2 污染控制化学基本原理
? 2.1 酸、碱反应原理
? 2.2 化学沉淀与絮凝分离
? 2.3 吸收与吸附净化
? 2.4 溶剂萃取分离
? 2.5 离子交换处理
? 2.6 膜分离技术
? 2.7 污染物的氧化还原处理
? 2.8 污染物的生物处理
2.1 酸、碱反应原理
? 2.1 酸, 碱反应原理
1884年，瑞典化学家阿仑尼乌斯 (S.A.Arrhenius)根据电
解质的电离理论，提出了第一个酸碱理论,酸是在水溶
液中经电离只生成 H+一种阳离子的物质；碱是在水溶液
中只生成 OH-一种阴离子的物质。酸与减中和反应的本
质是 H+和 OH-化合生成 H2O
弗兰克林 (E.C.Franklin)的溶剂理论；
勃朗斯特 (J.N.BronMed)和劳莱 (T.M.Lowry)的质子理论；
路易斯 (G.N.Lewis)的电子理论；
鲁克斯 (Lux)的氧化物 — 离子理论；
乌萨诺维奇 (Usanovich)的正负理论。
2.2 化学沉淀与絮凝分离
? 原理,
? 化学沉淀法,通过向污水中投加某种化学物质（沉淀剂），
使它与污水中的溶解物质发生置换反应，生成难溶于水的
沉淀物，以降低污水中溶解性污染物质的浓度。
? 絮凝分离法,通过向含有悬浮体或胶体的污水中投加药剂
（无机或有机絮凝剂），促使带电微粒或胶体脱稳、继而
聚集使之与介质分开，达到净化的目的。
? 相同点,两者都是向被处理溶液中投加化学试剂，使被处
理污染物最终以固态形式与液态介质分开。 化学沉淀
过程中常伴随絮凝作用，絮凝过程中也往往有沉淀与共沉
淀的作用。
书名,水处理絮凝学
作者,常青
开本,16
装帧,平
出版日期,2003年 4月
简介,絮凝法是水处理的重要方法之一或基本单元操作
之一，而且往往是必不可少的。它在生活饮用水、工业
用水、工业废水及生活污水的处理中都有广泛的应用，
因而学习和研究絮凝科学及其在水处理中的应用具有十
分重要的意义。本书主要以物理化学的基本原理为基础，
对水处理中的絮凝问题从理论上作了深入全面的论述，
同时对其应用技术也作了诸多详尽的介绍。本书的一个
显著特点是在系统阐述经典理论的同时，又特别注重该
领域近年来的新进展；本书的另一特点是理论与实际应
用并重，希望对水处理实践具有一定的指导作用。主要
内容有：絮凝与水处理、胶体表面电化学、絮凝动力学、
絮凝剂及其效能、絮凝实验方法、絮凝的工艺与设备、
絮凝方法的其他功效等。本书可作为环境工程、给水排
水、化学化工及胶体科学等有关专业的高等院校研究生
或本科生的教材，也可作为水处理的专门知识供上述专
业的科研和工程技术人员参考。
絮凝过程机理
絮凝过程机理
? 絮凝目的：去除废水中所含的悬浮体和溶胶。
? 很多工业废水都含有不同种类和不同数量的悬浮体和溶胶。如采矿废水中含有大量无机矿物质悬浮
体，炼焦煤气废水含有焦油及悬浮体，机械加工废水中含有油脂及悬浮体。而造纸、制糖、染色工
业废水中则含有机微粒，橡胶工业废水中含有悬浮和乳独的橡胶微粒。其它各种工业生产废水中都
或多或少含有悬浮体及油淌等。在废水处理中需要首先除去这些悬浮体和胶体。
? 溶胶特性,废水中所含的悬浮体和溶胶，其大小在 10-3－ 10-9m范围内。这些微粒不是以分子
状态分散到介质水中，所形成的体系具有很大界面，属热力学不稳定体系。但这些颗粒自动聚集由
小颗粒变成大颗粒从分散介质中沉淀出来的速率却很慢，其主要原因是悬浮体及溶胶表面是带电的，
由于颗粒间同性电相斥而不互相聚集。
? 处理方法：投加絮凝剂，使溶胶絮凝、沉淀而与介质分开。
? 絮凝过程：包括凝聚作用和絮凝作用。
★ 凝聚作用,在胶体体系中添加化学药剂，使溶胶相互接触，脱稳而聚结成一定粒径的聚集体。
★ 絮凝作用,指已经脱稳的聚集体由于碰撞、化学粘结、共同沉淀等作用进一步聚集成絮状体 (矾
花 )，成为可借重力下沉的粒子。
★ 在絮凝过程中这两种作用相互促进，交错进行，不可能将两者严格区分开来。
▲ 絮凝作用实际上是一种非常复杂的物理、化学过程。已提出多种理论、机理、模型来
解释絮凝现象。关于胶体稳定性的 DLVO理论是解释絮凝化学原理的一种比较完善的理
论，已被人们所接受。
胶粒表面电
荷的来源
胶粒表面电荷的来源,
电离作用,有些胶粒本身带有可电离基团，在介质中电离而带电荷。例如硅溶胶在弱酸性或碱性介
质中因表面硅酸的电离而带负电荷,
离子吸附作用,胶体颗粒可以通过对介质中阴、阳离于的不等量吸附而带电历。例如金属氧化物
通过吸附 H+或 OH-而带正电荷或负电荷。
离子的溶解作用,离子晶体物质形成的胶粒，阴离子、阳离子在介质中发生不等量溶解时可使胶
粒表面带有电荷。例如 AgI的溶度积为 10-16，但 AgI胶粒表面零电荷点不是在 pAg＝ pI＝ 8，而是
pAg＝ 5.5,pI＝ 10.5。这是因为水化能力较大的 Ag+易溶解，而 I-易滞留于胶粒表面的缘故。所
以，若直接把 AgI分散在蒸馏水中时，粒子表面将荷负电。
晶格取代,这是一种比较特殊的情况。例如，粘土是由铝氧八面体和硅氧四面体的晶格组成。晶格
中的 Al3+或 Si4+有一部分被 Mg2+或 Ca2+取代而使粘土晶格带负电荷。为维护电中性，粘土表面吸
附一些正离子，这些正离子在水介质中因水化而离开表面，于是粘土颗粒带上负电荷。
双电层理论
胶粒表面带电时，因整个体系应是电中性的，所以在液相
中必有与表面电荷数量相等而符号相反的离子存在，这些离子
称为反离子。反离子一方面受静电吸引作用有向胶粒表面靠近
的趋势，另一方面受热扩散作用有在整个液体中均匀分布的趋
势，两种作用的结果使反离子在胶粒表面区域的液相中形成一
种平衡分布，越靠近界面浓度越高，越远离界面浓度越低，到
某一距离时反离于与同号离子浓度相等。胶粒表面的电荷与周
围介质中的反离子电荷就构成双电层。胶粒表面与液体内部的
电势差称为胶粒的表面电势。
在固体表面因静电引力和范德华引力而吸附一层反离子，紧贴固
体表面形成一个固定的吸附层，这种吸附称为特性吸附，这
一吸附层称为 Stern层。 Stern层的厚度由被吸附离子的大小
决定。吸附反离子的中心构成的平面称为 Stern面。 Stern面
上的电势 ψδ称为 stern电势。在 Stern层内，电势由表面电势
ψ0直线下降到 ψδ。 Stern层以外，反离子呈扩散态分布，称
为扩散层。扩散层中的电势呈曲线下降。
在固体表面总有一定数量的溶剂分子与其紧密结合。电动现象中
这些溶剂分子及其内部的反离子与粒子将作为一个整体运动，
这样在固－液两相发生相对移动时存在一个滑动面。滑动面
的确切位置并不知道，但可以合理地认为它在 Stern层之外，
并深入到扩散层之中。滑动面上的电势 δ称电动电势或 Zeta
电势。
DLVO理论
? DLVO理论：通过胶体颗粒间的吸引能和排斥能的相互作用所产生的相互作用能，来解
释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀的原因。
★ 胶体颗粒间的 排斥能,由胶体颗粒表面的电荷作用引起，当两个球形胶体粒子靠近时，
由于每个粒子的扩散层具有相同的电荷，在扩散层相互重叠时特产生排斥力，其大小
决定于电荷的数目与相互间距离。排斥能愈大，则颗粒不能靠近，不利于絮凝沉淀，
而保持其胶体的稳定状态 (resist)。
? 排斥能与吸附层和扩散层上的电位和颗粒的半径成正比。所以吸附层和扩散层界面上
的电位愈高，排斥能愈大，颗粒愈不易靠近，愈稳定。粒径小时，排斥能亦小，颗粒
容易靠近，利于絮凝；排斥能随着颗粒间的距离的增加，而以指数的形式下降。
★ 胶体颗粒间的 吸引能,两个胶体颗粒之间存在着范德华引力，它的大小与颗粒间的距
离有关。设两个球形粒子体积相等 (即半径 r相等 )，并且两个球表面最短距离为 H，当 H
比粒子半径 r小得多时，两粒子之间的相互吸引能 VA可近似地用下式求出（ absorb）,
? 吸引能与颗粒半径成正比；吸引能随着颗粒间的最短距离的减小而增大。
★ 胶体颗粒间的相互作用能：胶粒间的总作用能为吸引能和排斥能之和。
随胶粒间距的增大 VA下降速度比 VR缓慢的多。
当胶粒间距很大时，粒子间无相互作用,V
为零。当两粒子靠近时，首先起作用的是引
力势能，因而 V为负值。随着距离缩短,VR
的影响逐渐大于 VA，因而 V逐渐增大变为正
值，形成一个极小值，称第二极小值。但靠
近到一定距离后,VA的影响又超过 VR，所以
V逐渐变小而成为负值，在 V曲线上出现一个
峰值，称为势垒。当胶粒相距极近时，由于
电子云的相互作用而产生 Born斥力势能而使
V急剧上升，又形成一个极小值，称第一极
小值。
势垒的大小是胶体能否稳定的关键。粒子要发生聚沉，必须超过这一势垒才能进
一步靠拢。如果势垒很小或不存在，粒子的热运动完全可以克服它而发生聚沉，
从而呈现聚结不稳定性；如果势垒足够大，粒子的热运动无法克服它，则胶体
将保持相对稳定。
第一极小值比第二极小值低得多。当粒子落入第一极小值时，形成的沉淀紧密而
稳定；而在第二极小值时，体系中形成的结构是疏松的，且是不牢固、不稳定
的，外界稍有扰动，结构就被破坏，这种体系具有触变性或剪切稀释性等。
双电层的压缩
反离子少,Z电位高,
双电层厚度大,
负电荷过剩,
处于稳定状态。
反离子增加,Z电位降低,
双电层变薄。
反离子增加,Z电位降低,
双电层压缩,
胶粒脱稳,
絮凝沉淀。
电荷中和作用
电荷中和作用是指胶体颗粒的 Z电位降低到足以克服
DLVO理论中所说的能量障碍而产生絮凝沉淀的过程。
胶体颗粒表面的电荷被中和时，胶体颗粒间的距离缩
小，在范德华引力作用下，胶体颗粒问的相互作用能
处于第一最小能量值，结果形成稳定的絮凝体。
电荷的中和作用与双电层的压缩是不同的，电荷中和作
用是第一最小能量的吸引力作用的结果，这个吸引力
