污染控制化學(xué)原.ppt

2 污染控制化學(xué)基本原理,2.1 酸、堿反應(yīng)原理 2.2 化學(xué)沉淀與絮凝分離 2.3 吸收與吸附凈化 2.4 溶劑萃取分離 2.5 離子交換處理 2.6 膜分離技術(shù) 2.7 污染物的氧化還原處理 2.8 污染物的生物處理,2.1 酸、堿反應(yīng)原理,2.1 酸、堿反應(yīng)原理,1884年，瑞典化學(xué)家阿侖尼烏斯(S.A.Arrhenius)根據(jù)電解質(zhì)的電離理論，提出了第一個(gè)酸堿理論:酸是在水溶液中經(jīng)電離只生成H+一種陽離子的物質(zhì)；堿是在水溶液中只生成OH-一種陰離子的物質(zhì)。酸與減中和反應(yīng)的本質(zhì)是H+和OH-化合生成H2O,弗蘭克林(E.C.Franklin)的溶劑理論； 勃朗斯特(J.N.BronMed)和勞萊(T.M.Lowry)的質(zhì)子理論； 路易斯(G.N.Lewis)的電子理論； 魯克斯(Lux)的氧化物離子理論； 烏薩諾維奇(Usanovich)的正負(fù)理論。,2.2 化學(xué)沉淀與絮凝分離,原理： 化學(xué)沉淀法：通過向污水中投加某種化學(xué)物質(zhì)（沉淀劑），使它與污水中的溶解物質(zhì)發(fā)生置換反應(yīng)，生成難溶于水的沉淀物，以降低污水中溶解性污染物質(zhì)的濃度。 絮凝分離法：通過向含有懸浮體或膠體的污水中投加藥劑（無機(jī)或有機(jī)絮凝劑），促使帶電微?；蚰z體脫穩(wěn)、繼而聚集使之與介質(zhì)分開，達(dá)到凈化的目的。 相同點(diǎn)：兩者都是向被處理溶液中投加化學(xué)試劑，使被處理污染物最終以固態(tài)形式與液態(tài)介質(zhì)分開。 化學(xué)沉淀過程中常伴隨絮凝作用，絮凝過程中也往往有沉淀與共沉淀的作用。,簡(jiǎn)介：絮凝法是水處理的重要方法之一或基本單元操作之一，而且往往是必不可少的。它在生活飲用水、工業(yè)用水、工業(yè)廢水及生活污水的處理中都有廣泛的應(yīng)用，因而學(xué)習(xí)和研究絮凝科學(xué)及其在水處理中的應(yīng)用具有十分重要的意義。本書主要以物理化學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)，對(duì)水處理中的絮凝問題從理論上作了深入全面的論述，同時(shí)對(duì)其應(yīng)用技術(shù)也作了諸多詳盡的介紹。本書的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在系統(tǒng)闡述經(jīng)典理論的同時(shí)，又特別注重該領(lǐng)域近年來的新進(jìn)展；本書的另一特點(diǎn)是理論與實(shí)際應(yīng)用并重，希望對(duì)水處理實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用。主要內(nèi)容有：絮凝與水處理、膠體表面電化學(xué)、絮凝動(dòng)力學(xué)、絮凝劑及其效能、絮凝實(shí)驗(yàn)方法、絮凝的工藝與設(shè)備、絮凝方法的其他功效等。本書可作為環(huán)境工程、給水排水、化學(xué)化工及膠體科學(xué)等有關(guān)專業(yè)的高等院校研究生或本科生的教材，也可作為水處理的專門知識(shí)供上述專業(yè)的科研和工程技術(shù)人員參考。,絮凝過程機(jī)理,絮凝過程機(jī)理,絮凝目的：去除廢水中所含的懸浮體和溶膠。 很多工業(yè)廢水都含有不同種類和不同數(shù)量的懸浮體和溶膠。如采礦廢水中含有大量無機(jī)礦物質(zhì)懸浮體，煉焦煤氣廢水含有焦油及懸浮體，機(jī)械加工廢水中含有油脂及懸浮體。而造紙、制糖、染色工業(yè)廢水中則含有機(jī)微粒，橡膠工業(yè)廢水中含有懸浮和乳獨(dú)的橡膠微粒。其它各種工業(yè)生產(chǎn)廢水中都或多或少含有懸浮體及油淌等。在廢水處理中需要首先除去這些懸浮體和膠體。 溶膠特性：廢水中所含的懸浮體和溶膠，其大小在10-310-9m范圍內(nèi)。這些微粒不是以分子狀態(tài)分散到介質(zhì)水中，所形成的體系具有很大界面，屬熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。但這些顆粒自動(dòng)聚集由小顆粒變成大顆粒從分散介質(zhì)中沉淀出來的速率卻很慢，其主要原因是懸浮體及溶膠表面是帶電的，由于顆粒間同性電相斥而不互相聚集。 處理方法：投加絮凝劑，使溶膠絮凝、沉淀而與介質(zhì)分開。 絮凝過程：包括凝聚作用和絮凝作用。 凝聚作用：在膠體體系中添加化學(xué)藥劑，使溶膠相互接觸，脫穩(wěn)而聚結(jié)成一定粒徑的聚集體。 絮凝作用：指已經(jīng)脫穩(wěn)的聚集體由于碰撞、化學(xué)粘結(jié)、共同沉淀等作用進(jìn)一步聚集成絮狀體(礬花)，成為可借重力下沉的粒子。 在絮凝過程中這兩種作用相互促進(jìn)，交錯(cuò)進(jìn)行，不可能將兩者嚴(yán)格區(qū)分開來。 絮凝作用實(shí)際上是一種非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。已提出多種理論、機(jī)理、模型來解釋絮凝現(xiàn)象。關(guān)于膠體穩(wěn)定性的DLVO理論是解釋絮凝化學(xué)原理的一種比較完善的理論，已被人們所接受。,膠粒表面電荷的來源,膠粒表面電荷的來源： 電離作用：有些膠粒本身帶有可電離基團(tuán)，在介質(zhì)中電離而帶電荷。例如硅溶膠在弱酸性或堿性介質(zhì)中因表面硅酸的電離而帶負(fù)電荷： 離子吸附作用： 膠體顆粒可以通過對(duì)介質(zhì)中陰、陽離于的不等量吸附而帶電歷。例如金屬氧化物通過吸附H+或OH-而帶正電荷或負(fù)電荷。 離子的溶解作用：離子晶體物質(zhì)形成的膠粒，陰離子、陽離子在介質(zhì)中發(fā)生不等量溶解時(shí)可使膠粒表面帶有電荷。例如AgI的溶度積為10-16，但AgI膠粒表面零電荷點(diǎn)不是在pAgpI8，而是pAg5.5，pI10.5。這是因?yàn)樗芰^大的Ag+易溶解，而I-易滯留于膠粒表面的緣故。所以，若直接把AgI分散在蒸餾水中時(shí)，粒子表面將荷負(fù)電。 晶格取代： 這是一種比較特殊的情況。例如，粘土是由鋁氧八面體和硅氧四面體的晶格組成。晶格中的Al3+或Si4+有一部分被Mg2+或Ca2+取代而使粘土晶格帶負(fù)電荷。為維護(hù)電中性，粘土表面吸附一些正離子，這些正離子在水介質(zhì)中因水化而離開表面，于是粘土顆粒帶上負(fù)電荷。,雙電層理論,膠粒表面帶電時(shí)，因整個(gè)體系應(yīng)是電中性的，所以在液相中必有與表面電荷數(shù)量相等而符號(hào)相反的離子存在，這些離子稱為反離子。反離子一方面受靜電吸引作用有向膠粒表面靠近的趨勢(shì)，另一方面受熱擴(kuò)散作用有在整個(gè)液體中均勻分布的趨勢(shì)，兩種作用的結(jié)果使反離子在膠粒表面區(qū)域的液相中形成一種平衡分布，越靠近界面濃度越高，越遠(yuǎn)離界面濃度越低，到某一距離時(shí)反離于與同號(hào)離子濃度相等。