4. 污水的物理化学处理 4.1 气浮 4.2 吸附 4.3 离子交换 4.4 膜分离法 4.5 萃取 4.6 吹脱

4.1 气 浮 教学目的、要求： 掌握气浮的原理 熟悉气浮设备型式 了解气浮设备计算、注意事项

污水处理技术中，气浮法固-液或液-液分离技术应用的几方面： 水和废水的浮上法处理是将空气以微小气泡形式通入水中，使微小气泡与在水中悬浮的颗粒粘附，形成水-气-颗粒三相混合体系，颗粒粘附上气泡后，密度小于水即上浮水面，从水中分离，形成浮渣层。 污水处理技术中，气浮法固-液或液-液分离技术应用的几方面： 石油、化工及机械制造业中的含油污水的油水分离; 工业废水处理; 污水中有用物质的回收; 取代二次沉淀池，特别是用于易产生活性污泥膨胀的情况; 剩余活性污泥的浓缩。

气浮原理 气浮法处理工艺必须满足下述基本条件： 必须向水中提供足够数量的微小气泡； 必须使分离的悬浮物粘附于气泡而上浮达到分离。

悬浮颗粒与气泡的黏附性 悬浮颗粒与气泡的黏附性取决于水对该种物质的润湿性。 水对各种物质润湿性的大小可用它们与水的接触角来衡量。

润湿 亲水性物质 不润湿 疏水性物质 g l s g l s A N M s-l s-g l-g A N M s-l s-g  s-l s-g l-g 润湿 亲水性物质 l s g A N M  s-l s-g l-g 不润湿 疏水性物质

水对颗粒物质的润湿性 当0时，这种物质不能气浮； <90° ，这种物质附着不牢，易于分离； 当180 °时，这种物质易被气浮。

上式表明，并不是水中所有的污染物质都能与气泡粘附，是否能粘附，与该类物质的接触角有关。 当θ→0时，cosθ→1，ΔE→0，这类物质亲水性强（称亲水性物质），无力排开水膜，不易与气泡粘附，不能用气浮法去除。 当θ→180°时，cosθ→ -1，ΔE→2σ水-气，这类物质疏水性强（称疏水性物质），易与气泡粘附，宜用气浮法去除。

化学药剂的投加对气浮效果的影响 一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类： 混凝剂 浮选剂 助凝剂 抑制剂 调节剂 各种无机或有机高分子混凝剂，它们不仅可以改变污水中的悬浮颗粒的亲水性能，而且还能使污水中的细小颗粒絮凝成较大的絮状体以吸附、截留气泡，加速颗粒上浮。

化学药剂的投加对气浮效果的影响 一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类： 混凝剂 浮选剂 助凝剂 抑制剂 调节剂 浮选剂大多数由极性-非极性分子组成。 当浮选剂的极性基被吸附在亲水性悬浮颗粒的表面后，非极性基则朝向水中，这样就可以使亲水性物质转化为疏水性物质，从而能使其与微细气泡相粘附。 浮选剂的种类有松香油、石油、表面活性剂、硬脂酸盐等。

化学药剂的投加对气浮效果的影响 一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类： 混凝剂 浮选剂 助凝剂 抑制剂 调节剂 作用是提高悬浮颗粒表面的水密性，以提高颗粒的可浮性，如聚丙烯酰胺。

化学药剂的投加对气浮效果的影响 一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类： 混凝剂 浮选剂 助凝剂 抑制剂 调节剂 作用是暂时或永久性地抑制某些物质的浮上性能，而又不妨碍需要去除的悬浮颗粒的上浮，如石灰、硫化钠等。

化学药剂的投加对气浮效果的影响 一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类： 混凝剂 浮选剂 助凝剂 抑制剂 调节剂 主要是调节污水的pH，改进和提高气泡在水中的分散度以及提高悬浮颗粒与气泡的粘附能力，如各种酸、碱等。

界面电现象及混凝剂脱稳 气泡分散度和泡沫稳定性 1）微气泡数量及分散度 气泡量越多，分散度越高，则气泡与悬浮颗粒接触、絮凝的机会越多，气浮效果就越好。 2）泡沫稳定性 保持一定程度的稳定性，过于稳定的泡沫难于运送和脱水。泡沫最适宜的稳定时间是数分钟。

气浮法的类型 按产生细微气泡的方法分 充气气浮 电解气浮 溶气气浮 微气泡曝 气浮上法 溶气真空 气浮 射流 气浮 叶轮 加压溶气 气浮

充气气浮 微气泡曝气浮上法 叶轮气浮 压缩空气引入到靠近池底 处的微孔板，并被微孔板 的微孔分散成细小气泡 将空气引入到一个高速旋 转混合器或叶轮机的附近， 通过高速旋转混合器的高 速剪切，将引入的空气切割 成细小气泡 充气气浮用于矿物浮选，也用于含油脂、羊毛 等污水的初级处理及含有大量表面活性剂的污水处理

微气泡曝气浮上法 叶轮气浮

电 解 气 浮 电解氧化还原;电解混凝;电解气浮 电解气浮是将正负极相间的多组电极浸泡在废水中，当通以直流电时，废水电解，正负两级间产生的氢和氧的细小气泡粘附于悬浮物上，将其带至水面而达到分离的目的。 电解气浮产生的气泡小于其他方法产生的气泡，故特别适用于脆弱絮状悬浮物。电解浮上法的表面负荷通常低于4m3/(m2·h)。 电解气浮主要用于工业废水处理方面，处理水量约在10~20m3/h。由于电耗高、操作运行管理复杂及电极结垢等问题，较难适用于大型生产。