是很强的；而双电层的压缩是第二最小能量的作用力
的结果，这个作用力是比较弱的。这两个作用力的强
弱不同，所产生的絮凝体的性质也不同。强作用力下
所产生的絮凝体坚实，体积小，不能再变为胶体；弱
作用力所产生的絮凝体其体积庞大，疏松，能够再变
成胶体而消失。
电荷中和作用的机理是，加入的化学药品 (絮凝剂 )被吸附
在胶体颗粒上，使肢体颗粒表面电荷中和。胶体颗粒
表面电荷不但可以被降低到零，而且还可以带上相反
的电荷。由于电荷的中和作用是吸附作用引起的，因
此，它导致胶体颗粒与水之间界面的改变，从而使物
理化学性质改变。
电解质对相互作用能的影响
通过改变排斥能使总的相互作用能改变，从而使胶体脱稳、絮凝。
颗粒间起始的吸引能曲线 VA1和排斥能曲线 VR1相加而得
到相互作用能曲线 VT1，，这时，由于排斥能量很
大，排斥力占主导地位，胶体颗粒不能靠近，相距
较远．胶体颗粒处于稳定状态，不能产生凝聚和絮
凝沉淀。
当加入絮凝剂时，中和一部分表面电荷,Z电位降低，
排斥能变小，排斥能曲线 VR2小于 VR1，这时的相互
作用能量曲线 VT2等于吸引能曲线 VA加上排斥能量
曲线 VR2,VT2小于 VT1，相互作用能量曲线变小，即
相互作用能量降低，出现第一最小能量值 (在颗粒表
面的近处 )和第二最小能量值 (在颗粒表面的远处 )。
这时，排斥能虽然变小，但排斥能仍然相当大，占
主导地位，并且有能量障碍存在。因此，颗粒不能
凝聚，也不能产生絮凝沉淀。
进一步加入化学药品，使颗粒的表面电荷被中和得更多，
Z电位进一步下降，排斥能进一步降低，排斥能量
曲线变得更小。这时的相互作用能量曲线 VT3等于
VA加上 VR3。使相互作用能量曲线 VT3已经达到第
一最小能量值，也不存在能量障碍。这时，以颗粒
间的吸引力为主，颗粒之间的距离变得很小，很容
易凝聚和产生絮凝沉淀。
胶体的捕集
? 机理,在水溶液中，铝盐或铁盐无机絮凝剂发生水解，形成水合金属
氢氧化物高分子，这些阳离子高分子所带电荷可中和带负电荷的胶体
微粒，同时这些高分子化合物具有三维空间的立体结构，适合于胶体
颗粒的捕获。随着高分子化合物体积的收缩、沉淀物和悬浮物象多孔
的网子一样，从水中将胶体和悬浮颗粒清扫下来，形成絮状沉淀，沉
积在水底，这就是胶体颗粒的清扫过程。
?, 清扫, 絮凝机理，结果产生的絮凝物体积庞大，产生的絮凝物是粘稠状的，
适合于此机理的分离方法有澄清法和溶解空气气浮法。避免使用过滤法进行
固－液分离，因为过滤法会使体积庞大的絮凝物沉积在过滤器表面上，妨碍
水从今穿过，并会产生压力，使过滤速度变慢，工作时间延长，影响处理效
果。
? 应用,明矾处理饮用水就是利用, 清扫, 絮凝机理，其结果产生大量
湿的明矾污泥，这些污泥难以脱水，并且需要消耗大量的明矾。目前
仍广泛地使用澄清分离法，但是在许多应用中，高效的有机高分子絮
凝剂要比无机铝盐絮凝剂效果好，优越性多。
架桥吸附作用
? 架桥 (或桥联 )是指溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有机或无机高分子絮凝剂架
桥联接形成絮凝体，而沉淀下来，桥联的过程就是絮凝过程。
? 当高分子絮凝剂加入到废水中时，吸附在固体颗粒表面上的有机絮凝剂可能
有三种结构形态：环式、尾式和列车式。
环式，高分子絮凝剂的
分子伸向溶液中的
部分形成环，环的
两端吸附在团体颗
粒表面上。
尾式，高分子首尾两端
或者支链，一端吸
附在固体颗粒上，
另一端伸向溶液。
列车式，高分子被吸附
在固体颗粒表面上
的那部分。
桥联类型
★ 异电荷物质桥联,带负电荷的胶体颗粒与带正电荷的阳离子高分子絮
凝剂的桥联，这类桥联也涉及到电荷中和机理。
? 改类品种, 丙烯酰胺－丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲脂的共聚物 (AM— AETAMS)、丙
烯酰胺－甲基丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲酯 (AM— METAMS)的共聚物、丙烯酰胺 —
甲基丙烯酸 — 2— 羟基丙酯基三甲基氯化铵 (AM— MAPTAC)的共聚物、丙烯酰胺 — 二
甲基二烯丙基氯化铵 (AM-DMDAAC)的共聚物等。
★同电荷物质桥联,带负电荷的胶体颗粒与带负电荷的有机高分子絮凝
剂 (如聚丙烯酸钠 )相桥联。
? 机理一：对于带负电荷的胶体颗粒来说，虽然总的负电荷多于总的正电荷，但是颗粒
表面上仍然有只带正电荷的区域，上就只带正电荷。这些只带正电荷的区域成为吸引
点，它吸引带负电荷的阴离子有机高分子絮凝剂的羟基官能团，与其结合形成絮凝体。
? 机理二：当固体颗粒具有很高的负 Z电位时，庞大的絮凝体将颗粒包裹在里面，由于周
围都是带负电荷的絮凝体，颗粒受到各方面的排斥作用，不能从絮凝体中逃脱，因此
与絮凝体一同沉淀下来。
? 应用,1，活性污泥处理法； 2，生物高分子处理法 ——— 机理？
？
絮凝剂
? 絮凝过程：将向水溶液中投加化学药剂使溶液中的小颗粒杂质聚集成
大颗粒而沉降的全过程。
? 絮凝剂,凡是用来将水溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状物沉淀
的物质都叫做絮凝剂。无论是投加的有机物或是无机物，只要能发生絮凝沉
淀，都叫絮凝剂。若在一个废水处理过程中，同时使用两种或两种以上的物
质使其产生絮状沉淀时，可把这两种或两种以上的物质称作复合絮凝剂。
? 其它名称：混凝剂、聚凝剂、凝集剂、凝聚剂、凝结剂、聚合电解质；有的
把无机絮凝剂称为凝聚剂，只把有机高分子絮凝剂才称作絮凝剂。
絮凝剂
? 絮凝值：在一定条件下，使悬浮体、溶胶溶液产生絮凝沉淀的电解质
的最小浓度叫絮凝值（聚沉值）。异号离子 价数 越高，絮凝值越小。
? 感胶离子序：将同价离子按絮凝能力的顺序排列，絮凝能力强，则絮
凝值小，排在感胶离子序的前面；反之则絮凝值大，排在感胶离子序
的后面。
絮凝值与絮凝剂的化合价 6次方成反比
而与溶胶、悬浮体微粒浓度无关
感胶离子序与离子的水合离子 半径 从小到大的次序相同。因为溶液小的离子与
水结合，形成水合离子的大小对絮凝值有影响：化合价相同的水合离子，
半径小者，其絮凝值亦小；半径大者，其絮凝值亦大。
影响絮凝作用的因素
温度：水温升高，絮凝效果提高
pH值
搅拌强度和时间
絮凝剂的用量
絮凝剂的性质和结构
共存的盐类
思考题
为何说我们观察到的布朗运动，不是胶粒真实的运动情况?
试比较胶粒表面电势,Stern层 (紧密层 )电势及 δ电势?
如何理解溶胶是动力学上稳定而热力学上不稳定的体系，且有聚沉不稳定的特性?
布朗运动是由于分散介质的分子热运动不断地由各个方向同时冲击胶粒，其合力未
被 抵消，短时间向某一方向有一显著作用，而导致胶粒运动，因此布朗运动不是胶粒
的真实运动。又因胶粒受不平衡的冲击引起振动，周期约为 10－ 8秒，而人们的肉眼能
分辨的周期最低为 0.1秒，因此我们所观察到的胶粒平均位移是胶粒在每秒钟内受各个
方向冲击百万次运动变化的宏观结果。
胶粒表面电势是指固相表面由于电离或吸附离子等原因使溶胶粒子带电，固体表面与溶液
深处的电势差，是热力学的平衡电势差。 Stern 层电势是指溶胶粒子表面由于静电或
分子间的相互作用而紧密吸附一层的总电势，显然这层电势小于胶粒表面电势。
δ电势 (滑动面电势 )是指当溶胶粒子在液相中运动时，在上述紧密层之外有一层滑动面，以
滑动面的电势与液相内部电势为零处的电势差，称为滑动面电势或称 δ(zeta)电势。
由于溶胶的布朗运动以及扩散运动，又由于胶粒表面的双电层结构及离子溶剂化膜,造成溶
胶的动力学稳定性，但溶胶是高度分散的非均相体系，具有很大的表面自由能,有自发聚
沉以降低体系能量的趋势，因此是热力学的不稳定体，有聚沉不稳定的特性。
2.3 吸收与吸附净化
?固体表面吸附
? 不同相表（界）面
? 剩余表面能
? 溶质浓集
? 吸附剂
? 吸附质
?解吸或脱附
吸附法基本原理
吸附与吸收净化
? 吸附：利用多孔性固体表面存在的末平衡的分子引力或化
学键力，把混合物中的某一组分或某些组分吸留在固体表
面上的分离混合物的过程。
? 吸附剂：具有吸附作用的固体。
? 吸附质：被吸附的物质。
? 由于吸附剂往往具有高的选择性和高的分离效果，能脱除
痕量物质，所以在空气污染控制、废水处理中，吸附净化
法得到广泛应用。
? 引起吸附的原因
●范德华力 ●化学键力 ●静电引力
吸附法净化气态污染物的原理
? 固体表面上的吸附作用
? 物理吸附,气体分子以分子间的范德华力被吸附，这种吸附与气体凝聚成液
体的过程相类似。
? 化学吸附,气体分子与固体表面上的分子、原子以键力作用而被吸附，此时
分子发生变形甚至解离成离子，就像进行化学反应，是一个包括电子转移、
原子重排、键的断裂与形成等化学变化的过程。
? 吸附的分类
● 物理吸附 ● 化学吸附 ● 交换吸附
? 交换吸附
? 正负电荷间静电引力引起
? 吸附剂表面带电点
? 离子置换
? 离子电荷数和水合半径影响大
吸附法净化气态污染物的原理
焓 是人们定义的 状态函数,表示热力学能加上压力与体积的乘积。
熵,如果系统中发生微小的可逆变化，该系统的熵变 dS等于此可逆过程
的热量 δQT 与系统温度 T的比值 —— 可逆热温商 δQT/T，即,
吉布斯函数 G,
吸附热
根据热力学知识，在等温等压的自发吸附过程中 (无论物理吸附还是化学吸附 ),
∵ △ G = △ H -T△ S ；△ G < 0 ；△ S < 0 ；
∴ △ H ＝ △ G + T△ S < 0
表明：吸附过程△ H < 0，放热。物理吸附放热数十 kJ/mol；化学吸附数百 kJ/mol
