《环境工程原理》课程授课教案（讲稿）第10章 其它分离过程

课程名称：《环境工程原理》摘要第一节离子交换一、离子交换剂概述二、离子交换基本原理三、离子交换速率第二节萃取一、萃取分离的特点第十章其它分离过程二、萃取过程的热力学基础三、萃取剂的选择四、萃取过程的流程和计算第三节膜分离一、膜分离概述二、膜分离过程中的传递过程本讲的要求及重点难点：【目的要求】要求学生了解离子交换树脂的结构及其物理化学性质，了解离子交换速度的步骤及控制步骤和交换速度的影响因素，了解离子交换树脂的特征参数，能够利用选择性系数计算交换平衡时的离子浓度。要求能够利用三角相图确定三元混合物的组成，理解分配曲线和分配系数的意义，掌握萃取剂和稀释剂不互溶体系的单级萃取和多级错流、逆流萃取的最小萃取剂用量、理论级数等的相关计算。了解膜分离过程的分类、特点及种类，理解膜分离过程的表征参数：渗透性和选择性，理解膜传递过程的理论模型：多孔模型、溶解扩散。【重点】离子交换树脂的结构及其物理化学性质，离子交换速度的控制与影响因素；萃取的机理，单级萃取、多级错流、逆流萃取的相关计算。膜分离过程的表征参数和推动力，膜传递过程的机理。【难点】萃取的机理，单级萃取、多级错流、逆流萃取的相关计算。膜传递过程的机理，内容【本讲课程的引入】分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离是针对非均相混合体系，比如沉降、过滤，分别为第六、七章内容；传质分离是针对均相混合体系，包括平衡分离过程（如第八章吸收，第九章吸附，第十章中的萃取）和速率分离过程（膜分离）。所以第二篇内容如下：第六章沉降；第七章过滤；第八章吸收；第九章吸附；第十章其他分离过程。【本讲课程的内容】第十章其它分离过程s10-1离子交换离子交换剂是一种带有可交换离子的不溶性固体。通过固体离子交换剂中的离子与溶液中的离子进行等当量的交换来去除溶液中某些离子的操作为离子交换。在环境工程领域，离子交换主要用于水处理中的除盐软化及去除重金属离子等。一、离子交换剂概述（一）离子交换剂的分类一般将具有离子交换功能的物质称为离子交换剂。离子交换剂可以是任何物质，包括有机离子交换剂（天然的和合成的）和无机离子交换剂（如沸石等）。离子交换树脂分类方法多种1

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（1）按物理结构：可分为凝胶型、大孔型和等孔型。（2）按合成单体：可分为苯乙烯系、酚醛系和丙烯系等。固定高子（3）按活性基团性质：阳离子交换树脂、阴离子交换树脂等。交高（二）离子交换树脂的结构乙期交联份离子交换树脂是具有特殊网状结构的高分子化合物，由空间网40状结构骨架（即母体）和附着在骨架上的许多活性基团所构成。（三）离子交换树脂的物理化学性质10-1-1（1）交联度：离子交换树脂是一种具有立体交联结构的高分子化合物。交联结构有树脂合成时加入的交联剂来实现。交联度是指交联剂的用量（用质量分数表示）。交联度越大，树脂结构越密集，溶胀越小，选择性越高和稳定性越好。（2）粒度：离子交换树脂通常为球形，粒径为0.2~1.2mm。（3）密度：密度分真密度和视密度。真密度指树脂溶胀后的质量与其本身所占体积之比；视密度指树脂溶胀后的质量与其堆积体积之比。阳离子树脂的真密度一般为1300k/m3左右，视密度为700~850kg/m；阴离子树脂的真密度一般为1100kg/m3，视密度为600~750kg/m3。