第十章其他相轉移分離法第一節吹脫、氣提法第二節萃取法第三節蒸發法第四節結晶法第一節吹脫、氣提法

吹脫和汽提都屬于氣-液相轉移分離法。即將氣體(載氣)通入廢水中，使之相互充分接觸，使廢水中的溶解氣體和易揮發的溶質穿過氣液界面，向氣相轉移，從而達到脫除污染物的目的。常用空氣或水蒸氣作載氣，習慣上把前者稱為吹脫法，后者稱為汽提法。

一、吹脫法

吹脫法的基本原理是氣液相平衡相傳質速度理論。在氣液兩相系統中，溶質氣體在氣相中的分壓與該氣體在液相中的濃度成正比。當該組分的氣相分壓低于其溶液中該組分濃度對應的氣相平衡分壓時，就會發生溶質組分從液相向氣相的傳質。

吹脫設備一般包括吹脫池(也稱曝氣池)和吹脫塔。前者占地面積較大，而且易污染大氣，對有毒氣體常用塔式設備。

1．吹脫池

依靠池面液體與空氣自然接觸而脫除溶解氣體的吹脫池稱自然吹脫池，它適用于溶解氣體極易揮發，水溫較高，風速較大，有開闊地段和不產生二次污染的場合。

此類吹脫池也兼作貯水池，其吹脫效果按下式計算：

式中t————廢水停留(吹脫)時間，min；

c1、c2——分別為氣體初始濃度和經過t后的剩余濃度，mg/L；

h————水層深度，mm；

D————氣體在水中的擴散系數，cm2/min。為強化吹脫過程，通常向池內鼓入空氣或在池面以上安裝噴水管，構成強化吹脫池。其吹脫效果按下式計算2．吹脫塔為提高吹脫效率，回收有用氣體，防止二次污染，常采用填料塔、板式塔等高效氣液分離設備。

填料塔的主要特征是在塔內裝置一定高度的填料層，廢水從塔頂噴下，沿填料表面呈薄膜狀向下流動。空氣由塔底鼓入，呈連續相由下而上同廢水逆流接觸。塔內氣相和水相組成沿塔高連續變化，系統如圖10-2所示。

板式塔的主要特征是在塔內裝置一定數量的塔板，廢水水平流過塔板，經降液管流入下一層塔板。空氣以鼓泡或噴射方式穿過板上水層，相互接觸傳質。塔內氣相和水相組成沿塔高呈階梯變化。泡罩塔和浮閥塔的構造示意見圖10-3。

吹脫塔的設計計算同吸收塔相仿，單位時間吹脫的氣體量，正比于氣液兩相的濃度差(或分壓差)和兩相接觸面積，即

式中G——單位時間內由水中吹脫的氣體量，

Q——廢水流量，m3/h；

c0、c——分別為原水和出水中的氣體濃度，mg/L；

Δc——吹脫過程的平均推動力，近似取c0和c的對數平均值；

A——氣液兩相接觸面積，m2，由填料體積和特性參數確定；

K——吹脫系數，與氣體性質，溫度等因素有關，m/h。

吹脫不同氣體時的k值不同從廢水中吹脫出來的氣體，可以經過吸收或吸附回收利用。

在吹脫過程中，影響因素很多，主要有以下幾點。

(1)溫度在一定壓力下，氣體在水中的溶解度隨溫度升高而降低，因此，升濕對吹脫有利。

(2)氣水比空氣量過小，氣液兩相接觸不夠；空氣量過大，不僅不經濟，還會發生液泛，使廢水被氣流帶走，破壞操作。為使傳質效率較高，工程上常采用液泛時的極限氣水比的80％作為設計氣水比。

(3)pH值在不同pH值條件下，氣體的存在狀態不同。

二、汽提法

汽提法用以脫除廢水中揮發性溶解物質。其實質是廢水與水蒸氣直接接觸，使其中的揮發性物質按一定比例擴散到氣相中去，從而達到從廢水中分離污染物的目的。單位體積廢水所需蒸汽量稱為汽水比，用V0表示。假定在廢水進口處氣液兩相傳質已達平衡，可得如下關系：

(10—7)(10—8)

