方向：,(1),利用一般酯化和醚化的方法；,(2),利用有机化学改性的方法；,(3),利用接枝共聚的方法。改性纤维素类吸附剂是改性纤维素产品中具有重要应用价值的研究方向之一。,五、吸附工艺和设备,操作方式,连续式,间歇式,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,固定床,移动床,流化床,吸附剂固定填放在吸附柱,(,或塔,),中,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中排出，并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中,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,六、吸附法在污水处理中的应用,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，只适宜于处理含汞量低的废水。,吸附法除汞流程,2.,炼油厂、印染厂废水的深度处理,某炼油厂含油废水，经隔油，气浮和生物处理后，再经砂滤和活性炭过滤深度处理。,废水的含酚量从,0.1mg/L(,生物处理后,),降至,0.005mg/L,，氰从,0.19mg/L,降至,0.048mg/L,，,COD,从,85mg/L,降至,18mg/L,。,第二节 离子交换法,一、离子交换法定义,离子交换法是指废水中的部分污染物与离子交换剂接触，通过离子交换而达到去除的目污染物的。离子交换法主要用于去除水中溶解性物质。离子交换的实质是离子交换剂上可交换的离子与废水中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。,实质：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他同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆化学吸附。,离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：,交换树脂,交换离子,饱和树脂,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：,K,值的大小能定量地反映离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。,二、离子交换剂,无机：包括天然沸石和合成沸石，是一类硅质的阳离子交换剂，成本低，但不能在酸性条件下使用。,有机：包括磺化煤和各种离子交换树脂。,1,.,离子交换剂树脂,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。,种类,凝胶型树脂,大孔型树脂,多孔凝胶型树脂,巨孔型,(MR,型,),树脂,高巨孔型,(,超,MR,型,),树脂,按活性基团可分为,含有酸性基团的阴离子交换树脂,含有碱性基团的阳离子交换树脂,含有胺羧基团等的螯合树脂,含有氧化还原基团的氧化还原树脂,两性树脂,2.,交换树脂类别,根据其酸碱性的强弱，可将树脂分为强酸（,SO,3,H,）、弱酸（,RCOOH,）、强碱（,R,4,NOH,）、弱碱（,RnNH,3,OH,n=13,）四类。活性基团中的,H,+,和,OH,-,可分为用,Na,+,和,Cl,-,替换，因此，阳离子交换树脂又有氢型和钠型之分；阴离子交换树脂又有氢氧型和氯型之分。有时也把钠型和氯型称为盐型。,3.,特殊活性基团的离子交换树脂,氧化还原树脂，含硫基、氢醌基；,两性树脂，同时含羧酸基和叔胺基；,鳌合树脂，含胺羧基等。,4.,离子交换树脂孔结构特征,离子交换树脂具有立体网状结构，按其孔隙特征，可分为凝胶型和大孔型。两者的区别在于结构中孔隙的大小。凝胶型树脂不具有物理孔隙，只有在浸入水中时才显示其分子链间的网状孔隙，而大孔树脂无论在干态或湿态，用电子显微镜都能看到孔隙，其孔径为（,200,10000,）,10,-10,m,，而凝胶型孔径仅（,20,40,）,10,-10,m,。因此，大孔树脂吸附能力大，交换速度快，溶胀性小。,二、离子交换树脂的选用,1,.,离子交换树脂的有效,pH,范围,树脂类型,强酸性离子交换树脂,弱酸性离子交换树脂,强碱性离子交换树脂,弱碱性离子交换树脂,有效,pH,范围,114,514,112,07,2.,交换容量,定量表示树脂交换能力的大小，单位为,mol/kg(,干树脂,),或,mol/L(,湿树脂,),交换容量,全交换容量,工作交换容量,一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量,树脂在给定工作条件下实际的交换能力,3.,交联度,交联度较高的树脂，孔隙较低，密度较大，离子扩散速度较低，对半