（4）溶胀性：离子交换树脂浸泡于水中时，由于溶剂化作用会发生体积增大，即为溶胀。树脂的溶胀程度与交联度、交联结构、基团与反离子的种类有关。（5）交换容量：离子交换树脂的交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力的大小。交换容量又可区分为全交换容量和工作交换容量。全交换容量指单位质量（或体积）的树脂中可以交换的化学基团的总数，亦称理论交换容量。工作交换容量指树脂在给定工作条件下实际可利用的交换能力，与运行条件，如再生方式和程度、原水离子成分、树脂层高度、操作流速和温度等有关。（6）选择性：树脂选择性是指离子交换树脂对不同离子亲和力强弱的反应。影响离子交换树脂选择性的因素包括：离子的水化半径：离子在水溶液中通常发生水化作用，离子在水溶液中的实际大小以水化半径来表征。水化半径越小的离子越易被交换。离子的化合价：离子的化合价越高，其与树脂的亲和力越强，越易被树脂交换。在水处理的软化工艺中，水中的钙、镁离子容易被离子交换树脂置换，从而达到去除水中硬度的目的。二、离子交换基本原理（一）离子交换反应1.可逆反应离子交换反应是可逆的，这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是在固态树脂和溶液接触的界面发生可逆离子交换。例如，含Ca2+的硬水通过RNa型树脂：2RNa+Ca2+→R,Ca+2Na食盐水使树脂再生：R,Ca+2Nal*→2RNa+Ca2+反应式可写为：2RNa+Ca—R,Ca+2Na*高生2.强型树脂的交换反应强型树脂是指强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂。（1）中性盐分解反应RSO,H+NaC/=RSO,Na+HCIR=NOH+NaCIR=NCI+NaOH（2）中和反应RSO,H+NaOHRSO,Na+H,OR=NOH+HCIR=NCI+H,O（3）复分解反应R(SO,Na)+CaCl,RSO,Ca+2NaCIR(=NCI)+Na,SO,R(=N),SO,+2NaC3.弱型树脂的交换反应弱型树脂是指弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。这类树脂不能进行中性盐分解2

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反应，这是由于弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂分别在pH>4和pH<7时才能进行交换反应。但弱型树脂可以进行以下反应：（1）非中性盐的分解反应R(COOH), +Ca(HCO,),—R(COO),Ca+2H,COR=NH,OH+NHCIR=NH,CI+NHOH（2）强酸或弱碱的中和反应RCOOH+NaOH-RCOONa+H,OR=NH,OH+NH,CIR=NH,CI+NH,OH（3）复分解反应R(COONa),+CaCl,=R(COO),Ca+2NaCIR=NH,CI+NaNO,R=NH,NO,+NaCI（二）离子交换平衡和选择性系数1.一价离子之间的交换R-A+B+=RB++At离子交换平衡是在一定温度下，经过一定时间，离子交换体系中固态的树脂相和溶液相之间的离子交换反应达到的平衡。