吸附法净化气态污染物的原理
? 吸附等温线：在恒定温度下，测定出固体吸附气体的量，并将在不同
压力下的吸附量对气相压力 (或相对压力 )作图，得到的曲线称为吸附
等温线。
q=f(T,p) q=f(p)T q=f(p/pa)T
q=x/m q’=v/m
第 Ⅰ 类吸附等温线一般属单分子层吸附，因而称为单分子层吸附型等温线
或 Langmuir型吸附等温线。在远低于饱和蒸气压 P。时，固体就吸满了
单分子层，此时的吸附量称为饱和吸附量 Vm。
第 Ⅱ 类吸附等温线称为 S型等温线，是常见的物理吸附等温线。其特点是
在低压时先形成单分子层吸附，拐点 B处可认为达到单分子层的饱和吸
附，吸附量为 Vm。随着压力再增加逐渐发生多分子层吸附。当压力接
近 P。时，吸附量又急剧上升，表明被吸附的气体己开始凝结为液相。
第 Ⅲ 类吸附等温线比较少见。在低压下等温线是凹的，表明吸附质与吸附
剂之间的相互作用很弱。但压力稍增加，吸附量即急剧增大，压力接近
P。时曲线与第 Ⅱ 类的相似，说明吸附剂表面上由多层吸附逐渐转变为
吸附质的凝聚。
第 Ⅳ 类吸附等温线在低压下是凸的，表明吸附质和吸附剂有相当强的亲和
力。同时，低压下形成单分子层，压力增大时由多分子层吸附逐渐产生
毛细管疑结，所以吸附急剧增大，直到吸附剂的毛细孔装满吸附质，吸
附量不再增加而达到饱和。
第 Ⅴ 类吸附等温线低压时是凹的，与第 Ⅲ 类相似，随压力增大，也发生
多分子层吸附和毛细管凝聚。与第 Ⅳ 类等温线的高压部分相似。第 Ⅴ
类和第 Ⅳ 类等温线反映了多孔性吸附剂的孔结构特性。
第 Ⅰ 类吸附等温线一般属单分子层吸附，因而称为单分子层吸附型等温线
或 Langmuir型吸附等温线。在远低于饱和蒸气压 P。时，固体就吸满了
单分子层，此时的吸附量称为饱和吸附量 Vm。
第 Ⅱ 类吸附等温线称为 S型等温线，是常见的物理吸附等温线。其特点是
在低压时先形成单分子层吸附，拐点 B处可认为达到单分子层的饱和吸
附，吸附量为 Vm。随着压力再增加逐渐发生多分子层吸附。当压力接
近 P。时，吸附量又急剧上升，表明被吸附的气体己开始凝结为液相。
第 Ⅲ 类吸附等温线比较少见。在低压下等温线是凹的，表明吸附质与吸附
剂之间的相互作用很弱。但压力稍增加，吸附量即急剧增大，压力接近
P。时曲线与第 Ⅱ 类的相似，说明吸附剂表面上由多层吸附逐渐转变为
吸附质的凝聚。
第 Ⅳ 类吸附等温线在低压下是凸的，表明吸附质和吸附剂有相当强的亲和
力。同时，低压下形成单分子层，压力增大时由多分子层吸附逐渐产生
毛细管疑结，所以吸附急剧增大，直到吸附剂的毛细孔装满吸附质，吸
附量不再增加而达到饱和。
第 Ⅴ 类吸附等温线低压时是凹的，与第 Ⅲ 类相似，随压力增大，也发生
多分子层吸附和毛细管凝聚。与第 Ⅳ 类等温线的高压部分相似。第 Ⅴ
类和第 Ⅳ 类等温线反映了多孔性吸附剂的孔结构特性。
吸附等温方程
★ Langmuir方程式,
? 假设：动态平衡
吸附能力来自力场的不饱和。吸附质分子只能碰撞到吸附剂的空白表面上才能
被吸附，如果碰到已吸附分子的表面上则发生弹性反射。这说明吸附剂表
面的分子只能形成单分子层。
气相分子碰撞到吸附剂表面并被吸附的几率在整个表面是 — 样的，即整个表面
的能量是均匀的。
吸附分子离开表面回到气相的几率与表面上相邻点是否被占据无关，这说明吸附
质分子间作用力是可以忽略的。
吸附等温方程
★ BET吸附等温方程
1）第一层吸附条件与 Langmuir相同。即第一层是吸附质分子和吸附剂表面直接借吸附力
而结合到表面上。
2）第二层以上的吸附热等于吸附质的液化热。气体分子碰到被吸附分子上，由于吸附质
分子间存在范氏引力也有被吸附的可能，所以吸附是多分子层的。这样第二层以上的
吸附力都是与蒸气分子的凝聚力相同的，因此除了第一层的吸附热有特殊值外，其余
各层的吸附热都是吸附热的凝聚热，因而都是相等的。
3）在各层的水平方向上，吸附分子间没有相互作用力。
4）如果压力接近相应温度下气体的饱和蒸气压时，吸附量为无穷大。
★ Freundlich经验式
吸附速度
? 吸附过程可分成如下几个步骤来描述,
1） 外扩散，即吸附质分子从气流主体到达吸附剂外表面的扩散；
2）内扩散，即吸附质分子沿着吸附剂内部孔道扩散至发生吸附的内表面的扩散；
3）到达内表面的吸附质被吸附剂吸附，并逐渐形成吸附与脱附的动态平衡。
△ 对于在固体表面上有化学反府的化学吸附来说，在第三步之后还有化学反应一
步。
? 脱附的吸附质再经内、外扩散到达气相主体。
以上几个步骤都不同程度地影响着吸附速率，
总吸附速率是几个步骤综合的结果，其中
阻力最大的一步 (即速率最小的一步 )限制了
总速率的大小，成为控制步骤。
废水的吸附净化原理
? 吸附动力,1）溶质对水的疏水特性； 2）溶质对固体颗粒的高度亲和力。
? 吸附类型,1）交换吸附； 2）物理吸附； 3）化学吸附。
? 吸附平衡与等温方程,
吸附量,
Freundlich 吸附等温式
Langmuir 吸附等温式
BET 吸附等温式
废水的吸附净化原理
? 影响吸附过程的主要因素,
★ 使固体界面自由焓降低最多者易被吸附
★ 溶质的性质,溶解度越小越容易被吸附
★ 极性对应者易被吸附
★ 温度的影响,
气态污染物的吸收净化
? 吸收平衡
★ 气－液平衡
★ 相平衡与化学平衡
亨利定律
气（ g）
液（ l）
▲ 被吸收组分在溶液中离解
▲ 被吸收组分与溶剂相互作用
▲ 被吸收组分与溶剂中活性组分作用
CA=
吸收剂的选择及富液的处理
? 吸收剂选择标准：良好的选择性；较大的吸收能力；较低的蒸气压，
不易起泡；较好的热化学稳定性好；粘度低；腐蚀性小；价廉易得
? 常用吸收剂,
★ 水
★ 碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液
? 富液：吸收了气态污染物后的吸收液
? 富液的处理：避免二次污染；吸收剂再生；废物资源化
? 废气吸收净化
★ 碱性硫酸铝－石膏法：①吸收
②氧化
③中和
④回收
★亚硫酸铵吸收 NOX物
挥发性污染物的吹脱净化
? 解吸：将溶解气体从液体中分离山来的过程，是吸收的相反过程。
? 吹脱：溶液中解吸出来的气体从液体中向气体中的扩散过程中受到液
膜与气膜的阻力，利用惰性气体将解吸出来的气体带走的操作称为吹
脱。
? 吹脱净化：在污染控制中采用吹脱的方法从污染废水中把一些挥发性
的污染物转移到空气中的过程。吹脱时常用的惰性气体为空气。
泡沫吸附净化法
? 原理,泡沫分离 是以气泡为介质，利用组分的表面活性差进行分离的一种分离方法。 通过
向溶液鼓泡并形成泡沫层，使表面活性物质聚集在泡沫内；再将此泡沫层与液相主体分离，
达到浓缩表面活性物质或净化液相主体的目的。
? 作用：被浓缩的物质包括表面活性物质，或者是与表面活性物质相结合的任何溶质，如矿
石颗粒、沉淀颗粒、阴离子、阳离子、染料、蛋白质、酶、病毒、细菌或某些有机物等。
表面张力与表面吸附
? 泡沫分离过程是利用待分离物质本身具有表面活性 (如表面活性剂 )或能与表
面活性剂通过化学的、物理的力结合在一起 (如金属离子、有机化合物、蛋
白质和酶等 )，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，藉气泡上升带出
溶剂主体，达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。可见它的 分离作用主
要取决于组分在气－液界面上吸附的选择性和程度，其 本质是各种物质在溶
液中表面活性的差异 。
? 表面张力,垂直作用在液体表面任何线段单位上的力 (指向表面内部的力 )，
其单位为 N·m－ 1(或 mN·m－ 1)。
分子在液相表面和内部所受作用力示意图
? 在一定的温度与压力下，对一定的液体来说，扩展表面所消耗的表面功 δW应
与增加的表面积 dA成正比。若以 σ表示比例系数，则,
根据热力学原理，在等温等压可逆的条件下,
σ可看作为等温、等压、物质的量不变的可逆条件下，每增加单位表面
积时引起自由焓的变化，因此称为表面自由焓。其单位为 J·m-2
影响表面张力的主要因素,
界面组成 —— 液体、固体表面张力的大小与分子间相互作用力的强弱程度
有关 。分子间的相互作用力越强，表面张力也越大。两种液体间的界面
张力通常在这两种纯液体的表面张力之间。
温度 —— 升高温度时，一般液体的表面张力都会降低。因为温度升高时液
体分子间引力减小，而作为界面另一相的该液体的饱和蒸汽密度增大，
两相的差异缩小，所以表面张力降低。由此推知，温度升到该液体的临
界温度时，表面张力将变为零（界面消失）。
压力 —— 考虑压力对表面自由能的影响,在温度与表面面积保持不变的情况
下，增加压力会使表面张力增大。但实际上增大压力必须引入另一组分
的气体，这种气体的性质将明显影响到液体的表面张力。大多数情况下
随压力的增加，气体密度加大、液相中溶解气体增多等因素都会导致表
面张力下降。
溶液的表面张力和溶质的吸附
表面非活性物质,溶于水中能使表面张力增大的物质，无机盐、蔗糖、甘油等；
表面活性物质,溶于水中能使表面张力下降的物质，如醇、醛、酸等绝大部分有
机化合物
1）使 δ水 ↑，即溶液的 δl>δ水,表面非活性
物质 。为使体系表面张力趋于最低，溶
质分子将自动浓集于溶液内部，所以 C
内 >C表，这叫 负吸附。
2）使 δ水 ↓，即 δl<δ水,表面活性剂 。
低级脂肪酸、醇、醛等属于此类类。
3）高级脂肪酸、肥皂、合成洗涤剂等属于
此类。
与 1类相反，表面活性剂会自动浓集于溶液
表面，使 C内 <C表，所以又叫 正吸附 。
吉布斯吸附方程
Gibbs吸附等温式阐述了溶质在界面层的浓度如何改变溶液的表面张力。
dc
d????