式中，k為汽液平衡時溶質在蒸汽冷凝液與廢水中的濃度之比，或稱分配系數。1．含酚廢水處理廢水經換熱器預熱至1OO℃后，由汽提塔的頂部淋下，在汽提段內與上升的蒸汽逆流接觸，在填料層中或塔板上進行傳質。凈化的廢水通過預熱器排走。含酚蒸汽用鼓風機送到再生段，相繼與循環堿液和新堿液(含NaOH10%)接觸，經化學吸收生成酚鈉鹽回收其中的酚，凈化后的蒸汽進入汽提段循環使用。堿液循環在于提高酚鈉鹽的濃度，待飽和后排出，用離心法分離酚鈉鹽晶體，加以回收。

2．含硫廢水處理處理流程如圖10-5所示。含硫廢水經隔油、預熱后從頂部進入汽提塔，蒸汽則從底部進入。在蒸汽上升過程中，不斷帶走H2S和NH3。脫硫后的廢水，利用其余熱預熱進水，然后送出進行后續處理。從塔頂排出的含H2S及NH3的蒸汽，經冷凝后回流至汽提塔中，不冷凝的H2S和NH3，進入回收系統，制取硫磺或硫化鈉。

國外某公司采用兩段汽提法處理含硫廢水，工藝流程如圖10-6所示。

國內也有多家煉油廠采用類似的雙塔汽提流程處理含硫廢水，將含H2S290～2170mg／L，含NH3365～1300mg/L的原廢水凈化至含H2S0.95～12mg/L，含NH344～55mg/L。運轉表明，該系統操作方便，能耗低。

第二節萃取法概述萃取劑萃取工藝設備萃取法應用舉例一、概述向廢水中投加一種與水互不相溶、但能良好溶解污染物的溶劑，使大部分污染物轉移到溶劑相。然后分離廢水和溶劑，即可使廢水得到凈化。若再將溶劑與其中的污染物分離，即可使溶劑再生，而分離的污染物可回收利用，這種分離工藝稱為萃取。萃取過程達到平衡時，污染物在萃取相中的濃度cs與在萃余相中的濃度ce之比稱為分配系數Ex，即

(10-9)實驗表明，分配系數不是常數，隨物系、溫度和濃度的變化而異。對實際廢水處理，分配定律具有如下曲線形式：(10-10)

液-液萃取過程的推動力是實際濃度與平衡濃度之差。要提高萃取速度和設備生產能力，其途徑如下：

1）增大兩相接觸界面積。通常使萃取劑以小液滴的形式分散到廢水中去，傳質表面積將會增大?？梢酝ㄟ^攪拌或脈沖裝置來達到適當分散的目的。

2）增大傳質系數。在萃取設備中，通過分散相的液滴反復地破碎和聚集，或強化液相的湍動程度，使傳質系數增大。但是應預先除去表面活性物質和某些固體雜質。

3）增大傳質推動力。采用逆流操作，整個萃取系統可維持較大的推動力，既能提高萃取相中溶質濃度，又可降低萃余相中的溶質濃度。萃取法目前僅適用于為數不多的幾種有機廢水和個別重金屬廢水的處理。

二、萃取劑萃取的效果和所需的費用主要取決于所用的萃取劑。選擇萃取劑時主要考慮以下幾點：①萃取能力大，即分配系數要大。②分離性能好，萃取過程中不乳化、不隨水流失，要求粘度小，與廢水比重差大，表面張力適中。③化學穩定性好，難燃爆，毒性小，腐蝕性低，閃點高凝固點低，蒸汽壓小，便于室溫下貯存和使用。④來源較廣，價格便宜。⑤容易再生和回收溶質。將萃取相分離，可同時回收溶劑和溶質，具有重大的經濟意義。萃取劑再生的方法：①物理法(蒸餾或蒸發)

當萃取相中各組分沸點相差較大時，最宜采用蒸餾法分離。根據分離目的，可采用簡單蒸餾或精餾，設備以浮閥塔效果較好。②化學法投加某種化學藥劑使其與溶質形成不溶于溶劑的鹽類。例如，用堿液反萃取萃取相中的酚，形成酚鈉鹽結晶析出，從而達到二者分離的目的?；瘜W再生法使用的設備有離心萃取機和板式塔。兩種高效脫酚萃取劑。

