第六章 其他传质分离方法 学习目标学习目标 了解离子交换分离、气浮分离及电解分离等环境工程了解离子交换分离、气浮分离及电解分离等环境工程中常见的传质分离方法的基本概念，在环境工程中的应用。中常见的传质分离方法的基本概念，在环境工程中的应用。 掌握离子交换分离、气浮分离及电解分离的基本原理，掌握离子交换分离、气浮分离及电解分离的基本原理，各种常用设备选用。各种常用设备选用。第一节第一节 离子交换分离离子交换分离 离子交换分离是利用固相离子交换剂功能基团所带的可离子交换分离是利用固相离子交换剂功能基团所带的可交换离子，与接触交换剂的溶液中相同电性的离子进行交换交换离子，与接触交换剂的溶液中相同电性的离子进行交换反应，以达到粒子的置换、分离、去除、浓缩等目的。反应，以达到粒子的置换、分离、去除、浓缩等目的。 一、离子交换的基本原理一、离子交换的基本原理 离子交换剂离子交换剂 离子交换剂离子交换剂：离子交换树脂离子交换树脂 无机离子交换剂（如天然与合成沸石）无机离子交换剂（如天然与合成沸石） 天然有机交换剂（如磺化煤等）天然有机交换剂（如磺化煤等） 离子交换树脂的固体骨架多为苯乙烯和二乙烯苯的共聚离子交换树脂的固体骨架多为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，它具有三维交联结构物，它具有三维交联结构。 可可用化学反应的方法，将某些离子功能基团加到聚合物骨架上，用化学反应的方法，将某些离子功能基团加到聚合物骨架上，将其转变成具有离子交换性能的水溶胀性的凝胶。将其转变成具有离子交换性能的水溶胀性的凝胶。a-苯乙苯乙烯烯与二乙与二乙烯烯共聚物；共聚物； b-丙丙烯烯酸与二乙酸与二乙烯烯共聚物共聚物a-a-磺化；磺化；b-b-阳离子交换树脂中的固定离子与阳离子交换树脂中的固定离子与迁移离子示意；迁移离子示意；c-c-氯甲基化和氨基化氯甲基化和氨基化 离子交换平衡离子交换平衡 离子交换平衡规律的理论依据为质量作用定律离子交换平衡规律的理论依据为质量作用定律。 离子交换反应为离子交换反应为： 交交换换反反应应的平衡关系的平衡关系： K K - K - 离子交换平衡选择系数。离子交换平衡选择系数。 K K 值越大，吸着量越大，即溶液中的值越大，吸着量越大，即溶液中的 B Bn n+ + 离子的去除离子的去除率越高。根据率越高。根据K K值的大小，可以判断交换树脂选择性的强弱值的大小，可以判断交换树脂选择性的强弱。 强酸性阳离子交换树脂的选择系数强酸性阳离子交换树脂的选择系数离子种类二乙烯苯含量离子种类二乙烯苯含量48164816Li+H+Na+NH4+K+Rb+Cs+Ag+Tl+UO22+1.001.321.581.902.272.462.674.736.712.361.001.271.982.552.903.163.258.5112.42.451.001.472.373.344.504.624.6622.928.53.34Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+2.953.133.233.293.373.454.154.706.567.473.293.473.743.853.883.935.166.519.9111.53.513.783.814.464.954.067.2710.118.020.8 传质速率传质速率 在离子交换过程中，同样存在着两个主要的传质阻力在离子交换过程中，同样存在着两个主要的传质阻力： 离子交换剂粒子附近的边界层中产生的外部传质阻力离子交换剂粒子附近的边界层中产生的外部传质阻力。 是在粒子内部的扩散传质阻力。是在粒子内部的扩散传质阻力。 一般来说，溶液中交换离子的浓度很低时，外部传质是一般来说，溶液中交换离子的浓度很低时，外部传质是控制步骤，在分离因数或选择性系数很高时，倾向于外部扩控制步骤，在分离因数或选择性系数很高时，倾向于外部扩散控制散控制。 