PAGEPAGE1浙江水利水電專科學校備課用紙課程水處理工程（污水）班級給水06-1周次6星期2節次7、808年3月25日課題第八章水的化學與物理化學處理11.1化學沉淀與中和11.2氧化還原11.3氣浮教學目的及重點難點1、化學沉淀與中和氧化還原基本理論、方法2、氣浮原理及基本方法教學形式講授+氣浮池運行操作復習舊課污泥處理與處置講授新課提綱（板書）第八章水的化學與物理化學處理8.1化學沉淀與中和一、化學沉淀二、中和法8.2氧化還原一、氧化還原法二、氧化法三、還原法8.3氣浮一、氣浮二、基本概念三、用于污水處理的氣浮法鞏固新課1、化學沉淀與中和氧化還原基本理論、方法2、氣浮原理及基本方法布置作業參考書教具排水工程室外排水設計規范給排水設計手冊教研室主任年月日第八章水的化學與物理化學處理8.1化學沉淀與中和一、化學沉淀1、化學沉淀：向水中投加化學藥劑，使之與水中某些溶解物質發生化學反應生成難溶于水的物質，通過沉淀與水分離的方法。一般用于處理含金屬離子的廢水。2、化學沉淀法的分類：石灰法、氫氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、鋇鹽沉淀法。二、中和法1、中和法：用中和的原理將酸、鹼性廢水的pH值進行調節至中性的方法。當廢水中的酸、鹼濃度較高（3%～5%）時，首先考慮回收利用，無回收利用價值時采用中和法處理。2、常用的中和法：酸、鹼性廢水互相中和、藥劑中和、過濾中和3、選擇中和方法考慮的因素(1)酸(堿)污水中所含酸堿的性質、濃度、水量及其變化情況。(2)中和處理(預處理)的目的：一般有：排入城市管道或排入城市水體、或作為廠內、車間內處理設施的預處理。(3)本廠或與鄰廠有無酸堿污水相互中和的可能性。(4)本廠或鄰廠有無酸性或堿性廢料、度液及其利用的可能性。(5)當地中和藥劑的價格及供應情況。4、中和法的比較和選擇常用的酸堿污水中和方法，可按下表選擇。8.2氧化還原一、氧化還原法：利用溶解于廢水中的有毒有害物質，在氧化還原反應中能被氧化或還原的性質，將其轉化為無毒害的新物質的處理方法。在廢水處理中常用的氧化劑有：空氣中的氧、純氧、臭氧、氯氣、漂白粉、次氯酸鈉、三氯化鐵等；常用的還原劑有硫酸亞鐵、亞硫酸鹽、氯化亞鐵、鐵屑、鋅粉、二氧化硫、硼氫化鈉等。電解時陽極也是一種氧化劑，陰極是一種還原劑。二、氧化法：向廢水中投加氧化劑，氧化廢水中的有毒有害物質，使其轉變為無毒無害的或毒性小的新物質的方法稱為氧化法（有毒物質得到電子（被氧化）稱為氧化法）。如氯氧化法在含氰廢水處理中的應用，臭氧氧化法處理含氰廢水。三、還原法：向廢水中投加還原劑，使廢水中的有毒有害物質轉變為無毒的或毒性小的新物質的方法稱為還原法（有毒物質失去電子（被還原）稱為還原法）。如亞硫酸鹽還原法處理含鉻廢水。四、其他氧化還原法：空氣氧化法、光氧化法、金屬還原法。8.3氣浮一、氣浮：氣浮法是固液分離或液液分離的一種技術。它是通過某種方法產生大量的微氣泡，使其與廢水中密度接近于水的固體或液體污染物微粒粘附，形成密度小于水的氣浮體，在浮力的作用下，上浮至水面形成浮渣，進行固液或液液分離。氣浮法用于從廢水中去除比重小于1的懸浮物、油類和脂肪，并用于污泥的濃縮。二、基本概念1、界面張力、接觸角和體系界面自由能（1）界面張力：在水、氣、粒三相混合系中，不同介質的相表面上都因受力不均衡而存在界面張力σ（界面分子受內部分子的引力，有被拉向內部的趨勢）。（2）接觸角：氣泡與顆粒一旦接觸，由于界面張力會產生表面吸附作用。三相間的吸附界面構成的交界線稱為潤濕周邊，通過潤濕周邊(即相界面交界線)作水、粒界面張力（σ1.3）作用線和水、氣界面張力（σ1.2）作用線，二作用線的交角為潤濕接觸角θ。水中具有不同表面性質的顆粒，其潤濕接觸角大小不同。通常將θ>90°的稱為疏水表面，易于為氣泡粘附，而θ<90°的稱為親水表面，不易為氣泡所粘附。水中顆粒的潤濕接觸角(θ)是隨水的表面張力(σ1.2)的不同而改變的。增大水的表面張力(σ1.2)，可以使接觸角增加，有利于氣粒結合。反之，則有礙于氣粒結合，不能形成牢固結合的氣粒氣浮體。（3）體系界面自由能：由水、氣泡和顆粒構成的三相混合液中，存在著力圖使分散相總表面積減至最小的體系界面自由能(w)。W=σ×S式中S——界面面積，cm2。當顆粒與氣泡粘附前，顆粒和氣泡單位面積(S=1)的界面能，分別為σ1.3×1及σ1.2×1，這時單位面積上的界面能之和為：Wl=σ1.3+σ1.2(N／m)當顆粒與氣泡粘附后，界面能減少了，此時粘附面上單位面積的界面面能為：W2=σ2.3(N／m)因此，界面能的減少值(△W)為：△W=Wl—W2=σ1.3+σ1.2—σ2.3△W值越大，推動力越大，易于氣浮處理；反之，則相反。2、表面活性物質：表面活性物質具有非對稱的鏈狀結構，一端是親水的極性基團，伸入水中，另一端是疏水的非極性基團，伸入氣泡，可增強氣泡的穩定性，阻止氣泡的合并，從而保證黏附了固體顆粒的氣泡順利上升到水面，形成浮渣而去除。但表面活性物質過多，會導致顆粒過于穩定，無法吸附。三、用于污水處理的氣浮法：布氣氣浮、溶氣氣浮、電氣浮（按氣泡產生的原因分類）1、布氣氣浮：用機械剪切力將混入污水的空氣粉碎為細小的氣泡進行氣浮。（1）水泵吸水管吸入空氣（2）射流氣浮（3）葉輪氣浮（4）擴散板氣浮2、溶氣氣浮：在一定壓力下，使空氣溶于水，然后減壓使溶解空氣以微小氣泡的形式析出進行氣浮。（1）加壓溶氣氣浮：高壓下溶氣，常壓析出（全加壓溶氣氣浮、部分加壓溶氣氣浮、部分回流溶氣氣浮）（2）真空溶氣氣浮：常壓下溶氣，負壓析出3、溶氣氣浮系統的組成：供氣系統、溶氣罐、空氣釋放設備、氣浮池等。4、氣浮法的應用（煉油廢水處理老三套工藝）

浙江水利水電專科學校備課用紙課程水處理工程（污水）班級給水06-1周次5星期4節次1、208年3月27日課題8.4吸附8.5膜析教學目的及重點難點1、吸附的基本概念及理論2、吸附法在水處理中的應用3、膜分離的基本原理及應用教學形式講授+活性炭吸附裝置運行+反滲透裝置運行復習舊課過濾、沉淀、化學處理機理及應用講授新課提綱（板書）8.4吸附一、吸附類型二、吸附劑三、吸附等溫線四、吸附速度五、影響吸附的因素六、吸附操作方式七、穿透實驗和穿透曲線八、吸附劑再生九、吸附法在水處理中的應用8.5膜析一、基本原理二、膜材料及膜組件鞏固新課1、吸附的基本概念及理論2、吸附法在水處理中的應用布置作業參考書教具排水工程室外排水設計規范給排水設計手冊教研室主任年月日8.4吸附吸附：物質的濃度在相界面上自動發生累積或濃集的現象。吸附法就是利用多孔性的固體物質，使廢水中的一種或多種物質被吸附在固體表面而去除的方法。吸附作用雖然可發生在各種不同的相界面上，但在廢水處理中，主要利用固體物質表面對廢水中物質的吸附作用。