1．N，N-二甲基庚基乙酰胺(商品名為N-503)2．803#液體樹脂

三、萃取工藝設備萃取工藝包括混合、分離和回收三個主要工序。連續逆流萃取設備常用的有填料塔、篩板塔、脈沖塔、轉盤塔和離心萃取機。

1．往復葉片式脈沖篩板塔往復葉片式脈沖篩板塔分為三段廢水與萃取劑在塔中逆流接觸。在萃取段內有一縱軸，由塔頂的偏心輪裝置帶動，作上下往復運動。上下兩分離段斷面較大，輕、重兩液相靠密度差在此段平穩分層，輕液(萃取相)由塔頂流出，重液(萃余相)則由塔底流出。2．轉盤萃取塔轉盤萃取塔的構造示意圖見圖20-8。在中部舉取段的塔壁上安裝有一組等間距的固定環形擋板，構成多個萃取單元。在每一對環形擋板的中間位置，均有一塊固定在中心旋轉軸上的圓盤。廢水和萃取劑分別從塔上、下部切線引入，逆流接觸。在圓盤的轉動作用下，液體被剪切分散，其液滴的大小同圓盤直徑與轉速有關。調整轉速，可以得到最佳的萃取條件。

轉盤塔主要效率參數為：塔徑與盤徑之比為1.3～1.6，塔徑與環形板內徑之比為1.3～1.6；塔徑與盤間距之比為2～8。3．離心萃取機離心萃取機的外形為圓形臥式轉鼓，轉鼓內有許多層同心圓筒，每層都有許多孔口相通。輕液由外層的同心圓筒進入，重液由內層的圓筒進入。轉鼓高速旋轉(1500～5000r/min)產生離心力，使重液由里向外，輕液由外向里流動，進行連續的逆流接觸，最后由外層排出萃余相，由內層排出萃取相。萃取劑的再生(反萃)也同樣可用離心萃取機完成。萃取設備的計算主要是確定塔徑和塔高，塔徑取決于操作流速。

四、萃取法應用舉例1．萃取法處理含酚廢水焦化廠、煤氣廠、石油化工廠排出的廢水中常含有較高濃度的酚（1000-3000mg/L）。為了回收酚，常用萃取法處理這類廢水。

某焦化廠廢水萃取脫酚流程如圖10-9所示。廢水先經除油、澄清和降溫預處理后進入脈沖篩板塔，由塔底供入二甲苯（萃取劑）。萃取相送入三段串聯逆流堿洗塔再生。堿洗塔采用篩板塔。再生后萃取相循環使用。

第三節蒸發法蒸發原理蒸發設備蒸發法應用舉例一、蒸發原理蒸發法處理廢水的實質是加熱廢水，使水分子大量氣化，得到濃縮的廢液以便進一步回收利用；水蒸氣冷凝后又可獲得純水。廢水進行蒸發處理時，既有傳熱過程，又有傳質過程。圖10-10為蒸發過程衡算圖．圖中采用蒸汽夾套加熱度水，使之沸騰蒸發。根據蒸發前后溶質總量不變的物料衡算原理，得如下關系式：:

(10-11)

由此得濃縮液的溶質濃度為

(10-12)

對于含非揮發溶質的廢水，S1很小，可忽略，故有

(10—13)

式中α為原廢水量與濃縮液量之比，稱為濃縮倍數。由上式知，濃縮倍數愈大，濃縮液的濃度愈高。欲獲得濃度為B1的濃縮液，需蒸發的水量為

(10-14)

根據熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量的熱量傷算原理，得

(10-15)

式中r’——一次加熱蒸汽的冷凝熱，kJ/kg；

cP——廢水的比熱容，kJ/kg·K；

tb——廢水的沸點，K；

r——二次蒸汽凝結水的汽化熱,kJ/kg。

廢水在進入蒸發器前，如將其加熱到沸點，即tb=t0，則

(10—16)式中D0/W為蒸發1kg水所需的一次蒸汽量，其值與r和r’有關。

為了減少一次蒸汽耗量，降低操作費用，常采用多效蒸發工藝。即將幾個蒸發器串聯起來，第一級蒸發產生的二次蒸汽作為第二級蒸發器的熱源，第二級的二次蒸汽作為第三級的熱源，依次類推。

二、蒸發設備

1．列管式蒸發器列管式蒸發器由加熱室和蒸發室構成。分自然循環式和強制循環式兩種。自然循環豎管式蒸發器加熱室內有一組直立加熱管，管內為廢水，管外為加熱蒸汽。經加熱沸騰的水汽混合液上升到蒸發室后便進行水汽分離。蒸汽經捕沫器截留液滴后，從蒸發室的頂部引出。廢水則沿中央循環管下降。再流入加熱管，不斷沸騰蒸發。

2．薄膜式蒸發器薄膜式蒸發器有長管式、旋流式和旋片式三種類型。其特點是廢水僅通過加熱管一次，不作循環，廢水在加熱管壁上形成一層很薄的水膜。蒸發速度快，傳熱效率高。

