1樓：董如軍
第1節 吸附法
一、 吸附原理
二、 影響吸附的因素
三、 吸附劑
四、 吸附工藝和裝置
五、 吸附法在汙水處理中的應用
一、吸附原理
固體表面有吸附水中溶解及膠體物質的能力，比表面積很大的活性炭等具有很高的吸附能力，可用作吸附劑。吸附可分為物理吸附和化學吸附。如果吸附劑與被吸附物質之間是通過分子間引力(即範德華力)而產生吸附，稱為物理吸附；如果吸附劑與被吸附物質之間產生化學作用，生成化學鍵引起吸附，稱為化學吸附。
離子交換實際上也是一種吸附，將在第二節中討論。
物理吸附和化學吸附並非不相容的，而且隨著條件的變化可以相伴發生，但在一個系統中，可能某一種吸附是主要的。在汙水處理中，多數情況下，往往是幾種吸附的綜合結果。
一定的吸附劑所吸附物質的數量與此物質的性質及其濃度和溫度有關。表明被吸附物的量與濃度之間的關係式稱為吸附等溫式。目前常用的公式有二：
弗勞德利希(freundlich)吸附等溫式，朗格繆爾(langrnuir)吸附等溫式。
二、影響吸附的因素
吸附能力和吸附速度是衡量吸附過程的主要指標。固體吸附劑吸附能力的大小可用吸附量來衡量。吸附速度是指單位重量吸附劑在單位時間內所吸附的物質量。
在水處理中，吸附速度決定了汙水需要與吸附劑接觸的時間。吸附速度快，則所需的接觸時間就短，吸附裝置的容積就小。
多孔性吸附劑的吸附過程基本上可分為三個階段：顆粒外部擴散階段，即吸附質從溶液中擴散到吸附劑表面；孔隙擴散階段，即吸附質在吸附劑孔隙中繼續向吸附點擴散；吸附反應階段，吸附質被吸附在吸附劑孔隙內的吸附點表面。一般，吸附速度主要取決於外部擴散速度和孔隙擴散速度。
顆粒外部擴散速度與溶液濃度成正比，也與吸附劑的比表面積的大小成正比。因此吸附劑顆粒直徑越小，外部擴散速度越快。同時，增加溶液與顆粒間的相對運動速度，也可以提高外部擴散速度。
孔隙擴散速度與吸附劑孔隙的大小和結構，吸附質顆粒的大小和結構等因素有關。一般，吸附劑顆粒越小，孔隙擴散速度越快。
吸附劑的物理化學性質和吸附質的物理化學性質對吸附有很大影響。一般，極性分子(或離子)型的吸附劑容易吸附極性分子(或離子)型的吸附質；非極性分子型的吸附劑容易吸附非極性的吸附質。同時，吸附質的溶解度越低，越容易被吸附。
吸附質的濃度增加，吸附量也隨之增加。
汙水的ph值對吸附也有影響，活性炭一般在酸性條件下比在鹼性條件下有較高的吸附量。吸附反應通常是放熱反應，因此溫度低對吸附反應有利。
三、吸附劑
吸附劑的種類很多。常用是活性炭和腐植酸類吸附劑。
1．活性炭
在生產中應用的活性炭的種類很多。一般都製成粉末狀或顆粒狀。粉末狀的活性炭吸附能力強，製備容易，**較低，但再生困難，一般不能重複使用。
顆粒狀的活性炭**較貴，但可再生後重複使用，並且使用時的勞動條件較好，操作管理方便。因此在水處理中較多采用顆粒狀活性炭。
活性炭的比表面積可達800—2000m2／g，有很高的吸附能力。
顆粒狀活性炭在使用一段時間後，吸附了大量吸附質，逐步趨向飽和並喪失工作能力，此時應進行更換或再生。再生是在吸附劑本身的結構基本不發生變化的情況下，用某種方法將吸附質從吸附劑微孔中除去，恢復它的吸附能力。活性炭的再生方法主要有：