一价离子对一价离子的交换反应通式可写为：当离子交换达到平衡时，平衡常数为：[R-B+T[A+][R-B+/R-A+]K=[R"AB][B]/LA′]式中，[R-B+]，[R-A+]一—树脂相中的离子浓度，kmol/m”;[B+]，[A+]一一溶液中的离子浓度，kmol/m3。平衡常数亦称为离子交换树脂的选择性系数，表示离子交换树脂对溶液中B+的亲和程度和离子交换反应的进行方向。如果选择性系数大于1，说明树脂对B+的亲和力大于对A+的亲和力，离子交换反应向右进行。选择性系数亦可用离子摩尔分数来表示。式中：co一溶液中两种交换离子的总浓度，kmol/m3：Co =[A*]+[B*]CB一溶液中B+离子的总浓度，kmol/m3;Cg =[B*]qo—树脂全交换容量，kmol/m3；q0 =[R"A*]+[R-B+]qB一树脂中B+离子浓度，kmol/m。qB=[R-B*]KB- ye(I-Xe)则Xg(1-yB)K=501.0如果K>1，则B+优先交换到树脂相，并且随K的增加，2050.80.6ys增加显著。反之，如果K<l，则A+优先交换到树脂相。1.00.50.42.二价离子对一价离子的交换0.2二价离子对一价离子的交换反应通式：0.20.12R-A++B*R-B2++2A+0.40.60.81.00.2其离子交换的选择性系数为B[R,-B2+[A+7_ys(1-xB)"co10-1-2KB:[R"A*]'[B?+]s(1-ys)"qoK lo=a(1-x)"coX(1-y)"qoCo3

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KB*o表观选择性系数，无量纲。coKRc可以看出，该系数随K和qo值的增大或co值的减小而增大，-10001.050该系数大于1时，有利于B+优先交换到树脂相：反之，则有利于0.8再生反应。典0.6三、离子交换速度0.4离子交换树脂是指某种具体条件下离子交换能力达到的极限状态，通常需要很长时间才能达到。在实际的离子交换水处理中，0.2由于反应时间有限，不可能达到平衡状态。因此，研究离子交换速0.20.40.60.81.0率及其影响因素具有重要的实用意义。XB（一）离子交换速度的控制步骤10-1-3离子交换过程是溶液中的离子与离子交换树脂中可交换基团之间进行的交换反应。一般认为，该过程涉及有关离子的扩散和交换，其动力学过程包括5个步骤。以H型强酸性阳离子交换树脂对水中Na+的交换为例：树脂中可交换离子①边界水膜内的迁移：溶液中的Na+向树脂颗粒表H面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂一树脂颗粒表面。边界水膜②交联网孔内的扩散：Na+进入树脂颗粒内部的交2?H联网孔，并扩散到达交换点。3Na （水中离子)?③离子交换：Na+与树脂交换基团上可交换的H+H(交换下来的离子)进行交换反应。交联网内的扩散：被交换下来的H+在树脂内部10-1-4交联网中向树脂表面扩散。③边界水膜内的迁移：被交换下来的H+通过树脂表面的边界水膜层，扩散进入溶液中。其中①③称为液膜扩散步骤，或称为外扩散；②和树脂颗粒内扩散，或称为孔道扩散步骤；③称为交换反应步骤。与液膜扩散步骤和孔道扩散步骤的速率相比，交换反应步骤的速率通常很快，可瞬间完成。因此离子交换速度实际上是由液膜扩散或者孔道扩散步骤控制。