具有吸附能力的多孔性固體物質稱為吸附劑，廢水中被吸附的物質稱為吸附質。吸附法的三個過程：（接觸）吸附、分離、再生吸附：用吸附劑將污水中的吸附質吸附分離：吸附劑（吸附了污水中的吸附質）與污水分離再生：吸附在吸附劑上的吸附質從吸附劑上去除一、吸附類型：根據固體表面吸附力的不同，吸附可分為物理吸附和化學吸附兩種類型。1．物理吸附：吸附劑和吸附質之間通過分子間力產生的吸附稱為物理吸附。特點：（1）沒有選擇性，但由于吸附劑和吸附質的極性強弱不同，某一種吸附劑對各種吸附質的吸附量是不同的；（2）分子間作用范圍大于分子直徑（可形成單分子吸附層或多分子吸附）；（3）作用強度小，可逆（吸附、解吸），吸附熱較小，一般在41.9kJ／mol以內；（4）低溫時也能進行2．化學吸附：由于化學鍵力引起的吸附，吸附劑和吸附質之間發生化學作用。特點：（1）明顯的選擇性；（2）單分子層吸附（化學鍵力作用范圍不超過一個分子）；（3）化學鍵力強度大，一般不可逆或解吸困難；（4）高溫下速度加快二、吸附劑要求：（1）表面積（比表面積）大，比表面積，吸附量大；（2）再生容易；（3）性能穩定（耐磨損、氧化、酸堿、腐蝕）；（4）便宜、易得2、常用的吸附劑：水處理中常用的吸附劑有活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、活性自土、硅藻土。腐殖質酸、焦炭、木炭、木屑等。3、活性炭用含炭為主的物質(如木材、煤)作原料，經高溫炭化和活化而制成的疏水性吸附劑，外觀呈黑色。炭化是把原料熱解成炭渣，生成類似石墨的多環芳香系物質，活化是把熱解的炭渣成為多孔結構。活性炭的吸附性能主要由其孔隙結構和表面化學性質所決定。（1）活性炭的孔隙結構：活性炭的細孔有效半徑一般為1～10000nm。通常按孔徑分為大孔、中孔和微孔。在活性炭的吸附過程中，這三種孔隙有其各自的作用。一般情況下：A、微孔（小孔）——微孔半徑在2nm以下，表面積占比表面積的95％以上。在吸附中起主要作用，對吸附量影響大。因為吸附主要是10nm以下微孔的表面作用。所以微孔的容積及比表面積標志活性炭吸附性能的優劣。B、中孔（過渡孔）——中孔半徑為2～100nm，其表面積占比表面積的5％以下，中孔除了使被吸附物質到達微孔起通道作用外，對于分子直徑較大的吸附質也具有吸附作用。由于水處理中被吸附物質的分子直徑要比氣相吸附過程中相同的被吸附物質分子直徑大，所以用于水處理的活性炭，要求中孔有適當的比率。C、大孔——主要起通道作用。大孔半徑為100～10000nm，表面積只有O.5～2m2／g。由于活性炭大孔表面積所占的比例較小，故對吸附量影響不大。它主要為吸附質的擴散提供通道，使吸附質通過此通道擴散到過渡孔和小孔中去，因此吸附質的擴散速度受大孔影響。由于活性炭的原料和制造方法不同，孔隙的分布情況相差很大，所以應根據吸附質的直徑和活性炭的細孔分布情況選擇合適的活性炭。（2）活性炭的表面化學性質：活性炭的吸附不僅受其孔隙結構的影響，也受其表面化學性質的影響。活性炭表面氧化物通常分為堿性和酸性兩類，堿性的表面氧化物在液相中能吸附酸性物質，而酸性的表面氧化物在液相中易吸附堿性物質。活性炭的孔隙結構及各種表面氧化物的存在和比例，取決于活性炭的制造原理和制造工藝。例如。煤制水蒸汽活化的活性炭一般呈堿性。鋸木屑作原料，氧化鋅作活化劑，在600℃空氣中活化的活性炭一般呈酸性。三、吸附等溫線活性炭吸附能力用吸附容量與吸附速度等特性來表示。它與活性炭顆粒大小，形狀、被吸附物質的濃度及溶液的溫度等有關。1、吸附平衡：當吸附質在溶液中的濃度和在吸附劑表面上的濃度不再變化，即吸附速度=解吸速度時，達到吸附平衡。2、吸附容量：單位重量吸附劑所吸附的吸附質的重量，q（g/g）式中V——原水容積（L）W——活性炭投量（g）C0——原水吸附質濃度（g/L）C——吸附平衡時水中剩余的吸附質濃度（g/L）溫度一定時，q隨C的增加而增加，q與C的關系用曲線表示——吸附等溫線；q與C的關系用公式表示——吸附等溫式。3、吸附等溫線：在溫度一定的條件下，吸附量隨平衡濃度變化的曲線。吸附等溫線的作用：（1）由吸附等溫線的測定，可看出活性炭對水中某污染物的吸附效果，按處理水中污染物的出現濃度，可求出活性炭的極限吸附容量。（2）估算工程中活性炭的需用量——劑量值(處理每米3水的活性炭用量)，進行炭床濾池的設計。（3）可掌握處理水的pH和待染物濃度變化對活性炭吸附容量的影響。（4）等溫暖附線在炭種選擇中，可借以評價各炭的吸附性能。按等溫線斜率并可確定該炭適宜的過濾形式。（5）用類似的方法還可研究運轉條件改變時（時間、pH）對吸附效果的影響。4、吸附容量的確定：由于水處理中實際吸附過程非常復雜，因此，應用于實際工程時，必須根據等溫線數據再進行炭柱試驗而后確定。5、吸附等溫式（復雜）：由于液相吸附很復雜，至今還沒有統一的吸附理論，因此液相吸附的吸附等溫式一直沿用氣相吸附等溫式。表示I型吸附等溫式有朗謬爾公式（從動力學觀點出發，通過一些假設條件而推導出來的單分子吸附公式）和費蘭德利希公式，表示Ⅱ型吸附等溫式有BET公式（多分子層吸附，各層符合朗謬爾公式）。四、吸附速度：單位重量吸附劑單位時間內吸附的物質量（取決于吸附過程）。在水處理中，活性炭對污染物質(溶質)的吸附，是污染物質從水中遷移到活性炭顆粒表面上，再擴散到活性炭內部孔隙的表面而被吸附。以下三個過程的速度影響活性炭的吸附速度：1、被吸附物質(污染物質)向活性炭顆粒表面的遷移速度，2、被吸附物質在活性炭顆粒內部孔隙的擴散速度，3、被吸附物質在活性炭顆粒內部孔隙表面上吸附反應速度。其中最慢的過程決定著活性炭吸附總速度。當使用粉末活性炭時，由于炭粒呈微粉狀，被吸附物質向活性炭囊粒表面的遷移速度決定著吸附速度。因此，要求炭與水的混合均勻，接觸良好，并有充分的接觸時間。對于粒狀活性炭，被吸附物質在活性炭孔隙內部的擴散速度是影響吸附速度的主要因素。所以，使用粒狀活性炭處理時，其吸附速度必須由炭柱通水實測確定。五、影響吸附的因素1、吸附劑（1）表面積；（2）孔隙構造、大小：當表面積相等時，孔隙越大，q越大。（3）種類：極性吸附劑易吸附極性分子，非極性吸附劑易吸附非極性分子2、吸附質（1）溶解度越小越容易被吸附（疏水物質）（2）表面活性物質容易被吸附（3）吸附質分子大小：活性炭易吸附大分子，沸石易吸附小分子（4）吸附質濃度越大，q越高3、pH：吸附劑、吸附質均要求合適的pH值，活性炭要求酸性條件。4、共存物質：共存物質過多對吸附不利，因物理吸附無選擇性。5、溫度：溫度高不利于物理吸附（物理吸附放熱），有利于化學吸附6、接觸時間：為充分利用吸附能力，應保證達到吸附平衡所需要的接觸時間。吸附平衡所需時間取決于吸附速度。