膠粒表面的電荷與周圍介質(zhì)中的反離子電荷就構(gòu)成雙電層。膠粒表面與液體內(nèi)部的電勢(shì)差稱為膠粒的表面電勢(shì)。,在固體表面因靜電引力和范德華引力而吸附一層反離子，緊貼固體表面形成一個(gè)固定的吸附層，這種吸附稱為特性吸附，這一吸附層稱為Stern層。Stern層的厚度由被吸附離子的大小決定。吸附反離子的中心構(gòu)成的平面稱為Stern面。Stern面上的電勢(shì)稱為stern電勢(shì)。在Stern層內(nèi)，電勢(shì)由表面電勢(shì)0直線下降到。Stern層以外，反離子呈擴(kuò)散態(tài)分布，稱為擴(kuò)散層。擴(kuò)散層中的電勢(shì)呈曲線下降。 在固體表面總有一定數(shù)量的溶劑分子與其緊密結(jié)合。電動(dòng)現(xiàn)象中這些溶劑分子及其內(nèi)部的反離子與粒子將作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)，這樣在固液兩相發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)存在一個(gè)滑動(dòng)面?；瑒?dòng)面的確切位置并不知道，但可以合理地認(rèn)為它在Stern層之外，并深入到擴(kuò)散層之中?；瑒?dòng)面上的電勢(shì)稱電動(dòng)電勢(shì)或Zeta電勢(shì)。,DLVO理論,DLVO理論：通過膠體顆粒間的吸引能和排斥能的相互作用所產(chǎn)生的相互作用能，來解釋膠體的穩(wěn)定性和產(chǎn)生絮凝沉淀的原因。 膠體顆粒間的排斥能：由膠體顆粒表面的電荷作用引起，當(dāng)兩個(gè)球形膠體粒子靠近時(shí)，由于每個(gè)粒子的擴(kuò)散層具有相同的電荷，在擴(kuò)散層相互重疊時(shí)特產(chǎn)生排斥力，其大小決定于電荷的數(shù)目與相互間距離。排斥能愈大，則顆粒不能靠近，不利于絮凝沉淀，而保持其膠體的穩(wěn)定狀態(tài)(resist)。 排斥能與吸附層和擴(kuò)散層上的電位和顆粒的半徑成正比。所以吸附層和擴(kuò)散層界面上的電位愈高，排斥能愈大，顆粒愈不易靠近，愈穩(wěn)定。粒徑小時(shí)，排斥能亦小，顆粒容易靠近，利于絮凝；排斥能隨著顆粒間的距離的增加，而以指數(shù)的形式下降。 膠體顆粒間的吸引能：兩個(gè)膠體顆粒之間存在著范德華引力，它的大小與顆粒間的距離有關(guān)。設(shè)兩個(gè)球形粒子體積相等(即半徑r相等)，并且兩個(gè)球表面最短距離為H，當(dāng)H比粒子半徑r小得多時(shí)，兩粒子之間的相互吸引能VA可近似地用下式求出（absorb）： 吸引能與顆粒半徑成正比；吸引能隨著顆粒間的最短距離的減小而增大。 膠體顆粒間的相互作用能：膠粒間的總作用能為吸引能和排斥能之和。,隨膠粒間距的增大VA下降速度比VR緩慢的多。當(dāng)膠粒間距很大時(shí)，粒子間無相互作用，V為零。當(dāng)兩粒子靠近時(shí)，首先起作用的是引力勢(shì)能，因而V為負(fù)值。隨著距離縮短，VR的影響逐漸大于VA，因而V逐漸增大變?yōu)檎?，形成一個(gè)極小值，稱第二極小值。但靠近到一定距離后，VA的影響又超過VR，所以V逐漸變小而成為負(fù)值，在V曲線上出現(xiàn)一個(gè)峰值，稱為勢(shì)壘。當(dāng)膠粒相距極近時(shí)，由于電子云的相互作用而產(chǎn)生Born斥力勢(shì)能而使V急劇上升，又形成一個(gè)極小值，稱第一極小值。,勢(shì)壘的大小是膠體能否穩(wěn)定的關(guān)鍵。粒子要發(fā)生聚沉，必須超過這一勢(shì)壘才能進(jìn)一步靠攏。如果勢(shì)壘很小或不存在，粒子的熱運(yùn)動(dòng)完全可以克服它而發(fā)生聚沉，從而呈現(xiàn)聚結(jié)不穩(wěn)定性；如果勢(shì)壘足夠大，粒子的熱運(yùn)動(dòng)無法克服它，則膠體將保持相對(duì)穩(wěn)定。 第一極小值比第二極小值低得多。當(dāng)粒子落入第一極小值時(shí)，形成的沉淀緊密而穩(wěn)定；而在第二極小值時(shí)，體系中形成的結(jié)構(gòu)是疏松的，且是不牢固、不穩(wěn)定的，外界稍有擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)就被破壞，這種體系具有觸變性或剪切稀釋性等。,雙電層的壓縮,反離子少，Z電位高， 雙電層厚度大， 負(fù)電荷過剩， 處于穩(wěn)定狀態(tài)。,反離子增加，Z電位降低， 雙電層變薄。,反離子增加，Z電位降低， 雙電層壓縮， 膠粒脫穩(wěn)， 絮凝沉淀。,電荷中和作用,電荷中和作用是指膠體顆粒的Z電位降低到足以克服DLVO理論中所說的能量障礙而產(chǎn)生絮凝沉淀的過程。膠體顆粒表面的電荷被中和時(shí)，膠體顆粒間的距離縮小，在范德華引力作用下，膠體顆粒問的相互作用能處于第一最小能量值，結(jié)果形成穩(wěn)定的絮凝體。,電荷的中和作用與雙電層的壓縮是不同的，電荷中和作用是第一最小能量的吸引力作用的結(jié)果，這個(gè)吸引力是很強(qiáng)的；而雙電層的壓縮是第二最小能量的作用力的結(jié)果，這個(gè)作用力是比較弱的。這兩個(gè)作用力的強(qiáng)弱不同，所產(chǎn)生的絮凝體的性質(zhì)也不同。強(qiáng)作用力下所產(chǎn)生的絮凝體堅(jiān)實(shí)，體積小，不能再變?yōu)槟z體；弱作用力所產(chǎn)生的絮凝體其體積龐大，疏松，能夠再變成膠體而消失。,電荷中和作用的機(jī)理是，加入的化學(xué)藥品(絮凝劑)被吸附在膠體顆粒上，使肢體顆粒表面電荷中和。膠體顆粒表面電荷不但可以被降低到零，而且還可以帶上相反的電荷。由于電荷的中和作用是吸附作用引起的，因此，它導(dǎo)致膠體顆粒與水之間界面的改變，從而使物理化學(xué)性質(zhì)改變。,電解質(zhì)對(duì)相互作用能的影響,通過改變排斥能使總的相互作用能改變，從而使膠體脫穩(wěn)、絮凝。,顆粒間起始的吸引能曲線VA1和排斥能曲線VR1相加而得到相互作用能曲線VT1，這時(shí)，由于排斥能量很大，排斥力占主導(dǎo)地位，膠體顆粒不能靠近，相距較遠(yuǎn)膠體顆粒處于穩(wěn)定狀態(tài)，不能產(chǎn)生凝聚和絮凝沉淀。,當(dāng)加入絮凝劑時(shí)，中和一部分表面電荷，Z電位降低，排斥能變小，排斥能曲線VR2小于VR1，這時(shí)的相互作用能量曲線VT2等于吸引能曲線VA加上排斥能量曲線VR2，VT2小于VT1，相互作用能量曲線變小，即相互作用能量降低，出現(xiàn)第一最小能量值(在顆粒表面的近處)和第二最小能量值(在顆粒表面的遠(yuǎn)處)。這時(shí)，排斥能雖然變小，但排斥能仍然相當(dāng)大，占主導(dǎo)地位，并且有能量障礙存在。因此，顆粒不能凝聚，也不能產(chǎn)生絮凝沉淀。,進(jìn)一步加入化學(xué)藥品，使顆粒的表面電荷被中和得更多，Z電位進(jìn)一步下降，排斥能進(jìn)一步降低，排斥能量曲線變得更小。