水污染控制工程(第十一講)1

1、環(huán)境工程環(huán)境工程 第四章第四章 水的物理化學(xué)處理方法水的物理化學(xué)處理方法 本章主要介紹污水的物理化學(xué)處理的基本章主要介紹污水的物理化學(xué)處理的基本原理、工藝條件、主要設(shè)備及其應(yīng)用。本原理、工藝條件、主要設(shè)備及其應(yīng)用。其中吸附、離子交換、萃取及電滲析四種其中吸附、離子交換、萃取及電滲析四種方法為基本和主要的方法，在學(xué)習(xí)中應(yīng)牢方法為基本和主要的方法，在學(xué)習(xí)中應(yīng)牢固掌握。對其他的方法進(jìn)行了解。通過學(xué)固掌握。對其他的方法進(jìn)行了解。通過學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)，應(yīng)能達(dá)到對不同污水優(yōu)選處理習(xí)及實(shí)驗(yàn)，應(yīng)能達(dá)到對不同污水優(yōu)選處理方法，確定合適工藝流程。方法，確定合適工藝流程。 環(huán)境工程環(huán)境工程 第一節(jié)第一節(jié) 吸附吸附 一、吸

2、附原理一、吸附原理吸附是一種物質(zhì)附著在另一種物質(zhì)表面上的吸附是一種物質(zhì)附著在另一種物質(zhì)表面上的過程，它可以發(fā)生在氣過程，它可以發(fā)生在氣-液、氣液、氣-固、液固、液-固兩固兩相之間相之間。在污水處理中，吸附則是利用多孔。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的一種或多性固體吸附劑的表面吸附污水中的一種或多種污染物，達(dá)到污水凈化的過程。種污染物，達(dá)到污水凈化的過程。 這種方法這種方法主要用于低濃度工業(yè)廢水的處理主要用于低濃度工業(yè)廢水的處理。主要是去除溶解性的有機(jī)物質(zhì)，還能去除合主要是去除溶解性的有機(jī)物質(zhì)，還能去除合成洗滌劑、微生物、病毒和痕量重金屬等，成洗滌劑、微生物、病毒和痕

3、量重金屬等，能脫色、除臭能脫色、除臭環(huán)境工程環(huán)境工程 1、基本概念、基本概念吸附：在相界面上，物質(zhì)的濃度自動(dòng)發(fā)生累吸附：在相界面上，物質(zhì)的濃度自動(dòng)發(fā)生累積或濃集的現(xiàn)象積或濃集的現(xiàn)象。在水處理中，主要利用固體物質(zhì)表面對水中在水處理中，主要利用固體物質(zhì)表面對水中物質(zhì)的吸附作用。物質(zhì)的吸附作用。吸附法吸附法：利用多孔性的固體物質(zhì)，使水中的：利用多孔性的固體物質(zhì)，使水中的一種或多種物質(zhì)被吸附在固體表面而去除的一種或多種物質(zhì)被吸附在固體表面而去除的方法。方法。吸附劑吸附劑：具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)。：具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)。吸附質(zhì)吸附質(zhì)：水中被吸附的物質(zhì)。：水中被吸附的物質(zhì)。環(huán)境工程環(huán)境工程

4、2、吸附類型、吸附類型 根據(jù)固體表面吸附力的不同，可分為物理根據(jù)固體表面吸附力的不同，可分為物理吸附和化學(xué)吸附吸附和化學(xué)吸附。（1）物理吸附：吸附劑和吸附質(zhì)之間通過分物理吸附：吸附劑和吸附質(zhì)之間通過分子間力產(chǎn)生的吸附。子間力產(chǎn)生的吸附。通常在低溫下進(jìn)行的。通常在低溫下進(jìn)行的。解吸：被吸附的分子由于熱運(yùn)動(dòng)還會(huì)離開吸解吸：被吸附的分子由于熱運(yùn)動(dòng)還會(huì)離開吸附表面的過程，是吸附的逆過程附表面的過程，是吸附的逆過程。環(huán)境工程環(huán)境工程物理吸附物理吸附多分子吸附層多分子吸附層單分子吸附層單分子吸附層環(huán)境工程環(huán)境工程（2）化學(xué)吸附：是吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)吸附：是吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)作用，是由于化