电 解 气浮

溶气气浮 从溶解空气和 析出条件来看 溶气真空气浮：空气在常压下溶解，真空条件下释放 优点：无压力设备 缺点：溶解度低，气 泡释放有限，需要密闭设备维持真空，运行维护困难 加压溶气气浮：空气在加压条件下溶解，常压下使过饱和空气以微小气泡形式释放出来 需要溶气罐、空压机或射流器、水泵等设备

溶气真空气浮

加压溶气气浮 加压溶气气浮的基本原理 空气在水中的溶解度与压力的关系 单位体积水溶液中溶入的空气体积: 单位体积水溶液中溶入的空气质量: mL(气)/L(水) 单位体积水溶液中溶入的空气质量: g(气)/m3(水) 空气在水中的 溶解度的表示

空气在纯水中的饱和溶解度

在一定范围内，温度越低、压力越大，其溶解度越大。 一定温度下，溶解度与压力成正比。 空气在水中的溶解度与温度、压力有关。 在一定范围内，温度越低、压力越大，其溶解度越大。 一定温度下，溶解度与压力成正比。 空气从水中析出的过程分两个步骤，即气泡的形成过程与气泡的增长过程。 气泡核的形成过程起决定性作用，有了相当数量的气泡核，就可以控制气泡数量的多少与气泡直径的大小。溶气气浮法要求在这个过程中形成数目众多的气泡核，溶解同样空气，如形成的气泡核的数量越多，则形成的气泡的直径也就越小，越有利于满足浮上工艺的要求。

存在问题： 填料长膜； 压缩气含油； 调节不便； 时而需放气。 加压溶气的两种方式 存在问题： 设备较复杂； 造价偏高。

1—加压泵；2—减压阀；3—压力溶气罐（含填料层）； 4—放气阀；5—刮渣机；6—浮渣；7—浮上分离池；8—集水系统 全流程溶气气浮工艺 1—加压泵；2—减压阀；3—压力溶气罐（含填料层）； 4—放气阀；5—刮渣机；6—浮渣；7—浮上分离池；8—集水系统

部分溶气气浮法 部分回流溶气气浮法

加压水泵 溶气罐 加压溶气系统 空气供给设备 附属设备 加压溶气气浮系统的组成 空气释放系统 溶气释放装置 溶气水管路 气 浮 池

加压溶气系统 加压水泵 溶气罐 空气供给设备 附属设备 加压水泵的作用是提升污水，将水、气以一定压力送至压力溶气罐，其压力的选择应考虑溶气罐压力和管路系统的水力损失两部分。

加压溶气系统 加压水泵 溶气罐 空气供给设备 附属设备 压力溶气罐的作用是使水与空气充分接触，促进空气的溶解。 溶气罐的形式有多种，如下图所示，其中以罐内填充填料的溶气罐效率最高。

加压溶气系统 加压水泵 溶气罐 空气供给设备 附属设备 溶气方式有三种 水 泵 吸 气 式 水泵压水管装 射流器挟气式 空压机供气式 水泵吸气式在经济和安全方面都不理想，已很少使用 水泵压水管装 射流器挟气式 压力管装射流器进行溶气的优点是不需另设空压机，没有空压机带来的油污染和噪声 空压机供气式 空压机供气是较早使用的一种供气方式，使用较广泛，其优点是能耗相对较低

空气释放系统 空气释放系统是由溶气释放装置和溶气水管路组成。 溶气释放装置的功能是将压力容器水减压，使溶气水中的气体以微气泡的形式释放出来，并能迅速、均匀地与水中的颗粒物质粘附。 常用的溶气释放装置有减压阀、溶气释放喷嘴、释放器等。

气 浮 池 气浮池的功能是提供一定的容积和池表面积，使微气泡与水中悬浮颗粒充分混合、接触、粘附，并使带气颗粒与水分离。 平流式气浮池 气 浮 池 气浮池的功能是提供一定的容积和池表面积，使微气泡与水中悬浮颗粒充分混合、接触、粘附，并使带气颗粒与水分离。 平流式气浮池 竖流式气浮池 目前最常用，其反应池与气浮池合建。废水进入反应池完全混合后，经挡板底部进入气浮接触室以延长絮体与气泡的接触时间，然后由接触室上部进入分离室进行固液分离。池面浮渣由刮渣机刮入集渣槽，清水由底部集水槽排出。 平流式气浮池的优点是池深浅、造价低、构造简单、运行方便。 缺点是分离部分的容积利用率不高等。 竖流式气浮池的基本工艺参数与平流式气浮池相同。 其优点是接触室在池中央，水流向四周扩散，水力条件较好。 缺点是与反应池较难衔接，容积利用率较低。 有经验表明，当处理水量大于150~ 200m3/h、废水中的可沉物质较多时，宜采用竖流式气浮池。 气浮池的有效水深通常为2.0~2.5m，一般以单格宽度不超过10m、长度不超过15m为宜。 废水在反应池中的停留时间与混凝剂种类、投加量、反应形式等因素有关，一般为5~15min。 为避免打碎絮体，废水经挡板底部进入气浮接触室时的流速应小于0.1m/s。废水在接触室中的上升流速一般为10~20mm/s，停留时间应大于60s。