六、吸附操作方式（靜態吸附、動態吸附）1、靜態吸附：在廢水不流動的條件下，把一定量的吸附劑投加入預處理的廢水中，不斷地進行攪拌，達到吸附平衡后，再用沉淀或過濾的方法使廢水與吸附劑分開。可單級、多級吸附，操作麻煩。設備有：池、桶2、動態吸附：在廢水不流動的條件下，進行吸附操作。吸附設備有：固定床、移動床、流化床。（1）固定床：當廢水連續通過填充吸附劑的吸附設備時，廢水中的吸附質被吸附，吸附劑飽和后，停止通水，再生完成后再開始運行。在吸附過程中，吸附劑是固定的。常用設備有吸附塔、吸附池，吸附塔的運行方式有升流式（控制困難）、降流式（出水水質好，水頭損失大，易堵塞）。工程中可單床工作，也可多床串聯、并聯工作。（2）移動床：原水從吸附塔底部流入和吸附劑進行逆流接觸，處理后的水從塔頂流出，再生后的吸附劑從塔頂加入，接近吸附飽和的吸附劑從塔底間歇地排出。這種方式較固定床能充分利用吸附劑的吸附容量，并且水頭損失小。由于采用升流式，廢水從塔底流入，從塔頂流出，被截留的懸浮物隨飽和的吸附劑間歇地從塔底排出，所以不需要反沖洗設備。但這種操作方式要求塔內吸附劑上下層不能互相混合，操作管理要求高。（3）流化床七、穿透實驗和穿透曲線通過試驗選擇吸附劑及估算出吸附容量后，其他設計及運行操作參數需進一步通過實驗確定，可進行單柱試驗和多柱試驗，通過試驗最大限度地利用吸附劑的吸附容量。八、吸附劑再生1、加熱法：立式多段再生爐2、化學法：（1）濕式氧化法：適合于曝氣池投入活性炭的再生；（2）電解氧化法：以活性炭做陽極；（3）臭氧氧化法；3、藥劑法4、生物法九、吸附法在水處理中的應用1、深度處理2、脫色、除味8.5膜析8.5.1概述膜分離法是利用特殊的薄膜對液體中的某些成分進行選擇性透過的方法的統稱。溶劑透過膜的過程稱為滲透，溶質透過膜的過程稱為滲析。常用的膜分離方法有電滲析、反滲透、超濾，其次是自然滲析和液膜技術。近年來，膜分離技術發展很快，在水和廢水處理、化工、醫療、輕工、生化等領域得到大量應用。膜分離的作用機理往往用膜孔徑的大小為模型來解釋，實質上，它是由分離物質間的作用引起的，同膜傳質過程的物理化學條件,以及膜與分離物質間的作用有關。根據膜的種類、功能和過程推動力的不同，各種膜分離法的特征和它們之間的區別如表所示。表幾種主要膜分離法的特點方法推動力傳遞機理透過物及其大小截留物膜類型電滲析電位差電解質離于子選擇性透過溶解性無機物0.004～0.1μm非電解質大分子物離子交換膜反滲透壓力差2～10MPa溶劑的擴散木、溶劑0.00O4～0.06μm溶質、鹽（ss、大分子、離子）非對稱膜或復合前超濾壓力差0.1～1.OMP篩濾及表面作用水、鹽及低分子有機物0.005～10μm膠體大分子不溶的有機物非對稱膜滲析濃度差溶質擴散低分子物質、離子0.004～0.15μm溶劑，分子量＞1000非對稱膜．離子交換膜液膜化學反應和濃度差反應促進和擴散雜質（電解質離子）溶劑（非電解質）液膜膜分離技術有以下共同特點。①膜分離過程不發生相變，因此能量轉化的效率高。例如在現在的各種海水淡化方法中，反滲透法能耗最低。②膜分離過程在常溫下進行，因而特別適于對熱敏性物料，如對果汁、酶、藥物等的分離、分級和濃縮。③裝置簡單，操作容易，易控制、維修，且分離效率高。作為一種新型的水處理方法，與常規水處理方法相比，具有占地面積小、適用范圍廣、處理效率高等特點。8.5.1反滲透一、反滲透原理用一張半透膜將淡水和某種濃溶液隔開，如圖9-7所示，該膜只讓水分子通過，而不讓溶質通過。由于淡水中水分子的化學位比溶液中水分子的化學位高，所以淡水中的水分子自發地透過膜進入溶液中，這種現象叫做滲透。在滲透過程中。淡水一側液面不斷下降，溶液一側液面則不斷上升。當兩液面不再變化時，滲透便達到了平衡狀態。此時兩液面高差稱為該種溶液的滲透壓。如果在溶液一側施加大于滲透壓的壓力p，則溶液中的水就會透過半透膜，流向淡水一側，使溶液濃度增加，這種作用稱為反滲透。由此可見，實現反滲透過程必須具備二個條件：一是必須有一種高選擇性和高透水性的半透膜；二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。滲透壓是區別溶液與純水性質之間差別的標志，它以壓力來表示，與溶質的性質無關，其值為：(9—30)式中π——溶液的滲透壓力，Pa；R——理想氣體常數，8.314J/mol.K；ci——溶質i的濃度，mol/m3；T——絕對溫度，K；φ——范特霍夫常數，它表示溶質的離解狀態。對于電解質溶液，當它完全離解時，φ等于離解的陰、陽離子的總數；對非電解質溶液，φ=1。如溫度為25℃時，0.5mol/L的NaCl溶液的滲透壓為(實驗值為22.8×105Pa)二、反滲透膜及其傳質機理反滲透膜是實現反滲透分離的關鍵。良好的反滲透膜應具有多種性能：選擇性好，單位膜面積上透水量大，脫鹽率高；機械強度好，能抗壓、抗拉、耐磨；熱和化學的穩定性好，能耐酸、堿腐蝕和微生物侵蝕，耐水解、輻射和氧化；結構均勻一致，盡可能地薄，壽命長，成本低。反滲透膜是一類具有不帶電荷的親水性基團的膜，種類很多。按成膜材料可分為有機和無機高聚物，目前研究得比較多和應用比較廣的是醋酸纖維素膜和芳香族聚酰胺膜兩種，按膜形狀可分為平板狀、管狀、中空纖維狀膜；按照結構可分為多孔性和致密性膜，或對稱性(均勻性)和不對稱性(各向異性)結構膜；按應用對象可分為海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于廢水處理、分離提純等的膜。1．醋酸纖維素膜的結構及性能醋酸纖維素是沒有強烈氫鍵的無定形鏈狀高分子化合物，將其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加劑，經混合調制、過濾、鑄塑成型；然后再經蒸發、冷水浸漬、熱處理，即可得到醋酸纖維素膜(簡稱CA膜)。外觀為乳白色、半透明，有一定的韌性，膜厚100～250μm。其結構如圖9-8所示。具有不對稱結構。表面結構致密，孔隙很小，通稱為表皮層或致密層、活化層；下層結構較疏松，孔隙較大，通稱為多孔層或支撐層。CA膜是被水充分溶脹了的凝膠體。由于鑄膜液中的所有添加劑及溶劑在制膜過程中先后被除去，膜中僅含水分而已。在相對濕度為100％時，膜的含水量竟高達60％，其中表皮層只含10％～20％，且主要是以氫鍵形式結合的所謂一級結合水和少量的二級結合水。多孔層中除上述兩種結合水外，較大的孔隙中還充滿著毛細管水，富含水分。正由于膜中存在著這幾種不同性質的水，決定了CA膜具有良好的脫鹽性能和適宜的透水性能，同時也說明了膜必須保存在水中的原因。CA膜具有以下一些特性。(1)膜的方向性由于CA膜是—種不對稱膜，因此，在進行反滲透時，必須保持表皮層與待處理的溶液或廢水接觸，而決不能倒置，否則達不到處理的目的。