(1)加熱再生法 在高溫條件下，提高了吸附質分子的能量，使其易於從活性炭的活性點脫離；而吸附的有機物則在高溫下氧化和分解，成為氣態逸出或斷裂成低分子。活性炭的再生一般用多段式再生爐。爐內**微量氧氣，使進行氧化反應而又不致使炭燃燒損失。
(2)化學再生法 通過化學反應，使吸附質轉化為易溶於水的物質而解吸下來。例如，吸附了苯酚的活性炭，可用氫氧化鈉溶液浸泡，使形成酚鈉鹽而解吸。
溼式氧化法也是化學再生法，主要用於再生粉末狀活性炭。
在我國，目前活性炭的**較緊張，再生的裝置較少，再生費用較貴，限制了活性炭的廣泛使用。
2．腐植酸類吸附劑
用作吸附劑的腐植酸類物質主要有：天然的富含腐植酸的風化煤、泥煤、褐煤等，它們可以直接使用或經簡單處理後使用；將富含腐植酸的物質用適當的粘合劑製備成的腐植酸系樹脂。
腐植酸類物質能吸附工業廢水中的許多金屬離子，如汞、鉻、鋅、鎘、鉛、銅等。腐植酸類物質在吸附重金屬離子後，可以用h2so4、hci、nacl等進行解吸。目前，這方面的應用還處於試驗、研究階段，還存在吸附(交換)容量不高，適用的ph值範圍較窄，機械強度低等問題，需要進一步研究和解決。
四、吸附工藝和裝置
吸附的操作方式分為間歇式和連續式。間歇式是將廢水和吸附劑放在吸附池內進行攪拌30min左右，然後靜置沉澱，排除澄清液。間歇式吸附主要用於小量廢水的處理和實驗研究，在生產上一般要用兩個吸附池、交換工作。
在一般情況下，都採用連續的方式。
連續吸附可以採用固定床、移動床和流化床。固定床連續吸附方式是廢水處理中最常用的。吸附劑固定填放在吸附柱(或塔)中，所以叫固定床。
移動床連續吸附是指在操作過程中定期地將接近飽和的一部分吸附劑從吸附柱排出，並同時將等量的新鮮吸附劑加入柱中。所謂流化床是指吸附劑在吸附柱內處於膨脹狀態，懸浮於由下而上的水流中。由於移動床和流化床的操作較複雜，在廢水處理中較少使用。
在一般的連續式固定床吸附柱中，吸附劑的總厚度為3～5m，分成幾個柱串聯工作，每個柱的吸附劑厚度為1～2m。廢水從上向下過濾，過濾速度在4～15m/h之間，接觸時間一般不大於30～60min。為防止吸附劑層的堵塞，含懸浮物的廢水一般先應經過砂濾，再進行吸附處理。
吸附柱在工作過程中，上部吸附劑層的吸附質濃度逐漸增高，達到飽和而失去繼續吸附的能力。隨著執行時間的推移，上部飽和區高度增加而下部新鮮吸附層的高度則不斷減小，直至全部吸附劑都達到飽和，出水濃度與進水濃度相等，吸附柱全部喪失工作能力。
在實際操作中，吸附柱達到完全飽和及出水濃度與進水濃度相等是不可能的，也是不允許的。通常是根據對出水水質的要求，規定一個出水含汙染物質的允許濃度值。當執行**水達到這一規定值時，即認為吸附層已達到「穿透」，這一吸附柱便停止工作，進行吸附劑的更換。
五、吸附法在汙水處理中的應用
由於吸附法對進水的預處理要求高，吸附劑的**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汙染物，達到深度淨化的目的。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物的去除、脫色除臭等。
第2節 離子交換法
離子交換法是水處理中軟化和除鹽的主要方法之一。在廢水處理中，主要用於去除廢水中的金屬離子。離子交換的實質是不溶性離子化合物(離子交換劑)上的可交換離子與溶液中的其它同性離子的交換反應，是一種特殊的吸附過程，通常是可逆性化學吸附。
