第五章 污水的化學和物理化學處理

1、第五章第五章 污水化學和物理化學處理污水化學和物理化學處理一、化學法一、化學法1.1 化學氧化法化學氧化法 水處理中常用的氧化劑包括氯氣（水處理中常用的氧化劑包括氯氣（Cl2）、二氧化氯）、二氧化氯（ClO2）、過氧化氫（）、過氧化氫（H2O2）、臭氧（）、臭氧（O3）、羥基自由基）、羥基自由基（HO）。）。氧化劑在水溶液中的氧化電位：氧化劑在水溶液中的氧化電位：HO（3.06V） O3（2.07V）H2O2（1.77V）ClO2（1.5V）Cl2（1.36V）（1）氯氣的氧化原理）氯氣的氧化原理1.1.1 氯氣（氯氣（Cl2）（2）氯氣的氧化作用）氯氣的氧化作用u 消毒消毒 氯氣的消毒作用主

2、要取決于次氯酸。（1）次氯酸分子體積小，不荷電，易吸附于細菌表面；（2）氧化性強，能破壞細胞膜，使蛋白質(zhì)、RNA和DNA等物質(zhì)釋出，并影響多種酶系統(tǒng)(主要是磷酸葡萄糖脫氫酶的巰基被氧化破壞)，從而使細菌死亡。（3）次氯酸對病毒的作用，在于對核酸的致死性損害。（4） 對細菌的殺滅能力而言在較低的PH值條件下更有效。液氯消毒工藝液氯消毒工藝氯氧化系統(tǒng)氯氧化系統(tǒng)氯胺消毒法氯胺消毒法 當水中含有游離氨或有機氮化合物，當水中含有游離氨或有機氮化合物，CL2可以與其反應生成氯胺化合物，氯可以與其反應生成氯胺化合物，氯胺也有殺菌作用，但殺菌速率比次氯酸胺也有殺菌作用，但殺菌速率比次氯酸慢。慢。u 漂白脫色漂

3、白脫色 氯氣溶于水后起主要漂白作用的物質(zhì)是次氯酸。關于它氯氣溶于水后起主要漂白作用的物質(zhì)是次氯酸。關于它的作用機制有兩種解釋：的作用機制有兩種解釋：（1）次氯酸不穩(wěn)定，生成氯化氫和新生氧，新生氧的氧化）次氯酸不穩(wěn)定，生成氯化氫和新生氧，新生氧的氧化能力很強，能破壞有機色素分子結(jié)構(gòu)達到漂白目的。能力很強，能破壞有機色素分子結(jié)構(gòu)達到漂白目的。（2）次氯酸通過加成反應與色素分子結(jié)構(gòu)中雙鍵結(jié)合，使）次氯酸通過加成反應與色素分子結(jié)構(gòu)中雙鍵結(jié)合，使色素變性脫色。色素變性脫色。（3）次氯酸的漂白是徹底的、不可逆的，有機色素脫色）次氯酸的漂白是徹底的、不可逆的，有機色素脫色后不能恢復原色，可用作棉、麻、紙張等

4、的漂白。后不能恢復原色，可用作棉、麻、紙張等的漂白。u 氯氧化法處理含氰廢水氯氧化法處理含氰廢水u 氯氧化法處理含酚廢水氯氧化法處理含酚廢水1.1.2 二氧化氯（二氧化氯（ClO2） ClO2分子結(jié)構(gòu)外層存在一個未成對電子分子結(jié)構(gòu)外層存在一個未成對電子-活潑自由基，具有活潑自由基，具有很強的氧化作用。很強的氧化作用。 ClO2 在水中幾乎在水中幾乎100%分子狀態(tài)存在。分子狀態(tài)存在。 ClO2及易透過細胞膜，滲入細菌及其他微生物細胞內(nèi)，與及易透過細胞膜，滲入細菌及其他微生物細胞內(nèi)，與細菌及其它微生物蛋白質(zhì)中的部分氨基酸發(fā)生氧化還原反應，細菌及其它微生物蛋白質(zhì)中的部分氨基酸發(fā)生氧化還原反應，使氨

