? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 在环境工程中分离过程主要包括萃取法、离子交换与吸附法、膜分离法，下面对这几种分离过程的原理、影响因素、设备和工艺等作一介绍。 一、萃取法
（一）萃取过程
液液萃取是指两个完全不互溶或部分互溶的液相接触后，一个液相中的溶质经过物理或化学作用另一个液相，或在两相中重新分配的过程。 在萃取的过程中，所使用的萃取溶剂称为萃取剂。
在废水处理中欲萃取的溶质在水相与萃取溶剂中的溶解度不同，有三个步骤：
１将萃取剂加入水废水中，并使它们充分混合接触，废水中有害物质因在萃取剂中的溶解度大于水相，所以当溶质在水相与萃取相达平衡后，大部分有害物质进入萃取剂中； ２废水与萃取剂分离
３含有害物质萃取物从萃取剂中分离，萃取物作为有用的副产品；而萃取剂则回用于萃取过程。
（二）萃取过程的基本原理
“在定温、定压下，若一个物质溶解在两个同时存在的互不相溶的液体里，达到平衡后，该物质在两相中浓度之比等于常数” ，这称为分配定律。用公式表示为： cB1/cB2=K
式中cB1 和 cB2 分别为溶质B在两个互不相溶的溶剂 中的浓度，K 称为分配系数 当溶液浓度不大时，活度比可用浓度比代替，就得到分配定律的经验式。
若原来料液中除溶质Ａ还有溶质Ｂ，则由于Ａ、Ｂ在萃取剂与料液中分配系数不同，选用合适的萃取剂进行分离。 （三）萃取剂的选择
在液-液萃取中，萃取剂的性质和价格影响萃取效果和费用，也影响萃取物的产量和质量。 其选取原则：
１对溶质的溶解度要远大于原溶剂
２和原溶液中的溶剂互不相溶、粘度小，界面张力适中，便于两相分离；
３萃取剂的回收和再生容易，化学稳定好；４萃取剂价格要低廉，供应要充沛。 （四）萃取设备
萃取设备型式很多，可按结构分为三大类：罐式（萃取器）、塔式（萃取塔）和离心机式（萃取机），其中塔式设备最常见。
无论那种萃取设备，首先必须完成萃取两相的混合（萃取）与分离。 混合充分是基础；分离完全是结果。
罐式萃取器通常是间歇操作的，装料、搅拌、静澄和出料等四个步骤构成一个循环。
而萃取塔与萃取离心机则是连续操作的。
萃取器是一个具有搅拌设备的圆筒形容器。在混合时，开动搅拌设备，在静澄分离时，关闭搅拌设备。搅拌与静澄分离的时间可以调节。可以是单级也可以是多级萃取。 在萃取塔内，重液从顶部流入，萃取分离后从底部流出；而轻液则从底部流入，萃取分离后从顶部流出；
在塔身中部，轻重液相充分混合、充分接触，完成萃取；
在塔顶与塔底有充分的空间与断面，让轻重液彼此完全分离。常用的萃取塔有以下几种：１筛板萃取塔２转盘萃取塔３填料萃取塔 二、吸附法
固体表面因比表面积大，表面能高，为了使其更加稳定，主要是通过吸附其它物质在其表面，降低表面能。被吸附的物质称吸附质；固体物质称为吸附剂。 工业废水处理中，常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。
吸附量通常有两种表示方法： (1)单位质量的吸附剂所吸附气体的体积： (2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量：
目前常用 Langmuir吸附等温式 Langmuir吸附理论的基本假设是：固体颗粒表面是均匀的，被吸附分子间的作用力互不影响；分子在其表的吸附是单分子层，固体表面一旦被吸附质覆盖就不能被再吸附其它分子。在吸附平衡时，吸附与脱附达动态平衡。吸附平衡前，吸附速率与固体表面的空白成正比，解吸速率与覆盖度成正比。 ? （二）影响吸附的因素
? 吸附能力与吸附速率是衡量吸附过程的主要指标。 ? 固体吸附剂的吸附能力是用吸附量来表示；吸附速率是指单位重量吸附剂在单位时
间内所吸附的物质量。
? 在水处理中，吸附速率决定了污水需要与吸附剂接触的时间。 ? 吸附速率快，则所需要的接触时间就短，吸附设备的容量就小。 ? 多孔吸附剂的吸附过程，可分为三个阶段：
? （１）颗粒部外部扩散阶段； （２）孔隙扩散阶段； （３）吸附质被吸附
在孔隙吸附点表面。 ? 通常前（１）（２）阶段决定吸附速率。颗粒部外部扩散速度与溶液浓度成正比，