5、學(xué)鍵力引起的。的化學(xué)作用，是由于化學(xué)鍵力引起的。 在在較高溫度下進(jìn)行的較高溫度下進(jìn)行的。 一種吸附劑只能對某種或幾種吸附質(zhì)發(fā)生一種吸附劑只能對某種或幾種吸附質(zhì)發(fā)生化學(xué)吸附，化學(xué)吸附，化學(xué)吸附有選擇性化學(xué)吸附有選擇性。 化學(xué)吸附只能形成化學(xué)吸附只能形成單分子吸附層單分子吸附層。是。是不可不可逆的。逆的。 環(huán)境工程環(huán)境工程 3、吸附平衡和吸附容量、吸附平衡和吸附容量 吸附過程為可逆過程，當(dāng)污水、吸附劑兩吸附過程為可逆過程，當(dāng)污水、吸附劑兩相經(jīng)充分接觸后，最終達(dá)到吸附與脫附的動(dòng)相經(jīng)充分接觸后，最終達(dá)到吸附與脫附的動(dòng)態(tài)平衡。態(tài)平衡。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附速度與脫當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附速度與脫附速度相等

6、，吸附質(zhì)在吸附劑及溶液中的濃附速度相等，吸附質(zhì)在吸附劑及溶液中的濃度都將不改變。此時(shí)，吸附質(zhì)在液相中的濃度都將不改變。此時(shí)，吸附質(zhì)在液相中的濃度稱為平衡濃度。度稱為平衡濃度。 吸附劑對吸附質(zhì)的吸附效果，一般用吸附吸附劑對吸附質(zhì)的吸附效果，一般用吸附容量和吸附速度來衡量。容量和吸附速度來衡量。環(huán)境工程環(huán)境工程 4、吸附等溫線、吸附等溫線吸附等溫線：把在一定溫度下，使活性炭與吸附等溫線：把在一定溫度下，使活性炭與被處理的水接觸，并達(dá)到平衡時(shí)的溶液濃度被處理的水接觸，并達(dá)到平衡時(shí)的溶液濃度和活性炭所吸附的有機(jī)物數(shù)量之間的關(guān)系，和活性炭所吸附的有機(jī)物數(shù)量之間的關(guān)系，所繪制的曲線。所繪制的曲線。環(huán)境工程

7、環(huán)境工程（1）Langmuir型型bCabCq1單分子層吸附單分子層吸附 q吸附量吸附量C液相濃度液相濃度a與最大吸附量有關(guān)的常數(shù)；與最大吸附量有關(guān)的常數(shù)；b與吸附能量有關(guān)的常數(shù)。與吸附能量有關(guān)的常數(shù)。 環(huán)境工程環(huán)境工程（2）BET型型bCbCVqm1Vm單分子層吸附時(shí)的最大吸附量單分子層吸附時(shí)的最大吸附量 （3）Freundlich型型 nKCq1CnKqlg1lg1/n為吸附指數(shù)；為吸附指數(shù)； 環(huán)境工程環(huán)境工程 二、影響吸附的因素二、影響吸附的因素 1、吸附能力和吸附速度是衡量吸附過程、吸附能力和吸附速度是衡量吸附過程的主要指標(biāo)的主要指標(biāo)。（1）固體吸附劑吸附能力大小可用吸附容固體吸附劑吸

8、附能力大小可用吸附容量來衡量量來衡量。 吸附容量指單位質(zhì)量吸附劑所吸附的吸吸附容量指單位質(zhì)量吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的質(zhì)量附質(zhì)的質(zhì)量。吸附容量可用公式表示：。吸附容量可用公式表示：環(huán)境工程環(huán)境工程式中：式中：q吸附容量，吸附容量，g/g； V污水體積，污水體積，L； c0原水中吸附質(zhì)濃度，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)濃吸附平衡時(shí)水中剩余的吸附質(zhì)濃度，度，g/L； W吸附劑投加量，吸附劑投加量，g。吸附容量越大，單位吸附劑處理水量越大，吸附容量越大，單位吸附劑處理水量越大，吸附時(shí)間越長，運(yùn)轉(zhuǎn)管理費(fèi)用越少。吸附時(shí)間越長，運(yùn)轉(zhuǎn)管理費(fèi)用越少。WccVq)(0環(huán)境工程環(huán)境工程例：