Γ为溶质的吸附量，即相应于相同量的溶剂时表面层中单位面积上溶质的
量比溶液内部多出的量，也称之为表面过剩，单位为 mol.m-2。
Gibbs方程的物理意义是,
若一种溶质能降低溶剂的表面张力，即突 dσ/dc ＜ 0，则 Γ＞ 0，即溶质在表面
层的浓度大于内部，为正吸附现象；
反之，若溶质能增大溶剂的表面张力，即 dσ/dc ＞ 0，则 Γ＜ o，即溶质在表面
层的浓度小于溶液内部，为负吸附现象。
润湿与浮选
? 液体在固体表面上的辅展现象称为润湿。
young方程，润湿方程
润湿与浮选
浮选 是基于固体 -液体 -气体三相界面上的润湿和吸附的界面化学现象。浮选
的依据，是各种物质粒子与气泡粘附的选择世，这种选样性又是根据物
质、水、气泡和相界面的物理化学特性来决定的。这种选择性还可以通
过添加浮选剂加以改变。
肥皂的亲油基和亲水基示意图
表面活性剂分子在油（空气）－
水界面上的排列示意图
表面活性剂的分类
? 表面活性剂的分类方法很多，从表面活性剂的应用功能出
发，可将表面活性剂分为乳化剂、洗涤剂、起泡剂、润滑
剂、铺展剂、增溶剂等等。
(1) 阴离子型：例如，硬脂酸钠 CH3(CH2)16COO-
Na+,十二烷基苯磺酸钠 CH3(CH2)11C6H4SO3-
Na+
(2)阳离子型：例如，月桂胺基三甲胺
CH3(CH2)11NH3+Cl- 及 溴代十六烷基三甲胺
CH3(CH2)15N+ (CH3)3Br -
(3)两性型：例如，十二烷基二甲基甜菜碱 C12H25N+
(CH3)2CH2COO -。
(4)非离子型表面活性剂：表面活性剂溶于水后不能电离的，
例如，聚氧乙烯类 C12H25O(CH2CH2O)nH。
(5)孪连表面活性剂：新一代高活性表面活性剂，例如,
2.4 溶剂萃取分离
? 溶剂萃取 /液－液萃取：利用基本上不相混溶的两个液相进行分离，把所需要
的物质从一个液相转移到另一个液相的过程。
? 可分为物理萃取和化学萃取。
? 萃取平衡,在萃取过程中，当被萃取物在单位时间内从水相转入有机相的量
与由有机相转入水相的量相等时，在该条件下萃取体系处于暂时的相对平衡。
如果条件改变，原来的萃取平衡就会被破坏，随着新条件的产生，发生平衡
移动，从而建立新的平衡。
? 分配定律：在一定温度下，当某一溶质在两种互不相混溶的溶剂中分配达到
平衡时，则该溶质在两相中的浓度之比为一常数（分配常数 K）。
萃取化学基本概念
? 分配定律适用条件：仅适用于理想溶液的萃取体系
▲ 被萃取物浓度低
▲ 溶质与溶剂不发生化学作用
▲ 溶质在两相中分子形式相同
? 分配比 /分配系数 D：被萃取物在两相中的总浓度之比,
分配比 D表示萃取体系达到平衡后，被萃取物在两相的实际分配情况，也表示
在一定条件下被萃取剂萃取的能力。 D值愈大，则被萃物在有机相中的浓
度愈大，也表示萃取比较完全。
萃取化学基本概念
萃取率 E,表示一种萃取剂对某种被萃物的萃取能力，是被萃物质在有机相中
的量与在原始水相中总量的百分比。
萃取化学基本概念
分离系数 β：是指相同条件下两种被分离物质在同一萃取体系内分配比的比值。
萃合常数 Kex,萃取过程化学反应的平衡常数。
萃取化学基本概念
? 萃取剂的性质,
(1)具有一个或几个萃取功能基，通过此功能基与金属离子配合而形成萃合物。
常见的功能基是氧、氮、硫与磷四种原子．它们的共同特点是具有末配对的
孤对电子。
(2)易溶于有机溶剂而难溶于水。
(3)有良好的选择性，只萃取某些元素而对其他元素则萃取能力很差或不萃取。
(4)有很大的萃取容量，即单位体积的萃取剂能萃取大量的被萃物。
此外，萃取剂还应满足粘度低、沸点高、化学性质稳定，所形成的萃合物易
反萃、无毒等要求。
萃取化学基本概念
萃取剂类型,
(1)中性配合萃取剂：萃取剂是中性有机化合物
(2)酸性配合萃取剂或螯合萃取剂：萃取剂是有机弱酸 HA，被萃物是金属
阳离子 Mn+，两者结合生成整合物 MAn而被萃取
(3)离子缔合萃取剂：萃取剂是佯盐或铵盐
等，当溶于有机溶剂时呈离子型化合物
污染控制过程中常用萃取体系
? 根据徐光究提出的萃取机理或萃取过程中生成的
萃合物的性质分类法，将萃取体系分为
1）简单分子萃取
2）中性配合萃取
3）螯合萃取
4）离子缔合萃取
5）协同萃取
6）高温萃取
2.5 离子交换处理
6.2.1 离子交换基本反应
1、强酸型阳离子交换剂
2、弱酸性阳离子交换剂
3、强碱性阴离子交换剂
4、弱碱性阴离于交换剂
离子交换平衡
离子交换反应机理
固定中性层、固定离子层、可动离子层
复杂过程的 5个阶段,
①溶液中离子向树脂表面扩散；
②离子进入树脂颗粒内的交联网孔，进行
扩散；
③ 离子与树脂内交联基团上的功能团发生
交换作用；
④被交换下来的离子向树脂表面扩散；
⑤被交换下来的离子在主体溶液小扩散。
离子交换平衡
1、交换反应的平衡常数
选择系数
2、分配系数
3、分离因子
膜分离技术是近三十多年来发展起来的高新技术，是多学科交叉的产物，
亦是化学工程学科发展新的增长点。它与传统的分离方法比较，具有如
下明显的优点,
1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡
另一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯
和浓缩；
2.节能：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不发生相变,是
一种低能耗，低成本的单元操作；
3.过程简单、容易操作和控制；
4.不污染环境。
由于这些优点、使膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，已广泛有效地应
用于石油化工、生化制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、
食品、环保、航天、海运、人民生活等领域，形成了独立的新兴技术产业。
目前，世界膜市场以每年递增 14～ 30％速度发展，它不仅自身形成了每年
约百亿美元的产值，而且有力地促进了社会、经济及科技的发展。特别是，
它的应用与节能、环境保护以及水资源的再生有密切的关系，因此在当今
世界上能源短缺、水荒和环境污染日益严重的情况下，膜分离技术得到世
界各国的普遍重视，欧、美、日等发达国家投巨资立专项进行开发研究，
已取得在此领域的领先地位。我国在“六五”、“七五”、“八五”、
“九五”以及 863,973计划中均列为重点项目，给予支持。
概述 2.6 膜分离技术
膜分离技术简介
1.分离膜的种类：膜是膜技术的核心，膜材料的性质和化学结构对膜分离
性能起着决定性的影响。膜的种类很多，其中按材料分有高分子膜、金属
膜、无机膜。高分子膜用途最广。
按结构分有七类,
(1)均质膜或致密膜，为结构均匀的致密薄膜。
(2)对称微孔膜，平均孔径为 0.02～ 10。按成膜方法不同，有三种类型的
微孔膜，即核孔膜、控制拉伸膜和海绵状结构膜。
(3)非对称膜。膜断面为不对称结构，是工业上应用最多的膜。
(4)复合膜。在多孔膜表面加涂另一种材料的致密复合层。
(5)离子交换膜
(6)荷电膜
(7)液膜、包括支撑液膜和乳状液膜
按形状分有平板膜、管式膜和中空纤维膜。
2.膜分离设备 (组件 )
板框式，结构类似板框式压滤机。
卷式，结构类似出螺旋板换热器。
管式，结构类似列管式换热器。
中空纤维式，结构类似列管式换热器，由几千根甚至几百万根中空纤维
组成。
3.膜分离过程
膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力
(如压力差、浓度差、电位差、温度差等 )时，原料侧组分选择性地透过膜，
以达到分离，提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜，推动力也不同。
目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤 (MF)、超滤 (UF)、反渗透 (RO)、
渗析 (D)、电渗析 (ED)、气体分离 (GS)、渗透汽化 (PV)、乳化液膜 (ELM)等
八种。
反渗透、超滤、微滤、电渗析这四大过程在技术上已经相当成熟，已有大规模
的工业应用，形成了相当规模的产业，有许多商品化的产品可供不同用途
使用。
气体分离和渗透汽化是正在发展中的技术。其中气体分离相对较为成熟
一些。目前已有工业规模的气体分离体系是,空气中氧和氮的分离；合成氨
厂中氨、氮、甲烷混合气中氢的分离；天然气中二氧化碳与甲烷的分离。
渗透汽化是这些膜过程中唯一有相变的过程，在组件和过程设计中均有特
殊的地方。它主要用于有机物／水，水／有机物，有机物／有机物分离，
是最有希望取代某些高能耗的精馏技术的膜过程。 80年代中期进入工业化
应用阶段。
除了以上八种已工业应用的膜分离过程外，还有许多正在开发研究中的
新膜过程，它们是膜萃取、膜蒸馏、双极性膜电渗析、膜分相、膜吸收、
膜反应、膜控制释放、膜生物传感器等。这些膜过程目前尚处在小型试验
和中试阶段。
2.6.1 膜分离技术种类和原理
? 膜的特征与类型
? 膜,是指在一个流体相内或两个流体相之间存在的一 薄层凝聚相物质,它能把流体相分
隔开来成为两部分，并能在这两部分之间传质。
? 膜性状：具有渗透性和半渗透性，固态 /液态，均相 /非均相、对称 /非对称，带电 /电中
性 (带正电 /负电 )。存在于被分离的两流体之间 /附着于支撑体或载体的微孔隙上，膜的
厚度应很小。被膜分隔开的流体相物质可以是液态 /气态。
? 膜特点,1、两个界面分别与两相流体接触； 2、具有选择透过性。
膜
的
分
类
相态：固体膜、液体膜
来源：天然膜、合成膜（无机材料膜、有机
高分子膜）
结构：致密膜、多孔膜
形状：平板膜、管式膜、中空纤维膜、核径
迹蚀刻膜（核孔膜）
物理形态：对称膜（均质膜）、不对称膜、
复合膜
主
要
类
型
反渗透膜
蒸馏膜
生物酶膜
控制释放膜
压渗析膜
微孔膜
离子交换膜
气体分离膜
液体膜
超过滤膜
油包水型膜滴
（ W/O）
水包油型膜滴
（ O/W）
膜分离过程
电 渗 析
电渗析基本原理
电 渗 析
阳离子交换膜
离
子
交
换
膜
阴离于交换膜
特殊离于交换膜
组成：基膜、离子交换基团
电 渗 析
离子交换膜的选择性透过机理
电导过程
电渗析过程 =电导过程 +电解过程
膜的选择透过性
膜的选择透过性决定因子：离子种类、溶液浓度、制膜工艺等
电 渗 析
c
电 渗 析
电渗析技术在水处理中的应用
反 渗 透
反渗透过程基本原理
半透膜,只透过溶剂而不适过溶质的膜。
渗透现象在自然界是常见的,比如将一根
黄瓜放入盐水中,黄瓜就会因失水而