離子交換劑
水處理中用的離子交換劑有磺化煤和離子交換樹脂。磺化煤利用天然煤為原料，經濃硫酸磺化處理後製成，但交換容量低，機械強度差，化學穩定性較差，已逐漸為離子交換樹脂所取代。
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。生產離子交換劑的樹脂母體最常見的是苯乙烯的聚合物，是線性結構的高分子有機化合物。在原料中，常加上一定數量的二乙烯苯做交聯劑，使線狀聚合物之間相互交聯，成立體網狀結構。
樹脂的外形呈球狀顆粒，粒徑為：0．6～1．2mm(大粒徑樹脂)，0．3～0．6mm(中粒徑樹脂)，或0．02～0．1mm(小粒徑樹脂)。樹脂本身不是離子化合物，並無離子交換能力，需經適當處理加上活性基團後，才具有離子交換能力。
活性基團由固定離子和活動離子組成。固定離子固定在樹脂的網狀骨架上，活動離子(或稱交換離子)則依靠靜電引力與固定離子結合在一起，二者電性相反電荷相等。
離子交換樹脂按樹脂的型別和孔結構的不同可分為：凝膠型樹脂、大孔型樹脂、多孔凝膠型樹脂、巨孔型(mr型)樹脂和高巨孔型(超mr型)樹脂等。
第3節 萃取法
在化工上，用適當的溶劑分離混合物的過程叫萃取。當混合物為溶液時叫液—液萃取，當混合物為固體時叫固—液萃取；使用的溶劑叫萃取劑，提出的物質叫萃取物，在廢水處理上，利用廢水中的雜質在水中和有機萃取劑中溶解度的不同，可以採用萃取的方法，將雜質提取出來。例如含酚濃度較高的廢水。
由於酚在有機溶劑中的溶解度遠遠高於在水中的溶解度，我們可以利用酚的這種性質以及有機溶劑(如：油)與水不相溶的性質，選用適當的有機溶劑從廢水中把有害物質酚提取出來。
用萃取法處理廢水時，有三個步驟：①把萃取劑加入廢水，並使它們充分接觸，有害物質作為萃取物從廢水中轉移到萃取劑中；②把萃取劑和廢水分離開來，廢水就得到了處理。也可以再進一步接受其他的處理；③把萃取物從萃取劑中分離出來，使有害物質成為有用的副產品，而萃取劑則可回用於萃取過程才算，在技術上已經成立；其次，是經濟上的考慮。
技術上可靠，經濟上合理，生產才能採用。
在化工上常使用「相」這個名詞。「相」是一個均勻物質，具有組成相同和性質相同的特徵。如在一個物質體系裡同時存在介面明確的兩部分物質，這兩部分物質就抽象地叫做兩個相。
例如，油和水混在一起，即使劇烈攪拌，油滴分散在水中，油水之間仍然存在明確的介面，我們就說這是存在水相和油相。一個物質體系裡的兩個相，常常一個呈連續狀態而另一個呈分散狀態，呈連續狀態的叫連續相，呈分散狀態的叫分散相。一個物質體系的相數並無限制。
第4節 膜析法
一、 滲析法
二、 反滲透法
三、 超過濾法
膜析法是利用薄膜以分離水溶液中某些物質的方法的統稱。目前有擴散滲析法(滲析法)、電滲析法、反滲透法和超過濾法等。
一、滲析法
人們早就發現，一些動物膜，如膀胱膜、羊皮紙(一種把羊皮刮薄做成的紙)，有分隔水溶液中某些溶解物質(溶質)的作用。例如，食鹽能透過羊皮紙，而糖、澱粉、樹膠等則不能。如果用羊皮紙或其他半透膜包裹一個穿孔杯，杯中滿盛鹽水，放在一個盛放清水的燒杯中，隔上一段時間，我們會發現燒杯內的清水帶有鹹味，表明鹽的分子已經透過羊皮紙或半透膜進入清水。
