1、物化法污水处理技术与设备物化法污水处理技术与设备演讲者：李晓蕾演讲者：李晓蕾 4、膜分离技术与设备膜分离技术与设备 2、萃取原理及其设备萃取原理及其设备 3、离子交换及其设备离子交换及其设备内容概要1、吸附的内涵与类型吸附的内涵与类型1.1 1.1 吸附的内涵与类型吸附的内涵与类型 当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处 产生积蓄，这一现象称为吸附净化。用来实现吸附分离操作的设备称为吸附设备。吸附设备是分离和 纯化气体与气体，气体与液体，液体与液体混合物的重要操作单元。根据吸附剂表面与吸附质之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附和 化学吸附两大类。物理吸附：由于吸附剂与吸附
2、质之间的分子间力的作用所产生的吸附。化学吸附：一种发生在固体颗粒表面的化学反应。由于吸附作用可以进行得相当完全，所以能有效地去除用一般手 段难以处理的气体或液体中的低浓度污染物。实际的吸附过程通常是几 种吸附综合作用的结果，但由于吸附质，吸附剂及其他因素的影响，起主要作用的可能是某种吸附。例如：有的吸附在低温时主要是物理吸附，在高温时则是化学吸附。表1 物理吸附与化学吸附的比较 项目 物理吸附 化学吸附 作用力 分子引力 剩余化学键力 选择性 一般无选择性 有选择性 吸附层 单分子或多分子层均可 只能形成单分子层 吸附热 较小 较大 吸附速率 快，几乎不要活化能 慢，需要一定的活化能 可逆性
3、较易解析 化合键时，吸附不可逆 温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加1.2 1.2 吸附的基本理论吸附的基本理论1.2.1 吸附平衡与吸附速率 A 吸附平衡 在一定条件下，当流体与吸附剂充分接触后，流体中的吸附质将被吸附剂吸附，该过程称为吸附过程。随着吸附过程的进行，吸附质在吸附剂表面上的数量逐渐增加，一部分已被吸附的吸附质，由于热运动的结果而脱离吸附剂的表面，回到混合气体中去，该过程称为解吸过程。在一定温度下，当吸附速度与解吸速度相等时，流体中吸附质浓度称为平衡浓度，而吸附剂对吸附质的吸附量为平衡吸附量。吸附量是吸附平衡时，单位质量吸附剂上所吸附的吸附质的质量，它表示吸附剂吸附
4、能力的大小。一定体积和一定浓度的吸附质溶液中，投加一定的吸附剂，经搅拌混合直至吸附平衡，测定溶液中残余的吸附质浓度，则吸附量为 式中 V溶液体积，L；C0 ，C 吸附质的初始浓度与平衡浓度,Kg/L,mj吸附剂投加量，Kg.jmccVq)(0B 吸附速率 吸附速率是指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸附质量。吸附速率决定了污水和吸附剂的接触时间，吸附速率快，所需要的时间就短，需要的吸附设备容积就小。通常吸附质被吸附剂吸附的过程分为三步：（1）吸附质从气流主体穿过颗粒层周围气膜扩散至吸附剂颗粒的外表面，称为外扩散过程；（2）吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上的微孔扩散进入颗粒内部，达到颗粒
5、的内表面，称为内扩散过程；（3）在吸附剂内表面上的吸附质被吸附剂吸附，称为表面吸附过程。解吸时逆向进行，首先进行吸附质的解吸，经内扩散传递至外表面，再从外表面扩散至流动相主体，完成解吸。对于物理吸附，通常吸附表面上的吸附过程进行得很快，所以决定吸附过程速率的是内扩散过程和外扩散过程。C 影响吸附的因素 吸附能力与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。在污水处理中，吸附速度决定了污水需要与吸附剂接触的时间，吸附速度快，则需要的接触时间就短，吸附设备的容积就小。多孔性吸附剂的吸附过程基本分为颗粒外部扩散、孔隙扩散、吸附反应三个阶段，吸附速度主要取决于外部扩散速