加压 溶 气 浮 法 的 设 计 计 算 2. 气固比（G/S） 1. 空气在水中的溶解量 3.所需要的空气量Va 式中： 加压 溶 气 浮 法 的 设 计 计 算 1. 空气在水中的溶解量 式中： V——空气在水中的溶解度， L/m3 水； KT——溶解常数，L/（m3.kPa)； p——溶解空气的绝对压力，kPa。 2. 气固比（G/S） 3.所需要的空气量Va

气浮池的优缺点 优点： 气浮池表面负荷高，水力停留时间短，池深浅，体积小； 　 气浮过程中增加了水中的溶解氧，浮渣含氧，不易腐化，有利于后续处理； 浮渣含水率低，排渣方便； 投加絮凝剂处理废水时，所需的药量较少。 缺点： 耗电多，比每立方米废水比沉淀法多耗电0.02～0.04KWh，运营费用偏高； 废水悬浮物浓度高时，减压释放器容易堵塞，管理复杂； 浮渣怕较大的风雨袭击。

4.2 吸 附 教学目的、要求: 掌握吸附的基本原理及分类、吸附平衡与吸附等温线 熟悉吸附的影响因素，吸附剂及其再生 了解应用实例

在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象称为吸附。 吸附就是利用多孔性的固体物质，使废水中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。 吸附法的处理对象： 在废水处理中，吸附法处理的主要对象是废水中用生化法难于降解的有机物或用—般氧化法难于氧化的溶解性有机物，包括木质素、氯或硝基取代的芳烃化合物、杂环化合物、洗涤剂、合成染料、除莠剂、DDT等。 当用活性炭等对这类废水进行处理时，它不但能够吸附这些难于分解的有机物，降低COD，还能使废水脱色、脱臭，把废水处理到可重复利用的程度。 吸附法在废水的深度处理中得到了广泛的应用。

一、 吸附的基本原理及分类 吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力,比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。 吸附质:被吸附物质。 主要原因：在于溶质对水的疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲和力。 第二种原因:由溶质与吸附剂之间的静电引力、范德华引力或化学键力所引起。

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。 物理吸附 吸附 互相交换离子的吸附，依靠静电引力牢固吸附。 交换吸附 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。 化学吸附

二、吸附平衡与吸附等温线 1．吸附平衡 吸附过程是可逆的，当吸附速度和解吸速度相等时，则吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面上的浓度都不改变而达到平衡，此时吸附质在溶液中的浓度称为平衡浓度。 吸附剂吸附能力的大小以吸附容量q表示，指在一定温度和压力下达到吸附平衡时，单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量。 q = V (Co—C) / W 式中 V—废水容积，L ； W—吸附剂投量，g； Co—原水吸附质浓度，g/L ； C—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度，g/L。

表明被吸附物的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。 2．吸附等温线 表明被吸附物的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。 1)费兰德利希公式 q = K C1/n 式中q——吸附量； C——吸附质平衡浓度； K、1/n——常数。 将上式改写为对数式：

2）.朗谬尔（Langmuir）等温式 该公式是在被吸附物质仅为单分子层的假定下导出的，形式为： 将上式变换成以下形式，使用时较方便：

3、吸附速度 吸附速度是指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质的量。吸附过程可分为3个阶段。 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。 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

三 、吸附的影响因素 1．吸附剂的性质 一般是极性分子吸附剂易吸附极性分子吸附质，非极性分子吸附剂易于吸附非极性吸附质。（处理污水是常用非极性吸附剂-活性炭） 包括种类、比表面积、孔结构 2．吸附质的性质 吸附质的溶解度，表面自由能，极性，吸附质分子的大小，吸附质的浓度有关。 3．废水的pH值 废水的pH值影响吸附剂及吸附质的性质。

4．共存物质 物理吸附时吸附剂可吸附多种吸附质。一般共存多种吸附质时，吸附剂对某种吸附质的吸附能力比只含该种吸附质时的吸附能力差。 5．温度 因为物理吸附过程是放热过程，温度升高吸附量减少，反之吸附量增加。 6．接触时间 在进行吸附时，应保证吸附质与吸附剂有一定的接触时间，使吸附接近平衡，充分利用吸附能力。 7、生物协同作用

四、吸附剂及其再生 1、吸附剂的选择 一切固体物质都有吸附能力，但是只有多孔性物质或磨得极细的物质由于具有很大的表面积，才能作为吸附剂，吸附剂的选样还必须满足以下要求： 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来源容易； ⑧价格便宜。 一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面的要求，因此，应根据不同的场合选用。

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。 2、常用吸附剂 活性炭、磺化煤、沸石、焦炭等 在水处理中较多采用颗粒活性炭。 3、吸附剂的再生 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。

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 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 再生方法 溶剂再生法、生物法 化学氧化法 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。 湿式氧化法、电解氧化法、臭氧氧化法

五、 吸附操作方式和设计 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 操作方式 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 连续式

1－滤布层；2－再生液进口；3－放气管；4、10－挡水板；5－人孔盖； 固定床吸附塔的构造示意图 1－滤布层；2－再生液进口；3－放气管；4、10－挡水板；5－人孔盖； 6－进水；7－窥孔；8－吸附剂层； 9－多孔板；11－出水口