(2)選擇透過性CA膜對無機電解質和有機構具有選擇透過性。對電解質，離子價越高，或同價離子水合半徑越大，則脫除效果越好，如Sr2+＞Ba2+＞Li+＞Na+＞K+；檸檬酸根＞酒石酸根＞SO42-＞CH3COO-＞Cl-＞Br-＞N03-＞I-＞SCN-。對有機物，一般水溶性好的\非解離性的、分子量小的脫除效果較差；而解離性大的、分子量大于200的有機物，則脫除效果較好。對同一類有機物，隨分子量增大，脫除效率增高。對同分子量有機物，隨分子支鏈的增加，脫除效果變得更好。如：正丙醇＞乙醇；異丁醇＞正丁醇。CA膜對氨、硼酸、尿素等脫除性差，對酚和脂肪酸有負脫除性，即透過液的溶質濃度較原液的溶質濃度高。對此，可以認為有機物可分為醛、酮、醚、酯、胺等質子接受體和醇、酚、酸等質子供給體，由于CA膜有作為質子接受體的性質，故對于質子接受體的特性(堿性)越強的化合物脫除性越好，反之，對質子供給體特性(酸性)越強的化合物脫除性越差。(3)壓密效率CA膜在壓力作用下，外觀厚度一般減少1/4～1/2，同時，透水性反對溶質的脫除率也相應降低，這種現象稱為膜的壓密效應。壓密效應是由膜內部結構變化所引起，而這種變化和成膜材料的塑性變形有關。一般地說，在外力作用下，高分子鏈之間互相滑動，迫使膜的凝膠體結構中的吸附水失去，因而增加了鏈的交聯，使膜體收縮，變得致密，導致膜的透水阻力增加，透水性能變差，溶質脫除率下降，而且這種塑性變形是不可逆的，故膜性能在壓力消失后不會恢復。膜的壓密效應與操作壓力、加壓時間及原液溫度有關。通常以膜的透水流量下降斜率(即適水流量系數或膜劣化指數)m表示膜的耐壓性能。m的表達式為：(9—31)由此得(9—32)式中F0和Ft分別為膜的初期和t時間后的透水流量。m值依操作壓力、液溫和膜的類型而異。(4)膜的水解作用和生物分解作用CA膜是一種酯，易于水解，水解速率與PH值、水溫有關。一般在堿性介質中的水解速率比在酸性介質中大，在pH4.5～5.2時最低。溫度越高，水解越快。同時，CA可以作為微生物的營養基質，因而某些微生物能在膜體上生長，破壞膜的致密層，使膜性能變差。因此，必須對原液或廢水進行滅菌頂處理，在膜的貯存中，也應采取措施防止微生物污染，以延長膜的使用壽命。2．反滲透膜透過機理反滲透膜的透過機理，因膜的類型不同而有所不同。下面結合CA膜介紹兩種不對稱膜的透過機理和模型。(1)氫鍵理論這是最早提出的反滲透膜透過理論。該理論認為，水透過膜是由于水分子和膜的活化點(或極性基團，如CA膜的羥基和酰基)形成氫鍵及斷開氫鍵之故。即在高壓作用下，溶液中水分子和膜表皮層活化點締合，原活化點上的結合水解離出來，解離出來的水分子繼續和下一個活化點締合，又解離出下一個結合水。這樣，水分子通過一連串的締合-解離過程(即氫鍵形成-斷開過程)，依次從一個活化點轉移到下一個活化點，直至離開表皮層，進入多孔層。由于膜的多孔層含大量的毛細管水，水分子便能暢通流出膜外。CA膜在熱處理和加壓前，每個活化點借助于氫鍵可含有九個分子的結合水。經熱處理和加壓后，結合水的數目可減到兩個分子的限定值。依靠氫鍵連接很緊的結合水叫一級結合水，連接較松的結合水叫二級結合水。一級結合水的介電常數很低，沒有溶劑化作用，故溶質不能溶于其中，也即不能透過膜。二級結合水的介電常數與水的一樣，故溶質可溶于其中，也即可透過膜。理想的CA膜的表皮層只含一級結合水，只允許水通過，但實際的膜表皮層除含一級結合水外，還含有少量二級結合水，并且膜難免存在缺陷和破洞，充填其中的毛細管水使溶質透過，所以實際膜除了能讓水透過外總是有少量的溶質透過，膜的選擇透過性不能達到100％。由上可知，溶質能否透過膜與表皮層厚度關系不大。換言之，只要表皮層僅含一級結合水，而又無缺陷和破洞，不管其厚薄如何，溶質均不能透過。膜的厚度只影響水的透過速率，水分子在表皮層的透過需經歷一連串的締合-解離過程，故膜厚度越大，水透過越慢，反之，表皮層越薄，透水速度就越快。至于多孔層只起支撐表皮層的作用，對水透過不起阻礙作用，因此水分子在毛細管中的擴散速度很快。根據氫鍵理論，只有適當極性的高聚物才能作為反滲透膜材料，許多實驗也說明了這一結論。(2)優先吸附——毛紉管流理淪優先吸附——毛細管流理論把反滲透膜看作一種微細多孔結構物質，它有選擇吸附水分子而排斥溶質分子的化學特性。當水溶液同膜接觸時，膜表面優先吸附水分子，在界面上形成一層不含溶質的純水分于層，其厚度視界面性質而異，或為單分子層或為多分子層。在外壓作用下，界面水層在膜孔內產生毛細管流，連續地透過膜，溶質則被膜截留下來。按此理論，膜的選擇性取決于膜內孔徑與膜面處形成的水分子層厚度之間的關系，當膜內孔徑等于兩倍的水分子層厚度時，膜的選擇性高，溶質透過量極少，此時的膜孔徑稱為臨界孔徑。如膜孔徑大于臨界孔徑，透水性雖增大，但溶質也會從膜孔中泄漏，使分離效率下降。反之，如膜孔徑小于臨界孔徑，溶質脫除率雖然增大，但透水性卻下降。已知水分子的有效直徑為5×10-10m，如果這個理論正確，則可認為膜的表層的孔隙大小在（10—20)×10-20m之間。三、反滲透裝置目前，反滲透裝置有板框式、管式、螺旋卷式及中空纖維式等。1．板框式裝置板框式反滲透裝置類似板框壓濾機，如圖9-9所示。整個裝置由若干塊圓形多孔透水板重疊起來組成。透水板兩面都貼有反滲透膜，膜四周用膠粘劑和透水板外環密封。透水板外環有“O”形密封團支撐，使內部組成壓力容器，高壓水由上而下通過每塊板，凈化水由每塊透水板引出。這種裝置結構牢固，能承受高壓，占地面積不大；但液流狀態差，易造成濃差極化，設備費用較大。2.管式裝置管式反滲透裝置是把膜和支撐物均制成管狀，兩者裝在一起，再將一定數量的管，以一定方式聯成一體而組成。管式裝置形式較多，可分為：單管式和管束式，內壓型管式和外壓型管式等，如圖9-10所示。裝置中的耐壓管徑一般為0.6～2.5厘米。常用材料有多孔性玻璃纖維環氧樹脂增強管或多孔陶瓷管，鉆有小孔眼或表面具有水收集溝槽的增強塑料管、不銹鋼管等。管式裝置水力條件好，適當調節水流狀態可防止濃差極化和膜污染，能夠處理含懸浮固體的溶液，但單位體積中膜面積小，制造和安裝費用較高。3．螺旋卷式裝置螺旋卷式裝置的膜組件是在兩層膜中間夾一層多孔的柔性格網，并將它們的三邊粘合密封起來、再在下面鋪一層供廢水通過的多孔透水格網，然后將另一開放邊與一根多孔集水管密封聯接，使進水與凈化水完全隔開，最后以集水管為軸，將膜葉螺旋卷緊而成。把幾個膜組件串聯起來，裝入圓筒形耐壓容器中，便組成螺旋卷式反滲透裝置。如圖9-11所示。這種裝置的膜堆密度大，結構緊湊，但密封較困難，易堵塞，清洗不使。4．中空纖維式裝置中空纖維膜是一種細如頭發的空心管，由制膜液空心紡絲而成。纖維外經為50～100μm，內徑為25～42μm。