這時(shí)的相互作用能量曲線VT3等于VA加上VR3。使相互作用能量曲線VT3已經(jīng)達(dá)到第一最小能量值，也不存在能量障礙。這時(shí)，以顆粒間的吸引力為主，顆粒之間的距離變得很小，很容易凝聚和產(chǎn)生絮凝沉淀。,膠體的捕集,機(jī)理：在水溶液中，鋁鹽或鐵鹽無機(jī)絮凝劑發(fā)生水解，形成水合金屬氫氧化物高分子，這些陽離子高分子所帶電荷可中和帶負(fù)電荷的膠體微粒，同時(shí)這些高分子化合物具有三維空間的立體結(jié)構(gòu)，適合于膠體顆粒的捕獲。隨著高分子化合物體積的收縮、沉淀物和懸浮物象多孔的網(wǎng)子一樣，從水中將膠體和懸浮顆粒清掃下來，形成絮狀沉淀，沉積在水底，這就是膠體顆粒的清掃過程。 “清掃”絮凝機(jī)理，結(jié)果產(chǎn)生的絮凝物體積龐大，產(chǎn)生的絮凝物是粘稠狀的，適合于此機(jī)理的分離方法有澄清法和溶解空氣氣浮法。避免使用過濾法進(jìn)行固液分離，因?yàn)檫^濾法會(huì)使體積龐大的絮凝物沉積在過濾器表面上，妨礙水從今穿過，并會(huì)產(chǎn)生壓力，使過濾速度變慢，工作時(shí)間延長(zhǎng)，影響處理效果。 應(yīng)用：明礬處理飲用水就是利用“清掃”絮凝機(jī)理，其結(jié)果產(chǎn)生大量濕的明礬污泥，這些污泥難以脫水，并且需要消耗大量的明礬。目前仍廣泛地使用澄清分離法，但是在許多應(yīng)用中，高效的有機(jī)高分子絮凝劑要比無機(jī)鋁鹽絮凝劑效果好，優(yōu)越性多。,架橋吸附作用,架橋(或橋聯(lián))是指溶液中膠體和懸浮物顆粒通過有機(jī)或無機(jī)高分子絮凝劑架橋聯(lián)接形成絮凝體，而沉淀下來，橋聯(lián)的過程就是絮凝過程。 當(dāng)高分子絮凝劑加入到廢水中時(shí)，吸附在固體顆粒表面上的有機(jī)絮凝劑可能有三種結(jié)構(gòu)形態(tài)：環(huán)式、尾式和列車式。,環(huán)式，高分子絮凝劑的分子伸向溶液中的部分形成環(huán)，環(huán)的兩端吸附在團(tuán)體顆粒表面上。,尾式，高分子首尾兩端或者支鏈，一端吸附在固體顆粒上，另一端伸向溶液。,列車式，高分子被吸附在固體顆粒表面上的那部分。,橋聯(lián)類型,異電荷物質(zhì)橋聯(lián)：帶負(fù)電荷的膠體顆粒與帶正電荷的陽離子高分子絮凝劑的橋聯(lián)，這類橋聯(lián)也涉及到電荷中和機(jī)理。 改類品種：丙烯酰胺丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲脂的共聚物(AMAETAMS)、丙烯酰胺甲基丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲酯(AMMETAMS)的共聚物、丙烯酰胺甲基丙烯酸2羥基丙酯基三甲基氯化銨(AMMAPTAC)的共聚物、丙烯酰胺二甲基二烯丙基氯化銨(AM-DMDAAC)的共聚物等。 同電荷物質(zhì)橋聯(lián)：帶負(fù)電荷的膠體顆粒與帶負(fù)電荷的有機(jī)高分子絮凝劑(如聚丙烯酸鈉)相橋聯(lián)。 機(jī)理一：對(duì)于帶負(fù)電荷的膠體顆粒來說，雖然總的負(fù)電荷多于總的正電荷，但是顆粒表面上仍然有只帶正電荷的區(qū)域，上就只帶正電荷。這些只帶正電荷的區(qū)域成為吸引點(diǎn)，它吸引帶負(fù)電荷的陰離子有機(jī)高分子絮凝劑的羥基官能團(tuán)，與其結(jié)合形成絮凝體。 機(jī)理二：當(dāng)固體顆粒具有很高的負(fù)Z電位時(shí)，龐大的絮凝體將顆粒包裹在里面，由于周圍都是帶負(fù)電荷的絮凝體，顆粒受到各方面的排斥作用，不能從絮凝體中逃脫，因此與絮凝體一同沉淀下來。 應(yīng)用：1，活性污泥處理法；2，生物高分子處理法 機(jī)理？,？,絮凝劑,絮凝過程：將向水溶液中投加化學(xué)藥劑使溶液中的小顆粒雜質(zhì)聚集成大顆粒而沉降的全過程。 絮凝劑：凡是用來將水溶液中的溶質(zhì)、膠體或者懸浮物顆粒產(chǎn)生絮狀物沉淀的物質(zhì)都叫做絮凝劑。無論是投加的有機(jī)物或是無機(jī)物，只要能發(fā)生絮凝沉淀，都叫絮凝劑。若在一個(gè)廢水處理過程中，同時(shí)使用兩種或兩種以上的物質(zhì)使其產(chǎn)生絮狀沉淀時(shí)，可把這兩種或兩種以上的物質(zhì)稱作復(fù)合絮凝劑。 其它名稱：混凝劑、聚凝劑、凝集劑、凝聚劑、凝結(jié)劑、聚合電解質(zhì)；有的把無機(jī)絮凝劑稱為凝聚劑，只把有機(jī)高分子絮凝劑才稱作絮凝劑。,絮凝劑,絮凝值：在一定條件下，使懸浮體、溶膠溶液產(chǎn)生絮凝沉淀的電解質(zhì)的最小濃度叫絮凝值（聚沉值）。異號(hào)離子價(jià)數(shù)越高，絮凝值越小。 感膠離子序：將同價(jià)離子按絮凝能力的順序排列，絮凝能力強(qiáng)，則絮凝值小，排在感膠離子序的前面；反之則絮凝值大，排在感膠離子序的后面。,絮凝值與絮凝劑的化合價(jià)6次方成反比而與溶膠、懸浮體微粒濃度無關(guān),感膠離子序與離子的水合離子半徑從小到大的次序相同。因?yàn)槿芤盒〉碾x子與水結(jié)合，形成水合離子的大小對(duì)絮凝值有影響：化合價(jià)相同的水合離子，半徑小者，其絮凝值亦小；半徑大者，其絮凝值亦大。,影響絮凝作用的因素,溫度：水溫升高，絮凝效果提高,pH值,攪拌強(qiáng)度和時(shí)間,絮凝劑的用量,絮凝劑的性質(zhì)和結(jié)構(gòu),共存的鹽類,思考題,為何說我們觀察到的布朗運(yùn)動(dòng)，不是膠粒真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況?,試比較膠粒表面電勢(shì)，Stern層(緊密層)電勢(shì)及電勢(shì)?,如何理解溶膠是動(dòng)力學(xué)上穩(wěn)定而熱力學(xué)上不穩(wěn)定的體系，且有聚沉不穩(wěn)定的特性?,布朗運(yùn)動(dòng)是由于分散介質(zhì)的分子熱運(yùn)動(dòng)不斷地由各個(gè)方向同時(shí)沖擊膠粒，其合力未被 抵消，短時(shí)間向某一方向有一顯著作用，而導(dǎo)致膠粒運(yùn)動(dòng)，因此布朗運(yùn)動(dòng)不是膠粒的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。又因膠粒受不平衡的沖擊引起振動(dòng)，周期約為108秒，而人們的肉眼能分辨的周期最低為 0.1秒，因此我們所觀察到的膠粒平均位移是膠粒在每秒鐘內(nèi)受各個(gè)方向沖擊百萬次運(yùn)動(dòng)變化的宏觀結(jié)果。,膠粒表面電勢(shì)是指固相表面由于電離或吸附離子等原因使溶膠粒子帶電，固體表面與溶液深處的電勢(shì)差，是熱力學(xué)的平衡電勢(shì)差。Stern 層電勢(shì)是指溶膠粒子表面由于靜電或分子間的相互作用而緊密吸附一層的總電勢(shì)，顯然這層電勢(shì)小于膠粒表面電勢(shì)。 