6、度和孔隙扩散速度。1.3 吸附剂的种类 污水处理中采用的吸附剂种类有很多，常用的有活性炭、活化煤、硫化煤、焦炭、木炭、沸石、硅藻土、腐殖质、木屑及其他合成吸附剂。活性炭有粒状炭粒状炭GAC和粉末炭和粉末炭PAC，粉末炭接触面积大，处理效果好。活性炭的特性：1、细孔构造提供巨大的比表面积；2、石墨型微晶体边缘的不饱和炭原子使活性炭具有一定极性；1.4 吸附剂的解吸再生 吸附剂的再生方法有加热再生、化学氧化再生、药剂再生和生物再生等方法。在选择再生方法时，主要考虑三方面的因素：吸附质的理化性质、吸附机理和吸附质的回收价值。表2 吸附剂再生方法分类 种类处理温度/主要条件 加热再生加热脱附 100-
7、200 水蒸气、惰性气体 高温加热再生 750-950 水蒸气、燃烧气体、CO2药剂再生 无机药剂 常温-80HCl、H2SO4、NaOH、氧化剂 有机药剂 常温-80 有机溶剂 生物再生 常温 好养菌、厌氧菌 湿式氧化分解 180-220 O2、空气、氧化剂 电解氧化 常温 O2a 加热再生 加热再生就是采用加热的方法来改变吸附平衡关系，以达到脱附和分解的目的，这是比较常用的再生方法，几乎各种吸附剂都可以用加热再生法恢复吸附能力。根据吸附剂的容量在等压下随温度升高而降低的特点，用升高吸附剂温度的方法，使吸附质脱附再生。不同的吸附过程需要不同的温度，吸附作用越强，解吸时需加热的温度越高。b 化
8、学氧化再生 化学氧化再生的方法有很多，可分为以下几种：湿式氧化法、电解氧化法及臭氧氧化法等。(1)湿式氧化法：湿式氧化法是在较高的温度和压力下用空气中的氧来氧化污水溶液和悬浮的有机物及还原性无机物的一种方法。(2)电解氧化法：电解氧化法是将炭作为阳极进行水的电解，在活性炭表面产生氧气将吸附质氧化分解。(3)臭氧氧化法：利用强氧化剂臭氧，将吸附在活性炭上的有机物加以分解，但由于经济指标等原因，此法实际应用不多。c 其他方法（1）药剂再生。药剂再生就是利用药剂将被吸附剂的物质解吸出来。常用的溶剂有无机酸（HCl、H2SO4）、碱和有机溶剂（苯、丙酮、甲醇、乙醇、卤代烃）等。（2）生物再生。生物再生
9、就是利用生物的作用，将被活性炭吸附的有机物加以氧化分解。在再生周期长、处理水量不大的情况下，采用此法。（3）溶剂萃取。溶剂萃取就是选择合适的溶剂，使吸附质在该溶剂中的溶解性能远大于吸附剂对吸附质的吸附作用，从而将吸附质溶解下来。例如，活性炭吸附SO2后，用水洗涤，再进行适当的干燥便可恢复吸附能力。（4）降压或真空解吸再生。气体吸附过程与压力有关，压力升高时有利于吸附，压力降低时解吸占优，因此，通过降低操作压力可使吸附剂得到再生。2.2.萃取原理及其设计萃取原理及其设计2.1 萃取原理 向污水中投加一种与水互不相溶，但能良好溶解（水中）污染物的溶剂（萃取剂），由于污染物在萃取剂中的溶解度大于在水
10、中的溶解度，因而大部分污染物转移到萃取剂中。然后分离净化水和含污染物的萃取剂。将萃取剂与其中的污染物分离可使萃取剂再生，分离的污染物也可回收利用。萃取的过程就是利用溶液中的溶质在原溶剂中溶解度与萃取剂的溶解度的差异，将溶剂从溶液中进行分离。萃取相E萃余相R原液相（A+B）萃取剂S 萃取效果和所需费用主要取决于所用的萃取剂，选取萃取剂主要考虑：（1）萃取能力大；（2）分离性能好；（3）化学稳定性好；（4）易获取，价格便宜；（5）容易再生和回收溶质。2.2 2.2 萃取工艺萃取工艺 污水处理中萃取工艺过程如图所示，整个过程包括混合、分离和回收三道工序：（1）混合。混合就是把萃取剂S与污水进行充分接