吸附操作工艺流程 1－进水；2－出水；3－吸附剂

移动床吸附塔构造示意图 1－通气阀；2－进料斗；3－溢流管； 4、5－直流式衬胶阀；6－水射器；7－截止阀

1－吸附塔；2－溢流管；3－穿孔板；4－处理水槽；5－脱水机；6－饱和炭贮槽； 粉状炭流化床及再生系统 1－吸附塔；2－溢流管；3－穿孔板；4－处理水槽；5－脱水机；6－饱和炭贮槽； 7－饱和炭供给槽；8－烟囱；9－排水泵；10－废水槽；11－气体冷却器； 12－脱臭炉；13－再生炉；14－再生炭冷却槽；15，16－水射器； 17－原水泵；18－原水槽

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。

4.3 离子交换 教学目的、要求: 掌握离子交换法的基本原理、离子交换过程与再生过程 熟悉离子交换剂、设备、设计计算 了解其应用

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。 应用:能有效去除废水中重金属离子和磷酸、硝酸、 有机物和放射性物质等。 离子交换分离法特点： （1）分离效率高 （2）适用于带相反电荷的离子之间的分离，还可用于带相同电荷或性质相近的离子之间的分离 （3）适用于微量组分的富集和高纯物质的制备 （4）方法的缺点是操作较麻烦，周期长。一般只用它解决某些比较复杂的分离问题。

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： 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。

一、离子交换剂 1、离子交换剂的结构、组成及分类 离子交换剂是一种带有可交换离子（阳离子或阴离子）的不溶性固体物。 无机离子交换剂： （1）天然沸石：交换容量小，使用pH值范围窄 （2）高价金属磷酸盐、高价金属水合氧化物 有机离子交换剂——即离子交换树脂 离子交换树脂：是具有网状结构的复杂的有机高分子聚合电解质，网状结构的骨架部分一般很稳定，不溶于酸、碱和一般溶剂。在网的各处都有许多可被交换的活性基团。

结构 磺化煤：兼有强酸性和弱酸性两种活性基团的阳离子交换剂。 命名

分类

2、离子交换树脂的基本性能 物理性能 大孔树脂：乳白，其他有淡黄、棕褐色等颜色； 凝胶型：透明或半透明球状颗粒。 2）.粒度 1）.外观 大孔树脂：乳白，其他有淡黄、棕褐色等颜色； 凝胶型：透明或半透明球状颗粒。 2）.粒度 粒径0.3～1.2mm 3）.含水率 树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水 分的百分比（约50%） 树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率 4）．溶胀性 干树脂+水→湿树脂 体积胀大 绝对溶胀

5）．密度（干真密度、湿真密度、湿视密度）

化学性能 6）．机械强度 主要取决于交联度和溶胀率。交联度越大，溶胀率越小，则机械强度越高。 7）.耐热性 一定的工作温度范围，若操作温度过高，就会发生比较严重的热分解现象。 化学性能 1)、离子交换容量 ： 定量表示树脂交换能力的大小，单位为mol/kg(干树脂——重量法)或mol/L(湿树脂——容积法) 它决定于树脂网状结构内所含活性基团的数目。 交换容量可以用实验的方法测得。 弱酸性或弱碱性交换树脂的交换容量与pH值有关

全交换容量：单位数量的离子交换树脂中能够起交换作用的活性基团或可交换离子的总数量； 工作交换容量：树脂在动态工作条件下实际的交换容量； 有效交换容量：工作交换容量—因正、反洗损失的交换容量。 2）、酸碱性 由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的pH值势必对其交换容量产生影响。 表4-4 各种类型树脂有效pH值范围 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 1~14 5~14 1~12 0~7

3）、 交联度 线性树脂分子与交联剂之间发生交联反应所形成的交联键的密度。 交联度较高的树脂，孔隙率较低，密度较大，离子扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较小，浸泡在水中时，水化度较低，形变较小，也就比较稳定，不易破碎。 4）、交换势 交换势大，交换离子越容易取代树脂上的可交换离子，也就表明交换离子与树脂之间的亲和力越大。 5）、化学稳定性

6)、选择性 强酸型阳离子交换树脂 （1）不同价态离子，电荷越高，亲和力越大。 例如：Na+＜Ca2+＜Al3+＜Th（IV） （2）当离子价态相同时．亲和力随着水合离子半径减小而增大。 一价离子：Li+＜H+＜Na+＜NH4+＜K+＜Rb+＜Cs+＜Ag+＜Tl+ 二价离子：Mg2+＜Zn2+＜Co2+＜Cu2+＜Cd2+＜Ni2+＜Ca2+＜Sr2+＜Pb2+＜Ba2+ （3）稀土元素的亲和力随原子序数增大而减小。 La3+＞Ce3+＞Pr3+＞Nd3+＞Sm3+＞Eu3+＞Gd3+＞Tb3+＞Dy3+＞Y3+＞Ho3+ ＞Er3+＞Tm3+ ＞Yb3+＞Lu3+＞Sc3+ 弱酸型阳离子交换树脂 H+的亲和力比其它阳离子大，其它同强酸型。

强碱型阴离子交换树脂 F-＜OH-＜CH3COO-＜HCOO-＜C1-＜NO2-＜CN-＜Br-＜C2O42-＜NO3-＜HSO4-＜I-＜CrO42-＜SO42-＜柠檬酸根离子 弱碱型阴离子交换树脂 F-＜C1-＜Br-＜I-＜CH3COO-＜Mo052-＜P043-＜AsO43-＜NO3-＜ CrO42-＜SO42-＜OH-