二、离子交换设备二、离子交换设备 最常用的离子交换设备最常用的离子交换设备： 1. 1.固定床固定床 - - 床层固定不变，水流由上而下流动床层固定不变，水流由上而下流动。 2. 2.移动床移动床 - - 交换设备主要由交换柱和再生柱两部交换设备主要由交换柱和再生柱两部分组成。分组成。 3. 3.流动床流动床 - - 交换树脂在连续移动中实现交换和再交换树脂在连续移动中实现交换和再生生。 三、离子交换技术的应用三、离子交换技术的应用 含汞污水的处理含汞污水的处理： 用用巯基树脂交换柱进行巯基树脂交换柱进行处理。处理。 含镉污水的处理含镉污水的处理： 用用D370D370大孔叔胺型弱碱性阴离子交换树脂来处理。大孔叔胺型弱碱性阴离子交换树脂来处理。 除磷脱氮除磷脱氮： 用离子交换法用离子交换法对对城市污水城市污水进行进行深度处理深度处理。第二节第二节 气浮分离气浮分离 气浮分离气浮分离 - 在污水中在污水中利用利用大量的微小气泡作为载体去大量的微小气泡作为载体去粘附疏水性悬浮固体和乳化油，使其随气泡浮升到水面，形粘附疏水性悬浮固体和乳化油，使其随气泡浮升到水面，形成泡沫层，然后用机械方法撇除成泡沫层，然后用机械方法撇除。 一、气浮分离原理一、气浮分离原理 空气空气、污水污水、污水中细小颗粒物质组成三相系统污水中细小颗粒物质组成三相系统，由于由于细小颗粒粘附到气泡上时，使气泡界面发生变化，引起界面细小颗粒粘附到气泡上时，使气泡界面发生变化，引起界面能的变化。能的变化。 E E0 0，界面能减少，颗粒粘附在气泡上；，界面能减少，颗粒粘附在气泡上； E E0 0，则颗粒不能粘附于气泡上，则颗粒不能粘附于气泡上，E E（1 1coscos）不同悬浮颗粒与水的润湿情况不同悬浮颗粒与水的润湿情况 二、气浮分离设备二、气浮分离设备气浮池气浮池气浮池结构气浮池结构 平流式气浮池的设计平流式气浮池的设计 接触室面接触室面积积Ac Ac 分离室表面分离室表面积积As As 核算核算 气浮池气浮池总总高高H（m） t t2020minmin H=h1+h2+h3 三三、气浮分离在环保工业中的应用气浮分离在环保工业中的应用 分离地面水中的细小悬浮物、藻类以及微絮体；分离地面水中的细小悬浮物、藻类以及微絮体； 回收工业污水中的有用物质，如造纸厂污水中的纸浆回收工业污水中的有用物质，如造纸厂污水中的纸浆纤维及填料等；纤维及填料等； 代替二次沉淀池，分离和浓缩剩余活性污泥，特别适代替二次沉淀池，分离和浓缩剩余活性污泥，特别适用于那些易于产生污泥膨胀的生化处理工艺中；用于那些易于产生污泥膨胀的生化处理工艺中； 分离回收油污水中的悬浮油和乳化油；分离回收油污水中的悬浮油和乳化油； 分离回收以分子或离子状态存在的目的物，如表面活分离回收以分子或离子状态存在的目的物，如表面活性剂和金属离子等。性剂和金属离子等。第三节第三节 电解分离技术电解分离技术 一、电解分离原理一、电解分离原理 接通直流电源后，电解槽的阴极和阳极之间发生了电位接通直流电源后，电解槽的阴极和阳极之间发生了电位差，驱使正离子移向阴极，在阴极取得电子，进行还原反应；差，驱使正离子移向阴极，在阴极取得电子，进行还原反应；负离子移向阳极，在阳极放出电子，进行氧化反应。从而使负离子移向阳极，在阳极放出电子，进行氧化反应。从而使得污水中的污染物在阳极被氧化，在阴极被还原，或者与电得污水中的污染物在阳极被氧化，在阴极被还原，或者与电极反应产物作用，转化为无害成分被分离除去。极反应产物作用，转化为无害成分被分离除去。 