11、触，使溶质从污水中转移到萃取剂中去。（2）分离。分离就是使萃取相E与萃余相R分别分离。（3）回收。回收就是分别从两相中回收萃取剂S和溶质A。混合传质分层分离回收回收萃余相 萃取液（回收利用）萃取剂 萃取剂 萃余剂（后续处理）返回利用污水 萃取剂萃取相2.3 萃取设备分类及设计（1）萃取设备的类型有许多种，最典型的分类方式是按两液相的接触方式分为逐级接触式和连续接触式两大类，如下图产生逆流的方式相分散的方法逐级接触式连续接触式重力重力筛板塔喷淋塔、填料塔、挡板塔 旋转 搅拌逐级混合澄清槽、立式混合澄清槽和偏心转盘塔（ARDC）转盘塔、带搅拌的填料萃取塔、带搅拌的挡板萃取塔、带搅拌的多孔萃取塔等往
12、复搅拌往复筛选塔机械振动振动筛选塔、带溢流口的振动筛板塔、反向振动筛板塔脉冲空气脉冲混合澄清槽脉冲筛板塔、脉冲填料塔、控制循环脉冲筛板塔其他静态混合器、超声波萃取器、管道萃取器、参数泵萃取器离心力离心力圆筒式单级离心萃取机、LX-168N型多级萃取机波德（POD）式离心萃取器 另一类，萃取设备按结构分为混合澄清器、萃取塔和离心萃取机。混合澄清器由混合室和澄清室两部分组成,属于分级接触传质设备。混合室中装有搅拌器，用以促进液滴破碎和均匀混合。有些搅拌器能从其下方抽汲重相，借此保证重相在级间流转。用于萃取的塔设备，有填充塔、筛板塔、转盘塔、脉动塔和振动板塔等。塔体都是直立圆筒。轻相自塔底进入，由塔
13、顶溢出；重相自塔顶加入，由塔底导出；两者在塔内作逆向流动。除筛板塔外，各种萃取塔大都属于微分接触传质设备。离心萃取机就是利用离心力加速液滴的沉降分层，所以允许加剧搅拌使液滴细碎，从而强化萃取操作。离心萃取机特别适用于两相密度差很小的物系，由于物料在机内的停留时间很短，因而也适用于化学和物理性质不稳定的物质的萃取。（2）塔式萃取设备的设计 塔式萃取设备的设计主要是计算塔径和塔高。塔径的计算。在脉冲筛板萃取塔中，在污水和萃取剂都是竖流的，塔 径D可按下式计算 式中 A1-污水过水面积，m2；A2-萃取剂过水面积，m2；Qs-污水的设计流量，m3/h；Qj-萃取剂的设计流量，m3/h；v1-污水的设
14、计流速，m/h;v2-萃取剂的设计流速，m/h;塔高的计算。塔高包括塔身高（萃取段）H1、塔顶高（上分离段）H2和塔底分离室高（下分离段）H3。塔身高H1可按此式计算 H1=（n-1）h+500式中 n-筛板块数；500-安装布水器的空间高度，mm；h-筛板间距，mm 塔总高 H 可按下式计算 H=H1+H2+H3。）（2121/4)(4vQvQAADjs 3.3.离子交换及其设备设计离子交换及其设备设计 离子交换法就是一种借助离子交换剂上的离子和污水中的离子进行交换反应而除去污水中有害离子的方法。离子交换过程是一种特殊的吸附过程，在许多方面与吸附过程类似，与吸附法比较，其特点是：主要吸附污水
15、中的离子化物质，进行“等当量”的离子交换。在污水处理中，离子交换主要用于回收和去除污水中的金、银、铜、铬、锌等金属离子，也用来对有机污水进行处理和净化放射性污水。3.1离子交换基本理论（1）离子交换原理。离子交换是指水溶液通过树脂时，发生在固体颗粒与液体之间的界面上固-液间离子相交换的过程。离子交换反应是可逆反应，离子交换对不同组分显示出不同的平衡特性。在污水处理中最常见的离子交换反应是水的软化、除盐、去除或回收污水中的重金属离子等。水中的阳离子与交换剂上的Na+上进行交换反应，即 2RNa+M2+=R2M+2Na+式中 R-离子交换剂的骨架；Na+-离子交换剂上可交换离子；M2+-水溶液中的