变小。黄瓜中的水分子进入盐水溶
液的过程就是渗透过程。
渗透,根据热力学的理论，纯水的化学位高于废水的化学位，在恒温恒压下，
纯水自发地通过半透膜向废水方向流动的现象。
渗透压,达到渗透平衡时，废水一侧的液面升到一定高度 n，此即该废水的渗
透压。
影响因子：溶液的种类、浓度和温度，而 与膜本身无关 。
氢键理论,
在压力作用下，溶剂水分子和醋酸纤维素高分子膜上的活化点 —— 羰基上的氧原子形成氢键，
而原来与该羰基缔合的“结合水”随之离解下来 (氢键断开 )。离解出来的水分子转移到下
一个活化点，再与碳基上的氧原子进行缔合，形成新的氢键，于是水分子通过一连串的氢
链形成与断开．水分子依次从一个活化点移向另一个活化点，使水分子离开膜表面的致密
活性层而进入膜的多孔层。由于多孔层含有大量毛细管水，水分子能畅通地流出摸外。
优先吸附 —— 毛细管流理论
半透膜有微孔，孔径愈小，孔隙率愈高时膜
的透水性能和截留性能愈好。水分子透
过膜的现象，首先是膜对水分子优先吸
附在膜的表面，然后在膜的毛细管中通
过。由于膜优先吸附水面排斥溶质，因
此在膜的表面形成一层纯水层，纯水层
的厚度约为 l一 2个水分子厚。因此，膜
的选择性取决于该膜的孔径与膜面纯水
层厚度之间的关系。当膜的孔径径为纯
水层厚度的两倍，此时膜的选择性高，
水通量大，是最佳状态。如果膜孔径小
于纯水层两倍，虽然具有高选择性，但
水通量相应较小；若膜的孔径大于纯水
层厚度的两倍，则选择性降低，而且溶
质将会透过膜。
溶解扩散理论、扩散－细孔流理论、自由体积理论
反渗透技术在环境工程上的应用
(1)电镀废水
(2)含油废水
(3)染色废水
(4)放射性废水
超滤和微滤技术
超滤和微滤的原理
超滤和微滤机理：利用半透膜的膜孔对溶液中的悬浮微粒的筛分作用，以
压力差作为推动力的膜分离过程。在介质压力作用下，小于孔径的微粒
随溶剂一起运过膜上的微孔，大于孔径的微粒被截留。膜上微孔的尺寸
与形状决定了膜的分离性能。被截留的微粒子不能形成滤饼，仍以溶质
形式保留在滤余液中。
超滤和微滤用膜
超滤及微滤处理废水
(1)电泳涂漆废液处理
(2)含油废水
(3)染色废水
液膜分离
概述
液膜：液体表面活性剂膜的简称，是很薄的一层液体，能够把两个组成不同而
又互溶的溶液隔开，通过渗透分离一种或者一类物质。
液膜溶液通常是由膜溶剂和表面活性剂所组成。
膜溶剂 是成膜的基体物质、具有一定的粘度，保持成膜所需的机械强度，以防
膜破裂。
表面活性剂 含有亲水基和疏水基．可以定向排列，用于稳定膜形、固定油水分
界面。
流动载体 负责指定溶质或离子的选择性迁移，它对分离指定溶质或离子的选择
性和适量起决定性的作用。
液膜类型
液膜法处理废水的机理
液膜法处理废水的机理
流动载体的类型及特性
液膜分离操作 制乳
接触分离
沉降澄清
破乳
沉降、加热、超声、
化学、离心、过
滤、静电等
液膜法在废水处理中的应用
液膜法脱酚
重金属废水处理
2.7 污染物的氧化还原处理
污染治理中常用的化学氧化法
空气氧化法
利用空气中的氧气作氧化剂，使一些有机物和还原性物质氧化的一种处理方
法，可以使某些有机化合物完全氧化或使某些有机化合物部分破坏。
从上面的电位图可以看出，在碱性溶液中 E0减小，具有较强的还原能力。
所以空气氧化脱硫应在碱性溶液中进行。
各种硫的标准电极电势 E0值如下
臭氧氧化法
(1)它是一种强氧化剂，能与水和废水中存在的大多数有机化合物和微生物
以及无机物迅速发生反应；
(2)处理后，臭氧及沉淀物不留在水中，不会给水留下嗅和味；
(3)与氯一样，不会生成氨的络合物；
(4)臭氧受水温和 pH的影响不像氯那样大；
(5)它是利用电能以空气中的氧为原料制取的,空气资源可以取之不尽。
臭氧的主要应用范围为,
(1)脱色、嗅和味；
(2)杀菌消毒；
(3)除铁、锰、酚和氰。
1．臭氧的理化性质
03是 02的同素异形体，是一种具有
特殊气味的谈紫色有毒气体。沸点
为 — 119℃ 。臭氧在水中的溶解度
主要取决于温度。
2．臭氧氧化的机理
在低 pH值下，臭氧反应是以溶解于水的臭氧本身为主要氧化剂,
在高 pH值下，以臭氧氧化过程中生成的活性化学种 HO.自由基为主要氧化剂。
低 pH值
高 pH值
3．臭氧在废水处理中的应用
臭氧氧化法已广泛地用于处理工业废水和生活用水。
有机物
无机物
微生物
氯化氧化法
水和废水处理中常用的氯系氧化剂主要有：液氯、次氯酸钠、氧化氯和漂白粉
等，其中以液氯应用为主。
1、氯的理化性质
2、氯的水化学
(1) 元素氯 (Cl2)
(2) 次氯酸盐（次氯酸钠、次氯酸钙）
(3) 二氧化氯 二氧化氯是一种不稳定气体，应在现场制取。 废水处理中选择何种次氯酸盐为好，主耍取决于以下因素,
有效氯量的价格、稳定性、反应产生的溶解性、操作条件、来源等。
例如,Ca(OCl)2可生成大量 Ca(OH)2,CaCO3污泥，而 NaOCl则不会。
3．有效氯
各种含氯化合物的活性成分的相对含量大小，指含氯化合物中氧化数大
于氯化物离子 (氧化数为 -1)的那部分氯。
4 氯化法在废水处理中的应用
(1) 氯化法除氰
(2) 紫外光照射并用氯氧化
(3)脱氯 活性炭吸附，在适宜 pH条件下曝气，投药脱氯。曝气脱氯效果很
差，这是由于在碱性 pH条件下，水中非挥发性次氯酸盐占优势
高锰酸盐氧化法
1．高锰酸盐的性质
2．高锰酸盐的水化学
高锰酸盐氧化法的缺点是高锰酸盐对鱼类的毒性高 (最大浓度约为 5mg/l)，二氧
化锰的最大浓度为认 3g／ L。高锰酸钾的成本较高也常常限制了它在工业上
的应用。
过氧化氢氧化法
Feton试剂：过氧化氢与亚铁离子的组合。
类 Feton试剂
还 原 法
常用的还原剂有 SO2、硫化钠、硫化氢、硫代硫酸铀、亚硫酸钠、硫酸
亚铁,NaBH4或甲醛等。
含铬废水的还原处理
1．硫酸亚铁盐还原法
2．亚硫酸钠法处理含铬废水
还 原 法
8.3.2 化学还原法处理酸性镀铜废水
电解氧化还原法
1．直接电解处理法
电解氧化含氰废水
2．间接电解处理法
电解氧化除酚
光化学氧化法
8.5.1 光氧化基本原理
光氧化作用,通过吸收光能，使有机物变为激发态分子，直接与 O2作用或
裂解成自由基再与 O2作用而发生反应的过程。
1．光氧化与化学氧化的区别
光氧化速率决定于光解有机物在水中直接吸收光的吸收系数，量子产率及
所吸收光的光通量大小；
化学氧化的氧化速率决定于水中存在天然物或人工化学物质吸光所产生的
自由基浓度。
2 光氧化机理
光化学氧化法
8.5.2 光氧化在净化水和处理废水中的应用
1 应用 H2O2与 UV制备高纯度水
2 应用 H2O2与 UV光解炸药废水
光化学氧化法
3．光照射对臭氧氧化能力的促进
(1)污染成分的光分解
(2)臭氧的光分解
光敏化氧化
光敏化氧化即光催化氧化，光敏化剂为一种能吸收光的分子，它吸光后
将能量转给其他底物（氧化反应体系）使之发生氧化反应。
1．光敏化氧化机理
2 三线态敏化剂的反应
辐射化学氧化法
辐射化学氧化法：利用高能射线 (γ,β,χ射线等 )对化合物的破坏作用所开
发的污水辐照净化法。
8.6.1 辐射氧化基本原理
8.6.2 污染物的辐照处理
燃 烧 法
燃烧法,通过热氧化作用将废气、废掖成固体废物中的可燃有害成分转化为
无害物或易于进一步处理和回收的物质的方法。
8.7.1 气态污染物的燃烧
1．燃烧转化的原理
当混合气体中的氧和可燃烧组分在一定浓度范围内，某一点被燃着时产生的
热量，可以继续引燃周围可燃的混合气体，此浓度范围称为燃烧极限浓度
范围。
可燃混合气体在某一点着火后，传播开来,在有控制的条件下,就形成火焰
而维持燃烧；
若在一个有限空间内迅速蔓延，则形成气体爆炸。
因此，燃挠极限浓度范围也就是爆炸极限浓度范围。
低于爆炸下限，可燃组分燃烧产生的热量不足以引燃周围混和气体，因而
不会继续燃烧，也不会引起爆炸；
空气中可燃组分高于爆炸上限时，由于氧气不足也不能引起燃烧爆炸；
几种可燃物与空气混和时的爆炸极限范围近似值按下式计算,
废气中可燃物质的浓度常用爆炸下限浓度的百分数来表示，简写％ LEL
(Lower ExpIosive Limit)，一般将废气中的可燃物质的浓度控制在
25％ LEL以下，以防止爆炸或回火。
2．燃烧过程的热化学计算
(1)热平衡和比燃料需要量
减少比燃料量
废气燃烧焓计算
(2)污染物和燃料燃烧时所需的氧和空气量计算
(3)排出物的流量计算
比需氧量
最小比产气量
最小比排气量
最终排气总量
污泥湿式燃烧
1．基本原理
湿式氧化法 必须在高温高压下进行，所用的氧化剂为空气中的氧气。
氧化度即为污泥中 (或高浓度有机污水 )CODCr的去除百分数。
(1)污泥燃烧热值与燃烧所需的空气量
(2)有机物氧化过程和产物
(3)反应温度、压力及反应时间的影响
① 压力增加,反应体系中空气的分压增加,提高氧化速度；
②压力增加,不仅限制了液相的蒸发气化,使反应保持在液相的条件下进行,
而且还能提高反应温度，加快氧化速度
2 湿式氧化法分类
湿
式
氧
化
法
反应压力
高压氧化法,80-120kg/cm2
中压氧化法,40-70kg/cm2
低压氧化法,15-35kg/cm2
燃料补助 自燃型
外部热源供给型
运行方式 连续式
间歇式
3．湿式燃烧法的应用
① 污泥、粪便处理；
① 高浓度工业废水；
③ 危险物、有毒物和有恶臭的污水；
④ 含还原性硫化物；
⑤ 回收有用物质；
⑥ 再生活性碳。
优点：适应性较强；杀菌完全；无恶臭，
管理可自动化；反应过程迅速。
缺点：造价昂贵，管理能力；能耗高，
噪音大；经常清洗；产生腐蚀；
固体废弃物的焚烧
1．焚烧的目的和基本条件
2．燃烧热值
2.8 污染物的生物处理
不含氮有机物的降解
1．纤维素的转化
2．淀粉的转化
3,脂肪酸和油的降解
4．芳香族化合物的降解
5 烃类物质的降解
含氮有机物质的降解
1．蛋白质的降解
(1) 氨化作用
① 氧化性脱氨
② 非氧化性脱氨
（ 2）硝化作用
(3)反硝化作用
2 尿素的降解
3．氮的循环
无机物的转化
1．硫的转化
2,含磷化合物的转化
3,铁化合物的转化
(1) 铁化物的氧化和沉淀
(2) 铁化物的还原与溶解
(3) 有机铁化物的形成与溶解
好氧生物处理
基本原理
(1)有机物的氧化
(2)细胞物质的合成
(3)细胞质的氧化
活性污泥法
活性污泥,指经过专门培养的好气性微生物降解群体，包括细菌、放线菌、
真菌、原生动物等借分泌的粘液聚集在一起形成的菌胶团，在污水中呈
褐色絮状的泥粒存在的生物群体。
活性污泥法,实质是利用活性污泥具有的较大表面积，吸附、卷带有机物，
再借其中存在的大量微生物，在充分供氧的条件下，分解、氧化污水中
的有机物、无机物以至有毒物质，最终产物是二氧化碳和水等，从而净