3、离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别 树脂选择 选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换工艺以及投资和运行费用等因素。 树脂保存 树脂宜在0～40℃下存放，通常强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存。 树脂使用 树脂在使用前应进行适当的预处理，以除去杂质。最好分别用水、5％HCl、2％～4％NaOH反复浸泡清洗两次，每次4～8h。

表4-5 未知树脂的鉴别 操作① 取未知树脂样品2mL，置于30mL试管中 操作② 加1N HCl15mL，摇1--2min，重复2--3次 表4-5 未知树脂的鉴别 操作① 取未知树脂样品2mL，置于30mL试管中 操作② 加1N HCl15mL，摇1--2min，重复2--3次 操作③ 水洗2～3次 操作④ 加1O％CuSO4(其中含1％H2SO4)5mL，摇1min，放5min 检查 浅绿色 不变色 操作⑤ 加5N氨液2mL，摇1min，水洗 加1N NaOH15mL摇1min，水洗，加酚酞，水洗 深蓝 颜色不变 红色 结果 强酸性阳树脂 弱酸性阳树脂 强碱性阴树脂 弱碱性阴树脂

二、离子交换平衡 选择系数K大于1，说明该树脂对B+的亲合力大与对A+的亲合力，即有利于进行离子交换反应。

影响离子交换扩散速度的因素 1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。 2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面积增大，使扩散速度越快。 3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，扩散速度越快。 4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变薄，这些都有利于离子扩散。 5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快液膜扩散，但不影响内孔扩散。 6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩散速度越慢。

三、离子交换过程与再生过程 离子交换装置 固定床 单床 多床 复床 混合床 联合床 连续床 移动床 流动床 单床：只有一根交换柱，内装一种树脂。 多床：多个单床串联，较单床交换的效率高、效果耗。 复床：阳离子交换柱与阴离子交换柱串联使用。 混合床：在一个柱内装有混合的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的混合物。 联合床：复床和混合床联合使用。

1、固定床离子交换操作 1）、离子交换过程 在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正工作的只有交换区内树脂，交换区的厚度取决于所用的树脂、离子种类和浓度以及工作条件。

2）、 再生 通过树脂再生，一方面可恢复树脂的交换能力，另一方面可回收有用物质。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三个过程。有时再生后还需要对树脂作转型处理。影响再生效果和处理费用的因素如下: 1) 再生剂种类 强酸性阳树脂用HCl或H2SO4等强酸及NaCl、Na2SO4再生； 弱酸性阳树脂用HCl、H2SO4再生； 强碱性阴树脂用NaOH等强碱及NaCl再生， 弱碱性阴树脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。 2) 再生剂用量 树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可以恢复树脂的交换容量，但实际上再生剂用量比理论值大得多。

实验证明，再生剂用量越多，再生效率越高。但当再生剂用量增加到一定值后，再生效率随再生剂用量增长不大。因此再生剂用量过高既不经济也无必要。图8-4为用2％NaOH对交换了Cr6+的强碱性树脂的再生情况。 3) 再生方式 ① 顺流再生 特点：⑴设备简单，操作方便，工作可靠； ⑵再生剂用量多，再生效率低，出水水质较差。 ② 逆流再生 特点：⑴再生剂耗量少(比顺流法少40％左右)，再生效率 高,而且能保证出水质量； ⑵设备较复杂，操作控制较严格。

2、连续床离子交换操作 固定床离子交换器的缺点：树脂不能边饱和边再生，树脂层厚度比交换区厚度大得多；再生和冲洗时必须停止交换。为了克服上述缺陷，发展了连续式离子交换设备，包括移动床和流动床。 右图为三塔式移动床，由交换塔、再生塔和清洗塔组成。运行时，原水由交换塔下部逆流而上，把整个树脂层承托起来并与之交换离子。一段时间后，当出水离子开始穿透时，停止进水，并由塔下排水。排水时树脂层下降(称为落床)，由塔底排出部分已饱和的树脂，同时浮球阀自动打开，放入等量已再生好的树脂。

四、 离子交换设备及计算 离子交换设备 工业离于交换设备主要有固定床、移动床和流动床，目前使用最广泛的是固定床。固定床离于交换器包括筒体、进水装置、排水装置，再生液分布装置及体外有关管道和阀门，如图所示。 1.筒体：支撑作用 2.进水装置：分配进水和收集反洗用水 3.底部排水装置：收集出水和分配反洗水

设计计算 离子交换器的设计包括选择离子交换树脂，确定工艺系统，计算交换器尺寸大小、再生计算、阻力核算等。交换器直径可由交换离子的物料衡算式计算： 由此可推得， 式中 Q——废水流量，m3/h； c0——进水中交换离子浓度，mmol/L； T——两次再生间隔时间，h； n——交换器个数，一般应不少于2个； qW——交换剂时工作交换容量， mmol/L ； H——交换剂床层高，m； A——交换器截面积，m2； D——交换器的直径，m，其值—般小于3m。