也与吸附剂的比表面积（颗粒越小比表面积越大）成正比；同时增大溶液与颗粒间的相对运动速率也可提高外部扩散速率。孔隙扩散速率与孔隙大小与结构、吸附剂颗粒的大小和结构等都有关。一般，吸附剂颗粒越小，孔隙扩散速率越快。吸附能力也与吸附剂与吸附质本身的物理化学性质、吸附温度、介质pH等有关。 ? （三）吸附剂及再生
? 活性炭：加热再生与化学再生。 ? （四）吸附工艺与设备
? 吸附操作方式分为间歇式和连续式。
? 间歇式是将废水和吸附剂放在吸附池内直行搅拌30分，然后静置沉淀，排除清液。 ? 连续式吸附主要采用固定床、移动床和流化床。 ? 三、离子交换法
? （一）离子交换法原理
? 利用液相中的离子和固相中离子间所进行的可逆性化学反应提纯或分离物质的方
法。是一种特殊的化学吸附。离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：
当达离子交换平衡时，存在如下关系式：
? Ｋ是平衡常数，Ｋ值越大，正向离子交换能力越强，逆向越弱；反之逆向越强，正
向越弱。
? （二）离子交换剂
? 离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，如树脂，纤维素，葡聚糖，醇脂糖等，
它的分子中含有可解离的基团，这些基因在水溶液中能与溶液中的其它阳离子或阴离子起交换作用。
? 离子交换剂分为无机质和有机质两类。 （三）离子交换剂的选用
对不同的废水，应根据废水处理对象的性质、要求处理程度等，合理地选择离子交换树脂。
1 离子交换树脂有交效的pH值范围２交换容量３交联度４交换势 （四）离子交换工艺与设备
离子交换装置，按照进行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类。 用于废水处理的离子交换系统一般包括：预处理设备（一般采用砂滤器）、离子交换器和再生附属设备（再生液配制设备）。常用的固定床离子交换器见图3-21所示： 离子交换的运行操作包括四个步骤：交换、反洗、再生、清洗。
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交换过程：是离子交换树脂上的离子与溶液中的其它同性离子的反应过程；
反洗过程：目的在于松动树脂层，以便下一步再生时，注入的再生液能分布均匀，同时也及时清除积存在树脂层内的杂质、碎粒和气泡。 反洗：用原水，反洗使树脂膨胀40-60%。 再生过程：就是交换反应的逆反应过程，借助高浓度的再生液，流过树脂层，将先前吸附交换的离子置换出来，使其恢复应用的交换能力。不同的再生液的浓度要求不同，一般在２-５%为宜。
清洗过程：清洗是用净水将树脂层残留的再生废液清洗掉，直至出水水质同位符合要求为止。
? 四、膜分离法
? （一）定义 膜是一薄层物质，能将流动相分隔开来成为两部分，是具有选择性分离功
能的材料。
? 利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。 ? 它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理
过程，不需发生相的变化和添加助剂 ? （二）膜的分类
? 根据相态：可分为固态与气态膜 ? 根据来源：可分成天然与人工膜
? 根据膜体结构可分为：固体膜可分为致密膜与多孔膜
? 根据的功能，可分为离子交换膜、渗析膜、超滤膜、反渗透膜和气体渗透膜等 ? 根据孔径大小：可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO） ? （四）膜分离过程
? 膜分离过程从分离精度上划分，一般可分为四类：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)
和反渗透(RO)，他们的过滤精度按照以上顺序越来越高。
微滤： 微滤能截留0.1-75μm之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体（无机盐）等通过，但会截留住悬浮物、细菌及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力一般为0.7-7Kpa.