化污水。生成的新活性污泥又重复使用，多余的活性污泥可排放出去。
1 活性污泥法系统
活
性
污
泥
法
系
统
推流式
完全 混合 式
初次沉淀池、曝气池、二
次沉淀池、污泥回收设
施和供氧设备等
2．活性污泥净化过程与机理
(1)初期去除与吸附作用
(2)活性污泥氧化作用
活性污泥增殖与养分消耗的关系
(3)絮凝体的形成与凝聚沉淀性能
3 活性污泥的消化
(1)活性污泥的厌气消化
(2)活性污泥的好气消化
生物膜法
生物膜法,利用生长在固体填料上和转盘表面上的生物膜净化污水的生物处
理法。
设备：生物滤他、生物转盘以及生物接触氧化法、生物流化床法等。
1 生物膜的形成和结构
初生
成熟
衰退
2．生物膜净化机理
厌氧生物处理
基本原理
优点,① 能量需求小； ② 形成沼气供给能量；
③ 可降解好氧无法处理的物质； ④ 污水污泥产生量少。
厌氧生物处理的工艺条件
(1)温度 (2)pH (3)碳、氮、磷的比例 (4)有毒物浓度
其他类型的生物处理法
氧化塘法
污水灌溉处理法
1 农业灌溉旱田
① 过滤截留
② 吸附、分解
③ 吸收利用
④ 离子状态的成为养分
⑤ 有机物形成腐植质
氮素的土壤净化途径,6条
2 农业灌溉水田
? 2.1 酸、碱反应原理
? 2.2 化学沉淀与絮凝分离
? 2.3 吸收与吸附净化
? 2.4 溶剂萃取分离
? 2.5 离子交换处理
? 2.6 膜分离技术
? 2.7 污染物的氧化还原处理
? 2.8 污染物的生物处理
2.1 酸、碱反应原理
? 2.1 酸, 碱反应原理
1884年，瑞典化学家阿仑尼乌斯 (S.A.Arrhenius)根据电
解质的电离理论，提出了第一个酸碱理论,酸是在水溶
液中经电离只生成 H+一种阳离子的物质；碱是在水溶液
中只生成 OH-一种阴离子的物质。酸与减中和反应的本
质是 H+和 OH-化合生成 H2O
弗兰克林 (E.C.Franklin)的溶剂理论；
勃朗斯特 (J.N.BronMed)和劳莱 (T.M.Lowry)的质子理论；
路易斯 (G.N.Lewis)的电子理论；
鲁克斯 (Lux)的氧化物 — 离子理论；
乌萨诺维奇 (Usanovich)的正负理论。
2.2 化学沉淀与絮凝分离
? 原理,
? 化学沉淀法,通过向污水中投加某种化学物质（沉淀剂），
使它与污水中的溶解物质发生置换反应，生成难溶于水的
沉淀物，以降低污水中溶解性污染物质的浓度。
? 絮凝分离法,通过向含有悬浮体或胶体的污水中投加药剂
（无机或有机絮凝剂），促使带电微粒或胶体脱稳、继而
聚集使之与介质分开，达到净化的目的。
? 相同点,两者都是向被处理溶液中投加化学试剂，使被处
理污染物最终以固态形式与液态介质分开。 化学沉淀
过程中常伴随絮凝作用，絮凝过程中也往往有沉淀与共沉
淀的作用。
书名,水处理絮凝学
作者,常青
开本,16
装帧,平
出版日期,2003年 4月
简介,絮凝法是水处理的重要方法之一或基本单元操作
之一，而且往往是必不可少的。它在生活饮用水、工业
用水、工业废水及生活污水的处理中都有广泛的应用，
因而学习和研究絮凝科学及其在水处理中的应用具有十
分重要的意义。本书主要以物理化学的基本原理为基础，
对水处理中的絮凝问题从理论上作了深入全面的论述，
同时对其应用技术也作了诸多详尽的介绍。本书的一个
显著特点是在系统阐述经典理论的同时，又特别注重该
领域近年来的新进展；本书的另一特点是理论与实际应
用并重，希望对水处理实践具有一定的指导作用。主要
内容有：絮凝与水处理、胶体表面电化学、絮凝动力学、
絮凝剂及其效能、絮凝实验方法、絮凝的工艺与设备、
絮凝方法的其他功效等。本书可作为环境工程、给水排
水、化学化工及胶体科学等有关专业的高等院校研究生
或本科生的教材，也可作为水处理的专门知识供上述专
业的科研和工程技术人员参考。
絮凝过程机理
絮凝过程机理
? 絮凝目的：去除废水中所含的悬浮体和溶胶。
? 很多工业废水都含有不同种类和不同数量的悬浮体和溶胶。如采矿废水中含有大量无机矿物质悬浮
体，炼焦煤气废水含有焦油及悬浮体，机械加工废水中含有油脂及悬浮体。而造纸、制糖、染色工
业废水中则含有机微粒，橡胶工业废水中含有悬浮和乳独的橡胶微粒。其它各种工业生产废水中都
或多或少含有悬浮体及油淌等。在废水处理中需要首先除去这些悬浮体和胶体。
? 溶胶特性,废水中所含的悬浮体和溶胶，其大小在 10-3－ 10-9m范围内。这些微粒不是以分子
状态分散到介质水中，所形成的体系具有很大界面，属热力学不稳定体系。但这些颗粒自动聚集由
小颗粒变成大颗粒从分散介质中沉淀出来的速率却很慢，其主要原因是悬浮体及溶胶表面是带电的，
由于颗粒间同性电相斥而不互相聚集。
? 处理方法：投加絮凝剂，使溶胶絮凝、沉淀而与介质分开。
? 絮凝过程：包括凝聚作用和絮凝作用。
★ 凝聚作用,在胶体体系中添加化学药剂，使溶胶相互接触，脱稳而聚结成一定粒径的聚集体。
★ 絮凝作用,指已经脱稳的聚集体由于碰撞、化学粘结、共同沉淀等作用进一步聚集成絮状体 (矾
花 )，成为可借重力下沉的粒子。
★ 在絮凝过程中这两种作用相互促进，交错进行，不可能将两者严格区分开来。
▲ 絮凝作用实际上是一种非常复杂的物理、化学过程。已提出多种理论、机理、模型来
解释絮凝现象。关于胶体稳定性的 DLVO理论是解释絮凝化学原理的一种比较完善的理
论，已被人们所接受。
胶粒表面电
荷的来源
胶粒表面电荷的来源,
电离作用,有些胶粒本身带有可电离基团，在介质中电离而带电荷。例如硅溶胶在弱酸性或碱性介
质中因表面硅酸的电离而带负电荷,
离子吸附作用,胶体颗粒可以通过对介质中阴、阳离于的不等量吸附而带电历。例如金属氧化物
通过吸附 H+或 OH-而带正电荷或负电荷。
离子的溶解作用,离子晶体物质形成的胶粒，阴离子、阳离子在介质中发生不等量溶解时可使胶
粒表面带有电荷。例如 AgI的溶度积为 10-16，但 AgI胶粒表面零电荷点不是在 pAg＝ pI＝ 8，而是
pAg＝ 5.5,pI＝ 10.5。这是因为水化能力较大的 Ag+易溶解，而 I-易滞留于胶粒表面的缘故。所
以，若直接把 AgI分散在蒸馏水中时，粒子表面将荷负电。
晶格取代,这是一种比较特殊的情况。例如，粘土是由铝氧八面体和硅氧四面体的晶格组成。晶格
中的 Al3+或 Si4+有一部分被 Mg2+或 Ca2+取代而使粘土晶格带负电荷。为维护电中性，粘土表面吸
附一些正离子，这些正离子在水介质中因水化而离开表面，于是粘土颗粒带上负电荷。
双电层理论
胶粒表面带电时，因整个体系应是电中性的，所以在液相
中必有与表面电荷数量相等而符号相反的离子存在，这些离子
称为反离子。反离子一方面受静电吸引作用有向胶粒表面靠近
的趋势，另一方面受热扩散作用有在整个液体中均匀分布的趋
势，两种作用的结果使反离子在胶粒表面区域的液相中形成一
种平衡分布，越靠近界面浓度越高，越远离界面浓度越低，到
某一距离时反离于与同号离子浓度相等。胶粒表面的电荷与周
围介质中的反离子电荷就构成双电层。胶粒表面与液体内部的
电势差称为胶粒的表面电势。
在固体表面因静电引力和范德华引力而吸附一层反离子，紧贴固
体表面形成一个固定的吸附层，这种吸附称为特性吸附，这
一吸附层称为 Stern层。 Stern层的厚度由被吸附离子的大小
决定。吸附反离子的中心构成的平面称为 Stern面。 Stern面
上的电势 ψδ称为 stern电势。在 Stern层内，电势由表面电势
ψ0直线下降到 ψδ。 Stern层以外，反离子呈扩散态分布，称
为扩散层。扩散层中的电势呈曲线下降。
在固体表面总有一定数量的溶剂分子与其紧密结合。电动现象中
这些溶剂分子及其内部的反离子与粒子将作为一个整体运动，
这样在固－液两相发生相对移动时存在一个滑动面。滑动面
的确切位置并不知道，但可以合理地认为它在 Stern层之外，
并深入到扩散层之中。滑动面上的电势 δ称电动电势或 Zeta
电势。
DLVO理论
? DLVO理论：通过胶体颗粒间的吸引能和排斥能的相互作用所产生的相互作用能，来解
释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀的原因。
★ 胶体颗粒间的 排斥能,由胶体颗粒表面的电荷作用引起，当两个球形胶体粒子靠近时，
由于每个粒子的扩散层具有相同的电荷，在扩散层相互重叠时特产生排斥力，其大小
决定于电荷的数目与相互间距离。排斥能愈大，则颗粒不能靠近，不利于絮凝沉淀，
而保持其胶体的稳定状态 (resist)。
? 排斥能与吸附层和扩散层上的电位和颗粒的半径成正比。所以吸附层和扩散层界面上
的电位愈高，排斥能愈大，颗粒愈不易靠近，愈稳定。粒径小时，排斥能亦小，颗粒
容易靠近，利于絮凝；排斥能随着颗粒间的距离的增加，而以指数的形式下降。
★ 胶体颗粒间的 吸引能,两个胶体颗粒之间存在着范德华引力，它的大小与颗粒间的距
离有关。设两个球形粒子体积相等 (即半径 r相等 )，并且两个球表面最短距离为 H，当 H
比粒子半径 r小得多时，两粒子之间的相互吸引能 VA可近似地用下式求出（ absorb）,
? 吸引能与颗粒半径成正比；吸引能随着颗粒间的最短距离的减小而增大。
★ 胶体颗粒间的相互作用能：胶粒间的总作用能为吸引能和排斥能之和。
随胶粒间距的增大 VA下降速度比 VR缓慢的多。
当胶粒间距很大时，粒子间无相互作用,V
为零。当两粒子靠近时，首先起作用的是引
力势能，因而 V为负值。随着距离缩短,VR
的影响逐渐大于 VA，因而 V逐渐增大变为正
值，形成一个极小值，称第二极小值。但靠
近到一定距离后,VA的影响又超过 VR，所以
V逐渐变小而成为负值，在 V曲线上出现一个
峰值，称为势垒。当胶粒相距极近时，由于
电子云的相互作用而产生 Born斥力势能而使
V急剧上升，又形成一个极小值，称第一极
小值。
势垒的大小是胶体能否稳定的关键。粒子要发生聚沉，必须超过这一势垒才能进
一步靠拢。如果势垒很小或不存在，粒子的热运动完全可以克服它而发生聚沉，
从而呈现聚结不稳定性；如果势垒足够大，粒子的热运动无法克服它，则胶体
将保持相对稳定。
第一极小值比第二极小值低得多。当粒子落入第一极小值时，形成的沉淀紧密而
稳定；而在第二极小值时，体系中形成的结构是疏松的，且是不牢固、不稳定
的，外界稍有扰动，结构就被破坏，这种体系具有触变性或剪切稀释性等。
双电层的压缩
反离子少,Z电位高,
双电层厚度大,
负电荷过剩,
处于稳定状态。
反离子增加,Z电位降低,
双电层变薄。
反离子增加,Z电位降低,
双电层压缩,
胶粒脱稳,
絮凝沉淀。
电荷中和作用
电荷中和作用是指胶体颗粒的 Z电位降低到足以克服
DLVO理论中所说的能量障碍而产生絮凝沉淀的过程。
胶体颗粒表面的电荷被中和时，胶体颗粒间的距离缩
小，在范德华引力作用下，胶体颗粒问的相互作用能