5、基酸分解破壞，進而控制微生物蛋白質(zhì)合成，最終導致細使氨基酸分解破壞，進而控制微生物蛋白質(zhì)合成，最終導致細菌死亡。菌死亡。ClO2對對Fe2+、S2-、CN-等具有較強的氧化能力。等具有較強的氧化能力。1.1.3 過氧化氫（過氧化氫（H2O2） 過氧化氫是過氧化氫是1818年由法國化學家年由法國化學家J.H.Thenard發(fā)現(xiàn)，它可發(fā)現(xiàn)，它可以和水以任意比例混合，水溶液又稱雙氧水。雙氧水主要用于以和水以任意比例混合，水溶液又稱雙氧水。雙氧水主要用于紡織品、紙漿漂白，設備除垢，管道清洗以及用作除藻劑等。紡織品、紙漿漂白，設備除垢，管道清洗以及用作除藻劑等。 過氧化氫作為氧化劑使用具有以下優(yōu)點過氧化

6、氫作為氧化劑使用具有以下優(yōu)點：a、產(chǎn)品穩(wěn)定，儲、產(chǎn)品穩(wěn)定，儲存時每年活性氧的損失低于存時每年活性氧的損失低于1%；b、安全，沒有腐蝕性，能較、安全，沒有腐蝕性，能較容易地處理液體，設備簡單；容易地處理液體，設備簡單；c、與水完全混溶，避免了溶解度、與水完全混溶，避免了溶解度的限制；的限制；d、無二次污染，能滿足環(huán)保排放要求；、無二次污染，能滿足環(huán)保排放要求；e、氧化選擇、氧化選擇性高。性高。（1） 漂白脫色原漂白脫色原理理 早期理論認為：雙氧水分解產(chǎn)生的原子態(tài)氧可與織物上的早期理論認為：雙氧水分解產(chǎn)生的原子態(tài)氧可與織物上的色素作用，達到漂白目的。而實驗證明，在強堿、高溫條件下，色素作用，達到漂

7、白目的。而實驗證明，在強堿、高溫條件下，原子態(tài)氧能氧化纖維素、造成織物損傷，而漂白作用沒有確切原子態(tài)氧能氧化纖維素、造成織物損傷，而漂白作用沒有確切證據(jù)。證據(jù)。 1952年年Wood和和Richard根據(jù)雙氧水和有機過氧化物可以產(chǎn)根據(jù)雙氧水和有機過氧化物可以產(chǎn)生游離基的事實，提出了游離基學說。生游離基的事實，提出了游離基學說。 在電子供體和堿存在條件下，游離基易于形成。堿和電子在電子供體和堿存在條件下，游離基易于形成。堿和電子供體起催化作用，降低反應的活化能。供體起催化作用，降低反應的活化能。HO能破壞木素的發(fā)能破壞木素的發(fā)色基松柏醛基，使其失去色基松柏醛基，使其失去發(fā)色功能發(fā)色功能（2） 氧

8、化硫化物和氰化物氧化硫化物和氰化物 在處理硫化氫等硫化物時，在在處理硫化氫等硫化物時，在pH形成形成MmNn沉淀沉淀11時，沉淀溶解。時，沉淀溶解。（2）硫化物沉淀法）硫化物沉淀法 硫化物沉淀法常用的沉淀劑有硫化物沉淀法常用的沉淀劑有H2S、Na2S、K2S等。等。（3）碳酸鹽沉淀法）碳酸鹽沉淀法水的化學軟化水的化學軟化石石灰灰法法石石灰灰純純堿堿法法（4）鋇鹽沉淀法）鋇鹽沉淀法 用較難溶的物質(zhì)作為沉淀劑去除能構(gòu)成更難溶物質(zhì)的離子。用較難溶的物質(zhì)作為沉淀劑去除能構(gòu)成更難溶物質(zhì)的離子。例如，難溶鹽例如，難溶鹽CaSO4的溶度積為的溶度積為2.4510-5，BaSO4的溶度積的溶度積為為0.871

9、0-10，可以用，可以用CaSO4作為沉淀劑，沉淀作為沉淀劑，沉淀Ba2+。（5）鹵化物沉淀法）鹵化物沉淀法（6）氟化物沉淀法）氟化物沉淀法1.3 化學還原法化學還原法 向廢水中投加還原劑，使廢水中的有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o向廢水中投加還原劑，使廢水中的有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的或毒性小的新物質(zhì)的方法稱為還原法。毒的或毒性小的新物質(zhì)的方法稱為還原法。常用的還原劑有：常用的還原劑有：亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、焦亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉、硫酸亞亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、焦亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉、硫酸亞鐵、二氧化硫、水合肼、鐵屑、鐵粉等。鐵、二氧化硫、水合肼、鐵屑、鐵粉等。（1 1）亞硫酸鹽還原法）亞硫酸鹽還原法（2