9、用活性炭吸附水中色素的實(shí)驗(yàn)方程式為：例：用活性炭吸附水中色素的實(shí)驗(yàn)方程式為：q=3.9c0.5。今有。今有100L溶液，色素濃度為溶液，色素濃度為0.05g/L，欲將色素除去，欲將色素除去90%，加多少活性，加多少活性炭？炭？解：平衡時(shí)的解：平衡時(shí)的c=0.05(1-90%)=0.005(g/L) q=3.90.0050.5=0.276(g/g)( 3 .16276. 0)005. 005. 0(100)(0gqccVW環(huán)境工程環(huán)境工程（2）吸附速度是指單位重量吸附劑在單位時(shí)吸附速度是指單位重量吸附劑在單位時(shí)間內(nèi)所吸附的物質(zhì)量間內(nèi)所吸附的物質(zhì)量。在水處理中，吸附速度決定了污水需要與在水處理中，

10、吸附速度決定了污水需要與吸附劑接觸的時(shí)間；吸附劑接觸的時(shí)間；吸附速度快，則所需的接觸時(shí)間就短，吸吸附速度快，則所需的接觸時(shí)間就短，吸附設(shè)備的容積就小。附設(shè)備的容積就小。吸附速度主要取決于外部擴(kuò)散速度和空隙吸附速度主要取決于外部擴(kuò)散速度和空隙擴(kuò)散速度。擴(kuò)散速度。 環(huán)境工程環(huán)境工程多孔性吸附劑的吸附過程可分為：多孔性吸附劑的吸附過程可分為：A、顆粒外部擴(kuò)散階段，即吸附質(zhì)從溶液、顆粒外部擴(kuò)散階段，即吸附質(zhì)從溶液中擴(kuò)散到吸附劑表面；中擴(kuò)散到吸附劑表面；B、孔隙擴(kuò)散階段，即吸附質(zhì)在吸附劑孔、孔隙擴(kuò)散階段，即吸附質(zhì)在吸附劑孔隙中繼續(xù)向吸附點(diǎn)擴(kuò)散；隙中繼續(xù)向吸附點(diǎn)擴(kuò)散； C、吸附反應(yīng)階段，吸附質(zhì)被吸附在吸、

11、吸附反應(yīng)階段，吸附質(zhì)被吸附在吸附劑孔隙內(nèi)的吸附點(diǎn)表面。附劑孔隙內(nèi)的吸附點(diǎn)表面。 環(huán)境工程環(huán)境工程環(huán)境工程環(huán)境工程2、吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)和吸附質(zhì)的物、吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)和吸附質(zhì)的物化性質(zhì)對吸附有很大影響?；再|(zhì)對吸附有很大影響。3、污水的、污水的pH值對吸附也有影響，活性值對吸附也有影響，活性炭一般在酸性條件下比在堿性條件下有炭一般在酸性條件下比在堿性條件下有較高的吸附量。較高的吸附量。環(huán)境工程環(huán)境工程 三、吸附劑三、吸附劑 水處理中常用的吸附劑：活性炭、磺化煤、水處理中常用的吸附劑：活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、焦碳等。活化煤、沸石、焦碳等。 多孔物質(zhì)或磨的很細(xì)的物質(zhì)，由于具有巨多孔物質(zhì)或

12、磨的很細(xì)的物質(zhì)，由于具有巨大的表面積，才有吸附能力。大的表面積，才有吸附能力。 活性炭的吸附發(fā)生在細(xì)孔的表面上?；钚蕴康奈桨l(fā)生在細(xì)孔的表面上。環(huán)境工程環(huán)境工程 1、活性炭種類很多。、活性炭種類很多。 粉末狀：吸附能力強(qiáng)，制備容易，價(jià)格較粉末狀：吸附能力強(qiáng)，制備容易，價(jià)格較低，但再生困難，一般不重復(fù)使用。低，但再生困難，一般不重復(fù)使用。 顆粒狀：價(jià)格貴，可再生后重復(fù)使用，操顆粒狀：價(jià)格貴，可再生后重復(fù)使用，操作管理方便，多用。作管理方便，多用。 2、活性炭的比表面積可達(dá)、活性炭的比表面積可達(dá)8002000m2/g，有高的吸附能力。有高的吸附能力。 3、顆粒狀活性炭使用一段時(shí)間后，吸附了、顆粒狀