電勢(shì)(滑動(dòng)面電勢(shì))是指當(dāng)溶膠粒子在液相中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在上述緊密層之外有一層滑動(dòng)面，以滑動(dòng)面的電勢(shì)與液相內(nèi)部電勢(shì)為零處的電勢(shì)差，稱為滑動(dòng)面電勢(shì)或稱(zeta)電勢(shì)。,由于溶膠的布朗運(yùn)動(dòng)以及擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，又由于膠粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)及離子溶劑化膜, 造成溶膠的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，但溶膠是高度分散的非均相體系，具有很大的表面自由能,有自發(fā)聚沉以降低體系能量的趨勢(shì)，因此是熱力學(xué)的不穩(wěn)定體，有聚沉不穩(wěn)定的特性。,2.3 吸收與吸附凈化,固體表面吸附 不同相表（界）面 剩余表面能 溶質(zhì)濃集 吸附劑 吸附質(zhì) 解吸或脫附,吸附法基本原理,吸附與吸收凈化,吸附：利用多孔性固體表面存在的末平衡的分子引力或化學(xué)鍵力，把混合物中的某一組分或某些組分吸留在固體表面上的分離混合物的過程。 吸附劑：具有吸附作用的固體。 吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)。 由于吸附劑往往具有高的選擇性和高的分離效果，能脫除痕量物質(zhì)，所以在空氣污染控制、廢水處理中，吸附凈化法得到廣泛應(yīng)用。,引起吸附的原因 范德華力 化學(xué)鍵力 靜電引力,吸附法凈化氣態(tài)污染物的原理,固體表面上的吸附作用 物理吸附：氣體分子以分子間的范德華力被吸附，這種吸附與氣體凝聚成液體的過程相類似。 化學(xué)吸附：氣體分子與固體表面上的分子、原子以鍵力作用而被吸附，此時(shí)分子發(fā)生變形甚至解離成離子，就像進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，是一個(gè)包括電子轉(zhuǎn)移、原子重排、鍵的斷裂與形成等化學(xué)變化的過程。,吸附的分類 物理吸附 化學(xué)吸附 交換吸附,交換吸附 正負(fù)電荷間靜電引力引起 吸附劑表面帶電點(diǎn) 離子置換 離子電荷數(shù)和水合半徑影響大,吸附法凈化氣態(tài)污染物的原理,焓是人們定義的狀態(tài)函數(shù)，表示熱力學(xué)能加上壓力與體積的乘積。,熵：如果系統(tǒng)中發(fā)生微小的可逆變化，該系統(tǒng)的熵變dS等于此可逆過程的熱量QT 與系統(tǒng)溫度T的比值 可逆熱溫商QT/T，即：,吉布斯函數(shù)G：,吸附熱,根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，在等溫等壓的自發(fā)吸附過程中(無論物理吸附還是化學(xué)吸附)， G = H -TS ；G 0 ；S 0 ； H G + TS 0 表明：吸附過程H 0，放熱。物理吸附放熱數(shù)十 kJ/mol；化學(xué)吸附數(shù)百kJ/mol,吸附法凈化氣態(tài)污染物的原理,吸附等溫線：在恒定溫度下，測(cè)定出固體吸附氣體的量，并將在不同壓力下的吸附量對(duì)氣相壓力(或相對(duì)壓力)作圖，得到的曲線稱為吸附等溫線。,q=f(T,p) q=f(p)T q=f(p/pa)T,q=x/m q=v/m,第類吸附等溫線一般屬單分子層吸附，因而稱為單分子層吸附型等溫線或Langmuir型吸附等溫線。在遠(yuǎn)低于飽和蒸氣壓P。時(shí)，固體就吸滿了單分子層，此時(shí)的吸附量稱為飽和吸附量Vm。,第類吸附等溫線稱為S型等溫線，是常見的物理吸附等溫線。其特點(diǎn)是在低壓時(shí)先形成單分子層吸附，拐點(diǎn)B處可認(rèn)為達(dá)到單分子層的飽和吸附，吸附量為Vm。隨著壓力再增加逐漸發(fā)生多分子層吸附。當(dāng)壓力接近P。時(shí)，吸附量又急劇上升，表明被吸附的氣體己開始凝結(jié)為液相。,第類吸附等溫線比較少見。在低壓下等溫線是凹的，表明吸附質(zhì)與吸附劑之間的相互作用很弱。但壓力稍增加，吸附量即急劇增大，壓力接近P。時(shí)曲線與第類的相似，說明吸附劑表面上由多層吸附逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲劫|(zhì)的凝聚。,第類吸附等溫線在低壓下是凸的，表明吸附質(zhì)和吸附劑有相當(dāng)強(qiáng)的親和力。同時(shí)，低壓下形成單分子層，壓力增大時(shí)由多分子層吸附逐漸產(chǎn)生毛細(xì)管疑結(jié)，所以吸附急劇增大，直到吸附劑的毛細(xì)孔裝滿吸附質(zhì)，吸附量不再增加而達(dá)到飽和。,第類吸附等溫線低壓時(shí)是凹的，與第類相似，隨壓力增大，也發(fā)生多分子層吸附和毛細(xì)管凝聚。與第類等溫線的高壓部分相似。第類和第類等溫線反映了多孔性吸附劑的孔結(jié)構(gòu)特性。,第類吸附等溫線一般屬單分子層吸附，因而稱為單分子層吸附型等溫線或Langmuir型吸附等溫線。在遠(yuǎn)低于飽和蒸氣壓P。時(shí)，固體就吸滿了單分子層，此時(shí)的吸附量稱為飽和吸附量Vm。,第類吸附等溫線稱為S型等溫線，是常見的物理吸附等溫線。其特點(diǎn)是在低壓時(shí)先形成單分子層吸附，拐點(diǎn)B處可認(rèn)為達(dá)到單分子層的飽和吸附，吸附量為Vm。隨著壓力再增加逐漸發(fā)生多分子層吸附。當(dāng)壓力接近P。時(shí)，吸附量又急劇上升，表明被吸附的氣體己開始凝結(jié)為液相。,第類吸附等溫線比較少見。在低壓下等溫線是凹的，表明吸附質(zhì)與吸附劑之間的相互作用很弱。但壓力稍增加，吸附量即急劇增大，壓力接近P。時(shí)曲線與第類的相似，說明吸附劑表面上由多層吸附逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲劫|(zhì)的凝聚。,第類吸附等溫線在低壓下是凸的，表明吸附質(zhì)和吸附劑有相當(dāng)強(qiáng)的親和力。同時(shí)，低壓下形成單分子層，壓力增大時(shí)由多分子層吸附逐漸產(chǎn)生毛細(xì)管疑結(jié)，所以吸附急劇增大，直到吸附劑的毛細(xì)孔裝滿吸附質(zhì)，吸附量不再增加而達(dá)到飽和。,第類吸附等溫線低壓時(shí)是凹的，與第類相似，隨壓力增大，也發(fā)生多分子層吸附和毛細(xì)管凝聚。與第類等溫線的高壓部分相似。第類和第類等溫線反映了多孔性吸附劑的孔結(jié)構(gòu)特性。,吸附等溫方程,Langmuir方程式： 假設(shè)：動(dòng)態(tài)平衡,吸附能力來自力場(chǎng)的不飽和。吸附質(zhì)分子只能碰撞到吸附劑的空白表面上才能被吸附，如果碰到已吸附分子的表面上則發(fā)生彈性反射。這說明吸附劑表面的分子只能形成單分子層。