（二）离子交换速度的影响因素（1）离子性质：化合价越高，其孔道扩散速度越慢：水合半径越大，扩散速度越慢。（2）树脂的交联度：交联度大，离子在树脂网孔内的扩散慢。（3）树脂的粒径：粒径小整体交换速度快，但颗粒太小，会增加树脂层阻力，且反洗树脂容易流失。（4）水中离子浓度：浓度高，其在水膜中的扩散很快，离子交换速度受孔道扩散控制。反之，为液膜扩散控制。（5）溶液温度：温度升高有利于提高离子交换速度。（6）流速或搅拌速度：增加树脂表面水流流速或增加搅拌速度，在一定程度上可提高液膜扩散速度，但增加到一定程度以后，其影响变小。【本节小结】要求学生了解离子交换树脂的结构及其物理化学性质，了解离子交换速度的步骤及控制步骤和交换速度的影响因素，了解离子交换树脂的特征参数，能够利用选择性系数计算交换平衡时的离子浓度。A

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S10-2萃取一、萃取分离的特点萃取是分离液体混合物的一种重要操作单元。利萃取剂S一萃取相E用混合液中被分离组分A在两相中分配差异的性质，原料液使该组分从混合液中分离。该过程称为液-液萃取，A+B-2或溶剂萃取，或液体萃取。一萃余相R萃取过程是物质由一相转到另一相的传质过程。萃取分离的特点：可在常温下操作，无相变；萃10-2-1取剂选择适当可以获得较高分离效率；对于沸点非常相近的物质可以进行有效分离；利用萃取的方法分离混合液时，混合液中的溶质既可是挥发性物质，也可以是非挥发性物质，如无机盐类等。在环境领域，萃取法主要用于水处理，通常用于萃取工业废水中有回收价值的溶解性物质；从染料废水中提取有用染料：从洗毛废水中提取羊毛脂：含酚废水的萃取处理等，二、萃取过程的热力学基础由于这部分内容在《物理化学》中学过，因此自学萃取平衡问题，同时思考以下问题。【思考题】（1)说明三角形相图中各区域点（三角形顶点、三条边上的点以及三角形内的点）的物理意义。(2)说明三角形相图中溶解性曲线和联结线是如何得到的。哪些区域是均相，哪些是多相，相的组成如何计算（稀释剂和萃取剂完全不互溶）。(3)说明单级萃取过程在三角形相图上如何表示。（4)说明如何从三角形相图的溶解度曲线得到分配曲线，分配系数的物理意义。三、萃取剂的选择（一）萃取剂的选择性系数萃取剂的选择性是指萃取剂对原料混合液中两个组分的溶解能力的大小，可以用选择性系数来表示：α=m/×m=ym，ym——分别为组分A和B在萃取相中的质量分数XmA，XmB一一分别为组分A和B在萃余相中的质量分数YmB/XmBkg若α>1，表示溶质A在萃取相中的相对含量比萃余相中高。α愈大，组分A与B的分离愈容易。若α=1，则组分A与B在两相中的组成比例相同，该溶液不能用萃取方法分离。（二）萃取剂的选择1.萃取剂的选择性萃取剂的选择性，指萃取剂S对被萃取组分A与对其它组分的溶解能力之间的差异。若选用选择性系数大的萃取剂，其用量可以减小，所得的产品质量也较高。萃取剂S与稀释剂B的互溶度越小，越有利于萃取。2.萃取剂的物理性质（1）密度：萃取剂和萃余相之间应有一定的密度差，以利于两液相在充分接触后能较快地分层，从而提高设备的处理能力。（2）界面张力：萃取物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，有利于两相的分层，但界面张力过大，液体不易分散。界面张力小，易产生乳化现象，使两相较难分离。因此，界面张力应适中。一般不宜选用界面张力过小的萃取剂。（3）黏度：溶剂的黏度低，有利于两相的混合与分层，也有利于流动与传质，因而黏度小对萃取有利。3.萃取剂的化学性质萃取剂应具有良好的化学稳定性、热稳定性以及抗氧化稳定性，对设备的腐蚀性也应较小。4.萃取剂回收的难易：一般常用的回收方法是蒸馏，如果不宜用蒸馏，可以考虑采用其它方法，如反萃取、结晶分离5