二、电解设备二、电解设备电解槽电解槽电解槽的结构形式电解槽的结构形式电解槽极板电路结构形式电解槽极板电路结构形式 三、电解分离在环保工业中的应用三、电解分离在环保工业中的应用电解凝聚法对各类污水处理的工艺参数电解凝聚法对各类污水处理的工艺参数污污水来源水来源PH电电量消耗量消耗/(A.h/L)电电流密度流密度/(A.min/dm2)电电能消耗能消耗/(kW.h/m3)电电解解电压电压(单单极式极式)/V电电极金属消极金属消耗耗/(g/m3)电电极材极材料料极距极距/mm污污水水电电解解时间时间/min制革厂制革厂8-100.3-0.80.5-1.01.5-3.03-5250-700钢钢板板2020-25毛皮厂毛皮厂8-100.1-0.31-20.6-1.53-5150-200钢钢板板2020肉肉类类加工加工厂厂8-90.08-0.121.5-2.01.0-0.158-1270-110钢钢板板2040电镀电镀厂厂9-10.50.3-0.150.3-0.50.4-2.59-1245-150钢钢板板1020-30第四节第四节 生物处理技术生物处理技术 一一、好氧生物处理好氧生物处理 1. 1.活性污泥法活性污泥法 活性污泥法的基本原理活性污泥法的基本原理 生物吸附阶段生物吸附阶段 生物氧化阶段生物氧化阶段 絮凝体形成与凝聚沉淀阶段絮凝体形成与凝聚沉淀阶段 活性污泥法的基本流程活性污泥法的基本流程活性污泥法基本流程图活性污泥法基本流程图 曝气池装置曝气池装置 鼓风曝气式曝气池鼓风曝气式曝气池 机械曝气式曝气池机械曝气式曝气池机械曝气法装置简图机械曝气法装置简图 2. 2.生物膜法生物膜法 依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物。 基本原理基本原理生物膜对污水的净化作用生物膜对污水的净化作用 生物膜法设备生物膜法设备 生物滤池生物滤池 a. a.普通生物滤池普通生物滤池普通生物滤池构造图普通生物滤池构造图 b. b.高负荷生物滤池高负荷生物滤池高负荷生物滤池剖面图高负荷生物滤池剖面图 c. c.塔式生物滤池塔式生物滤池塔式生物滤池塔式生物滤池 生物转盘生物转盘生物转盘工作情况示意图生物转盘工作情况示意图 二二、厌氧生物处理厌氧生物处理 厌氧生物处理是在无氧的条件下，利用兼性菌和厌氧菌厌氧生物处理是在无氧的条件下，利用兼性菌和厌氧菌分解有机物的一种生物处理法。分解有机物的一种生物处理法。 1. 1.厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理 第一阶段第一阶段 - 酸性发酵阶段。酸性发酵阶段。 第二阶段第二阶段 - 碱性发酵阶段，又称作甲烷发酵阶段。碱性发酵阶段，又称作甲烷发酵阶段。厌氧处理的生化过程厌氧处理的生化过程 2. 2.常用的厌氧处理设备常用的厌氧处理设备 厌氧消化池厌氧消化池固定盖式消化池的构造图固定盖式消化池的构造图 上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器 三三、生物处理技术在环保中的应用生物处理技术在环保中的应用 生物法除磷生物法除磷 生物法除磷的基本类型生物法除磷的基本类型: : A/O A/O法（厌氧好氧法）法（厌氧好氧法） PhostripPhostrip除磷工艺流程除磷工艺流程 生物法脱氮生物法脱氮第五节第五节 其他新型分离技术其他新型分离技术n一、新型萃取技术新型萃取技术n超临界萃取 （supercritical fluid extraction） 以超临界流体为萃取剂，利用其对脂肪酸、植物以超临界流体为萃取剂，利用其对脂肪酸、植物碱、醚类、酮、甘油脂等物质具有溶解作用，从固碱、醚类、酮、甘油脂等物质具有溶解作用，从固态或液态混合物中将这些物质提取出来的技术。态或液态混合物中将这些物质提取出来的技术。n双水相萃取 （aqueous two-phase extraction） 某些亲水性高分子聚合物的水溶性超过一定浓度后某些亲水性高分子聚合物的水溶性超过一定浓度后可形成两相，利用待分离组分在两水相中的分配系可形成两相，利用待分离组分在两水相中的分配系数差异来分离的萃取技术。数差异来分离的萃取技术。