,氣相分子碰撞到吸附劑表面并被吸附的幾率在整個(gè)表面是樣的，即整個(gè)表面的能量是均勻的。,吸附分子離開表面回到氣相的幾率與表面上相鄰點(diǎn)是否被占據(jù)無關(guān)，這說明吸附質(zhì)分子間作用力是可以忽略的。,吸附等溫方程, BET吸附等溫方程,1）第一層吸附條件與Langmuir相同。即第一層是吸附質(zhì)分子和吸附劑表面直接借吸附力而結(jié)合到表面上。 2）第二層以上的吸附熱等于吸附質(zhì)的液化熱。氣體分子碰到被吸附分子上，由于吸附質(zhì)分子間存在范氏引力也有被吸附的可能，所以吸附是多分子層的。這樣第二層以上的吸附力都是與蒸氣分子的凝聚力相同的，因此除了第一層的吸附熱有特殊值外，其余各層的吸附熱都是吸附熱的凝聚熱，因而都是相等的。 3）在各層的水平方向上，吸附分子間沒有相互作用力。 4）如果壓力接近相應(yīng)溫度下氣體的飽和蒸氣壓時(shí)，吸附量為無窮大。, Freundlich經(jīng)驗(yàn)式,吸附速度,吸附過程可分成如下幾個(gè)步驟來描述： 1）外擴(kuò)散，即吸附質(zhì)分子從氣流主體到達(dá)吸附劑外表面的擴(kuò)散； 2）內(nèi)擴(kuò)散，即吸附質(zhì)分子沿著吸附劑內(nèi)部孔道擴(kuò)散至發(fā)生吸附的內(nèi)表面的擴(kuò)散； 3）到達(dá)內(nèi)表面的吸附質(zhì)被吸附劑吸附，并逐漸形成吸附與脫附的動(dòng)態(tài)平衡。 對(duì)于在固體表面上有化學(xué)反府的化學(xué)吸附來說，在第三步之后還有化學(xué)反應(yīng)一步。 脫附的吸附質(zhì)再經(jīng)內(nèi)、外擴(kuò)散到達(dá)氣相主體。,以上幾個(gè)步驟都不同程度地影響著吸附速率，總吸附速率是幾個(gè)步驟綜合的結(jié)果，其中阻力最大的一步(即速率最小的一步)限制了總速率的大小，成為控制步驟。,廢水的吸附凈化原理,吸附動(dòng)力：1）溶質(zhì)對(duì)水的疏水特性；2）溶質(zhì)對(duì)固體顆粒的高度親和力。 吸附類型：1）交換吸附；2）物理吸附；3）化學(xué)吸附。 吸附平衡與等溫方程：,吸附量：,Freundlich 吸附等溫式,BET 吸附等溫式,廢水的吸附凈化原理,影響吸附過程的主要因素: 使固體界面自由焓降低最多者易被吸附 溶質(zhì)的性質(zhì):溶解度越小越容易被吸附 極性對(duì)應(yīng)者易被吸附 溫度的影響：,氣態(tài)污染物的吸收凈化,吸收平衡 氣液平衡 相平衡與化學(xué)平衡,亨利定律,氣（g）,液（l）, 被吸收組分在溶液中離解, 被吸收組分與溶劑相互作用, 被吸收組分與溶劑中活性組分作用,CA=,?,吸收劑的選擇及富液的處理,吸收劑選擇標(biāo)準(zhǔn)：良好的選擇性；較大的吸收能力；較低的蒸氣壓，不易起泡；較好的熱化學(xué)穩(wěn)定性好；粘度低；腐蝕性小；價(jià)廉易得 常用吸收劑： 水 堿金屬鈉、鉀、銨或堿土金屬鈣、鎂等的溶液 富液：吸收了氣態(tài)污染物后的吸收液 富液的處理：避免二次污染；吸收劑再生；廢物資源化 廢氣吸收凈化 堿性硫酸鋁石膏法：吸收 氧化 中和 回收 亞硫酸銨吸收NOX物,揮發(fā)性污染物的吹脫凈化,解吸：將溶解氣體從液體中分離山來的過程，是吸收的相反過程。 吹脫：溶液中解吸出來的氣體從液體中向氣體中的擴(kuò)散過程中受到液膜與氣膜的阻力，利用惰性氣體將解吸出來的氣體帶走的操作稱為吹脫。 吹脫凈化：在污染控制中采用吹脫的方法從污染廢水中把一些揮發(fā)性的污染物轉(zhuǎn)移到空氣中的過程。吹脫時(shí)常用的惰性氣體為空氣。,泡沫吸附凈化法,原理：泡沫分離是以氣泡為介質(zhì)，利用組分的表面活性差進(jìn)行分離的一種分離方法。通過向溶液鼓泡并形成泡沫層，使表面活性物質(zhì)聚集在泡沫內(nèi)；再將此泡沫層與液相主體分離，達(dá)到濃縮表面活性物質(zhì)或凈化液相主體的目的。 作用：被濃縮的物質(zhì)包括表面活性物質(zhì)，或者是與表面活性物質(zhì)相結(jié)合的任何溶質(zhì)，如礦石顆粒、沉淀顆粒、陰離子、陽離子、染料、蛋白質(zhì)、酶、病毒、細(xì)菌或某些有機(jī)物等。,表面張力與表面吸附,泡沫分離過程是利用待分離物質(zhì)本身具有表面活性(如表面活性劑)或能與表面活性劑通過化學(xué)的、物理的力結(jié)合在一起(如金屬離子、有機(jī)化合物、蛋白質(zhì)和酶等)，在鼓泡塔中被吸附在氣泡表面，得以富集，藉氣泡上升帶出溶劑主體，達(dá)到凈化主體液、濃縮待分離物質(zhì)的目的。可見它的分離作用主要取決于組分在氣液界面上吸附的選擇性和程度，其本質(zhì)是各種物質(zhì)在溶液中表面活性的差異。 表面張力：垂直作用在液體表面任何線段單位上的力(指向表面內(nèi)部的力)，其單位為Nm1(或mNm1)。,分子在液相表面和內(nèi)部所受作用力示意圖,在一定的溫度與壓力下，對(duì)一定的液體來說，擴(kuò)展表面所消耗的表面功W應(yīng)與增加的表面積dA成正比。若以表示比例系數(shù)，則:,根據(jù)熱力學(xué)原理，在等溫等壓可逆的條件下:,可看作為等溫、等壓、物質(zhì)的量不變的可逆條件下，每增加單位表面積時(shí)引起自由焓的變化，因此稱為表面自由焓。其單位為Jm-2,影響表面張力的主要因素： 界面組成 液體、固體表面張力的大小與分子間相互作用力的強(qiáng)弱程度有關(guān) 。分子間的相互作用力越強(qiáng)，表面張力也越大。兩種液體間的界面張力通常在這兩種純液體的表面張力之間。 溫度升高溫度時(shí)，一般液體的表面張力都會(huì)降低。因?yàn)闇囟壬邥r(shí)液體分子間引力減小，而作為界面另一相的該液體的飽和蒸汽密度增大，兩相的差異縮小，所以表面張力降低。由此推知，溫度升到該液體的臨界溫度時(shí)，表面張力將變?yōu)榱悖ń缑嫦В?壓力考慮壓力對(duì)表面自由能的影響,在溫度與表面面積保持不變的情況下，增加壓力會(huì)使表面張力增大。但實(shí)際上增大壓力必須引入另一組分的氣體，這種氣體的性質(zhì)將明顯影響到液體的表面張力。大多數(shù)情況下隨壓力的增加，氣體密度加大、液相中溶解氣體增多等因素都會(huì)導(dǎo)致表面張力下降。,溶液的表面張力和溶質(zhì)的吸附,表面非活性物質(zhì)：溶于水中能使表面張力增大的物質(zhì)，無機(jī)鹽、蔗糖、甘油等； 表面活性物質(zhì)：溶于水中能使表面張力下降的物質(zhì)，如醇、醛、酸等絕大部分有機(jī)化合物,1）使水，即溶液的l水，表面非活性物質(zhì)。為使體系表面張力趨于最低，溶質(zhì)分子將自動(dòng)濃集于溶液內(nèi)部，所以C內(nèi)C表，這叫負(fù)吸附。,2）使水，即l水，表面活性劑。 低級(jí)脂肪酸、醇、醛等屬于此類類。 3）高級(jí)脂肪酸、肥皂、合成洗滌劑等屬于此類。 與1類相反，表面活性劑會(huì)自動(dòng)濃集于溶液表面，使C內(nèi)C表，所以又叫正吸附。,吉布斯吸附方程,Gibbs吸附等溫式闡述了溶質(zhì)在界面層的濃度如何改變?nèi)芤旱谋砻鎻埩Α?