環(huán)境工程學王玉恒重點第2章 第22節(jié) 離子交換和吸附

1、1 1水中溶解物質(zhì)的去除水中溶解物質(zhì)的去除第三節(jié)2 2（一）軟化的基本方法（一）軟化的基本方法 加熱軟化：加熱軟化：不能去除非碳酸鹽硬度，很少使用不能去除非碳酸鹽硬度，很少使用 藥劑軟化：藥劑軟化：加入石灰，純堿，石膏等藥劑，使加入石灰，純堿，石膏等藥劑，使caca2+2+，mgmg2+2+等離子沉淀。但是會有少量不能沉淀，有殘余硬度。等離子沉淀。但是會有少量不能沉淀，有殘余硬度。 離子交換：離子交換：用離子交換劑，將用離子交換劑，將caca2+2+，mgmg2+2+等離子交等離子交換出來，比較徹底。換出來，比較徹底。（二）除鹽的基本方法（二）除鹽的基本方法 有蒸餾法，離子交換法，電滲析等。有

2、蒸餾法，離子交換法，電滲析等。一、水的軟化和除鹽水的軟化和除鹽3 3二、離子交換法 應用：在給水處理中軟化和除鹽的方法之一；在廢水處理中，去除或回收金屬離子，也用于放射性廢水和有機廢水的處理 。（一）離子交換樹脂 特點：交換容量高；球形顆粒，水流阻力小，交換速度快；機械強度和化學穩(wěn)定性都好，但成本較高。 離子交換樹脂是人工合成的高分子聚合物，由樹脂本體(又稱母體或骨架)和活性基團兩個部分組成。55結構結構樹脂母體樹脂母體（骨架）（骨架）活性基團活性基團有機化合物有機化合物（苯乙苯乙烯烯、酚醛、丙烯酸）、酚醛、丙烯酸）交聯(lián)劑交聯(lián)劑（二乙烯苯）（二乙烯苯）固定離子固定離子 活動離子活動離子（可交換

3、離子可交換離子）苯乙烯型強酸性陽離子交換樹脂結構（苯乙烯型強酸性陽離子交換樹脂結構（rso3h）ion exchange resin（一）離子交換樹脂66 陰、陽離子交換樹脂按活性基團電離強弱程度又分為：（1）強酸性陽離子（so3h或-so3na，交換能力與ph值無關） （2）弱酸性陽離子（cooh，堿性條件下才有較高的交換能力 ） （3）強堿性陰離子（noh季胺堿基或-ncl季胺鹽基，交換能力與ph值無關） （4）弱堿性陰離子（nh3oh、-nh2oh、 - nhoh ，酸性條件下才有較高的交換能力） （一）離子交換樹脂7 771. 離子交換樹脂的有效離子交換樹脂的有效ph范圍范圍樹脂類型強

4、酸性離子交換樹脂弱酸性離子交換樹脂強堿性離子交換樹脂弱堿性離子交換樹脂有效ph范圍11451411207（二）離子交換樹脂的性質(zhì)82. 交換容量交換容量 定量表示樹脂交換能力的大小，單位為mol/kg(干樹脂)或mol/l(濕樹脂)；交交換換容容量量全交換全交換容量容量工作交工作交換容量換容量一定量的樹脂所具有的活性一定量的樹脂所具有的活性基團或可交換離子的總數(shù)量基團或可交換離子的總數(shù)量樹脂在給定工作條件下實際樹脂在給定工作條件下實際的交換能力的交換能力（二）離子交換樹脂的性質(zhì)3. 3. 交聯(lián)度交聯(lián)度 交聯(lián)度較高的樹脂，孔隙較低，密度較大，離子擴散速度較低，對半徑較大的離子和水合離子的交換量較

5、小，浸泡在水中時，水化度較低，形變較小，也就比較穩(wěn)定，不易破碎。4. 4. 交換勢交換勢 水中交換離子的交換勢大，交換離子越容易取代樹脂上的可交換離子，也就表明交換離子與樹脂之間的親和力越大。（二）離子交換樹脂的性質(zhì)1010離子交換勢一般規(guī)律： （1）離子的交換勢, 除同它本身和離子交換樹脂的化學性質(zhì)有關外, 溫度和濃度的影響都很大。 （2）在常溫和低濃度水溶液中，陽離子的價態(tài)越高，它的交換勢越大。 （3）在常溫和低濃度水溶液中，同價陽離子的交換勢大致上是原子序數(shù)越高，交換勢越大。 思考：為什么陽離子交換樹脂的可交換離子為氫離子或鈉離子？離子交換柱中的多離子分離離子交換柱中的多離子分離（二）離

