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        工业废水处理的基本方法――物理法(二)

        文章出处:未知发表时间:2021-05-11 10:23:58
        工业废水处理的基本方法――物理法(二)
         
            工业废水处理在基本方法,就是采用各种技术与手段,将废水中所含的污染物质分离去除、回收利用,或将其转化为无害物质,使水质得到净化。
               现代废水处理技术,按原理可分为物理处理法化学处理法生物化学处理法等。

        物理处理
               废水的物理处理一般是在常温常压条件下,采用物理或机械的方法,如水质水量的调节、筛滤、澄清、沉淀、气浮等,对废水进行预处理,除去废水中的不溶解的悬浮固体(包括油膜、油品)和漂浮物,为二级处理做准备。物理处理方法的最大优点是因为在处理过程中不改变物质的化学性质,设备简单,操作方便,运行费用低,分离效果良好,因此应用极为广泛,但物理法的缺点是仅能去除水中的固体悬浮物和漂浮物,COD的去除率一般只有30%左右,对水中的溶解性杂质基本无法去除。
              根据物理作用的不同,物理处理法可分为采用格栅和筛网的预处理、澄清、沉淀、气浮、过滤、吸附、膜分离、蒸发浓缩、结晶等。

        4、过滤法
              过滤是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液,在外力作用下,悬浮液中的液体通过介质的孔道,而固体颗粒被截留下来,从而实现固、液分离的一种操作。过滤操作所处理的悬浮液称为滤浆,所用的多孔物质称为过滤介质,通过介质孔道的液体称为滤液,被截留的物质称为滤饼或滤渣。

        过滤的分类
              根据过滤的原理,水处理所涉及到的各项过滤技术可分成两大类:表层过滤和深层过滤。

              表层过滤,有时也叫饼层过滤,其特点是固体颗粒呈现饼层状沉积于过滤介质的上游一侧,适用于处理固相含量稍高(固相体积分率约在1%以上)的悬浮液。表层过滤的颗粒去除机理是机械筛除,过滤介质按其孔径大小对过滤液体的颗粒进行截留分离。这处按机械筛除机理工作的水处理设备通常称为过滤机械,常用的有硅藻土预涂层过滤、污泥脱水机(真空过滤机、带式压滤机、板框压滤机)、微滤机、各种膜分离技术(微滤、超滤、纳滤、反渗透)等。
               深层过滤的特点是固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部,其颗粒去除的主要机理是接触凝聚,悬浮液中的颗粒直径小于床层孔道直径,当颗粒随流体在床层内的曲折孔道穿过时与滤料颗粒进行接触凝聚,水中颗粒附着在滤料颗粒上而被去除。这种过滤适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微(固相体积分率在1%以下)的场合,例如,自来水厂里用很厚的石英砂作为过滤介质来实现水的净化。

        过滤在水处理中的应用
              过滤在给水处理和废水处理过程中是一个不可或缺的环节。
              在给水处理中,过滤通常置于沉淀池或澄清池之后,是保证净化水质的一个不可缺少的关键环节。滤池的进水浊度一般在10NTU以上,经过滤后的出水浊度可以降到小于1NTU,满足饮用水标准。过滤的功效不仅在于进一步降低水的的浊度,而且水中的有机物、细菌及至病毒等也将随水的浊度降低而被部分去除。
              在废水处理中,过滤主要用于深度处理或再生处理,二级生物出水可经混凝沉淀后再进行过滤,以进一步去除残存有机物、悬浮杂质等,出水可用于一般市政杂用或对用作水质要求不高的工业用水,如补充工业冷却用水等。此外,过滤还可以作为活性炭吸附以及离子交换、电渗析、反渗透、超滤等工艺的前处理。
         
        5、吸附
              当气体或液体与某些固体接触时,在固体的表面上,气体或液体分子会程度不同地变浓变稠,这种固体表面对流体分子的吸着现象称为吸附,其中的固体物质称为吸附剂,而被吸附的物质称为吸附质。
              在水处理中,吸附法主要用于脱除水中的微量污染物,应用范围包括脱色、除臭味,脱除重金属、各种可溶性有机物、放射性元素等。在处理流程中,吸附法可作为离子交换、膜分离等方法的预处理,以去除有机物、胶体物及余氯等;也可用为二级处理后的深度处理手段,以保证回用水的质量。
              利用吸附法进行水处理,具有适用范围广、处理效果好、可回收有用物料、吸附剂可重复使用等优点,但对进水的预处理要求较高,运转费用较高,系统庞大,操作较麻烦。