处于第一最小能量值，结果形成稳定的絮凝体。
电荷的中和作用与双电层的压缩是不同的，电荷中和作
用是第一最小能量的吸引力作用的结果，这个吸引力
是很强的；而双电层的压缩是第二最小能量的作用力
的结果，这个作用力是比较弱的。这两个作用力的强
弱不同，所产生的絮凝体的性质也不同。强作用力下
所产生的絮凝体坚实，体积小，不能再变为胶体；弱
作用力所产生的絮凝体其体积庞大，疏松，能够再变
成胶体而消失。
电荷中和作用的机理是，加入的化学药品 (絮凝剂 )被吸附
在胶体颗粒上，使肢体颗粒表面电荷中和。胶体颗粒
表面电荷不但可以被降低到零，而且还可以带上相反
的电荷。由于电荷的中和作用是吸附作用引起的，因
此，它导致胶体颗粒与水之间界面的改变，从而使物
理化学性质改变。
电解质对相互作用能的影响
通过改变排斥能使总的相互作用能改变，从而使胶体脱稳、絮凝。
颗粒间起始的吸引能曲线 VA1和排斥能曲线 VR1相加而得
到相互作用能曲线 VT1，，这时，由于排斥能量很
大，排斥力占主导地位，胶体颗粒不能靠近，相距
较远．胶体颗粒处于稳定状态，不能产生凝聚和絮
凝沉淀。
当加入絮凝剂时，中和一部分表面电荷,Z电位降低，
排斥能变小，排斥能曲线 VR2小于 VR1，这时的相互
作用能量曲线 VT2等于吸引能曲线 VA加上排斥能量
曲线 VR2,VT2小于 VT1，相互作用能量曲线变小，即
相互作用能量降低，出现第一最小能量值 (在颗粒表
面的近处 )和第二最小能量值 (在颗粒表面的远处 )。
这时，排斥能虽然变小，但排斥能仍然相当大，占
主导地位，并且有能量障碍存在。因此，颗粒不能
凝聚，也不能产生絮凝沉淀。
进一步加入化学药品，使颗粒的表面电荷被中和得更多，
Z电位进一步下降，排斥能进一步降低，排斥能量
曲线变得更小。这时的相互作用能量曲线 VT3等于
VA加上 VR3。使相互作用能量曲线 VT3已经达到第
一最小能量值，也不存在能量障碍。这时，以颗粒
间的吸引力为主，颗粒之间的距离变得很小，很容
易凝聚和产生絮凝沉淀。
胶体的捕集
? 机理,在水溶液中，铝盐或铁盐无机絮凝剂发生水解，形成水合金属
氢氧化物高分子，这些阳离子高分子所带电荷可中和带负电荷的胶体
微粒，同时这些高分子化合物具有三维空间的立体结构，适合于胶体
颗粒的捕获。随着高分子化合物体积的收缩、沉淀物和悬浮物象多孔
的网子一样，从水中将胶体和悬浮颗粒清扫下来，形成絮状沉淀，沉
积在水底，这就是胶体颗粒的清扫过程。
?, 清扫, 絮凝机理，结果产生的絮凝物体积庞大，产生的絮凝物是粘稠状的，
适合于此机理的分离方法有澄清法和溶解空气气浮法。避免使用过滤法进行
固－液分离，因为过滤法会使体积庞大的絮凝物沉积在过滤器表面上，妨碍
水从今穿过，并会产生压力，使过滤速度变慢，工作时间延长，影响处理效
果。
? 应用,明矾处理饮用水就是利用, 清扫, 絮凝机理，其结果产生大量
湿的明矾污泥，这些污泥难以脱水，并且需要消耗大量的明矾。目前
仍广泛地使用澄清分离法，但是在许多应用中，高效的有机高分子絮
凝剂要比无机铝盐絮凝剂效果好，优越性多。
架桥吸附作用
? 架桥 (或桥联 )是指溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有机或无机高分子絮凝剂架
桥联接形成絮凝体，而沉淀下来，桥联的过程就是絮凝过程。
? 当高分子絮凝剂加入到废水中时，吸附在固体颗粒表面上的有机絮凝剂可能
有三种结构形态：环式、尾式和列车式。
环式，高分子絮凝剂的
分子伸向溶液中的
部分形成环，环的
两端吸附在团体颗
粒表面上。
尾式，高分子首尾两端
或者支链，一端吸
附在固体颗粒上，
另一端伸向溶液。
列车式，高分子被吸附
在固体颗粒表面上
的那部分。
桥联类型
★ 异电荷物质桥联,带负电荷的胶体颗粒与带正电荷的阳离子高分子絮
凝剂的桥联，这类桥联也涉及到电荷中和机理。
? 改类品种, 丙烯酰胺－丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲脂的共聚物 (AM— AETAMS)、丙
烯酰胺－甲基丙烯酸乙酯基三甲基胺硫酸甲酯 (AM— METAMS)的共聚物、丙烯酰胺 —
甲基丙烯酸 — 2— 羟基丙酯基三甲基氯化铵 (AM— MAPTAC)的共聚物、丙烯酰胺 — 二
甲基二烯丙基氯化铵 (AM-DMDAAC)的共聚物等。
★同电荷物质桥联,带负电荷的胶体颗粒与带负电荷的有机高分子絮凝
剂 (如聚丙烯酸钠 )相桥联。
? 机理一：对于带负电荷的胶体颗粒来说，虽然总的负电荷多于总的正电荷，但是颗粒
表面上仍然有只带正电荷的区域，上就只带正电荷。这些只带正电荷的区域成为吸引
点，它吸引带负电荷的阴离子有机高分子絮凝剂的羟基官能团，与其结合形成絮凝体。
? 机理二：当固体颗粒具有很高的负 Z电位时，庞大的絮凝体将颗粒包裹在里面，由于周
围都是带负电荷的絮凝体，颗粒受到各方面的排斥作用，不能从絮凝体中逃脱，因此
与絮凝体一同沉淀下来。
? 应用,1，活性污泥处理法； 2，生物高分子处理法 ——— 机理？
？
絮凝剂
? 絮凝过程：将向水溶液中投加化学药剂使溶液中的小颗粒杂质聚集成
大颗粒而沉降的全过程。
? 絮凝剂,凡是用来将水溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状物沉淀
的物质都叫做絮凝剂。无论是投加的有机物或是无机物，只要能发生絮凝沉
淀，都叫絮凝剂。若在一个废水处理过程中，同时使用两种或两种以上的物
质使其产生絮状沉淀时，可把这两种或两种以上的物质称作复合絮凝剂。
? 其它名称：混凝剂、聚凝剂、凝集剂、凝聚剂、凝结剂、聚合电解质；有的
把无机絮凝剂称为凝聚剂，只把有机高分子絮凝剂才称作絮凝剂。
絮凝剂
? 絮凝值：在一定条件下，使悬浮体、溶胶溶液产生絮凝沉淀的电解质
的最小浓度叫絮凝值（聚沉值）。异号离子 价数 越高，絮凝值越小。
? 感胶离子序：将同价离子按絮凝能力的顺序排列，絮凝能力强，则絮
凝值小，排在感胶离子序的前面；反之则絮凝值大，排在感胶离子序
的后面。
絮凝值与絮凝剂的化合价 6次方成反比
而与溶胶、悬浮体微粒浓度无关
感胶离子序与离子的水合离子 半径 从小到大的次序相同。因为溶液小的离子与
水结合，形成水合离子的大小对絮凝值有影响：化合价相同的水合离子，
半径小者，其絮凝值亦小；半径大者，其絮凝值亦大。
影响絮凝作用的因素
温度：水温升高，絮凝效果提高
pH值
搅拌强度和时间
絮凝剂的用量
絮凝剂的性质和结构
共存的盐类
思考题
为何说我们观察到的布朗运动，不是胶粒真实的运动情况?
试比较胶粒表面电势,Stern层 (紧密层 )电势及 δ电势?
如何理解溶胶是动力学上稳定而热力学上不稳定的体系，且有聚沉不稳定的特性?
布朗运动是由于分散介质的分子热运动不断地由各个方向同时冲击胶粒，其合力未
被 抵消，短时间向某一方向有一显著作用，而导致胶粒运动，因此布朗运动不是胶粒
的真实运动。又因胶粒受不平衡的冲击引起振动，周期约为 10－ 8秒，而人们的肉眼能
分辨的周期最低为 0.1秒，因此我们所观察到的胶粒平均位移是胶粒在每秒钟内受各个
方向冲击百万次运动变化的宏观结果。
胶粒表面电势是指固相表面由于电离或吸附离子等原因使溶胶粒子带电，固体表面与溶液
深处的电势差，是热力学的平衡电势差。 Stern 层电势是指溶胶粒子表面由于静电或
分子间的相互作用而紧密吸附一层的总电势，显然这层电势小于胶粒表面电势。
δ电势 (滑动面电势 )是指当溶胶粒子在液相中运动时，在上述紧密层之外有一层滑动面，以
滑动面的电势与液相内部电势为零处的电势差，称为滑动面电势或称 δ(zeta)电势。
由于溶胶的布朗运动以及扩散运动，又由于胶粒表面的双电层结构及离子溶剂化膜,造成溶
胶的动力学稳定性，但溶胶是高度分散的非均相体系，具有很大的表面自由能,有自发聚
沉以降低体系能量的趋势，因此是热力学的不稳定体，有聚沉不稳定的特性。
2.3 吸收与吸附净化
?固体表面吸附
? 不同相表（界）面
? 剩余表面能
? 溶质浓集
? 吸附剂
? 吸附质
?解吸或脱附
吸附法基本原理
吸附与吸收净化
? 吸附：利用多孔性固体表面存在的末平衡的分子引力或化
学键力，把混合物中的某一组分或某些组分吸留在固体表
面上的分离混合物的过程。
? 吸附剂：具有吸附作用的固体。
? 吸附质：被吸附的物质。
? 由于吸附剂往往具有高的选择性和高的分离效果，能脱除
痕量物质，所以在空气污染控制、废水处理中，吸附净化
法得到广泛应用。
? 引起吸附的原因
●范德华力 ●化学键力 ●静电引力
吸附法净化气态污染物的原理
? 固体表面上的吸附作用
? 物理吸附,气体分子以分子间的范德华力被吸附，这种吸附与气体凝聚成液
体的过程相类似。
? 化学吸附,气体分子与固体表面上的分子、原子以键力作用而被吸附，此时
分子发生变形甚至解离成离子，就像进行化学反应，是一个包括电子转移、
原子重排、键的断裂与形成等化学变化的过程。
? 吸附的分类
● 物理吸附 ● 化学吸附 ● 交换吸附
? 交换吸附
? 正负电荷间静电引力引起
? 吸附剂表面带电点
? 离子置换
? 离子电荷数和水合半径影响大
吸附法净化气态污染物的原理
焓 是人们定义的 状态函数,表示热力学能加上压力与体积的乘积。
熵,如果系统中发生微小的可逆变化，该系统的熵变 dS等于此可逆过程
的热量 δQT 与系统温度 T的比值 —— 可逆热温商 δQT/T，即,
吉布斯函数 G,
吸附热
根据热力学知识，在等温等压的自发吸附过程中 (无论物理吸附还是化学吸附 ),
∵ △ G = △ H -T△ S ；△ G < 0 ；△ S < 0 ；
∴ △ H ＝ △ G + T△ S < 0
表明：吸附过程△ H < 0，放热。物理吸附放热数十 kJ/mol；化学吸附数百 kJ/mol
吸附法净化气态污染物的原理
? 吸附等温线：在恒定温度下，测定出固体吸附气体的量，并将在不同
压力下的吸附量对气相压力 (或相对压力 )作图，得到的曲线称为吸附
等温线。
q=f(T,p) q=f(p)T q=f(p/pa)T
q=x/m q’=v/m
第 Ⅰ 类吸附等温线一般属单分子层吸附，因而称为单分子层吸附型等温线
或 Langmuir型吸附等温线。在远低于饱和蒸气压 P。时，固体就吸满了
单分子层，此时的吸附量称为饱和吸附量 Vm。
第 Ⅱ 类吸附等温线称为 S型等温线，是常见的物理吸附等温线。其特点是
在低压时先形成单分子层吸附，拐点 B处可认为达到单分子层的饱和吸
附，吸附量为 Vm。随着压力再增加逐渐发生多分子层吸附。当压力接
近 P。时，吸附量又急剧上升，表明被吸附的气体己开始凝结为液相。
第 Ⅲ 类吸附等温线比较少见。在低压下等温线是凹的，表明吸附质与吸附