將數十萬根中空纖維膜捆成膜束，彎成U字形裝入耐壓圓筒容器中，并將纖維膜開口端固定在環氧樹脂管板上，即可組成反滲透器。如圖9-12所示。原水從纖維膜外側以高壓通入，凈化水由纖維管中引出。這種裝置的膜維密度極大，不需要膜支撐材料，濃差極化可忽略，但裝置制作工藝技術較復雜，易堵塞，清洗不便，因而對進水預處理要求高。以上幾種類型的反滲透裝置由于結構不同，在應用中各有特點，適宜于不同的處理范圍。由于螺旋卷式及中空纖維式裝置的單位體積處理量高，故大型裝置采用這兩種類型較多，而一般小型裝置采用板框式或管式。四、反滲透工藝流程及操作控制1.工藝流程反滲透流程包括預處理和膜分離兩部分。預處理方法有物理法(如沉淀、過濾、吸附、熱處理等)、化學法(如氧化、還原、pH調節等)和光化學法。究竟選用哪一種方法進行預處理，不僅取決于原水的物理、化學和生物學特性，而且還要根據膜和裝置構造來作出判斷。反滲透法作為一種分離、濃縮和提純方法，常見流程有一級、一級多段、多級、循環等幾種形式，如圖9-13所示。一級處理流程即一次通過反滲透裝置，該流程最為簡單，能量消耗最少、但分離效率不很高。當一級處理達不到凈化要求時，可采用一級多段處理或工級處理沉程。在多段流程中，將第一段的濃縮液作為第二段的進水，將第二段的濃縮液又作為第三段的進水，以此類推。隨著段數增加，濃縮液體積減小，濃度提高，水的回收率上升。在多級流程中，將第一級的凈化水作為第二級的進水，依次類推，各級濃縮液可以單獨排出，也可循環至前面各級作為進水。隨著級數增加，凈化水質提高。由于經過一級流程處理，水力損失較多，所以實際應用中在級或段間常設增壓泵。2．工藝常數(1)凈化水質與回收率根據物料平衡，進出反滲透系統的溶質有下列關系：(9—33)式中Qf、Qc、Qp——分別為進水、濃水和淡水流量；cf、cc、cp——分別為進水、濃水和淡水濃度。濃水側溶質的平均濃度cm可用下式計算：(9—34)令溶質的平均去除率為Rm，則：(9—35)按上面的公式用試算法可以簡便地求出凈化水質。由于cp很小，故先假定cp＝0，則有(9—36)(9—37)式中Y為水的回收率，Y＝Qp／Qf。由此得(9—38)在已知Q、cf、Rm及取定Y值的條件下，將按公式(9—38)算得的cp初步值代入公式(9-33)至公式(9-35)，求得cp的新值。重復計算幾次就可獲得較精確的cp值。平均去除率Rm可經驗選定，對CA膜可取95％。如果出水水質事先給定，則可以通過調整回收率以滿足水質的要求。一般設計宜取較高的回收率Y，因為回收率高，濃水濃度大，可以減少廢濃水的處理量，減少化學處理費用，減少所需的功率和單位耗能量。但是回收率的提高有一定限度，因為隨著濃水濃度的增加，有可能產生水垢和增加透鹽率。(2)工作壓力反滲透的費用由三部分組成：基建投資的折舊費，膜的更新費，動力、人工、預處理等運行費。這三項費用大致各占總成本的三分之一。一般認為，延長膜的使用時間和提高膜的透水量是大大降低處理成本最有希望的兩個途徑。膜的透水量取決于膜的物理特性(如孔隙度、厚度等)和膜的化學組成，以及系統的操作條件，如水溫、膜兩側的壓力差、與膜接觸的溶液濃度和流速等。實際上，膜的物理特性、水溫、進出水濃度、流速等對一定的過程是固定的，因此透水量僅是膜兩側壓力差的函數，可按下式計算：(9—39)式中Fs——膜的平均透水量，g/cm2.s；KW——膜的水透過系數，g/cm2·s.MPa；Δp——供水壓力與淡水壓力的差值，MPa；Δπ——供水與淡水的滲透壓力差，MPa由上式可以看出，為了進行反滲透，只要Δp大于Δπ就可以了，然而工作壓力的選定還需要考慮其他因素，一方面提高工作壓力將使透水量增大。另—方面溶質按濃縮，溶液滲透壓會增高。所以實際使用的工作壓力要比溶液初始滲透壓大很多，一般為3～10倍。例如，大多數苦咸水的滲透壓為0.2～1.05MPa，而反滲透處理時采用的工作壓力都在2.8MPa以上。又如海水的滲透壓約為2.7MPa，而工作壓力則用10.5MPa。(3)膜的透鹽量膜的透鹽量或某溶質組分的透過量與濃度差有關，可按下式汁算：(9—40)式中Fy——透鹽量，g/cm2·s；Py——溶質在膜內的擴散系數(也稱透壓系數)，cm2/s；δ——膜的有效厚度，cm；β——膜的透鹽常數，表示特定膜的透鹽能力，cm/s，β＝Py/δ。與透水量不同，正常的透鹽量與工作壓力無關。因此，增大工作壓力，透水量增加，而透鹽率仍以固定速率進行，結果得到更多的凈化水。3．濃差極化在反滲透過程中，由于水不斷地透過膜，引起膜表面附近的溶液濃度升高，從而在膜的高壓一側溶液中，從膜表面到主體溶液之間形成一個濃度梯度，引起溶質從濃的部分向淡的部分擴散，這一現象即為濃差極化。對于一定的設備和操作條件，由于濃差極化，引起溶液滲透壓的升高和溶質擴散的增加，結果使反滲透過程中有效推動力減小，透水流量下降。溶質透過量增加，分離效率下降，能耗增加。同時由于膜表面溶液濃度增大，加快了膜的衰退，使膜的壽命縮短。并且當膜表面溶液濃度達到某一數值后，不僅引起嚴重的濃差極化，還可能使一種或幾種鹽分在膜表面析出，形成垢層，影響正常操作運轉。下面用膜模型分析濃差極化現象，參見圖9-14。根據膜模型。當主體溶液處于湍流狀態時，在膜和溶液界面處有一滯流層，在該層中，質量傳遞僅由分子擴散實現。湍流主體可以認為其濃度均勻一致，濃度梯度只存在于滯流層中。又假設滯流層中溶質沿水流方向無擴散，溶質只在垂直于膜面的方向上傳遞。在穩態時，溶質傳遞的微分方程如下：(9—41)式中cW近似為濃水相中水的濃度，認為滯流層溶質擴散系數。式(9-41)中右面第一項代表濃水主體向膜輸送的溶質通量，第二項代表濃差極化向濃水輸回的溶質通量。若將方程中質量通量用透過膜的水的體積通量Jv(cm3/cm2.s)表示，上式變為(9—42)將此式在下列邊界條件下積分：當y＝0時，c＝cM；當y＝δ時，c＝cf得(9—43)式中cM為膜表面溶液中溶質濃度。定義極化層內的溶質傳質系數k=Ds/δ和膜的截留率R’=1-cp/cM；由式(9-43)得到濃差極化比值cM/cf：(9-44)cM/cf值越大，濃差極化現象越嚴重。關于傳質系數k的計算，已經發表了許多準數關聯式，如k＝cWvf／2Nsc2/3，其中v為原水的平均流速；f為范寧摩擦系數；Nsc為施密特數。式(9-44)表明，在湍流狀態下濃差極化與水透過流量、原水流速、溶質去除率等有關。透水性好的膜，去除率高，引起的濃差極化更為嚴重，但卻不能因此而改用透水性差的膜。為減少濃差極化，一般是采用增加濃水湍流程度的辦法。間歇操作時采用激烈攪拌；連續操作中提高流速。但是增加流速，動力消耗也增大。另外，采用濃水循環流程，可在較低的濃差極化情況下維持高的去除率。式(9-44)還表明，濃差極化也受到溶質擴散系數的影響(因為)。