6、子交換樹脂的性質(zhì)1111離子交換勢一般規(guī)律： （4）氫離子對陽離子交換樹脂的交換勢，取決于樹脂的性質(zhì)。 （6）對強堿性陰離子交換樹脂講，離子的交換勢隨樹脂的性質(zhì)而異，沒有一般性的規(guī)律。 （7）氫氧根對陰離子交換樹脂的交換勢決定于樹脂類型。 （8）離子價位高的有機離子和金屬絡合離子的交換勢特別大。 （5）在常溫和低濃度水溶液中，對弱堿性陰離子交換樹脂來說, 酸根(陰離子)的交換序列如下：so42- cro42- no3- cl- oh-。（二）離子交換樹脂的性質(zhì)12離子交換裝置離子交換裝置固定床固定床單層床單層床雙層床雙層床混合床混合床連續(xù)床連續(xù)床移動床移動床流動床流動床（三）離子交換工藝及其應

7、用131313操作步驟：1. 1. 交換：交換：開啟進水閥開啟進水閥1 1和出水閥和出水閥2 2，其余閥門關閉，其余閥門關閉。2. 2. 反洗反洗先關閉閥門先關閉閥門1 1和和2 2，打開反洗閥，打開反洗閥3 3，然后再，然后再逐漸開大排水閥逐漸開大排水閥4 4進行反洗。進行反洗。3. 3. 再生：再生：先關閉閥門先關閉閥門3 3和和4 4，打開排氣閥，打開排氣閥7 7及排水及排水閥閥5 5，將水放到離樹脂層表面，將水放到離樹脂層表面10cm10cm左右，再關閉左右，再關閉閥門閥門5 5，開啟進再生液閥門，開啟進再生液閥門8 8，排出交換器內(nèi)空氣，排出交換器內(nèi)空氣后，即關閉閥門后，即關閉閥門7

8、 7，再適當開啟閥門，再適當開啟閥門5 5，進行再生。，進行再生。4. 4. 清洗清洗先關閉閥門先關閉閥門8 8，然后開啟閥門，然后開啟閥門1 1及及5 5。離子交換的工藝和設備1414吸吸附附物理吸附物理吸附化學吸附化學吸附吸附劑與吸附質(zhì)之間是通過分吸附劑與吸附質(zhì)之間是通過分子間引力子間引力( (即即范德華力范德華力) )而產(chǎn)生而產(chǎn)生的吸附的吸附吸附劑與被吸附物質(zhì)之間產(chǎn)生吸附劑與被吸附物質(zhì)之間產(chǎn)生化學作用，生成化學作用，生成化學鍵化學鍵引起吸引起吸附附（一）吸附類型三、吸 附 法1515 u物理吸附 l 分子間力(范德華力)引起l 沒有選擇性l 吸附熱較小，可在低溫下進行l(wèi) 單分子層或多分子

9、層吸附l 過程可逆，易解吸（一）吸附類型16 u化學吸附l 化學反應，形成牢固的化學鍵l 吸附熱較大，在高溫下進行l(wèi) 有選擇性，單分子層吸附l 化學鍵力大時，不可逆（一）吸附類型1717吸附性能物理吸附化學吸附作用力分子引力（范德華力）剩余化學鍵力選擇性沒有選擇性有選擇性吸附層單分子或多分子吸附層只能形成單分子吸附層吸附熱較小，41.9kj/mol較大，相當于化學反應熱，83.7-418.7kj/mol吸附速度快，幾乎不要活化能較慢，需要活化能溫度放熱過程，低溫有利于吸附溫度升高，吸附速度增加可逆性可逆，較易解析化學鍵大時，吸附不可逆物理吸附與化學吸附物理吸附與化學吸附18 1）具有較大的比表

10、面積； 2）較高的吸附容量； 3）良好的吸附選擇性、穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性、 較好的機械強度； 4）容易再生； 5）價廉易得；作為工業(yè)用的吸附劑要求(補充） ： 常用吸附劑：活性炭（）、磺化煤、硅膠、活化煤、沸石、活性氧化鋁、活性白土、硅藻土、腐殖質(zhì)酸、焦炭、木炭、蒙脫石等。（一）吸附劑191. 1. 活性炭活性炭（1 1）活性碳的制造）活性碳的制造 原料：將木材、煤、果殼等含炭為主的物質(zhì)作為原料，經(jīng)高原料：將木材、煤、果殼等含炭為主的物質(zhì)作為原料，經(jīng)高溫炭化和活化而成。溫炭化和活化而成。 炭化：溫度炭化：溫度300-400，將原料熱解為碳渣。，將原料熱解為碳渣。 活化：把碳渣造成發(fā)達的多孔