高度的确定 交换器筒体的高度包括树脂层高、底部排水区高和上部水垫层高三部分。 树脂层高通常可选用1.5～2.5m。塔径越大，层高越高，一般层高不得低于0.7m。 树脂层上部水垫层的高度主要取决于反冲洗时的膨胀高度相保证配水的均匀性。 底部排水区高度与排水装置的型式有关，一般取0.4m左右。 根据计算得出的塔径和塔高选择合适尺寸的离子交换器，然后进行水力核算。

五、离子交换法在废水处理中的应用 1. 电镀含铬废水的处理 生产实践表明，在电镀车间铬镀槽的洗涤水闭路循环系统中采用离子交换法分离、回收铬酸是有效的。

2. 离子交换法处理含汞废水 日本和瑞士的氯碱厂采用阴离子交换树脂和螯合树脂处理含汞(氯化汞络合离子)废水。 3. 离子交换法处理含酚废水 六、离子交换系统的操作管理与维护

4.4 膜分离法 教学目的、要求： 掌握膜分离法的原理，电渗析、反渗透、超滤的原理 熟悉装置 了解应用举例

膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术。 膜分离技术有以下共同特点： ①膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。例如在现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。 ②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。 ③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。

膜过程 推动力 传质机理 透过物及其尺寸 截留物 膜类型 电渗析 电位差 离子选择性透过 溶解性无机物 非电解质大分子 离子交换膜 反渗透 压力差2-10MPa 溶剂的扩散 水或溶剂 溶质、盐、SS 非对称膜 超过滤 压力差0.1-10.MPa 筛滤及表面作用 水、盐及低分子有机物 胶体大分子、不容有机物 渗析 浓度差 溶质的扩散 低分子物质、离子 溶剂 液膜 化学反应和浓度差 反应促进和扩散 电解质离子 溶剂（非电解质

半透膜的渗析作用 依靠薄膜中“孔道”的大小分离不同的分子或离子 依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子 依靠薄膜的有选择的溶解性分离某些物质 动力 分子扩散作用 电力 压力 渗析法 电渗析法 反渗透和超滤

一、电渗析（electrodialysis，简称ED ） 1．电渗析的基本原理 电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的离子从一种溶液有选择性地透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的一种膜过程。

电渗析过程原理图 + 阳极 － 阴极 Cl- Na＋ 阳膜 阳极室 浓缩室 淡化室 阴极室 阴膜

阳极反应： 阴极反应： 注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起离子选择透过性作用。

2、电渗析装置 构造： 膜堆：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。一对电极之间若干膜对组成膜堆。 极区：电极、极框、橡胶垫板。 压紧装置：压杆、螺杆紧固。 配套设备：整流器、水泵、转子流量计等。 (1)离子交换膜 首先将膜放在操作溶液中浸泡24～48小时，使之与膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺寸大小比隔板周边小1 mm，应比隔板水孔大1 mm。电渗析停运时，应在电渗析器中充满溶液，以防膜发霉变质，或膜因干燥收缩变形甚至破裂。

（2）隔板 隔板放在阳、阴膜之间，其作用一是作为膜的支撑体，使两层膜之间保持一段距离；二是作为水流通道，使两层膜之间的流体均匀分布，同时依靠水流的涡动作用，减薄膜表面的滞流层，以提高净化效果和减少耗电量。隔板上有进出水孔、配水槽及过水道，其结构如图所示。为了支撑膜和加强搅拌作用，使液体产生紊流，在大部分隔板的流道中，均粘贴或热压上一定形式的隔网。

(3)电极 电极设在膜堆两端，连接直流电源，作为电渗析的推动力，通过直流电时，在电极上会发生电极反应，要求电极耐腐蚀、导电性能和机械性能好。石墨、炭板和许多金属导体如铂、铜、铅、铁、钛等，都可以作为电极材料。常用铅板或石墨作阳极，不锈钢作阴极。 (4)板框 主要功能是使膜不与电极接触，通过极水排除极室中的电极过程产物。 (5)压紧装置 其作用是把极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体。可采用压板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。

实际应用的电渗析器

3、电渗析法在废水处理中的应用 电渗析法用于废水处理的典型实例有： (1)处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木 质素； (2)从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠； (3)从酸洗废液中制取硫酸和沉积重金属离子； (4)从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋； (5)处理电镀废水和废液，含Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等金属离子的废水都适宜用电渗析处理，其中含铁废水处理技术最为成熟，回收的NiSO4浓液可返回电镀槽。设备投资可在2年内收回。

在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透过半透膜，即反渗透，实现净化过程。 二、反渗透 （Reverse Osmosis 简称RO） 在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透过半透膜，即反渗透，实现净化过程。 1、反渗透的原理 由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压 开始时两边液面相同 渗透和反渗透原理示意图 半透膜

反渗透法是以压力为驱动力的膜法分离技术。 渗透和反渗透 实现反渗透过程必须具备二个条件：一是必须有一种高选择性和高透水性的半透膜；二是操作压力必须高于溶液的渗透压。 任何溶液都具有相应的渗透压，其数值取决于溶液中溶质的分子数，而与溶质的性质无关，其数学表达式为：

2、反渗透膜 反渗透膜 反渗透膜是一类具有不带电荷的亲水性基团的膜，是实现反渗透分离的关键，其种类很多。目前研究得比较多和应用比较广的是醋酸纤维素膜(简称CA膜)和芳香族聚酰胺膜两种。 醋酸纤维素膜的结构及性能