        吸附的分类

        (1)交换吸附
              指溶质(液体)的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上,并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。通常离子交换属于此范围。影响交换吸附的重要因素是离子电荷数和水合半径的大小。

        (2)物理吸附
               是指溶质(气体或液体分子)与吸附剂之间由于分子间力(也称“范德华力”)而产生的吸附,这是一种可逆过程。当固体表面分子与气体或液体分子间的引力大于气体或液体内部的分子间力时,气体或液体分子则吸着在固体表面上。生产、生活中常见的物理吸附为活性炭吸附。物理吸附的特点是没有选择性,吸附质并不固定在吸附剂表面的特定位置上,而多少能在界面范围内自由移动,因而其吸附的牢固程度不如化学吸附。
              当温度升高时,气体(或液体)分子的动能增加,分子将不易滞留在固体表面,而越来越多地逸入气体(或液体)中去,即脱附,这种吸附-脱附的可逆现象在物理吸附中均存在。工业上利用这种现象,通过改变操作条件,使吸附质脱附,达到吸附剂的再生并回收吸附物质或分离的目的。
              物理吸附主要发生在低温状态下,过程的放热量较少,可以是单分子层或多分子层吸附。影响物理吸附的主要因素是吸附剂的比表面积和细孔分布。

        (3)化学吸附
              是指溶质与吸附剂发生化学反应,形成牢固的吸附化学键和表面络合物,吸附质分子不能在表面自由移动,因此化学吸附结合牢固,再生较困难,必须在高温下才能脱附,脱附下来的可能还是原吸附质,也可能是新的物质,化学吸附往往是不可逆的。
             化学吸附的选择较强,即一种吸附剂只对某种或几种物质有吸附作用,一般为单分子层吸附。通常需要一定的活化能,在低温时,吸附率很小。这种吸附与吸附剂的表面化学性能和吸附质的化学性能有密切关系。

             物理吸附后再生容易,且能回收吸附质;而化学吸附往往是不可逆的。利用化学吸附处理毒性很强的污染物更安全。
             物理吸附和化学吸附虽然在本质上有区别,但在实际的吸附过程中往往同时存在,有时难以明确区分。例如,某些物质分子在物理吸附后,其化学键被拉长,甚至拉长到改变这个分子的化学性质。物理吸附和化学吸附在一定条件下也可以互相转化。同一物质,可能在较低温度下进行物理吸附,而在较高温度下经历的往往是化学吸附,也可能同时发生两种吸附,如氧气为木炭所吸附的情况。
         
        6、膜分离
              广义的“膜”是指分隔两相界面的一个具有选择透过性的屏障,称其为“薄膜”,简称为“膜”。膜的形态有很多种,有固态和液态、均相和非均相、对称和非对称、带电和不带电等之分。一般的膜很薄,其厚度可以从几微米(甚至到0.1μm)到几毫米。
         
              膜分离是指以具有选择透过功能的薄膜为分离介质,通过在膜两侧施加一种或多种推动力,使原料的某组分选择性地优先透过膜,从而达到混合物分离和产物提取、浓缩、纯化等的目的。
             膜分离的过程有多种,不同的分离过程所采用的膜及施加的推动力不同。依据膜分离的推动力和传递机理,可将膜分离过程进行分类,见表1。
         

        表1  几种主要的膜分离过程
        过程 推动力 传递机理 透过组分 截留组分 膜类型
        微滤(MF) 压力差0-100kPa 颗粒大小 、形状 溶液、微粒(0.02~10μm) 悬浮物(胶体细菌)、粒径较大的微粒 多孔膜、非对称性膜
        超滤(UF) 压力差100-1000kPa 分子特性、形状、大小 溶剂、少量小分子溶质 大分子溶质 非对称性膜
        反渗透膜(RO) 压力差1000-10000kPa 溶剂的扩散传递 溶剂、中性小分子 悬浮物、大分子、离子 非对称性膜或复合膜
        渗析(D) 浓度差 溶剂的扩散传递 小分子溶质 大分子和悬浮物、 非对称性膜、离子交换膜
        电渗析(ED) 电位差 电解质离子的选择传质 电解质离子 非电解质、大分子物质 离子交换膜
        气体分离(GP) 压力差1000-10000kPa(分压差) 气体和蒸气的扩散渗透 易渗气体或蒸气 难渗气体或蒸气 均匀膜、复合膜、非对称性膜
        渗透汽化(PV) 分压差 选择传递(物性差异) 膜内易溶解组分或易挥发组分 不易溶解组分或较大、较难挥发物 均匀膜、复合膜、非对称性膜
        液膜分离(LM) 化学反应和扩散传递 促进传递和溶解扩散传递 杂质(电解质离子) 溶剂、非电解质离子 液膜
         