13、活性炭使用一段時(shí)間后，吸附了大量吸附質(zhì)，逐步趨向飽和并喪失工作能力，大量吸附質(zhì)，逐步趨向飽和并喪失工作能力，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行更換或再生。此時(shí)應(yīng)進(jìn)行更換或再生。 環(huán)境工程環(huán)境工程4、再生再生：在吸附劑本身的結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生在吸附劑本身的結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化的情況下，用某種方法將吸附質(zhì)從吸附變化的情況下，用某種方法將吸附質(zhì)從吸附劑微孔中除去，恢復(fù)它的吸附能力劑微孔中除去，恢復(fù)它的吸附能力。再生的方法：再生的方法：（1）加熱再生法加熱再生法在高溫條件下，提高了吸附質(zhì)分子的能量，在高溫條件下，提高了吸附質(zhì)分子的能量，但其易于從活性炭的活性點(diǎn)脫離；而吸附的但其易于從活性炭的活性點(diǎn)脫離；而吸附的有機(jī)物則在高溫下氧化

14、和分解，成為氣態(tài)逸有機(jī)物則在高溫下氧化和分解，成為氣態(tài)逸出或斷裂成低分子。出或斷裂成低分子。環(huán)境工程環(huán)境工程（2）化學(xué)再生法）化學(xué)再生法：通過化學(xué)反應(yīng)，使吸附：通過化學(xué)反應(yīng)，使吸附質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶于水的物質(zhì)而解吸下來。質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶于水的物質(zhì)而解吸下來。例：例：吸附了苯酚的活性炭，可用吸附了苯酚的活性炭，可用NaOH浸泡，浸泡，形成酚鈉而解吸形成酚鈉而解吸。 環(huán)境工程環(huán)境工程 四、吸附工藝和設(shè)備四、吸附工藝和設(shè)備 在進(jìn)行吸附操作之前，原水應(yīng)先經(jīng)過預(yù)在進(jìn)行吸附操作之前，原水應(yīng)先經(jīng)過預(yù)處理，去除水中懸浮物及油類等雜質(zhì)，以處理，去除水中懸浮物及油類等雜質(zhì)，以免堵塞吸附劑的孔隙。免堵塞吸附劑的孔隙。吸附操作

15、方式分間歇式和連續(xù)式兩種。吸附操作方式分間歇式和連續(xù)式兩種。 環(huán)境工程環(huán)境工程 1、間歇式：將廢水和吸附劑放在吸附池、間歇式：將廢水和吸附劑放在吸附池內(nèi)進(jìn)行攪拌內(nèi)進(jìn)行攪拌30min左右，然后靜置沉淀，排左右，然后靜置沉淀，排除澄清液。除澄清液。 主要應(yīng)用小水量廢水的處理和實(shí)驗(yàn)研究，主要應(yīng)用小水量廢水的處理和實(shí)驗(yàn)研究，兩個(gè)吸附池交換工作。兩個(gè)吸附池交換工作。環(huán)境工程環(huán)境工程2、連續(xù)式：有固定床、移動(dòng)床、流動(dòng)床連續(xù)式：有固定床、移動(dòng)床、流動(dòng)床三種方式三種方式。（1）固定床：固定床有降流式（又分重）固定床：固定床有降流式（又分重力式和壓力式），也有升流式，或稱膨力式和壓力式），也有升流式，或稱膨脹式

16、，炭層的膨脹度為脹式，炭層的膨脹度為10-15%。兩種形。兩種形式的處理效果基本相同。式的處理效果基本相同。環(huán)境工程環(huán)境工程 進(jìn)水 出水 兩兩塔塔串串聯(lián)聯(lián)操操作作示示意意圖圖 123環(huán)境工程環(huán)境工程（2）移動(dòng)床：操作方式是水從吸附塔底部）移動(dòng)床：操作方式是水從吸附塔底部進(jìn)入，由塔頂流出。塔底部接近飽和的某進(jìn)入，由塔頂流出。塔底部接近飽和的某一段高度的吸附劑間歇地排出，再生后從一段高度的吸附劑間歇地排出，再生后從塔頂加入。塔頂加入。優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，連接管路少，基本上優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，連接管路少，基本上不需要反沖洗。不需要反沖洗。缺點(diǎn)：難于均勻排出炭層；操作要求較高，缺點(diǎn)：難于均勻排出炭層；操作