11、結構?；罨喊烟荚斐砂l(fā)達的多孔結構。 兩種活化方法：兩種活化方法： 氣體法（氣體法（粒狀活性炭粒狀活性炭） ：通入水蒸氣、空氣等活化劑；：通入水蒸氣、空氣等活化劑； 藥劑法（藥劑法（粉末活性炭粉末活性炭） ：用氯化鋅、硫酸等作為活化劑。：用氯化鋅、硫酸等作為活化劑。（一）吸附劑201 1. . 活性炭活性炭（2 2）活性碳的構造）活性碳的構造 比表面積：可達500-1700m2/g 吸附量除與比表面積有關外，還于細孔的形狀和分布有關。 細孔的形狀：圓桶形，圓錐形，瓶形，平板形，毛細管形等，有效半徑為1-10000 nm。（一）吸附劑21根據(jù)杜必寧的分類，細孔分為（）： a、 小孔（微孔）：孔

12、徑在2nm以下，其表面積占總表面積的95%以上，吸附量主要由小孔支配。 b、中孔（過渡孔）：孔徑為2-100nm ,表面積占比表面積的5%以下。它為吸附質(zhì)提供擴散通道，影響大分子物質(zhì)的吸附。 c、大孔：孔徑為100-10000nm，表面積只有0.5-2m2/g，占比表面積不足1%，主要為吸附質(zhì)提供擴散通道。（2 2）活性碳的構造）活性碳的構造（一）吸附劑221. 1. 活性炭活性炭 實際應用中，應根據(jù)吸附質(zhì)分子的大小和活性炭的細孔分布來選擇合適的活性炭。（一）吸附劑231. 1. 活性炭活性炭（3 3）活性碳的表面化學性質(zhì)）活性碳的表面化學性質(zhì) 活性炭是非極性的，但在制造過程中，處于微晶體邊緣

13、的碳原子由于共價鍵不飽和，易與氫、氧結合形成各種含氧官能團，具有微弱的極性。 它不僅可以去除水中的非極性物質(zhì)，還可去除某些極性物質(zhì)，甚至微量的金屬離子及其化合物。（一）吸附劑24（4 4）活性碳的特點（補充）活性碳的特點（補充） a、具有良好的吸附性能和化學穩(wěn)定性 b、抗腐蝕性能好 c、能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用 d、不易破碎 e、粉狀活性炭制造容易、成本低，但不易再生； 粒狀活性炭成本較高，但操作管理和再生容易。1. 1. 活性炭活性炭（一）吸附劑25 （5）活性碳的再生 再生是在吸附劑本身的結構基本不發(fā)生變化的情況下，用某種方法將吸附質(zhì)從吸附劑細孔中除去，恢復它的吸附能力。 再生方法包括：

14、加熱再生法、藥劑再生法、化學氧化法、生物法。常采用前兩種方法。1. 1. 活性炭活性炭（一）吸附劑26 再再生生方方法法加熱再生法 分為低溫（200）和高溫（炭化：300700 ；活化：7001000 ）加熱再生。 前者適用于吸附了高濃度的簡單低分子有機物（如某些碳氫化合物和芳香族有機物）的活性炭再生；可直接在吸附塔內(nèi)進行。 后者適用于水處理后粒狀活性炭的再生，分脫水、干燥、炭化、活化(再生爐中進行）和冷卻5步。再生系統(tǒng)有脫水裝置、再生爐、活性炭輸送系統(tǒng)等組成； 高溫加熱再生特點：吸附性能恢復率高（95%以上），再生時間短；再生設備造價高，能耗大，需嚴格控制運行條件。藥劑再生法1. 1. 活性

15、炭活性炭化學氧化法 生物法（一）吸附劑27 再再生生方方法法加熱再生法藥劑再生法 分無機藥劑和有機溶劑再生法； 前者利用無機酸堿溶液（硫酸、鹽酸、氫氧化鈉等）使污染物脫附； 后者利用有機溶劑（苯、丙酮、甲醇等）萃取吸附的有機物； 可直接在吸附塔內(nèi)進行； 特點：無需另設再生設備，操作管理簡單；但活性炭吸附性能恢復率低，再生時間長。1. 1. 活性炭活性炭化學氧化法 生物法（一）吸附劑28再再生生方方法法加熱再生法藥劑再生法1. 1. 活性炭活性炭化學氧化法 生物法 濕式氧化法、電解氧化法、臭氧氧化法 （一）吸附劑29操操作作方方式式連續(xù)式（動態(tài)吸附）間歇式（靜態(tài)吸附）一般用于少量廢水的處理和實驗