10、2）硫酸亞鐵還原法）硫酸亞鐵還原法（3 3）水合肼還原法）水合肼還原法 在中性或微堿性條件下，水合肼能迅速地還原六價鉻并生在中性或微堿性條件下，水合肼能迅速地還原六價鉻并生成成 氫氧化鉻沉淀。氫氧化鉻沉淀。1.4 離子交換法離子交換法 離子交換法是水處理中軟化和除鹽的主要方法之一。離離子交換法是水處理中軟化和除鹽的主要方法之一。離子交換的實質(zhì)是不溶性離子化合物上的交換離子與溶液中的子交換的實質(zhì)是不溶性離子化合物上的交換離子與溶液中的其他同性離子的交換反應，屬于可逆性化學吸附。其他同性離子的交換反應，屬于可逆性化學吸附。水處理中常用的離子交換劑為磺化煤和離子交換樹脂。水處理中常用的離子交換劑為磺

11、化煤和離子交換樹脂。 離子交換樹脂是人工合成的高分子聚合物，由樹脂本體和離子交換樹脂是人工合成的高分子聚合物，由樹脂本體和活性基團兩部分組成。樹脂本體不是離子化合物，無離子交活性基團兩部分組成。樹脂本體不是離子化合物，無離子交換能力。活性基團由固定離子和活動離子組成，兩者電性相換能力?；钚曰鶊F由固定離子和活動離子組成，兩者電性相反，通過靜電引力結(jié)合在一起。反，通過靜電引力結(jié)合在一起。u 離子交換樹脂的分類離子交換樹脂的分類陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂含有胺羧基團含有胺羧基團的螯合樹脂的螯合樹脂 兩性樹脂兩性樹脂氧化還原樹脂氧化還原樹脂u 離子交換樹脂的制備離子交換樹

12、脂的制備u 離子交換樹脂的工作原理離子交換樹脂的工作原理陽離子陽離子交換交換樹脂對陽離子的吸收具有選擇性樹脂對陽離子的吸收具有選擇性陰離子陰離子交換交換樹脂對陰離子的吸收具有選擇性樹脂對陰離子的吸收具有選擇性u 離子交換樹脂工藝離子交換樹脂工藝離子交換器離子交換器二、物理化學法二、物理化學法2.1 電化學電化學-內(nèi)電解法內(nèi)電解法 內(nèi)電解法是利用廢水中的有些組分在有導電介質(zhì)存在時，內(nèi)電解法是利用廢水中的有些組分在有導電介質(zhì)存在時，自發(fā)進行電化學反應，同時兼有絮凝、吸附、共沉淀等綜合作自發(fā)進行電化學反應，同時兼有絮凝、吸附、共沉淀等綜合作用的一種廢水處理方法。內(nèi)電解法所用材料主要為鐵粉、鐵屑用的一

13、種廢水處理方法。內(nèi)電解法所用材料主要為鐵粉、鐵屑或鐵碳，也被稱為金屬鐵還原法。或鐵碳，也被稱為金屬鐵還原法。 實際應用中金屬鐵中含有雜質(zhì)碳，再加上材料表面比較粗實際應用中金屬鐵中含有雜質(zhì)碳，再加上材料表面比較粗糙，有利于形成腐蝕電池。其電極反應為：糙，有利于形成腐蝕電池。其電極反應為：陽極陽極（Fe）Fe - 2e- Fe2+Fe2+3OH-e- Fe(OH)3Fe2+2H2O Fe(OH)2+2H+Fe2+2OH- Fe(OH)2陰極陰極（碳）（碳）2H + 2e- 2H H2O2+4H+4e- 2H2O 在電極反應基礎上，金屬鐵還原法降解水中污染物的機理在電極反應基礎上，金屬鐵還原法降解水

14、中污染物的機理包括：包括：（1）鐵的還原作用）鐵的還原作用 鐵是活潑金屬，在酸性條件下可將一些重金屬離子和有機鐵是活潑金屬，在酸性條件下可將一些重金屬離子和有機物還原。物還原。（2）Fe(OH)2的還原作用的還原作用 Fe(OH)2對硝基、亞硝基及偶氮化合物具有強烈的還原作對硝基、亞硝基及偶氮化合物具有強烈的還原作用，可將硝基苯類化合物還原成苯胺類化合物。用，可將硝基苯類化合物還原成苯胺類化合物。（3）氫的還原作用）氫的還原作用 新生態(tài)氫新生態(tài)氫H具有較強的還原作用，能與廢水中許多組分具有較強的還原作用，能與廢水中許多組分發(fā)生還原反應，破壞發(fā)色、助色基團結(jié)構(gòu)，使偶氮鍵斷裂，發(fā)生還原反應，破壞發(fā)