第五节第五节 其他新型分离技术其他新型分离技术n凝胶萃取 （gel extraction） 利用凝胶在溶剂中的溶胀与收缩特性、以及凝胶网络对大分子、微粒利用凝胶在溶剂中的溶胀与收缩特性、以及凝胶网络对大分子、微粒等的排斥作用来实现溶液中特定组分分离与浓缩的技术。等的排斥作用来实现溶液中特定组分分离与浓缩的技术。 n膜基萃取 （membrane based extraction） 利用微孔膜的亲水或疏水性，使萃取剂与萃取液的两相传质界面固定利用微孔膜的亲水或疏水性，使萃取剂与萃取液的两相传质界面固定在膜的一侧表面上，来实现萃取的一种新技术在膜的一侧表面上，来实现萃取的一种新技术 n支撑液膜萃取 （support liquid membrane extraction） 支撑液膜孔内充满膜溶剂，将料液相与反萃相分隔，实现渗透溶质的选支撑液膜孔内充满膜溶剂，将料液相与反萃相分隔，实现渗透溶质的选择性萃取回收或去除的分离技术。择性萃取回收或去除的分离技术。反相胶团萃取 二二-（3-乙基己基）琥珀酸酯磺酸钠（乙基己基）琥珀酸酯磺酸钠（AOT）二、基于场效应的分离技术二、基于场效应的分离技术n重力场、压力场、离心力场分离 利用外加力场的作用，使混合物中各组分本身特征带利用外加力场的作用，使混合物中各组分本身特征带来其在场内运动的特性差异，由此来达到分离的技术。来其在场内运动的特性差异，由此来达到分离的技术。n磁场分离 利用不同物质在磁场中具有不同磁性的特点来分离利用不同物质在磁场中具有不同磁性的特点来分离混合物的技术混合物的技术。力场中速度差分离原理与改进力场中速度差分离原理与改进重力场的能源成本为零重力场的能源成本为零n静电除尘 荷电粒子置于电场时会向着与其电荷相反方向移动，利用荷电粒子荷电粒子置于电场时会向着与其电荷相反方向移动，利用荷电粒子的移动速度及方向差异来进行分离的技术。的移动速度及方向差异来进行分离的技术。n电泳 利用分子大小、荷电性与荷电量、以及溶液的酸碱度（利用分子大小、荷电性与荷电量、以及溶液的酸碱度（pHpH）等的差）等的差异。异。n双极膜水解离 利用阴、阳离子膜复合而成的双极膜，在直流电场的作用下，使双利用阴、阳离子膜复合而成的双极膜，在直流电场的作用下，使双极膜间的水解离并使极膜间的水解离并使OHOH 和和H H分别透过阴、阳膜来实现酸或碱回收、分别透过阴、阳膜来实现酸或碱回收、食盐的电解等。食盐的电解等。三、电泳分离技术n指带电粒子在电场中朝与自身带相反电荷的电极移动的现象CATHODEANODE+-+用支持体的电泳技术1. 滤纸电泳2.醋酸纤维薄膜电泳3.薄层电泳4.非凝胶性支持体区带电泳 （ 淀粉，纤维素粉，玻璃粉，硅胶等 ） 5.凝胶支持体区带电泳 （ 聚丙烯酰胺凝胶，琼脂糖凝胶 ） 不用支持体的电泳技术 Tiselius或微量电泳 操作形式：1. 区带电泳2.等速电泳3.等电点电泳电泳形式分类四、平板型电场除尘技术双极膜结构示意图双极膜电渗析过程示意图五、光催化反应净化空气六、耦合与集成分离技术六、耦合与集成分离技术n将反应与分离、或分离与分离两种或两种以上的单元将反应与分离、或分离与分离两种或两种以上的单元操作耦合或结合在一起，并用于工业分离的过程称为操作耦合或结合在一起，并用于工业分离的过程称为集成过程集成过程（integrated process），或杂化过程），或杂化过程（Hybrid process）。n集成过程的最大特点：为实现物料与能量消耗的最小集成过程的最大特点：为实现物料与能量消耗的最小化、工艺过程效率的最大化，或为达到清洁生产的目化、工艺过程效率的最大化，或为达到清洁生产的目的，或为实现混合物的最优分离和获得最佳的产物浓的，或为实现混合物的最优分离和获得最佳的产物浓度。度。 耦合与集成技术耦合与集成技术1.传统单元操作间的集成传统单元操作间的集成2.反应分离的耦合与集成反应分离的耦合与集成