16、二价阳离子。水的软化：我们通常把水中钙、镁离子的含量用硬度这个指标来表示，低于8度的水称为软水。采用强酸性阳离子树脂将原水中的钙、镁离子置换出来，再经该软化水设备过滤出的锅炉进水就是成为硬度极低的锅炉用软化净水。工作原理：当树脂吸附到一定量的钙、镁离子后必须进行再生即用高浓度的饱和盐水浸泡树脂。从而把树脂里的钙、镁离子置换出去，恢复树脂的软化及交换能力，并且在软化水设备运行的同时将废弃的液体排出。整个再生过程包括：反洗松动树脂层吸盐慢洗发生交换反应冲洗（正洗）将化学反应交换下来的钙、镁离子冲净注水（为了下次再生），共计八个操作过程。（2）离子交换剂。离子交换剂由骨架和交换集团组成。根据骨架，离
17、子交换剂分为无机和有机两大类。无机离子交换剂有天然沸石和人工沸石，沸石即可作阳离子交换剂，也能用作吸附剂。有机离子交换剂有磺化煤和各种离子交换树脂。离子交换树脂是一种具有离子交换特性的有机高分子聚合电解质，它是疏松、具有多孔结构的固体球形颗粒，粒径一般为0.6-1.2mm(大粒径树脂)、0.3-0.6mm(中粒径树脂)、0.02-0.1mm(小粒径树脂)。离子交换树脂不溶于水，也不溶于电解质，其结构可分为不溶于水的树脂本体和具有活性的交换集团两部分。树脂本体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物，交联剂的作用是使树脂本体形成立体的网状结构；交换集团由起交换作用的离子与树脂本体连接的离子组成。3
18、.2离子交换工艺 离子交换整个工艺过程包括交换、反冲洗、再生和清洗四个阶段，这四个阶段依次进行，形成不断循环的工作周期。交换阶段：就是利用离子交换树脂的交换能力，从污水中分离脱除需要去除的离子的操作过程。反冲洗阶段：在这一阶段主要有两目的，一是松动树脂层，使再生液能均匀深入层中，与交换剂颗粒充分接触；二是把过滤过程中产生的破碎粒子与截留的污物冲走。为达到这两个目的，树脂层在反冲洗时要膨胀30%-40%，冲洗液可用自来水或污水再生液。再生阶段：离子交换树脂的再生是离子交换过程的逆过程，在这一过程中需要再生的推动力，而再生的推动力主要是反应系统的离子浓度差。清洗阶段：清洗目的是洗涤残留的再生剂和再
19、生时可能出现的反应产物。清洗的水流速度应先小后大，清洗过程后期应特别注意掌握清洗终点的PH值,避免重新消耗树脂的交换容量。4.4.膜分离技术与设备膜分离技术与设备 膜分离法：用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使溶液中的某种溶质或溶剂渗透出来，达到分离的目的。膜分离技术具有无相态变化、分离时节省能源、可连续操作等优点，因此膜分离技术在水处理领域得到广泛应用。膜分离设备种类繁多，常用的有电渗析设备、反渗析设备、超滤设备和微滤分离膜设备等。常用的膜分离法有电渗析、反渗析、超过滤和微孔膜过滤等。电渗析是利用离子交换膜对阴阳离子的选择透过性，以直流电场为推动力的膜分离法。而反渗析、超过滤和微孔过滤则是以压力
20、为推动力的膜分离法。4.1 电渗析的基本原理 电渗析是一种在直流电场作用下，使（水）溶液中的离子通过膜进行传递的过程，由于电荷有正、负两种，所以离子交换膜也有两种。只允许阳离子通过的膜称为阳膜；只允许阴离子通过的膜称为阴膜。在电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，即与膜电荷相反的离子透过膜，而与膜电荷相同的离子则被膜截留，使溶液中的离子发生定向移动以达到脱除或富集电解质的膜分离过程，这就是选择性膜电渗析。电渗析原理图 阳极发生氧化反应，产生O2和Cl2，极水呈酸性，因此，选择阳极材料时应考虑其耐氧化和耐腐蚀性。阴极发生还原反应，产生H2极水呈碱性，当水中含Ca+、Mg2+、