17、要求較高，不能使塔內(nèi)吸附劑上下層互混。不能使塔內(nèi)吸附劑上下層互混。 環(huán)境工程環(huán)境工程 吸附 再生 原原水水 吸吸附附劑劑 移移動(dòng)動(dòng)床床吸吸附附操操作作示示意意圖圖 環(huán)境工程環(huán)境工程（3）流動(dòng)床（流化床）：是由下往上的水）流動(dòng)床（流化床）：是由下往上的水使吸附劑顆粒相互之間有相對運(yùn)動(dòng)，一般使吸附劑顆粒相互之間有相對運(yùn)動(dòng)，一般可以通過整個(gè)床層進(jìn)行循環(huán)，起不到過濾可以通過整個(gè)床層進(jìn)行循環(huán)，起不到過濾作用，適于處理懸浮物含量較大的水。作用，適于處理懸浮物含量較大的水。環(huán)境工程環(huán)境工程 五、穿透曲線五、穿透曲線 當(dāng)廢水連續(xù)通過吸附劑層時(shí)，運(yùn)行初期當(dāng)廢水連續(xù)通過吸附劑層時(shí)，運(yùn)行初期出水中溶質(zhì)幾乎為零。出水

18、中溶質(zhì)幾乎為零。 隨著時(shí)間的推移，上層吸附劑達(dá)到飽和，隨著時(shí)間的推移，上層吸附劑達(dá)到飽和，床層中發(fā)揮吸附作用的區(qū)域向下移動(dòng)。吸床層中發(fā)揮吸附作用的區(qū)域向下移動(dòng)。吸附區(qū)前面的床層尚末起作用。出水中溶質(zhì)附區(qū)前面的床層尚末起作用。出水中溶質(zhì)濃度仍然很低。濃度仍然很低。 當(dāng)吸附區(qū)前沿下移至吸附劑層底端時(shí)，當(dāng)吸附區(qū)前沿下移至吸附劑層底端時(shí)，出水濃度開始超過規(guī)定值，此時(shí)稱床層穿出水濃度開始超過規(guī)定值，此時(shí)稱床層穿透。透。環(huán)境工程環(huán)境工程 以后出水濃度迅速增加，當(dāng)吸附區(qū)后端面以后出水濃度迅速增加，當(dāng)吸附區(qū)后端面下移到床層底端時(shí)，整個(gè)床層接近飽和，出下移到床層底端時(shí)，整個(gè)床層接近飽和，出水濃度接近進(jìn)水濃度，此

19、時(shí)稱床層耗竭。將水濃度接近進(jìn)水濃度，此時(shí)稱床層耗竭。將出水濃度隨時(shí)間變化作圖，得到的曲線稱穿出水濃度隨時(shí)間變化作圖，得到的曲線稱穿透曲線。透曲線。 環(huán)境工程環(huán)境工程環(huán)境工程環(huán)境工程環(huán)境工程環(huán)境工程 六、吸附法在污水處理中的應(yīng)用六、吸附法在污水處理中的應(yīng)用 由于吸附法對進(jìn)水的預(yù)處理要求高，吸由于吸附法對進(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，吸附附劑的價(jià)格昂貴，因此在廢水處理中，吸附法主要用來去除廢水中的微量污染物，達(dá)到法主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：廢水中少量重金屬離深度凈化的目的。如：廢水中少量重金屬離子的去除，少量有害的生物難降解有機(jī)物的子的去除，

20、少量有害的生物難降解有機(jī)物的去除、脫色除臭等。去除、脫色除臭等。環(huán)境工程環(huán)境工程1、吸附法除汞、吸附法除汞活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有限，只適宜于處理含汞因其吸附能力有限，只適宜于處理含汞量低的廢水。量低的廢水。 含 汞 廢 水 反 應(yīng) 池 沉 淀 池 吸 附 池1 吸 附 池2 排 放 Ca(O H )2 N a2S FeSO4 壓 縮 空 氣 壓 縮 空 氣 H gS N a2S 吸吸 附附 法法 除除 汞汞 流流 程程 環(huán)境工程環(huán)境工程 某工廠用活性炭作為含汞廢水的最終處理，其某工廠用活性炭作為含汞廢水的最終處理，其流程如圖。該廠的廢水量不大流程如圖。該廠的廢水量不大(1020m3/d)，但含，但含汞的濃度較高，因此先用化學(xué)沉淀法（如汞的濃度較高，因此先用化學(xué)沉淀法（如Na2S，同時(shí)加石灰和硫酸亞鐵）處理，處理后廢水含汞同時(shí)加石灰和硫酸亞鐵）處理，處理后廢水含汞約約1mg/L，高時(shí)達(dá)，高時(shí)達(dá)23mg/L，不符合排放標(biāo)