5 §10-2 㧗প ϔǃ㧗পߚ行ⱘ⡍⚍ 㧗পᰃߚ⏋ԧ⎆行ড়⠽ⱘϔ⾡䞡㽕᪡԰ऩܗDŽ߽ ⫼⏋ড়⎆Ё㹿ߚ行㒘ߚ A ೼ϸⳌЁߚ䜡Ꮒᓖⱘᗻ䋼ˈ Փ䆹㒘ߚҢ⏋ড়⎆Ёߚ行DŽ䆹䖛⿟⿄Ў⎆-⎆㧗পˈ ៪⒊ࠖ㧗পˈ៪⎆ԧ㧗পDŽ 㧗প䖛⿟ᰃ⠽䋼⬅ϔⳌ䕀ࠄ঺ϔⳌⱘӴ䋼䖛⿟DŽ 㧗পߚ行ⱘ⡍⚍˖ৃ೼ᐌ⏽ϟ᪡԰ˈ᮴Ⳍব˗㧗 পࠖ䗝ᢽ䗖ᔧৃҹ㦋ᕫ䕗催ߚ行ᬜ⥛˗ᇍѢ⊌⚍䴲ᐌⳌ䖥ⱘ⠽䋼ৃҹ䖯㸠᳝ᬜߚ˗行߽⫼㧗পⱘᮍ ⊩ߚ⏋行ড়⎆ᯊˈ⏋ড়⎆Ёⱘ⒊䋼᮶ৃᰃ᣹থᗻ⠽䋼ˈгৃҹᰃ䴲᣹থᗻ⠽䋼ˈབ᮴ᴎⲤ㉏ㄝDŽ ೼⦃๗乚ඳˈ㧗প⊩Џ㽕⫼Ѣ∈໘⧚ˈ䗮ᐌ⫼Ѣ㧗পᎹϮᑳ∈Ё᳝ಲᬊӋؐⱘ⒊㾷ᗻ⠽䋼˗Ң ᶧ᭭ᑳ∈Ёᦤপ᳝⫼ᶧ᭭˗Ң⋫↯ᑳ∈Ёᦤপ㕞↯㛖˗৿䜮ᑳ∈ⱘ㧗প໘⧚ㄝDŽ Ѡǃ㧗প䖛⿟ⱘ⛁࡯ᄺ෎⸔ ⬅Ѣ䖭䚼ݙߚᆍ೼lj⠽⧚࣪ᄺNJЁᄺ䖛ˈ಴ℸ㞾ᄺ㧗পᑇ㸵䯂乬ˈৠᯊᗱ㗗ҹϟ䯂乬DŽ Ǐᗱ㗗乬ǐ (1)䇈ᯢϝ㾦ᔶⳌ೒Ё৘ऎඳ⚍˄ϝ㾦ᔶ乊⚍ǃϝᴵ䖍Ϟⱘ⚍ҹঞϝ㾦ᔶݙⱘ⚍˅ⱘ⠽⧚ᛣНDŽ (2)䇈ᯢϝ㾦ᔶⳌ೒Ё⒊㾷ᗻ᳆㒓੠㘨㒧㒓ᰃབԩᕫࠄⱘDŽાѯऎඳᰃഛⳌˈાѯᰃ໮ⳌˈⳌⱘ 㒘៤བԩ䅵ㅫ˄⿔䞞ࠖ੠㧗পࠖᅠܼϡѦ⒊˅DŽ (3)䇈ᯢऩ㑻㧗প䖛⿟೼ϝ㾦ᔶⳌ೒Ϟབԩ㸼⼎DŽ (4)䇈ᯢབԩҢϝ㾦ᔶⳌ೒ⱘ⒊㾷ᑺ᳆㒓ᕫߚࠄ䜡᳆㒓ˈߚ䜡㋏᭄ⱘ⠽⧚ᛣНDŽ ϝǃ㧗পࠖⱘ䗝ᢽ ˄ϔ˅㧗পࠖⱘ䗝ᢽᗻ㋏᭄ 㧗পࠖⱘ䗝ᢽᗻᰃᣛ㧗পࠖᇍॳ᭭⏋ড়⎆ЁϸϾ㒘ߚⱘ⒊㾷㛑࡯ⱘ໻ᇣˈৃҹ⫼䗝ᢽᗻ㋏᭄ ᴹ㸼⼎˖ ymAˈymB——߿ߚЎ㒘ߚ A ੠ B ೼㧗পⳌЁⱘ䋼䞣ߚ᭄ xmAˈxmB——߿ߚЎ㒘ߚ A ੠ B ೼㧗ԭⳌЁⱘ䋼䞣ߚ᭄ 㢹Į>1, 㸼⼎⒊䋼 A ೼㧗পⳌЁⱘⳌᇍ৿䞣↨㧗ԭⳌЁ催DŽĮᛜ໻ˈ㒘ߚ A Ϣ B ⱘߚ行ᛜᆍᯧDŽ 㢹Į˙1ˈ߭㒘ߚ A Ϣ B ೼ϸⳌЁⱘ㒘៤↨՟Ⳍৠˈ䆹⒊⎆ϡ㛑⫼㧗পᮍ⊩ߚ行DŽ ˄Ѡ˅㧗পࠖⱘ䗝ᢽ 1.㧗পࠖⱘ䗝ᢽᗻ 㧗পࠖⱘ䗝ᢽᗻˈᣛ㧗পࠖ S ᇍ㹿㧗প㒘ߚ A Ϣᇍ݊ᅗ㒘ߚⱘ⒊㾷㛑࡯П䯈ⱘᏂᓖDŽ㢹䗝⫼ 䗝ᢽᗻ㋏᭄໻ⱘ㧗পࠖˈ݊⫼䞣ৃҹޣᇣˈ᠔ᕫⱘѻક䋼䞣г䕗催DŽ 㧗পࠖ S Ϣ⿔䞞ࠖ B ⱘѦ⒊ᑺ䍞ᇣˈ䍞᳝߽Ѣ㧗পDŽ 2.㧗পࠖⱘ⠽⧚ᗻ䋼˖ ˄1˅ᆚᑺ˖㧗পࠖ੠㧗ԭⳌП䯈ᑨ᳝ϔᅮⱘᆚᑺᏂˈҹ߽Ѣϸ⎆Ⳍ೼ߚܙ᥹㾺ৢ㛑䕗ᖿഄߚ ሖˈҢ㗠ᦤ催䆒໛ⱘ໘⧚㛑࡯DŽ ˄2˅⬠䴶ᓴ࡯˖㧗প⠽㋏ⱘ⬠䴶ᓴ࡯䕗໻ᯊˈ㒚ᇣⱘ⎆Ⓢ↨䕗ᆍᯧ㘮㒧ˈ᳝߽ѢϸⳌⱘߚሖˈ Ԛ⬠䴶ᓴ࡯䖛໻ˈ⎆ԧϡᯧߚᬷDŽ⬠䴶ᓴ࡯ᇣˈᯧѻ⫳ч࣪⦃䈵ˈՓϸⳌ䕗䲒ߚ行DŽ಴ℸˈ⬠䴶ᓴ ࡯ᑨ䗖ЁDŽϔ㠀ϡᅰ䗝⫼⬠䴶ᓴ࡯䖛ᇣⱘ㧗পࠖDŽ ˄3˅咣ᑺ˖⒊ࠖⱘ咣ᑺԢˈ᳝߽ѢϸⳌⱘ⏋ড়Ϣߚሖˈг᳝߽Ѣ⌕ࡼϢӴ䋼ˈ಴㗠咣ᑺᇣᇍ 㧗প᳝߽DŽ 3.㧗পࠖⱘ࣪ᄺᗻ䋼 㧗পࠖᑨ݋᳝㡃དⱘ࣪ᄺ〇ᅮᗻǃ⛁〇ᅮᗻҹঞᡫ⇻࣪〇ᅮᗻˈᇍ䆒໛ⱘ㜤㱔ᗻгᑨ䕗ᇣDŽ 4.㧗পࠖಲᬊⱘ䲒ᯧ˖ ϔ㠀ᐌ⫼ⱘಲᬊᮍ⊩ᰃ㪌佣ˈབᵰϡᅰ⫼㪌佣ˈৃҹ㗗㰥䞛⫼݊ᅗᮍ⊩ˈབড㧗পǃ㒧᱊ߚ行 / / mA mA A mB mB B y x k yx k D