21、HCO3-、CO32-时易产生水垢，运行时应采取防垢和除垢措施。4.1.2 电渗析技术的特点和应用 电渗析技术具有以下特点：（1）电渗析只能脱盐，不能去除有机物、胶体物质、微生物等。（2）电渗析使用直流电，设备操作简单，不许酸碱再生，有利于环境保护（3）制水成本低，原水含量在200-5000mg/L范围内，用电渗析制取初级纯水的能耗较其他方法低。（4）电渗析不能将水中离子全部去除干净，单独使用电渗析不能制备高纯水。电渗析技术最早用于海水淡化制取饮用水和工业用水，海水浓缩制取食盐，以及与其他单元技术组合制取高纯水，后来被广泛用于污水处理。电渗析技术在污水处理中的应用最普遍的有：（1）处理碱法造纸
22、废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木质素。（2）从含金属离子的废水中分离和浓缩重金属离子，而后对浓缩液进一步处理或回收利用。（3）从放射性废水中分离放射性元素。（4）从酸性废液中制取硫酸及沉积重金属离子。（5）处理电镀废水和废液等，从镀铜、镀锌、镀镍废液中回收铜、锌、镍。4.2 反渗透技术 4.2.1 反渗透原理 A 渗透和反渗透 有一种膜只允许溶剂通过而不允许溶质通过，如果用这种半渗透膜将淡水和盐水或两种浓度不同的溶液隔开，就会发现水将从淡水侧或浓度较低的一侧通过膜自动地渗透到盐水或浓度较高的一侧，盐水体积逐渐增大，在达到某一高度后自动停止，此时即达到平衡状态，这种现象称为渗透作用。当渗透平
23、衡时，溶液两侧液面的静水压差称为渗透压。任何溶液都具有相应的渗透压，其值依一定溶液中溶质的分子数目而定，与溶质的本性无关，溶液的渗透压与溶质的浓度及溶液的绝对温度成正比，其数学表达式为：=iRTCz 式中-渗透压，Pa；T T-绝对温度，K；Cz溶质的浓度，mol/L；B 反渗透原理 反渗透原理是利用反渗透膜选择透过性地只透过溶剂（水）而截留离子物质的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程。反渗透属于以压力差为推动力的膜分离技术，因为它和自然渗透的方向相反，所以称为反渗透。如图 反渗透主要是分离溶液中的离子，由于分离过程不需要加热，
24、没有相得变化，所以具有耗能较低、设备体积小、操作简单、适应性强、应用范围广等优点。它的主要缺点是设备费用较高，膜清理效果较差。渗透和反渗透4.3 4.3 超滤技术超滤技术 A 超滤原理与特点 超滤（简称UF）同反渗透一样，均属于压力驱动型膜分离技术，以膜两侧压差为推动力，以机械筛分原理为基础理论的溶液分离过程，它介于纳滤和微滤之间，如图。超滤过程在本质上就是一种筛孔分离过程，在静压差推动力的作用下，原料液中溶剂和小分子的溶质粒子从高压的原料液一侧透过半透膜到低压一侧，通常称为透过液；而大分子的溶质粒子组分被膜阻截，使原料液得到浓缩。B 超滤主要用于从液相物质中分离大分子化合物（蛋白质、核算聚合物、淀粉和酶等）、胶体分散液（黏土、颜料、微生物等）和乳液（润滑脂、洗涤剂及油等）。超滤过程本质上是一种筛滤过程，膜表面的孔隙大小是主要的控制因素，溶质能否被膜孔截留取决于溶质粒子的大小、形状、柔韧性以及操作条件等，因此可以用微孔模型来分析超滤的传质过程。