16、研究固定床固定床移動床移動床流化床流化床（三）吸附工藝和設備30去除對象包括: 溶解性的有機物 重金屬離子 放射性元素 其他（微生物、余氯、臭味、色素） 補充：吸附法在水處理中的應用 飲用水的深度處理；進行廢水的深度處理時，去除水中微量污染物；從高濃度廢水中回收有用物料。31 廢水流量：1020m3/d； 化學沉淀法處理：以石灰調(diào)ph810，na2s作沉淀劑，feso4作混凝劑，此時，出水含汞約1mg/l，高時達23mg/l，不符合排放標準（0.05mg/l）； 活性炭吸附處理：有兩個吸附池，交替工作，壓縮空氣攪拌。吸附法除汞補充：吸附法在水處理中的應用322. 污水的深度處理二級處理出水過濾

17、活性碳吸附回 用補充：吸附法在水處理中的應用333. 煉油廠廢水的深度處理 廢水的含酚量從0.1mg/l(生物處理后)降至0.005mg/l，氰從0.19mg/l降至0.048mg/l，cod從85mg/l降至18mg/l。含油廢水隔油池混凝氣浮生物膜法活性炭吸附砂濾出水去除對象：油類污染物、酚類污染物及氰化物。補充：吸附法在水處理中的應用34四、膜分離技術 膜分離法：在某種推動力作用下，利用膜的選擇透過性，達到分離水中離子、分子以及某些微粒的目的。35（一）電滲析（一）電滲析（eded） 是膜分離技術的一種，它是在直流電場的直流電場的作用下作用下，以單位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性

18、，把電解質(zhì)從溶液中分離出來電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮、精制或純化的目的。 其過程是電解和滲析擴散過程的組合。利用離子交換膜的選擇透過性，即陽膜理論上只陽膜理論上只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過，在外加電場作用下，陰、陽離子分別向陽極和陰極移動。應用范圍：苦咸水苦咸水淡化淡化海水海水淡化淡化制取制取飲用水飲用水工業(yè)廢工業(yè)廢水處理水處理36電滲析示意圖電滲析示意圖 + - na+ c a cl-濃室濃室濃室濃室淡室淡室37（一）電滲析（一）電滲析+你能找出這幅圖你能找出這幅圖中的錯誤嗎？中的錯誤嗎？38（二）反滲透（ro）反滲透膜：醋

19、酸纖維膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚丙烯腈膜反滲透膜：醋酸纖維膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚丙烯腈膜裝置：管式、螺旋式、空心纖維式、板式裝置：管式、螺旋式、空心纖維式、板式滲透：一種溶劑通過一種半透膜進入一種溶液或是從一種稀溶滲透：一種溶劑通過一種半透膜進入一種溶液或是從一種稀溶液向一種比較濃的溶液的自然滲透液向一種比較濃的溶液的自然滲透反滲透必備的條件反滲透必備的條件（二）反滲透（二）反滲透4344反滲透的應用1、海水淡化2、苦咸水淡化3、純水和超純水制備（膜法作為離子交換的預處理）4、城市給水5、城市污水處理及利用6、工業(yè)廢水處理（如處理電鍍漂洗水）45第四節(jié)第四節(jié) 水中有害微生物的去除水中有害微生物

20、的去除（三）消毒方法：（三）消毒方法：化學藥劑（氧化劑等）物理法（熱和光）機械法（格網(wǎng)、膜）輻射（射線、電子束）46（二）余氯及其分類（二）余氯及其分類 為了保證水中所有的病原菌都能確實為了保證水中所有的病原菌都能確實地受到氯的作用，水加氯接觸一定時間后，地受到氯的作用，水加氯接觸一定時間后，所投加的氯除與細菌和雜質(zhì)作用消耗外，所投加的氯除與細菌和雜質(zhì)作用消耗外，應該還有適量的氯留在水中以保證持續(xù)殺應該還有適量的氯留在水中以保證持續(xù)殺菌能力，這部分剩余的氯稱為菌能力，這部分剩余的氯稱為余氯余氯。自由性或游離性余氯自由性或游離性余氯（free available chlorine）：）：hocl、ocl化合性余氯或結合性余氯化合性余氯或結合性余氯（combined available chlorine）：）：反應向左進行反應向左進行nh3 + hocl nh2cl + h2o 47（三）加氯量（三）加氯量 加