膜的透水量取决于膜的物理特性(如孔隙度、厚度等)和膜的化学组成，以及系统的操作条件，如水温、膜两侧的压力差、与膜接触的溶液浓度和流速等。实际上，膜的物理特性、水温、进出水浓度、流速等对一定的过程是固定的，因此透水量仅是膜两侧压力差的函数，可按下式计算： 式中 Fs——膜的平均透水量，g/cm2.s； KW——膜的水透过系数，g/cm2·s.MPa； Δp——供水压力与淡水压力的差值，MPa； Δπ——供水与淡水的渗透压力差，MPa

膜的透盐量 膜的透盐量或某溶质组分的透过量与浓度差有关，可按下式汁算： 式中 Fy——透盐量，g/cm2·s； Py——溶质在膜内的扩散系数，cm2/s； δ——膜的有效厚度，cm； β——膜的透盐常数，表示特定膜的透盐能力， 与透水量不同，正常的透盐量与工作压力无关。因此，增大工作压力，透水量增加，而透盐率仍以固定速率进行，结果得到更多的净化水。

3、反渗透装置 板框式 把渗透膜贴在多孔透水板单侧或两侧，再紧贴在不锈钢或环氧玻璃钢承压板的两侧，构成一个渗透元件 管式 把渗透膜装在耐压微孔承压管的内侧或外侧，制成管状膜的元件 装置 螺旋卷式 在两层反渗透膜中间夹一层多孔的柔性格网，再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并将另一端密封，就成为一个反渗透元件 中空 纤维式 在两层反渗透膜的原料空心纺丝而成中空纤维管

（1）板框式反渗透装置 装配图

板框式膜组件工作过程示意图 进水 耐压容器 半透膜 透水板 缺点：装卸复杂，单位体积膜表面积小。 透过水 特点：结构简单，体积比管式的小。 浓缩水 return

管式膜组件又分为单管式和管束式、内压式和外压式 （2）管式反渗透装置 管式膜组件又分为单管式和管束式、内压式和外压式

内压式管式膜组件的内部结构示意图 膜表皮层 玻璃纤维管 淡水 淡水 特点: 水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。 进水 能耐高压，可以处理高粘度的原水。 缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联结装置。 膜表皮层 进水 玻璃纤维管 淡水 淡水

束式外压式膜组件 1－档圈；2－集水密封环；3－聚氯乙烯烧结板；4－锥形多孔橡胶塞；5－密封管接头；6－进水口；7－壳体；8－橡胶胆；9－出水口；10－膜元件；11－网套；12－O形密封圈；13－档圈槽；14－淡水出口 return

（3）螺旋卷式反渗透装置 特点: 单位容积的膜表面积较大，故透水量大； 结构紧凑，占地面积小；操作方便。 缺点是原水流程短，压力损失大，膜沾污后消除困难，不能处理含有悬浮物的液体。

螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图 密封 膜，上下两层 多孔透水材料 密封 密封

膜叶 浓水 进水 透水网状材料 透过水

螺旋卷式膜组件组合示意图 密封圈 端盖 膜组件 连接器 浓缩液 进水口 透过液 耐压容器

（4）、中空纤维反渗透装置 密封 多孔进水管 浓水 中空纤维膜 外径50－200μ 内径25－42μ 浓水出口 耐压容器 密封 透过水 进水 淡水出口

特点： 单位体积膜表面积大。 制造和安装简单，不需要支撑物。 缺点：不能用于处理含有悬浮物的废水，预处理必须经过滤处理。 难以发现损坏的膜。

4、反渗透处理系统 工艺流程 反渗透流程包括预处理和膜分离两部分。预处理方法有物理法(如沉淀、过滤、吸附、热处理等)、化学法(如氧化、还原、pH调节等)和光化学法。反渗透法作为一种分离、浓缩和提纯方法，常见流程有一级、一级多段、多级、循环等几种形式，如图所示。

工业应用的反渗透装置

工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接

5、反渗透法在废水处理中的应用举例 1）．电镀废水的处理 2）. 照相洗印废水的处理 3）．酸性尾矿水的处理 4）．其他废水处理

三、超滤（Ultrafiltration 简称UF) 1、超滤与反渗透的异同 超过滤简称超滤，它同反渗透一样，都是利用膜来分离废水中溶解的物质。 两种方法的共同点在于： 两种过程的动力同是溶液的压力，在溶液的压力下，溶剂的分子通过半透膜，而溶解的物质被阻滞在膜表面上。

两者区别在于： （1）膜不同：超过滤所用的膜(超滤膜)较疏松，透水量大，除盐率低，一般用超过滤分离高分子和低分子有机物以及无机离子等，能够分离的溶质分子至少要比溶剂的分子大10倍，在这种系统中渗透压已经不起作用了。 反渗透所用的膜 (反渗透膜)致密，透水量低，除盐率高，具有选择透过能力，用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质。 （2）机理不同：超过滤的去除机理主要是筛滤作用。在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。 （3）工作压力不同：超过滤的工作压力低(0.1－0.5MPa)。反渗透所需的工作压力高(大于2MPa)。

超过滤原理示意图 2、超滤的基本原理 超滤截留大分子物质的机理是： 膜表面的孔径机械筛分作用； 膜孔阻塞、阻滞作用； 进口料液 透过膜的溶液 超滤膜 出口溶液 被截留物质 透过膜的物质 超滤截留大分子物质的机理是： 膜表面的孔径机械筛分作用； 膜孔阻塞、阻滞作用； 膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。 超过滤原理示意图