為溶質(zhì)的吸附量，即相應(yīng)于相同量的溶劑時(shí)表面層中單位面積上溶質(zhì)的量比溶液內(nèi)部多出的量，也稱之為表面過剩，單位為mol.m-2。,Gibbs方程的物理意義是： 若一種溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力，即突d/dc 0，則0，即溶質(zhì)在表面層的濃度大于內(nèi)部，為正吸附現(xiàn)象； 反之，若溶質(zhì)能增大溶劑的表面張力，即d/dc 0，則o，即溶質(zhì)在表面層的濃度小于溶液內(nèi)部，為負(fù)吸附現(xiàn)象。,潤(rùn)濕與浮選,液體在固體表面上的輔展現(xiàn)象稱為潤(rùn)濕。,young方程，潤(rùn)濕方程,潤(rùn)濕與浮選,浮選是基于固體-液體-氣體三相界面上的潤(rùn)濕和吸附的界面化學(xué)現(xiàn)象。浮選的依據(jù)，是各種物質(zhì)粒子與氣泡粘附的選擇世，這種選樣性又是根據(jù)物質(zhì)、水、氣泡和相界面的物理化學(xué)特性來決定的。這種選擇性還可以通過添加浮選劑加以改變。,肥皂的親油基和親水基示意圖,表面活性劑分子在油（空氣）水界面上的排列示意圖,表面活性劑的分類,表面活性劑的分類方法很多，從表面活性劑的應(yīng)用功能出發(fā)，可將表面活性劑分為乳化劑、洗滌劑、起泡劑、潤(rùn)滑劑、鋪展劑、增溶劑等等。 (1) 陰離子型：例如，硬脂酸鈉 CH3(CH2)16COO- Na+ 、十二烷基苯磺酸鈉CH3(CH2)11C6H4SO3- Na+ (2)陽離子型：例如，月桂胺基三甲胺 CH3(CH2)11NH3+Cl- 及 溴代十六烷基三甲胺 CH3(CH2)15N+ (CH3)3Br - (3)兩性型：例如，十二烷基二甲基甜菜堿 C12H25N+ (CH3)2CH2COO -。 (4)非離子型表面活性劑：表面活性劑溶于水后不能電離的，例如，聚氧乙烯類C12H25O(CH2CH2O)nH。 (5)孿連表面活性劑：新一代高活性表面活性劑，例如，,2.4 溶劑萃取分離,溶劑萃取/液液萃取：利用基本上不相混溶的兩個(gè)液相進(jìn)行分離，把所需要的物質(zhì)從一個(gè)液相轉(zhuǎn)移到另一個(gè)液相的過程。 可分為物理萃取和化學(xué)萃取。 萃取平衡： 在萃取過程中，當(dāng)被萃取物在單位時(shí)間內(nèi)從水相轉(zhuǎn)入有機(jī)相的量與由有機(jī)相轉(zhuǎn)入水相的量相等時(shí)，在該條件下萃取體系處于暫時(shí)的相對(duì)平衡。如果條件改變，原來的萃取平衡就會(huì)被破壞，隨著新條件的產(chǎn)生，發(fā)生平衡移動(dòng)，從而建立新的平衡。 分配定律：在一定溫度下，當(dāng)某一溶質(zhì)在兩種互不相混溶的溶劑中分配達(dá)到平衡時(shí)，則該溶質(zhì)在兩相中的濃度之比為一常數(shù)（分配常數(shù)K）。,萃取化學(xué)基本概念,分配定律適用條件：僅適用于理想溶液的萃取體系 被萃取物濃度低 溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生化學(xué)作用 溶質(zhì)在兩相中分子形式相同 分配比/分配系數(shù)D：被萃取物在兩相中的總濃度之比，,分配比D表示萃取體系達(dá)到平衡后，被萃取物在兩相的實(shí)際分配情況，也表示在一定條件下被萃取劑萃取的能力。D值愈大，則被萃物在有機(jī)相中的濃度愈大，也表示萃取比較完全。,萃取化學(xué)基本概念,萃取率E：表示一種萃取劑對(duì)某種被萃物的萃取能力，是被萃物質(zhì)在有機(jī)相中的量與在原始水相中總量的百分比。,萃取化學(xué)基本概念,分離系數(shù)：是指相同條件下兩種被分離物質(zhì)在同一萃取體系內(nèi)分配比的比值。,萃合常數(shù)Kex：萃取過程化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)。,萃取化學(xué)基本概念,萃取劑的性質(zhì): (1)具有一個(gè)或幾個(gè)萃取功能基，通過此功能基與金屬離子配合而形成萃合物。常見的功能基是氧、氮、硫與磷四種原子它們的共同特點(diǎn)是具有末配對(duì)的孤對(duì)電子。,(2)易溶于有機(jī)溶劑而難溶于水。,(3)有良好的選擇性，只萃取某些元素而對(duì)其他元素則萃取能力很差或不萃取。,(4)有很大的萃取容量，即單位體積的萃取劑能萃取大量的被萃物。,此外，萃取劑還應(yīng)滿足粘度低、沸點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所形成的萃合物易反萃、無毒等要求。,萃取化學(xué)基本概念,萃取劑類型：,(1)中性配合萃取劑：萃取劑是中性有機(jī)化合物,(2)酸性配合萃取劑或螯合萃取劑：萃取劑是有機(jī)弱酸HA，被萃物是金屬陽離子Mn+，兩者結(jié)合生成整合物MAn而被萃取,(3)離子締合萃取劑：萃取劑是佯鹽或銨鹽等，當(dāng)溶于有機(jī)溶劑時(shí)呈離子型化合物,污染控制過程中常用萃取體系,根據(jù)徐光究提出的萃取機(jī)理或萃取過程中生成的萃合物的性質(zhì)分類法，將萃取體系分為 1）簡(jiǎn)單分子萃取 2）中性配合萃取 3）螯合萃取 4）離子締合萃取 5）協(xié)同萃取 6）高溫萃取,2.5 離子交換處理,6.2.1 離子交換基本反應(yīng),1、強(qiáng)酸型陽離子交換劑,2、弱酸性陽離子交換劑,3、強(qiáng)堿性陰離子交換劑,4、弱堿性陰離于交換劑,離子交換平衡,離子交換反應(yīng)機(jī)理,固定中性層、固定離子層、可動(dòng)離子層 復(fù)雜過程的5個(gè)階段： 溶液中離子向樹脂表面擴(kuò)散； 離子進(jìn)入樹脂顆粒內(nèi)的交聯(lián)網(wǎng)孔，進(jìn)行擴(kuò)散； 離子與樹脂內(nèi)交聯(lián)基團(tuán)上的功能團(tuán)發(fā)生交換作用； 被交換下來的離子向樹脂表面擴(kuò)散； 被交換下來的離子在主體溶液小擴(kuò)散。,離子交換平衡,1、交換反應(yīng)的平衡常數(shù),選擇系數(shù),2、分配系數(shù),3、分離因子,膜分離技術(shù)是近三十多年來發(fā)展起來的高新技術(shù)，是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，亦是化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)。它與傳統(tǒng)的分離方法比較，具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)： 1.高效：由于膜具有選擇性，它能有選擇性地透過某些物質(zhì)，而阻擋另一些物質(zhì)的透過。選擇合適的膜，可以有效地進(jìn)行物質(zhì)的分離，提純和濃縮； 2.節(jié)能：多數(shù)膜分離過程在常溫下操作，被分離物質(zhì)不發(fā)生相變, 是一種低能耗，低成本的單元操作； 3.過程簡(jiǎn)單、容易操作和控制； 4.不污染環(huán)境。