擴散系數低的鹽將優先聚集在膜表面上。膠體污染滲透膜，可能是上述作用造成的，因為膠體的擴散系數較之咸水中鹽類的擴散系數小幾百到幾千倍。4.膜的污染與清洗在反滲透運行中，膜污染是經常發生的故障之一。如污染輕，對膜性能和操作沒有很大影響，但如污染嚴重，不僅使膜性能降低，而且對膜的使用壽命產生極大的影響。引起膜污染的原因大致可分為三類：(1)原水中的親水性懸浮物，在水透過膜時，被膜吸附；(2)原水中本來處于非飽和狀態的溶質，在水透過膜后濃度提高變成過飽和狀態，在膜上析出；(3)濃差極化使溶質在膜面上析出。在(1)類的污染物中，包括浮游性懸浮質和有機膠體(如蛋白質、糖質、脂肪類等)。對這類污染物最好預處理掉。其危害程度隨膜組件的構造而異，管狀膜不易污染，而捆成膜束的中空纖維膜組件最易污染。屬于(2)類的污染物主要是一些無機鹽類，如碳酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽等。污染膜的清洗方法包括物理法和化學法。(1)物理清洗法這是用淡水沖洗膜面的方法，也可以用預處理后的原水代替淡水，或者用空氣與淡水混合液來沖洗。在3kg/cm2下沖洗膜面30分鐘，可以清除膜面上的污垢。對管式膜組件，可用直徑稍大于管徑的聚氨酯海綿球沖刷膜面，能有效去除沉積在膜面上的柔軟的有機性污垢。(2)化學清洗法化學清洗法是采用一定的化學清洗劑，如硝酸、磷酸、檸檬酸、檸檬酸銨加鹽酸、氫氧化鈉、酶洗滌劑等在一定壓力下一次沖洗或循環沖洗膜面。化學清洗劑的酸度、堿度和沖洗溫度不可太高，防止對膜的損害。當清洗劑濃度較高時，沖洗時間短，濃度較低時、相應沖洗時間延長。據報道，用1％～2％的檸檬酸溶液，在4.2MPa的壓力下，沖洗13分鐘能有效去除氫氧化鐵垢層。采用1.5％的無臭稀釋劑(Thinner)和O.45％的表面活性劑氨基氰—OT—B(85％的二辛基硫代丁二酸鈉和15％的苯甲酸鈉)組成的水溶液，沖洗0.5～1h，對除去油和氧化鐵污垢非常有效。用含酶洗滌劑對去除有機質污染，特別是蛋白質、多糖類、油脂等通常是有效的。此外，利用滲透作用也可清洗膜面。用滲透壓高的高濃度溶液浸泡受污染的膜面，使其另一例表面與除鹽水相接觸。由于水向高濃度溶液一側滲透而使侵入膜內細孔或吸附在膜表面的污染物變成容易去除的狀態，所以能改善緊接著采用的物理或化學法清洗的效果。五、反滲透法在廢水處理中的應用舉例隨著反滲透膜材料的發展，高效膜組件的出現，反滲透的應用領域不斷擴大。在海水和苦咸水的脫鹽，鍋爐給水和純水制備，廢水處理與再生，有用物質的分離和濃縮等方面，反滲透都發揮了重要作用。1．電鍍廢水的處理采用反滲透法處理電鍍廢水可以實現閉路循環。逆流漂洗槽的濃液用高壓泵打入反滲透器，濃縮液返回電鍍槽重新使用，處理水則補充入最后的漂洗槽。對不加溫的電鍍槽，為實現水量平衡。反滲透濃縮液還需蒸發后才能返回電鍍槽。表9-3列出了部分處理結果。表9-3中空纖維反滲透器處理電鍍廢水試驗結果廢水名稱廢水濃度操作條件水通量L/min去除率，%溶解固體%廢液濃度%壓力105Pa溫度℃pH總溶解固體離子焦磷酸銅0.18～5.220.55～1627.528～316.610.9～5.0792～99Cu2+P2O74-9998～99銅的氰化物0.57～3.711.6～1027.52611.8～12.56.89～0.097～98Cu2+CN-9998～99羅謝爾銅氯化物0.13～3.301～2327.525～289.8～10.69.46～6.0699Cu2+CN-98～9994～98鎘的氰化物0.57～3.121～1227.527～2811.5～12.57.95～0.9189～98Cd2+CN-9983～97鋅的氰化物0.47～4.054～3627.52712.3～12.76.81～0.7997～70Zn2+CN-98～9985～99鋅的氯化物0.16～4.190.8～2127.527～296.1～5.37.8～0.4296～84Zn2+CL-98～9952～902.照相洗印廢水的處理照相洗印廠、電影制片廠排出多種廢水，從廢水中可以回收許多有用的物質。底片沖洗水中含硫代硫酸鈉約5g/L，經反滲透處理，處理水中僅含24mg/L，濃縮液中達33.2g/L，采用CA膜．操作壓力為2.8MPa，水回收率為90％，總鹽去除率為94％。3．酸性尾礦水的處理礦山廢水都呈酸性，含有多種金屬離子和懸浮物，經過始后，抽入反滲透器，處理水加堿調整pH值后即可作為工業用水；濃縮水部分循環，部分用石灰中和沉淀，沉淀池上清液再回流入處理系統，為防止膜被沉淀玷污，原廢水與上清液量之比應控制在10:1，同時應使水流處于湍流狀態。實用結果表明，在4.2～5.6MPa的操作壓力下，溶質去除率達97％以上，水回收率為75％～92％。4．其他廢水處理反滲透用于造紙廢水、印染廢水、石油化工廢水，醫院污水處理和城市污水的深度處理等也都獲得了很好的效果。處理造紙廢水，可去除BOD70％～80％，COD85％～90％，色度96％～98％，Ca96％～97％，水回用率80％。用于城市污水深度處理，可降低含鹽量99％以上，而且還去除各類含N、P化合物，使COD去除96％，達到10-6數量級。8.5.3超濾超濾與反滲透一樣也依靠壓力推動力和半透膜實現分離。兩種方法的區別在于超濾受滲透壓的影響較小，能在低壓力下操作(一般0.1～0.5MPa)，而反滲透的操作壓力為2～10MPa。超濾適于分離分子量大于500，直徑為0.005～10μm的大分子和膠體，如細菌、病毒、淀粉、樹膠、蛋白質、粘土和油漆色料等，這類液體在中等濃度時，滲透壓很小；而反滲透一般用來分離分子量低于500，直徑為0.0004～O.06μm的糖、鹽等滲透壓較高的體系。超濾過程在本質上是一種篩濾過程，膜表面的孔隙大小是主要的控制因素，溶質能否被膜孔截留取決于溶質粒子的大小、形狀、柔韌性以及操作條件等，而與膜的化學性質關系不大。因此可以用微孔模型來分析超濾的傳質過程。微孔模型將膜孔隙當作垂直于膜表面的圓柱體來處理，水在孔隙中的流動可看作層流，其通量與壓力差ΔP成正比并與膜的阻力Γm成反比，即(9—45)式中a為小孔的半徑;φ為小孔的彎曲系數；μ為水的粘度；ε為膜的孔隙率，由膜的含水量算得；ρi為水的密度；δm為膜厚。上式實質上是描述管內層流的Poiseuille方程，所不同的是導入了孔的彎曲系數φ。水流在小孔進出口處的壓力損失較之在孔內流動的摩擦損失小得多，因此超濾膜的總阻力多用式(9—45)近似計算。若在公式中再引入位阻系數，用位阻系數表示分子進入小孔的概率相膜內小孔分布的不均勻性等影響。可提高計算精確度。當考慮了包括位阻和分子與孔壁之間摩擦等影響在內的各項因素以后，溶質通過膜的通量可用下述公式表達：(9—46)式中d為溶質分子直徑。