超滤：超滤能截留10nm-0.1μm之间的大分子物质和杂质。超滤膜允许小分子物质和溶解性固体(无机盐)等通过，同时将截留下胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量范围一般在500-500，000之间，超滤膜运行压力一般为0.1-0.6Mpa。
第一节 化学热力学
? 研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及 其转换过程中所遵循的规律； 研究各种物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应 研究化学变化的方向和限度 几个基本概念
? 体系与环境、体系的分类、体系的性质、热力学平衡态、热和功 体系与环境:在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种被划定的研究对象称为体系，亦称为物系或系统。 环境:与体系密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。
根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类:（1）敞开体系（open system）体系与环境之间既有物质交换，又有能量交换。（2）封闭体系（closed system）体系与环境之间无物质交换，但有能量交换。（3）孤立体系（isolated system）体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑。 1热力学平衡态
当体系的诸性质不随时间而改变，则体系就处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡：
A、热平衡（thermal equilibrium）体系各部分温度相等。B、力学平衡（mechanical equilibrium） 体系各部的压力都相等，边界不再移动。如有刚壁存在，虽双方压力不等，但也能保持力学平
衡。
当体系的诸性质不随时间而改变，则体系就处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡： 相平衡（phase equilibrium）
多相共存时，各相的组成和数量不随时间而改变。 化学平衡（chemical equilibrium ）
反应体系中各物的数量不再随时间而改变。体系的平衡旧相对的，是有条件的，平衡实际上是一种动态平衡。
状态函数;体系的一些性质，其数值仅取决于体系所处的状态，而与体系的历史无关；它的变化值仅取决于体系的始态和终态，而与变化的途径无关。具有这种特性的物理量称为状态函数
状态函数的特性可描述为：异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。
热和功:热：体系与环境之间因温差而传递的能量称为 热，用符号Q 表示。 功：体系与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功，用符号W表示
热力学第一定律
能量守恒定律：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。热力学能：热力学能（thermodynamic energy）以前称为内能（internal energy）,它是指体系内部能量的总和，包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。
热力学第一定律：也可以表述为：第一类永动机是不可能制成的。第一定律是人类经验的总结
第一定律的文字表述：一种既不靠外界提供能量，本身也不减少能量，却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机，它显然与能量守恒定律矛盾。
第一定律的数学表达式：?U = Q + W对微小变化： dU =?Q +?W
因为热力学能是状态函数，数学上具有全微分性质，微小变化可用dU表示；Q和W不是状态函数，微小变化用?表示，以示区别。
也可用?U = Q - W表示，两种表达式完全等效，只是W的取号不同。用该式表示的W的取号为：环境对体系作功， W<0 ；体系对环境作功， W>0 。
（一）水体沉积物中的重金属
? 水中的重金属离子在一定条件下，有相当多的一部分会进入沉积物，而在条件变化时，
它们又会从沉积物重返水相。
? 对于底泥中重金属释放影响最大的因素是pH与氧化还原电位Ｅ，而pH与氧化还原
电位Ｅ在一定的地质地理环境下，具有相对的稳定性。
? 水中重金属易于富集在悬浮物中，但随水流迁移一段距离后，会因重力而沉降下来，
固体沉积物是重金属污染的主要蓄积库。
? 研究发现：天然水质中，底泥中重金属较稳定，不易释放；pH越低，越易释放；特
别是碳酸盐结合态，受pH影响最明显；有机硫化物结合态金属较稳定，但有氧化剂或氧的条件下，易被氧化而释放； ? 除此，沉积物中重金属的含量受水体中重金属的负荷、沉积物自身的性质如共存物等
有关，如河流沉积物中，金属之间有显著的相关性。Cr和Zn，Cu和Zn，Cr与Zn总量与碳量
（二）重金属的生物有效性及其对生物的影响
? １重金属的生物有效性：是指重金属能被生物吸收利用或对生物产生毒性效应的性状，
可由间接的毒性数据或生物体浓度数据来评价。 ? ２重金属不同形态所体现的生物有效性间的差异 ? 河流底泥中的重金属与不同的载体结合，以不同的形态存在，不同的形态的重金属，
具有不同的生物有效性。
? 底泥中重金属的形态有：水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰水合氧化态、有
机-部分硫化物态和残渣态等６种形态。
? 一般情况：水溶态可被生物直接吸收利用；离子交换态很易与其它离子交换，进入水
相；碳酸盐结合态在pH低时，易释放出来，进入水相；铁锰水合氧化态在合适的pH
? ?