,由于這些優(yōu)點(diǎn)、使膜分離技術(shù)在短短的時(shí)間迅速發(fā)展起來，已廣泛有效地應(yīng)用于石油化工、生化制藥、醫(yī)療衛(wèi)生、冶金、電子、能源、輕工、紡織、食品、環(huán)保、航天、海運(yùn)、人民生活等領(lǐng)域，形成了獨(dú)立的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。目前，世界膜市場(chǎng)以每年遞增1430速度發(fā)展，它不僅自身形成了每年約百億美元的產(chǎn)值，而且有力地促進(jìn)了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展。特別是，它的應(yīng)用與節(jié)能、環(huán)境保護(hù)以及水資源的再生有密切的關(guān)系，因此在當(dāng)今世界上能源短缺、水荒和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，膜分離技術(shù)得到世界各國的普遍重視，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家投巨資立專項(xiàng)進(jìn)行開發(fā)研究，已取得在此領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。我國在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”以及863、973計(jì)劃中均列為重點(diǎn)項(xiàng)目，給予支持。,概述,2.6 膜分離技術(shù),膜分離技術(shù)簡(jiǎn)介 1.分離膜的種類：膜是膜技術(shù)的核心，膜材料的性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)膜分離性能起著決定性的影響。膜的種類很多，其中按材料分有高分子膜、金屬膜、無機(jī)膜。高分子膜用途最廣。 按結(jié)構(gòu)分有七類： (1)均質(zhì)膜或致密膜，為結(jié)構(gòu)均勻的致密薄膜。 (2)對(duì)稱微孔膜，平均孔徑為0.0210。按成膜方法不同，有三種類型的微孔膜，即核孔膜、控制拉伸膜和海綿狀結(jié)構(gòu)膜。 (3)非對(duì)稱膜。膜斷面為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，是工業(yè)上應(yīng)用最多的膜。 (4)復(fù)合膜。在多孔膜表面加涂另一種材料的致密復(fù)合層。 (5)離子交換膜 (6)荷電膜 (7)液膜、包括支撐液膜和乳狀液膜 按形狀分有平板膜、管式膜和中空纖維膜。,2.膜分離設(shè)備(組件) 板框式，結(jié)構(gòu)類似板框式壓濾機(jī)。 卷式，結(jié)構(gòu)類似出螺旋板換熱器。 管式，結(jié)構(gòu)類似列管式換熱器。 中空纖維式，結(jié)構(gòu)類似列管式換熱器，由幾千根甚至幾百萬根中空纖維組成。,3.膜分離過程 膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，當(dāng)膜兩側(cè)存在某種推動(dòng)力(如壓力差、濃度差、電位差、溫度差等)時(shí)，原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離，提純的目的。不同的膜過程使用不同的膜，推動(dòng)力也不同。目前已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的膜分離過程有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、滲析(D)、電滲析(ED)、氣體分離(GS)、滲透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等八種。,反滲透、超濾、微濾、電滲析這四大過程在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，已有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，形成了相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，有許多商品化的產(chǎn)品可供不同用途使用。 氣體分離和滲透汽化是正在發(fā)展中的技術(shù)。其中氣體分離相對(duì)較為成熟一些。目前已有工業(yè)規(guī)模的氣體分離體系是, 空氣中氧和氮的分離；合成氨廠中氨、氮、甲烷混合氣中氫的分離；天然氣中二氧化碳與甲烷的分離。滲透汽化是這些膜過程中唯一有相變的過程，在組件和過程設(shè)計(jì)中均有特殊的地方。它主要用于有機(jī)物水，水有機(jī)物，有機(jī)物有機(jī)物分離，是最有希望取代某些高能耗的精餾技術(shù)的膜過程。80年代中期進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。 除了以上八種已工業(yè)應(yīng)用的膜分離過程外，還有許多正在開發(fā)研究中的新膜過程，它們是膜萃取、膜蒸餾、雙極性膜電滲析、膜分相、膜吸收、膜反應(yīng)、膜控制釋放、膜生物傳感器等。這些膜過程目前尚處在小型試驗(yàn)和中試階段。,2.6.1 膜分離技術(shù)種類和原理,膜的特征與類型 膜:是指在一個(gè)流體相內(nèi)或兩個(gè)流體相之間存在的一薄層凝聚相物質(zhì)，它能把流體相分隔開來成為兩部分，并能在這兩部分之間傳質(zhì)。 膜性狀：具有滲透性和半滲透性，固態(tài)/液態(tài)，均相/非均相、對(duì)稱/非對(duì)稱，帶電/電中性(帶正電/負(fù)電)。存在于被分離的兩流體之間/附著于支撐體或載體的微孔隙上，膜的厚度應(yīng)很小。被膜分隔開的流體相物質(zhì)可以是液態(tài)/氣態(tài)。 膜特點(diǎn)：1、兩個(gè)界面分別與兩相流體接觸；2、具有選擇透過性。,膜分離過程,電 滲 析,電滲析基本原理,電 滲 析,陽離子交換膜,離子交換膜,陰離于交換膜,特殊離于交換膜,組成：基膜、離子交換基團(tuán),電 滲 析,離子交換膜的選擇性透過機(jī)理,電導(dǎo)過程,電滲析過程=電導(dǎo)過程+電解過程,膜的選擇透過性,膜的選擇透過性決定因子：離子種類、溶液濃度、制膜工藝等,電 滲 析,c,電 滲 析,電滲析技術(shù)在水處理中的應(yīng)用,反 滲 透,反滲透過程基本原理,半透膜:只透過溶劑而不適過溶質(zhì)的膜。,滲透現(xiàn)象在自然界是常見的,比如將一根黃瓜放入鹽水中,黃瓜就會(huì)因失水而變小。黃瓜中的水分子進(jìn)入鹽水溶液的過程就是滲透過程。,滲透：根據(jù)熱力學(xué)的理論，純水的化學(xué)位高于廢水的化學(xué)位，在恒溫恒壓下，純水自發(fā)地通過半透膜向廢水方向流動(dòng)的現(xiàn)象。 滲透壓：達(dá)到滲透平衡時(shí)，廢水一側(cè)的液面升到一定高度n，此即該廢水的滲透壓。