上式右面第一個括號項代表溶質分子進入小孔的概率；第二個括號項代表孔壁拖曳力對溶質流動的阻滯作用。在超濾過程中，濃差極化是一個影響更大的因素。超濾中的界面層影響相似于反滲透中的界面層影響。膜所持留的粒子和溶質必然在膜面上建立界面層濃度梯度，再將積聚的粒子和溶質擴散回溶液主體中去。因為大分子的擴散系數比常見的鹽類的擴散系數小很多，因此超濾中的極化現象就顯得更加嚴重。圖9-15反映了膜兩側壓力差對水通量的影響。開始時，通量遵循式(9-45)隨壓差提高而增大，接著．固體開始在膜表面及鄰近處積聚，通量隨壓差提高而增大的速度降低。當膜表面鄰近處的溶質濃度超過一定值后，膜表面附近就形成凝膠層。此時，通量由串聯著的凝膠層阻力Γg和膜阻力Γm之和決定，即(9—47)因為ΓR是凝膠物質再擴散速度的函數，與ΔP無關，因而通量曲線出現一段平緩區。在運行中常會發現：當工作壓力過大時，在膜上形成一層固化了的凝膠層，此時的實際通量反而比低上作壓力時小。形成凝膠層后，溶質截留率極高，可認為cp＝0，則由式(9-43)簡化得：(9—48)式中cR為膜表面鄰近處持留物質的表觀凝膠濃度，絕大多數物質的cR值在0.3～0.78/L范圍。在超濾運行中克服濃差極化的常用方法有：加快平行于膜面的進水流速；進水渠道盡量做得淺些；盡量提高操作溫度，高溫下運行有利于降低溶劑粘度，能提高凝膠物質的再擴散速度；還能提高積聚物質的臨界凝膠濃度。工作溫度自15℃提高到25℃，通量幾乎增加一倍。操作溫度的上限視膜材質而定。纖維質超濾膜的最高工作溫度范圍為50～60℃，非纖維質超濾膜的最高工作溫度在100C以上。超濾的設計參數和方法類似了于滲透。主要不同點在于超濾中的濃差極化起了更主要的作用。兩種方法所用的膜也是不同的。超濾膜可用多種聚合物制造，如聚碳酸鹽樹脂、取代烯屬烴和聚合電解質絡合物等材料，用醋酸纖維素超濾膜的制造與CA膜的相同，但刪去熱處理工序。一般超濾膜對有機溶劑的抵抗力強，對水溫和pH的敏感性比CA膜弱。有些超濾膜不必維持濕潤。工業用超濾組件也和反滲透組件一樣，有板框式、管式、螺旋卷式和中空纖維四種。超濾的運行方式應當根據超濾設備的規模、被截留物質的性質及其最終用途等因素來進行選擇，另外還必須考慮經濟問題。膜的通量、使用年限和更新費用構成運行費的關鍵部分，因而決定了運行工藝條件。例如，若要求通量大，膜齡長和膜的更換費低，則以采用低壓層流運行方式較為經濟。相反，若要求降低膜的基建費用，則應采用親流運行方式。超濾在工業廢水處理方面的應用很廣，如用于電泳涂漆廢水、含油廢水、含聚乙烯醇廢水、紙漿廢水、顏料和染色廢水、放射性廢水等的處理以及食品工業廢水中回收蛋白質、淀粉等都十分有效，國外早已大規模用于實際生產中。近十年來，國內外已將超濾用于生活飲用水制備，推出了多種膜式家用凈水器。與其他凈水器比較，膜式凈水器具有可靠的除菌去濁能力，能有效地濾除水中的微粒、膠體、細菌和大分子有機物，不會產生副作用。能將污染指數為75～85的自來水，降至3以下，有機物去除率為30％～40％，而一般活性炭凈水器只能將污染指數降至50～60，有機率去20％～30％，且吸附飽和后還會解析下來。但是，膜式凈水器在使用中，也要受到一定限制。首先，要求進水壓力大于0.05MPa。不然出水不暢，其次，不宜在高寒地區戶外使用，因為中空纖維超濾膜一旦遇到冰凍情況，膜的微結構將會遭受破壞。從而失去分離效能。

浙江水利水電專科學校備課用紙課程水處理工程（污水）班級給水06-1周次6星期5節次3、408年3月28日課題8.6離子交換教學目的及重點難點1、離子交換的基本原理2、應用條件教學形式講授+運行操作復習舊課吸附、膜過濾講授新課提綱（板書）8.6離子交換一、基本原理二、應用鞏固新課1、離子交換的基本原理2、工藝設備布置作業參考書教具排水工程室外排水設計規范給排水設計手冊教研室主任年月日8.6離子交換一、離子交換基本原理（一）離子交換法：利用固相離子交換劑功能基團所帶的可交換離子與接觸交換劑的溶液中相同電性的離子進行交換反應，以達到離子的置換、分離、去除，濃縮等目的。按照所交換離子帶電的性質，離子交換反應可分為陽離子交換和陰離子交換兩種類型。（二）離子交換劑：凡具有離子交換能力的物質都可稱為離子交換劑。1、分類：可分為無機離子交換劑和有機離子交換劑兩類。（1）無機離子交換劑：如天然沸石和人造沸石等，交換能力低，少用。（2）有機離子交換劑：是一種高分子聚合物電解質，稱為離子交換樹脂。具有不溶、耐熱、機械強度高、交換容量大等優點，使用廣泛。2、離子交換樹脂：是以一種線型結構的高分子有機化合物為主，加上一定數量的交聯劑，通過橫鍵架橋作用構成空間網狀結構，由骨架和活性基團兩部分組成。骨架又稱為母體，是形成離子交換樹脂的結構主體。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，處于電中性狀態。3、離子交換樹脂的命名：有機合成離子交換樹脂的全名稱，由分類名稱，骨架名稱、基本名稱三部分按順序依次排列組成。(1)分類名稱：按有機合成離子交換樹脂本體的微孔型態分類，分為凝膠型、大孔型等。(2)骨架名稱：按有機合成離子交換樹脂骨架材料命名，分為苯乙烯系、丙烯酸系，酚醛系、環氧系等。(3)基本名稱：基本名稱為“離子交換樹脂。凡屬酸性反應的在基本名稱前冠以“陽”字。凡屬堿性反應的在基本名稱前冠以“陰”字。按有機合成離子交換樹脂的活性基團性質，分為強酸性，弱酸性、強堿性、弱堿性、螯合性等，分別在基本名稱前冠以“強酸”、“弱酸’、“強堿”、“弱堿”、“螯合”。等字樣。(4)全名稱舉例：微孔型態為凝膠型，骨架材料為“苯乙烯一二乙烯苯”共聚體，活性基團為“強酸”性磺酸基團(SO3H)的陽離子交換樹脂，全名稱為“凝膠型苯乙烯系強酸陽離子變換樹脂”。第一位數字代表活性基團代號；第二位數字代表骨架代號；第三位數字代表順序代號；D表示大孔型。4、離子交換樹脂的性能（1）外觀：半透明球狀顆粒，黃白或棕褐色，粒徑一般0.3～1.2mm。（2）含水率：每克濕樹脂所含水分的百分數（50%左右）（3）溶脹性：干樹脂浸泡水中，體積脹大，稱為樹脂的絕對溶脹度；濕樹脂轉型（如Na型轉為H型），體積脹大稱為樹脂的相對溶脹度。強酸性陽離子交換樹脂溶脹度大小順序：RH>Rna>RNH4。RNa→RH，RCl→ROH時，體積增大約5%。（4）密度：用濕真密度、濕視密度表示。濕真密度：樹脂溶脹后的質量與其本身所占體積（不包括樹脂顆粒之間的空隙）之比。與樹脂層的反洗強度、膨脹率等有關。濕視密度：樹脂溶脹后的質量與其堆積體積（包括樹脂顆粒之間的空隙）之比，也稱堆密度。用來計算離子交換器所需添裝濕樹脂的數量。（5）交聯度：樹脂交聯劑含量的百分數。