15、色、助色基團結(jié)構(gòu)，使偶氮鍵斷裂，硝基化合物還原為氨基化合物。硝基化合物還原為氨基化合物。 所謂超臨界，是指物質(zhì)的一種特殊流體狀態(tài)。當把處于氣所謂超臨界，是指物質(zhì)的一種特殊流體狀態(tài)。當把處于氣液平衡的物質(zhì)升溫、升壓時，熱膨脹引起液體密度減少，而壓液平衡的物質(zhì)升溫、升壓時，熱膨脹引起液體密度減少，而壓力的升高又使氣液兩相的相界面消失，成為均相系統(tǒng)，這一點力的升高又使氣液兩相的相界面消失，成為均相系統(tǒng)，這一點就是臨界點。當物質(zhì)的溫度、壓力分別高于臨界溫度和臨界壓就是臨界點。當物質(zhì)的溫度、壓力分別高于臨界溫度和臨界壓力時就處于超臨界狀態(tài)。力時就處于超臨界狀態(tài)。2.2 超臨界水氧化法超臨界水氧化法 超臨

16、界水是指在溫超臨界水是指在溫度和壓力分別超過臨界度和壓力分別超過臨界狀態(tài)溫度狀態(tài)溫度374374和臨界和臨界壓力壓力22.5MPa22.5MPa時水處于時水處于超臨界狀態(tài)。超臨界狀態(tài)。 超臨界水具有特殊的溶解性，易改變的密度，較低的黏度，超臨界水具有特殊的溶解性，易改變的密度，較低的黏度，較低的表面張力和較高的擴度、電導率、離子積以及各種物質(zhì)較低的表面張力和較高的擴度、電導率、離子積以及各種物質(zhì)在其中溶解度等值可散性。在其中溶解度等值可散性。 （1 1）用超臨界水氧化處理氧化有機廢物使本來發(fā)生在液相或固）用超臨界水氧化處理氧化有機廢物使本來發(fā)生在液相或固相有機廢物和氣相氧化之間的多相反應轉(zhuǎn)化為

17、在超臨界水中的單相相有機廢物和氣相氧化之間的多相反應轉(zhuǎn)化為在超臨界水中的單相氧化反應；（氧化反應；（2 2）在超臨界水中溶解度很低的鹽類和無機物使得反）在超臨界水中溶解度很低的鹽類和無機物使得反應過程中氧化反應的分離步驟變得容易；（應過程中氧化反應的分離步驟變得容易；（3 3）有機組分在適當?shù)模┯袡C組分在適當?shù)臏囟?、壓力和一定時間內(nèi)能夠被完全氧化成溫度、壓力和一定時間內(nèi)能夠被完全氧化成COCO2 2、H H2 2OO和和NN2 2。2.3 超聲波法超聲波法 超聲波由一系列疏密相間的縱波構(gòu)成，并通過液化介質(zhì)向四超聲波由一系列疏密相間的縱波構(gòu)成，并通過液化介質(zhì)向四周傳播，當聲能足夠高時，在疏松的半

18、周期內(nèi)，形成空化核，空周傳播，當聲能足夠高時，在疏松的半周期內(nèi)，形成空化核，空化核的壽命約化核的壽命約0.10.1ss，它在爆炸的瞬間可以產(chǎn)生大約，它在爆炸的瞬間可以產(chǎn)生大約4000k4000k和和100MPa100MPa的局部高溫高壓，并產(chǎn)生速度約的局部高溫高壓，并產(chǎn)生速度約110m/s110m/s，具有強烈沖擊，具有強烈沖擊力的微射流，力的微射流，這種現(xiàn)象稱為超聲空化。這種現(xiàn)象稱為超聲空化。 這些條件足以使得有機物在空化氣泡內(nèi)發(fā)生化學鍵斷裂、水這些條件足以使得有機物在空化氣泡內(nèi)發(fā)生化學鍵斷裂、水相燃燒、高溫分解或自由基反應，包括鹵代脂肪烴、單環(huán)和多環(huán)相燃燒、高溫分解或自由基反應，包括鹵代脂肪烴、單環(huán)和多環(huán)芳烴及酚類物質(zhì)等都能被超聲波降解。芳烴及酚類物質(zhì)等都能被超聲波降解。 超聲波的頻率是影響有機物降解的主要因素。