超滤膜 一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。超滤膜有多种，最常用的是：醋酸纤维素膜、聚砜膜。 3．超滤膜及膜组件 超滤膜 一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。超滤膜有多种，最常用的是：醋酸纤维素膜、聚砜膜。 超滤膜组件：有板式、管式、卷式和中空纤维式四种。 超滤装置与反渗透装置类似，目前我国试验研究及生产中普遍用管式装置。

中空纤维超滤膜设备

特 点 4、超滤的特点及应用领域 分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、分离、纯化分级的目的。 装置结构简单，占地面积小，附属设备少，易于扩容和增加组件。 装置操作简单，启动快，易于维护，容易控制。

可用超滤处理的工业废水： 电泳涂漆废水 含油废水（如油田含油污水、金属加工用乳化废液、含油清洗废水等） 摄影显影液废水 造纸工业废水（如亚硫酸纸浆废液、漂白废水、纸张上色废水等） 纺织工业废水（如羊毛清洗废水、染料废水、退浆废水、涤纶纤维油剂废水等） 光学玻璃研磨排水 放射性废水 食品工业废水，回收蛋白质、淀粉等。

4.5 萃 取 教学目的、要求： 掌握萃取和吹脱的基本原理 熟悉萃取流程及设备、吹脱装置 了解其应用实例

把萃取剂加入废水，并使它们充分接触，有害物质作为萃取物从废水中转移到萃取剂中 萃取：利用系统中组分在溶剂中有不同的溶解度来分离混合物的单元操作 。 步骤 把萃取剂加入废水，并使它们充分接触，有害物质作为萃取物从废水中转移到萃取剂中 把萃取剂和废水分离开了，废水就得到了处理 把萃取物从萃取剂中分离出来，使有害物成为有用的副产品，而萃取剂则可用于萃取过程才算在技术上已经成立；其次，就是经济上的考虑

萃取剂：所用的溶剂。 萃取相：萃取后的溶剂相。 萃余相：萃取后的污水相。 萃取液：萃取相分离溶剂后所得的溶液。 1、萃取的基本原理 实质是溶质（污染物）在水中和溶剂（萃取剂）中有不同的溶解度，溶质从水中转入溶剂中是传质过程，其过程推动力是污水中污染物的实际浓度与平衡浓度之差。 分配系数表征萃取剂的溶解性能：

2、萃取剂及其再生 萃取速率： 提高萃取速度和设备生产能力的途径： 1）、增大两相接触面面积 2）、增大传质系数 3）、增大传质推动力 4）、延长时间 2、萃取剂及其再生 萃取剂的选择 选择性好；分离性能好，萃取剂在废水中不会乳化，容易同废水分离；化学稳定性好；黏度小，凝固点低，着火点高，毒性小，蒸汽压小，便于室温贮存和使用；价格要低廉，供应要充沛；易于再生与回收。

常用的萃取剂——煤油、洗涤油、重苯、N-503等。 萃取剂的再生——物理法、化学法 3、萃取流程及设备 间歇萃取 三级逆流间歇萃取流程

连续萃取 分类 罐式(萃取器) 塔式(萃取塔) 离心机式(离心萃取机) 1. 筛板萃取塔

2. 脉动筛板萃取塔

3. 转盘萃取塔 4. 填料萃取塔

4、萃取法在废水处理中的应用 萃取法处理含酚废水

萃取法处理含重金属废水 某铜矿矿石场废水中含铜0.3~1.5g/L，含铁4.5~5.4g/L，含砷10~300mg/L，pH＝0.1~3。该废水用N-510作复合萃取剂，用萃取器进行六级逆流萃取，含铜的萃取剂用H2SO4进行反萃取，再生后重复使用。

4.6 吹 脱 1、基本原理 废水中有大量的无用的溶解气体（CO2,H2S,HCN,CS2)等，既有损于身体健康，也对管道设备有腐蚀作用，因此必须去除。 定义：用来脱除污水中的溶解气体和某些极易挥发的溶质的一种气液相转移分离法。 吹脱法用于去除废水中的CO2、H2S、HCN、CS2等溶解性有毒有害气体。吹脱曝气既可以脱除原来存于废水中的溶解气体，也可以脱除化学转化而形成的溶解气体。

（2）气液比 气量要适宜，气液比要接近液泛极限，设计时取80%。 （3） pH 不同pH值，挥发物质存在状态不一样。 吹脱法是将空气通入废水中，改变有毒有害气体溶解于水中所建立的气液平衡关系，使这些挥发物质由液相转为气相，然后予以收集或者扩散到大气中去。 吹脱过程属于传质过程；其推动力为废水中挥发物质的浓度与大气中该物质的浓度差。  2、影响吹脱的因素 （1）温度 温度高，蒸发快，有利于吹脱。 （2）气液比 气量要适宜，气液比要接近液泛极限，设计时取80%。 （3） pH 不同pH值，挥发物质存在状态不一样。 （4）油类物质 油类物质的存在不利于吹脱，气泡会粘附在上，应预先除去。

3、解析气体的最终处置 4、吹脱装置 （1）用碱性溶液吸收—— NaOH: HCN;H2S等 （2）用活性碳吸附 （1）吹脱池（直接曝气） （2）塔式填料装置（吹脱塔） 吹脱效率高，也便于回收挥发性的气体物质。