         
               在膜分离时,使原料中的溶质透过膜的现象一般叫做渗析,使溶剂透过膜的现象叫渗透。水处理膜分离法通常是指采用特殊固膜的电渗析法、超滤、微滤、纳滤及反渗透等技术,其共同优点是在常温下可分离污染物,且不耗热能,不发生相变化,设备简单,易于操作。
         
               溶质或溶剂透过膜的推动力是电动势、浓度差或压力差。微滤、超滤、纳滤和反渗透都是以压力差为推动力的膜分离过程。当在膜两侧施加一定的压力时,混合液中的一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜,而微粒、大分子、盐等被截留下来,从而达到分离的目的。这四种膜分离过程的主要区别在于被分离物质的大小和所采用膜的结构和性能不同。微滤的分离范围为0.05~10μm,压力差为0.015~0.2MPa;超滤的分离范围为0.001~0.05μm,压力差为0.1~1MPa;反渗透常用于截留溶液中的盐或其他小分子物质,压力差与溶液中的溶质浓度有关,一般在2~10MPa;纳滤介于反渗透和超滤之间,脱盐率及操作压力通常比反渗透低,一般用于分离溶液中分子量为几百至几千的物质。

             电渗析是指在电场力作用下,溶液中的反离子发生定向迁移并通过膜,以去除溶液中离子的一种膜分离过程,所采用的膜为荷电的离子交换膜。目前电渗析已经大规模用于苦咸水脱盐、纯净水制备等,也可以用于有机酸的分离与纯化。

        膜分离过程的特点:
            a、在膜分离过程中,不发生相关,能量转化效率高;
            b、一般不需要投加其他物质,不改变分离物质的性能,并节省原材料和化学药品;
            c、膜分离过程中,分离和浓缩同时进行,可回收有价值的物质;
            d、可在一般温度下操作,不会破坏对热敏感和对热不稳定的物质,并且不消耗热能;
            e、膜分离法适应性强,操作及维护方便,易于实现自动化控制,运行稳定。

        因此,膜分离技术除大规模用于海水淡化、苦咸水淡化、纯水生产外,在城市生活饮用水净化、城市污水处理与利用以及各种工业废水处理与回收利用等领域也逐渐得到了推广和应用。
         
        7、蒸发浓缩
             蒸发是将溶液加热至沸腾,使其中的部分溶剂汽化并被移除,从而达到浓缩废水中溶质的目的。
            工业上的蒸发操作是将溶液加热至沸点,使之在沸腾状态下蒸发。工业生产中应用蒸发操作的有以下几种场合:
              a、浓缩稀溶液直接抽取产品或将浓溶液再处理(如冷却结晶)制取固体产品,如电解烧碱液的浓缩、食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等。
              b、同时浓缩溶液和回收溶剂,如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯、中药生产中酒精浸出液的蒸发等。
              c、为了获得纯净的溶剂,如海水淡化等。

        蒸发过程的优缺点
               蒸发操作主要采用饱和水蒸气加热。当溶液的沸点较高时,可以采用其他高温载热体、融盐加热或电加热等。当溶液的黏度较高时,也可以采用烟道气直接加热。蒸发操作中溶液汽化所生成的蒸汽称为二次蒸汽,以区别于加热用蒸汽。二次蒸汽必须不断地用冷凝等方法加以移除,否则蒸汽和溶液渐趋平衡,致使蒸发操作无法进行。
            按操作压力,蒸发可分为常压、加压和减压蒸发操作。
         
        8、结晶
             固体物质以晶体状态从溶液、熔融混合物或蒸气中析出的过程称为结晶。结晶是获得纯净固态物质的重要方法之一。结晶是从过饱和溶液中结晶析出具有结晶性的固体污染物的过程。对于溶质浓度很高的废水,可直接利用降温冷却的方法产生过饱和溶液,对于溶质浓度较低的废水,可采用加热蒸发的方法产生过饱和溶液。
             与其他分离过程比较,结晶过程的主要特点是:能从杂质含量很多的溶液或多组分熔融态混合物中获得非常纯净的晶体产品;对于许多其他方法难分离的混合物系如共沸物系、同分异构体物系以及热敏性物系等,采用结晶分离往往更为有效;此外,结晶操作能耗低,对设备材质要求不高,一般亦很少有“三废”排放。
             结晶过程可分为溶液结晶、熔融结晶、升华结晶及沉淀结晶四大类,其中溶液结晶是过程工业中最常用的结晶方法。
         


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