和有氧化剂参与的条件下，易进入水相；有机-部分硫化物态本身不易被生物吸收，但有适的pH和有氧化剂参与，有部分进入水相；而残渣态对生物无效。 ３不同重金属生物有效性的差异
底泥中Cu、Mn、Pb、Zn等不同金属生物有效性不相一致，反映出它们的理化性质、地球化学形态分布和生物代谢的差异。 第二节 废水中典型重金属的处理方法与工艺 一、胶体絮凝法处理重金属离子废水 首先分析重金属离废水的来源、性质、组成、含量等，选用合适的絮凝剂，确定合理的分离工艺条件，如絮凝剂浓度、pH调节所用酸与碱等 如胶体絮凝法处理磷化污水
工业上的磷化污水，主要含有Fe、Zn磷酸盐，pH<5；
第一步：在处理磷化污水时，首选需调节pH，用来源广、价廉的石灰石中和废水的酸性，同时，Fe3+、Zn2+与OH-产生胶体沉淀：
第二步：第一步产生的Ca3(PO4)2与Fe(OH)3与Zn(OH)2等胶体颗粒，颗径小，表面吸附了介质中的阴阳离子，因产生双电层等原因，不易沉降分离，因此选用价廉、来源广、效果好的絮凝剂
第三步 沉降分离，废渣回收处理（现很多是填埋或垒放），水经其它处理，循环再用
二、浮选法处理重金属废水
（一）浮选法的基本概念和类型
浮选法:是选金生产中应用最广泛的一种选矿法，是利用矿物表面物理化学性质的差异来选分矿石的一种方法。
常规的浮选法是将矿物破碎成几微米至几十微米的颗粒，制成悬液，然后加入捕收剂和起泡剂，有选择性地使欲分离矿物料粒子表面与捕收剂分子的疏水基结合，并使其粘附在上升的气泡上形成浮渣以达到分离的目的。
包括离子浮选法、沉淀浮选法、吸附浮选法和电解浮选法等。
浮选法用于处理废水的的重金属离子，是选 矿技术在环保领域中研究最活跃的方向之一。
１ 离子浮选法
离子浮选法属于泡沫分离技术范畴。该方法基于待分离物质与捕集剂通过络合或生成沉淀，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面而富集，借泡沫上升带出溶液主体，达到净化溶液主体和浓缩待分离物质的目的。
浮选法的分离作用，主要取决于其组分在气-液界面上选择性和吸附程度。
所使用捕集剂的主要成分是，表面活性剂和适量的起泡剂、络合剂、掩蔽剂等。 影响离子浮选的因素有三：目的离子的物理化学性质（目的离子的电子构型、电价、离子半径、离子水化程度等）；捕收剂的结构与活性；疏水性产物的表面活性。 ２沉淀浮选法
沉淀浮选法先从稀的废水或污水中，将欲分离的重金属离子生成沉淀而富集，然后通过气泡将沉淀带到浮选装置的表面，从而达到分离或综合回收的目的。 沉淀浮选的优点：体积大为减少；产生的废料为固体。 沉淀浮选中浮选剂主要有起泡剂和捕收剂。
沉淀浮选要求沉淀颗粒小，容易粘附在气泡上，气泡粒径大小与分布适当，最适合尺寸为0.4-1.0mm。
沉淀浮选有两种方法：
一种是直接沉淀除去离子组分； 另一种是间接法，即外加其它离子与目的离了共沉淀，然后浮选得到共沉淀。 直接沉淀一肌以控制pH（沉淀为氢氧化物）来实现，可用于除去辐射离子，从工业污水中提取氰化物和铬，以及从含氰化物污水中分离镉和铜。
间接沉淀法，当沉淀重金属时，一般使用硫化钠试剂，得到的硫化物沉淀较氢氧化物沉