如果把穿孔杯中的鹽水換成糖水，則會發現燒杯中的清水不會帶甜味。顯然，如果把鹽和糖的混合液放在穿孔杯內，並不斷地更換燒杯裡的清水，就能把穿孔杯中混合液內的食鹽基本上都分離出來，使混合液中的糖和鹽得到分離。這種方法叫滲析法。
起滲析作用的薄膜，因對溶質的滲透性有選擇作用，故叫半透膜。近年來半透膜有很大的發展，出現很多由高分子化合物製造的人造薄膜，不同的薄膜有不同的選擇滲析性。半透膜的滲析作用有三種型別：
①依靠薄膜中「孔道」的大，小分離大小不同的分子或粒子；②依靠薄膜的離子結構分離性質不同的離子，例如用陽離子交換樹脂做成的薄膜可以透過陽離子，叫陽離子交換膜，用陰離子樹脂做成的薄膜可以透過陰離子，叫陰離子交換膜；③依靠薄膜：的有選擇的溶解性分離某些物質，例如醋酸纖維膜有溶解某些液體和氣體的效能，而使這些物質透過薄膜。一種薄膜只要具備上述三種作用之一，就能有選擇地讓某些物質透過而成為半透膜。
在廢水處理中最常用的半透膜是離子交換膜。
二、反滲透法
反滲透法是一種藉助壓力促使水分子反向滲透，以濃縮溶液或廢水的方法。
如果將純水和鹽水用半透膜隔開，此半透膜只有水分子能夠透過而其他溶質不能透過，則水分子將透過半透膜進人溶液(鹽水)，溶液逐漸從濃變稀，液麵則不斷上升，直到某一定值為止。這個現象叫滲透，高出於水面的水柱高度(決定於鹽水的濃度)是由於溶液的滲透壓所致。可以理解，如果我們向溶液的一側施加壓力，並且超過它的滲透壓，則溶液中的水就會透過半透膜，流向純水一側，而溶質被截留在溶液一側，這種方法就是反滲透法(或稱逆滲透法)。
近年來，由於反滲透膜材料和製造技術的發展以及新型裝置的不斷開發和執行經驗的積累，反滲透技術的發展非常迅速，已廣泛用於水的淡化、除鹽和製取純水等，還能用以去除水中的細菌和病毒。但反滲透法所需的壓力較高，工作壓力要比滲透壓力大幾十倍。即使是改進的複合膜，正常工作壓力也需1.
5mpa左右。同時，為了保證反滲透裝置的正常執行和延長膜的壽命，在反滲透裝置前必須有充分的預處理裝置。
反滲透裝置一般都由專門的廠家製成成套裝置後**。在生產中，根據需要予以選用。
三、超過濾法
超過濾法與反滲透法相似。但超濾膜的微孔孔徑比反滲透膜大，在0.005—1um之間。
超濾的過程並不是單純的機械截留，物理篩分，而是存在著以下三種作用：①溶質在膜表面和微孔孔壁上發生吸附；②溶質的粒徑大小與膜孔徑相仿，溶質嵌在孔中，引起阻塞；③溶質的粒徑大於膜孔徑，溶質在膜表面被機械截留，實現篩分。毫無疑問，我們應力求避免在孔壁上的吸附和膜孔的阻塞，應選用與被分離溶質之間相互作用弱和膜孔結構是外密內疏的不對稱構造的超濾膜。
超濾的過程是動態過濾，即在超濾膜的表面既受到垂直於膜面的壓力，使水分子得以透過膜面並與被截留物質分離，同時又產生一個與膜表面平行的切向力，以將截留在膜表面的物質衝開。所以，超濾執行的週期可以較長。在執行方面，還可短時間地停止透水而增加切面流速，即可達到沖洗膜面的效果，使透水率得到恢復。
這樣的執行方式，使超濾(膜)—活性汙泥法這種新型的處理工藝得以實施和發展。
在廢水處理中，超過濾法目前主要用於分離有機的溶解物，如澱粉、蛋白質、樹膠、油漆等。超過濾法所需的壓力比反滲透法要低，一般為0.1—0.7mpa。
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