長管式薄膜蒸發器控水流方向又可分為升膜、降膜和升-降膜式三種。圖10-13為升膜式蒸發器。

旋流式薄膜蒸發器構造與旋風分離器類似．廢水從頂部的四個進口沿切線方向流進，由于速度很高，離心力很大，因而形成均勻的螺旋形薄膜，緊貼器壁流下。用高速旋轉葉片帶動廢水旋轉，則構成旋片式薄膜蒸發器。

3．浸沒燃燒蒸發器浸沒燃燒蒸發器是熱氣與廢水直接接觸式蒸發器，熱源為高溫煙氣。燃料和空氣在混合室1混合后，進入燃燒室2中點火燃燒。產生的高溫煙氣,從浸沒于廢水中的噴嘴噴出，加熱和攪拌廢水，二次蒸汽和燃燒尾氣由器頂出口排出，濃縮液由器底用空氣噴射泵抽出。浸沒式燃燒蒸發器具有傳熱效率高，廢水沸點較低，構造簡單等優點，適于蒸發強腐蝕性和易結垢的廢液，但不適于熱敏性物料和不能被煙氣污染的物料蒸發。

三、蒸發法應用舉例

1．濃縮處理放射性廢水廢水中絕大多數放射性污染物是不揮發的，可用蒸發法濃縮，然后將濃縮液密閉封固，讓其自然衰變。

2．濃縮高濃度有機廢水

造紙黑液、酒精廢液等高濃度有機廢水可用蒸發法濃縮。

3．濃縮廢堿、廢酸紡織、造紙、化工等工業部門都排出大量含堿廢水，其中高濃度廢堿液經蒸發濃縮后，可回用于生產工序。酸洗廢液可用浸沒燃燒法進行濃縮和回收。

第四節結晶法結晶的操作原理結晶的方法和設備結晶法應用舉例

一、結晶的操作原理

結晶和溶解是兩個相反的過程。任何固體物質與它的溶液接觸時，如溶液未飽和，固體就會溶解，如溶液過飽和，則溶質就會結晶析出。固體與其溶液間的相平衡關系通常以溶解度表示。各種物質的溶解度數據，都是用實驗方法求出的，通常將其繪成與溫度相關的曲線，如圖10－15所示。

根據溶解度曲線，通過改變溶液溫度或移除一部分溶劑來破壞相平衡，而使溶液呈過飽和狀態，析出晶體。

結晶過程包括形成晶核和晶體成長兩個連續階段。過飽和溶液中的溶質首先形成極細微的單元晶體，或稱晶核，然后這些晶核再成長為一定形狀的晶體。當采用降溫的方法使溶液進入過飽和狀態而結晶時，晶體的大小同溫度的下降速率有密切關系。圖10-16（a）和（b）分別表示溶液急速冷卻和緩慢冷卻的結晶過程。

二、結晶的方法及設備1.移除一部分溶劑的結晶

溶液的過飽和狀態可通過溶劑在沸點時的蒸發或在低于沸點時的汽化而獲得，它適用于溶解度隨溫度降低而變化不大的物質結晶，如NaCl、KBr等，結晶器有蒸發式、真空蒸發式和汽化式幾種。2.不移除溶劑的結晶溶液的過飽和狀態用冷卻的方法獲得，適用于溶解度隨溫度的降低而顯著降低的物質結晶，如KNO3，K4Fe（CN）6·3H2O等。結晶器主要有水冷卻式和冰凍鹽水冷卻式。按操作情況，結晶還有間歇式和連續式、攪拌式和不攪拌式之分。

1．結晶槽結晶槽是汽化式結晶器中最簡單的一種，由一敞槽構成，由于溶劑汽化，槽中溶液得以冷卻、濃縮而達到過飽和。在結晶槽中,對結晶過程一般不加任何控制，因結晶時間較長，所得晶體較大，但由于包含母液，以致影響產品純度。

2．蒸發結晶器蒸發結晶器的構造及操作與一般的蒸發器完全一樣，各種用于濃縮具有晶體的溶液的蒸發器都可作結晶器，成為蒸發結晶器。有時這樣操作，先在蒸發器中使溶液濃縮，而后將濃縮液傾注于另一結晶器中，完成結晶過程。3．真空結晶器真空結晶器可以間歇操作，也可以連續操作。真空的產生和維持一般利用蒸汽噴射泵實現。

溶液自進料口連續加入，