交聯度的大小對樹脂性能具有決定性的影響。交聯度的大小影響交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等。交聯度大，交換容量小、含水率小、溶脹性小、機械強度大。水處理用離子交換樹脂交聯度以7～10為宜。（6）交換容量：離子交換樹脂交換能力的大小以交換容量來衡量，它表示樹脂所能吸著(交換)的交換離子數量。交換容量有三種：1)全交換容量(或稱總交換容量)：指離子交換樹脂內全部可交換的活性基團的數量。此值決定于樹脂內部組成，與外界溶液條件無關。這是一個常數，通常用滴定法測定。2)平衡交換容量：指在一定的外界溶液條件下，交換反應達到平衡狀態時，交換樹脂所能交換的離子數量，其值隨外界條件變化而異。3)工作交換容量（實用交換容量）：是指在某一指定的應用條件下樹脂表現出來的交換容量。例如，在離子交換柱進行交換的運行過程中，當出水中開始出現需要脫除的離子時，或者達到穿透點時，交換樹脂所達到的實際交換容量。有時也稱穿透交換容量。主要與進水水質和再生程度有關。樹脂的全交換容量最大，工作交換容量最小（工作交換容量是全交換容量的60%～80%）。（7）樹脂的交換選擇性：離子交換樹脂對水溶液或廢水中某種離子優先交換的性能，稱為樹脂的交換選擇性。表征樹脂對不同離子親合能力的差別。離子交換的選擇性與許多因素有關。（P266選擇順序）1)在低濃度和常溫下，離子的交換勢(即交換離子與固定離子結合的能力)隨溶液中離子價數的增加而增加。2)在低濃度和常溫下，價數相同時，交換勢隨原子序數增加而增加。這是因為原子序數大，水化離子半徑小，作用力就強。3)交換勢隨離子濃度的增加而增大。高濃度的低價離子甚至可以把高價離子置換下來，這就是離子交換樹脂能夠再生的依據。4)H+離子和OH-離子的交換勢，取決于它們與固定離子所形成的酸或堿的強度，強度越大，交換勢越小。5)金屬在溶液中呈絡陰離子存在時，交換勢降低。（8）有效pH值：強酸性1～14；弱酸性5～14；強堿性1～12；弱堿性0～7。（三）離子交換平衡1、離子交換平衡規律由離子交換反應通式：R-A++B+→R-B++A+（一價離子之間交換）則：[R-A+]、[R-B+]——樹脂中離子濃度；[B+]、[A+]——溶液中離子濃度在天然水（低濃度下），[B+]≈[A+]，若>1，說明[R-A+]>[R-B+]，即樹脂優先選擇結合A+；若<1，說明[R-A+]<[R-B+]，即樹脂優先選擇結合B+；若=1，說明[R-A+]=[R-B+]，即樹脂對B+A+沒有選擇傾向。根據離子交換樹脂的選擇系數，在常溫、低濃度下對水中常見離子的選擇順序為：強酸型陽離子交換樹脂：Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>H+>Li+。弱酸型陽離子交換樹脂：H+>Fe3+>Cr3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>Li+強堿性陰離子交換樹脂：Cr2O72->SO42->CrO42->NO3->Cl->OH->F->HCO3->HsiO3-弱堿性陰離子交換樹脂：OH->Cr2O72->SO42->CrO42->NO3->Cl->F->HCO3->HsiO3-螯合型樹脂的選擇性與樹脂種類有關，在化學性質方面與弱酸型陽離子樹脂相似，但比弱酸型陽離子樹脂對重金屬的選擇性高。通常為Na型，如亞氨基醋酸型。樹脂的選擇性順序指常溫低濃度條件下，在高溫高濃度時，處于順后列的離子可以取代位于順序前列的離子，這是樹脂再生的依據之一。2、影響離子交換平衡的因素：交換樹脂的性質、溶液中交換離子的性質、溶液的pH值、溶液的濃度、溫度等。(1)懸浮物和油脂：水中的懸浮物會堵塞樹脂孔隙，油脂會包住樹脂顆粒，使交換能力下降，應進行預處理。預處理方法有沉淀、過濾、吸附等。(2)某些高分子有機物與樹脂活性基團的固定離子結合力很強，一旦結合就很難再生，結果降低樹脂的再生率和交換能力（有機污染）。為了減少樹脂的有機污染，可選用低交聯度的樹脂或對水進行交換處理前的預處理。(3)高價金屬離子：廢水中Fe3+、Cr3+等高價金屬離子可能導致樹脂中毒。當樹脂受鐵離子中毒時，會使樹脂的顏色變深。高價金屬離子易為樹脂吸附，再生時難于把它洗脫下來，結果會降低樹脂的交換能力。為了恢復樹脂的交換能力可用高濃度酸液長時間浸泡。(4)pH值：離子交換樹脂是由網狀結構的高分子固體與附在母體上許多活性基團構成的不溶性高分子電解質。強酸和強堿樹脂的活性基團的電離能力很強，交換能力基本上與pH值無關，但弱酸樹脂在低pH值時不電離或部分電離，因此在堿性條件下，才能得到較大的交換能力。弱堿性樹脂在酸性溶液中才能得到較大的交換能力。螯合樹脂對金屬的結合與pH值有很大關系，對每種金屬都有適宜的pH值。(5)水溫：水溫高雖可加速離子交換的擴散，但各種離子交換樹脂都有一定的允許使用溫度范圍。水溫超過允許溫度時，會使樹脂交換基團被分解破壞，從而降低樹脂的交換能力，所以溫度太高時，應進行降溫處理。(6)氧化劑：廢水中如果含有氧化劑(如C12、Q、H2Cr207等)時，會使樹脂氧化分解。強堿陰樹脂容易被氧化劑氧化，使交換基團變成非堿性物質，可能完全喪失交換能力。氧化作用也會影響交換樹脂的母體，使樹脂加速老化，結果交換能力下降。為了減輕氧化劑對樹脂的影響，可選用交聯度大的樹脂或加入適當的還原劑。3、離子交換動力學過程（5個步驟）（1）交換離子從溶液中擴散到樹脂表面（2）離子透過樹脂顆粒表面的邊界膜（3）離子在樹脂顆粒內部孔隙中擴散到交換點（4）離子在交換點進行交換反應（5）被交換的離子沿相反方向遷移到溶液中二、離子交換過程與工藝設備1、離子交換過程（3個階段）：交換帶形成階段、交換帶移動階段、交換停止（再生階段）P2672、離子交換裝置（1）離子裝置：離子交換器（內添1.5～2.0m樹脂層）、附屬設備（上部配水系統、下部配水系統）（2）離子交換器類型：根據原水與再生液的流動方向，固定床又分為：順流再生固定床、逆流再生固定床。A、順流再生固定床P268：構造、運行操作步驟、優缺點（構造簡單、運行方便；再生劑耗量高，再生程度差，效率低）B、逆流再生固定床：構造、運行操作步驟、優缺點三、水的軟化——離子交換法軟化系統（一）常用系統：單級鈉軟化系統（RNa）、氫-鈉軟化系統（RH-RNa）（二）RNa軟化系統1、軟化過程：Ca2+Mg2+RNa原水軟水Ca2+Mg2+RNa2、特點：不出酸性水，堿度不變，出水硬度較高（約0.5mg-N/L）3、適用條件：原水堿度較低，出水要求不高（只進行軟化），一般作為低壓鍋爐補給水。（三）RH-RNa軟化系統1、強酸RH交換系統的工藝特點（1）交換反應過程酸性水Ca2+Mg2+RH原水軟水酸性水