,影響因子：溶液的種類、濃度和溫度，而與膜本身無關(guān)。,氫鍵理論：,在壓力作用下，溶劑水分子和醋酸纖維素高分子膜上的活化點(diǎn)羰基上的氧原子形成氫鍵，而原來與該羰基締合的“結(jié)合水”隨之離解下來(氫鍵斷開)。離解出來的水分子轉(zhuǎn)移到下一個(gè)活化點(diǎn)，再與碳基上的氧原子進(jìn)行締合，形成新的氫鍵，于是水分子通過一連串的氫鏈形成與斷開水分子依次從一個(gè)活化點(diǎn)移向另一個(gè)活化點(diǎn)，使水分子離開膜表面的致密活性層而進(jìn)入膜的多孔層。由于多孔層含有大量毛細(xì)管水，水分子能暢通地流出摸外。,優(yōu)先吸附毛細(xì)管流理論,半透膜有微孔，孔徑愈小，孔隙率愈高時(shí)膜的透水性能和截留性能愈好。水分子透過膜的現(xiàn)象，首先是膜對(duì)水分子優(yōu)先吸附在膜的表面，然后在膜的毛細(xì)管中通過。由于膜優(yōu)先吸附水面排斥溶質(zhì)，因此在膜的表面形成一層純水層，純水層的厚度約為l一2個(gè)水分子厚。因此，膜的選擇性取決于該膜的孔徑與膜面純水層厚度之間的關(guān)系。當(dāng)膜的孔徑徑為純水層厚度的兩倍，此時(shí)膜的選擇性高，水通量大，是最佳狀態(tài)。如果膜孔徑小于純水層兩倍，雖然具有高選擇性，但水通量相應(yīng)較?。蝗裟さ目讖酱笥诩兯畬雍穸鹊膬杀?，則選擇性降低，而且溶質(zhì)將會(huì)透過膜。,溶解擴(kuò)散理論、擴(kuò)散細(xì)孔流理論、自由體積理論,反滲透技術(shù)在環(huán)境工程上的應(yīng)用,(1)電鍍廢水,(2)含油廢水,(3)染色廢水,(4)放射性廢水,超濾和微濾技術(shù),超濾和微濾的原理,超濾和微濾機(jī)理：利用半透膜的膜孔對(duì)溶液中的懸浮微粒的篩分作用，以壓力差作為推動(dòng)力的膜分離過程。在介質(zhì)壓力作用下，小于孔徑的微粒隨溶劑一起運(yùn)過膜上的微孔，大于孔徑的微粒被截留。膜上微孔的尺寸與形狀決定了膜的分離性能。被截留的微粒子不能形成濾餅，仍以溶質(zhì)形式保留在濾余液中。,超濾和微濾用膜,超濾及微濾處理廢水,(1)電泳涂漆廢液處理,(2)含油廢水,(3)染色廢水,液膜分離,概述,液膜：液體表面活性劑膜的簡(jiǎn)稱，是很薄的一層液體，能夠把兩個(gè)組成不同而又互溶的溶液隔開，通過滲透分離一種或者一類物質(zhì)。,液膜溶液通常是由膜溶劑和表面活性劑所組成。 膜溶劑是成膜的基體物質(zhì)、具有一定的粘度，保持成膜所需的機(jī)械強(qiáng)度，以防膜破裂。 表面活性劑含有親水基和疏水基可以定向排列，用于穩(wěn)定膜形、固定油水分界面。 流動(dòng)載體負(fù)責(zé)指定溶質(zhì)或離子的選擇性遷移，它對(duì)分離指定溶質(zhì)或離子的選擇性和適量起決定性的作用。,液膜類型,液膜法處理廢水的機(jī)理,液膜法處理廢水的機(jī)理,流動(dòng)載體的類型及特性,液膜分離操作,制乳,接觸分離,沉降澄清,破乳,沉降、加熱、超聲、化學(xué)、離心、過濾、靜電等,液膜法在廢水處理中的應(yīng)用,液膜法脫酚,重金屬廢水處理,2.7 污染物的氧化還原處理,污染治理中常用的化學(xué)氧化法,空氣氧化法,利用空氣中的氧氣作氧化劑，使一些有機(jī)物和還原性物質(zhì)氧化的一種處理方法，可以使某些有機(jī)化合物完全氧化或使某些有機(jī)化合物部分破壞。,從上面的電位圖可以看出，在堿性溶液中E0減小，具有較強(qiáng)的還原能力。所以空氣氧化脫硫應(yīng)在堿性溶液中進(jìn)行。,各種硫的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)E0值如下,臭氧氧化法,(1)它是一種強(qiáng)氧化劑，能與水和廢水中存在的大多數(shù)有機(jī)化合物和微生物以及無機(jī)物迅速發(fā)生反應(yīng)； (2)處理后，臭氧及沉淀物不留在水中，不會(huì)給水留下嗅和味； (3)與氯一樣，不會(huì)生成氨的絡(luò)合物； (4)臭氧受水溫和pH的影響不像氯那樣大； (5)它是利用電能以空氣中的氧為原料制取的,空氣資源可以取之不盡。,臭氧的主要應(yīng)用范圍為： (1)脫色、嗅和味； (2)殺菌消毒； (3)除鐵、錳、酚和氰。,1臭氧的理化性質(zhì) 03是02的同素異形體，是一種具有特殊氣味的談紫色有毒氣體。沸點(diǎn)為119。臭氧在水中的溶解度主要取決于溫度。,2臭氧氧化的機(jī)理,在低pH值下，臭氧反應(yīng)是以溶解于水的臭氧本身為主要氧化劑， 在高pH值下，以臭氧氧化過程中生成的活性化學(xué)種HO.自由基為主要氧化劑。,低pH值,高pH值,3臭氧在廢水處理中的應(yīng)用,臭氧氧化法已廣泛地用于處理工業(yè)廢水和生活用水。,有機(jī)物,無機(jī)物,微生物,氯化氧化法,水和廢水處理中常用的氯系氧化劑主要有：液氯、次氯酸鈉、氧化氯和漂白粉等，其中以液氯應(yīng)用為主。,1、氯的理化性質(zhì),2、氯的水化學(xué),(1) 元素氯(Cl2),(2) 次氯酸鹽（次氯酸鈉、次氯酸鈣）,(3) 二氧化氯,二氧化氯是一種不穩(wěn)定氣體，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)制取。,廢水處理中選擇何種次氯酸鹽為好，主耍取決于以下因素： 有效氯量的價(jià)格、穩(wěn)定性、反應(yīng)產(chǎn)生的溶解性、操作條件、來源等。 例如，Ca(OCl)2可生成大量Ca(OH)2，CaCO3污泥，而NaOCl則不會(huì)。,3有效氯,各種含氯化合物的活性成分的相對(duì)含量大小，指含氯化合物中氧化數(shù)大于氯化物離子(氧化數(shù)為-1)的那部分氯。,4 氯化法在廢水處理中的應(yīng)用,(1) 氯化法除氰,(2) 紫外光照射并用氯氧化,(3)脫氯,活性炭吸附，在適宜pH條件下曝氣，投藥脫氯。曝氣脫氯效果很差，這是由于在堿性pH條件下，水中非揮發(fā)性次氯酸鹽占優(yōu)勢(shì),高錳酸鹽氧化法,1高錳酸鹽的性質(zhì),2高錳酸鹽的水化學(xué),高錳酸鹽氧化法的缺點(diǎn)是高錳酸鹽對(duì)魚類的毒性高(最大濃度約為5mg/l)，二氧化錳的最大濃度為認(rèn)3gL。高錳酸鉀的成本較高也常常限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用。,過氧化氫氧化法,Feton試劑：過氧化氫與亞鐵離子的組合。,類Feton試劑,還 原 法,常用的還原劑有SO2、硫化鈉、硫化氫、硫代硫酸鈾、亞硫酸鈉、硫酸亞鐵、NaBH4或甲醛等。,含鉻廢水的還原處理,1硫酸亞鐵鹽還原法,2亞硫酸鈉法處理含鉻廢水,還 原 法,8.3.2 化學(xué)還原法處理酸性鍍銅廢水,電解氧化還原法,1直接電解處理法,電解氧化含氰廢水,2間接電解處理法,電解氧化除酚,光化學(xué)氧化法,8.5.1 光氧化基本原理,光氧化作用：通過吸收光能，使有機(jī)物變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)分子，直