剂之间的相互作用很弱。但压力稍增加，吸附量即急剧增大，压力接近
P。时曲线与第 Ⅱ 类的相似，说明吸附剂表面上由多层吸附逐渐转变为
吸附质的凝聚。
第 Ⅳ 类吸附等温线在低压下是凸的，表明吸附质和吸附剂有相当强的亲和
力。同时，低压下形成单分子层，压力增大时由多分子层吸附逐渐产生
毛细管疑结，所以吸附急剧增大，直到吸附剂的毛细孔装满吸附质，吸
附量不再增加而达到饱和。
第 Ⅴ 类吸附等温线低压时是凹的，与第 Ⅲ 类相似，随压力增大，也发生
多分子层吸附和毛细管凝聚。与第 Ⅳ 类等温线的高压部分相似。第 Ⅴ
类和第 Ⅳ 类等温线反映了多孔性吸附剂的孔结构特性。
第 Ⅰ 类吸附等温线一般属单分子层吸附，因而称为单分子层吸附型等温线
或 Langmuir型吸附等温线。在远低于饱和蒸气压 P。时，固体就吸满了
单分子层，此时的吸附量称为饱和吸附量 Vm。
第 Ⅱ 类吸附等温线称为 S型等温线，是常见的物理吸附等温线。其特点是
在低压时先形成单分子层吸附，拐点 B处可认为达到单分子层的饱和吸
附，吸附量为 Vm。随着压力再增加逐渐发生多分子层吸附。当压力接
近 P。时，吸附量又急剧上升，表明被吸附的气体己开始凝结为液相。
第 Ⅲ 类吸附等温线比较少见。在低压下等温线是凹的，表明吸附质与吸附
剂之间的相互作用很弱。但压力稍增加，吸附量即急剧增大，压力接近
P。时曲线与第 Ⅱ 类的相似，说明吸附剂表面上由多层吸附逐渐转变为
吸附质的凝聚。
第 Ⅳ 类吸附等温线在低压下是凸的，表明吸附质和吸附剂有相当强的亲和
力。同时，低压下形成单分子层，压力增大时由多分子层吸附逐渐产生
毛细管疑结，所以吸附急剧增大，直到吸附剂的毛细孔装满吸附质，吸
附量不再增加而达到饱和。
第 Ⅴ 类吸附等温线低压时是凹的，与第 Ⅲ 类相似，随压力增大，也发生
多分子层吸附和毛细管凝聚。与第 Ⅳ 类等温线的高压部分相似。第 Ⅴ
类和第 Ⅳ 类等温线反映了多孔性吸附剂的孔结构特性。
吸附等温方程
★ Langmuir方程式,
? 假设：动态平衡
吸附能力来自力场的不饱和。吸附质分子只能碰撞到吸附剂的空白表面上才能
被吸附，如果碰到已吸附分子的表面上则发生弹性反射。这说明吸附剂表
面的分子只能形成单分子层。
气相分子碰撞到吸附剂表面并被吸附的几率在整个表面是 — 样的，即整个表面
的能量是均匀的。
吸附分子离开表面回到气相的几率与表面上相邻点是否被占据无关，这说明吸附
质分子间作用力是可以忽略的。
吸附等温方程
★ BET吸附等温方程
1）第一层吸附条件与 Langmuir相同。即第一层是吸附质分子和吸附剂表面直接借吸附力
而结合到表面上。
2）第二层以上的吸附热等于吸附质的液化热。气体分子碰到被吸附分子上，由于吸附质
分子间存在范氏引力也有被吸附的可能，所以吸附是多分子层的。这样第二层以上的
吸附力都是与蒸气分子的凝聚力相同的，因此除了第一层的吸附热有特殊值外，其余
各层的吸附热都是吸附热的凝聚热，因而都是相等的。
3）在各层的水平方向上，吸附分子间没有相互作用力。
4）如果压力接近相应温度下气体的饱和蒸气压时，吸附量为无穷大。
★ Freundlich经验式
吸附速度
? 吸附过程可分成如下几个步骤来描述,
1） 外扩散，即吸附质分子从气流主体到达吸附剂外表面的扩散；
2）内扩散，即吸附质分子沿着吸附剂内部孔道扩散至发生吸附的内表面的扩散；
3）到达内表面的吸附质被吸附剂吸附，并逐渐形成吸附与脱附的动态平衡。
△ 对于在固体表面上有化学反府的化学吸附来说，在第三步之后还有化学反应一
步。
? 脱附的吸附质再经内、外扩散到达气相主体。
以上几个步骤都不同程度地影响着吸附速率，
总吸附速率是几个步骤综合的结果，其中
阻力最大的一步 (即速率最小的一步 )限制了
总速率的大小，成为控制步骤。
废水的吸附净化原理
? 吸附动力,1）溶质对水的疏水特性； 2）溶质对固体颗粒的高度亲和力。
? 吸附类型,1）交换吸附； 2）物理吸附； 3）化学吸附。
? 吸附平衡与等温方程,
吸附量,
Freundlich 吸附等温式
Langmuir 吸附等温式
BET 吸附等温式
废水的吸附净化原理
? 影响吸附过程的主要因素,
★ 使固体界面自由焓降低最多者易被吸附
★ 溶质的性质,溶解度越小越容易被吸附
★ 极性对应者易被吸附
★ 温度的影响,
气态污染物的吸收净化
? 吸收平衡
★ 气－液平衡
★ 相平衡与化学平衡
亨利定律
气（ g）
液（ l）
▲ 被吸收组分在溶液中离解
▲ 被吸收组分与溶剂相互作用
▲ 被吸收组分与溶剂中活性组分作用
CA=
吸收剂的选择及富液的处理
? 吸收剂选择标准：良好的选择性；较大的吸收能力；较低的蒸气压，
不易起泡；较好的热化学稳定性好；粘度低；腐蚀性小；价廉易得
? 常用吸收剂,
★ 水
★ 碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液
? 富液：吸收了气态污染物后的吸收液
? 富液的处理：避免二次污染；吸收剂再生；废物资源化
? 废气吸收净化
★ 碱性硫酸铝－石膏法：①吸收
②氧化
③中和
④回收
★亚硫酸铵吸收 NOX物
挥发性污染物的吹脱净化
? 解吸：将溶解气体从液体中分离山来的过程，是吸收的相反过程。
? 吹脱：溶液中解吸出来的气体从液体中向气体中的扩散过程中受到液
膜与气膜的阻力，利用惰性气体将解吸出来的气体带走的操作称为吹
脱。
? 吹脱净化：在污染控制中采用吹脱的方法从污染废水中把一些挥发性
的污染物转移到空气中的过程。吹脱时常用的惰性气体为空气。
泡沫吸附净化法
? 原理,泡沫分离 是以气泡为介质，利用组分的表面活性差进行分离的一种分离方法。 通过
向溶液鼓泡并形成泡沫层，使表面活性物质聚集在泡沫内；再将此泡沫层与液相主体分离，
达到浓缩表面活性物质或净化液相主体的目的。
? 作用：被浓缩的物质包括表面活性物质，或者是与表面活性物质相结合的任何溶质，如矿
石颗粒、沉淀颗粒、阴离子、阳离子、染料、蛋白质、酶、病毒、细菌或某些有机物等。
表面张力与表面吸附
? 泡沫分离过程是利用待分离物质本身具有表面活性 (如表面活性剂 )或能与表
面活性剂通过化学的、物理的力结合在一起 (如金属离子、有机化合物、蛋
白质和酶等 )，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，藉气泡上升带出
溶剂主体，达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。可见它的 分离作用主
要取决于组分在气－液界面上吸附的选择性和程度，其 本质是各种物质在溶
液中表面活性的差异 。
? 表面张力,垂直作用在液体表面任何线段单位上的力 (指向表面内部的力 )，
其单位为 N·m－ 1(或 mN·m－ 1)。
分子在液相表面和内部所受作用力示意图
? 在一定的温度与压力下，对一定的液体来说，扩展表面所消耗的表面功 δW应
与增加的表面积 dA成正比。若以 σ表示比例系数，则,
根据热力学原理，在等温等压可逆的条件下,
σ可看作为等温、等压、物质的量不变的可逆条件下，每增加单位表面
积时引起自由焓的变化，因此称为表面自由焓。其单位为 J·m-2
影响表面张力的主要因素,
界面组成 —— 液体、固体表面张力的大小与分子间相互作用力的强弱程度
有关 。分子间的相互作用力越强，表面张力也越大。两种液体间的界面
张力通常在这两种纯液体的表面张力之间。
温度 —— 升高温度时，一般液体的表面张力都会降低。因为温度升高时液
体分子间引力减小，而作为界面另一相的该液体的饱和蒸汽密度增大，
两相的差异缩小，所以表面张力降低。由此推知，温度升到该液体的临
界温度时，表面张力将变为零（界面消失）。
压力 —— 考虑压力对表面自由能的影响,在温度与表面面积保持不变的情况
下，增加压力会使表面张力增大。但实际上增大压力必须引入另一组分
的气体，这种气体的性质将明显影响到液体的表面张力。大多数情况下
随压力的增加，气体密度加大、液相中溶解气体增多等因素都会导致表
面张力下降。
溶液的表面张力和溶质的吸附
表面非活性物质,溶于水中能使表面张力增大的物质，无机盐、蔗糖、甘油等；
表面活性物质,溶于水中能使表面张力下降的物质，如醇、醛、酸等绝大部分有
机化合物
1）使 δ水 ↑，即溶液的 δl>δ水,表面非活性
物质 。为使体系表面张力趋于最低，溶
质分子将自动浓集于溶液内部，所以 C
内 >C表，这叫 负吸附。
2）使 δ水 ↓，即 δl<δ水,表面活性剂 。
低级脂肪酸、醇、醛等属于此类类。
3）高级脂肪酸、肥皂、合成洗涤剂等属于
此类。
与 1类相反，表面活性剂会自动浓集于溶液
表面，使 C内 <C表，所以又叫 正吸附 。
吉布斯吸附方程
Gibbs吸附等温式阐述了溶质在界面层的浓度如何改变溶液的表面张力。
dc
d????
Γ为溶质的吸附量，即相应于相同量的溶剂时表面层中单位面积上溶质的
量比溶液内部多出的量，也称之为表面过剩，单位为 mol.m-2。
Gibbs方程的物理意义是,
若一种溶质能降低溶剂的表面张力，即突 dσ/dc ＜ 0，则 Γ＞ 0，即溶质在表面
层的浓度大于内部，为正吸附现象；
反之，若溶质能增大溶剂的表面张力，即 dσ/dc ＞ 0，则 Γ＜ o，即溶质在表面
层的浓度小于溶液内部，为负吸附现象。
润湿与浮选
? 液体在固体表面上的辅展现象称为润湿。
young方程，润湿方程
润湿与浮选
浮选 是基于固体 -液体 -气体三相界面上的润湿和吸附的界面化学现象。浮选
的依据，是各种物质粒子与气泡粘附的选择世，这种选样性又是根据物
质、水、气泡和相界面的物理化学特性来决定的。这种选择性还可以通
过添加浮选剂加以改变。
肥皂的亲油基和亲水基示意图
表面活性剂分子在油（空气）－
水界面上的排列示意图
表面活性剂的分类
? 表面活性剂的分类方法很多，从表面活性剂的应用功能出
发，可将表面活性剂分为乳化剂、洗涤剂、起泡剂、润滑
剂、铺展剂、增溶剂等等。
(1) 阴离子型：例如，硬脂酸钠 CH3(CH2)16COO-
Na+,十二烷基苯磺酸钠 CH3(CH2)11C6H4SO3-
Na+
(2)阳离子型：例如，月桂胺基三甲胺
CH3(CH2)11NH3+Cl- 及 溴代十六烷基三甲胺
CH3(CH2)15N+ (CH3)3Br -
(3)两性型：例如，十二烷基二甲基甜菜碱 C12H25N+
(CH3)2CH2COO -。
(4)非离子型表面活性剂：表面活性剂溶于水后不能电离的，
例如，聚氧乙烯类 C12H25O(CH2CH2O)nH。
(5)孪连表面活性剂：新一代高活性表面活性剂，例如,
2.4 溶剂萃取分离
? 溶剂萃取 /液－液萃取：利用基本上不相混溶的两个液相进行分离，把所需要
的物质从一个液相转移到另一个液相的过程。
? 可分为物理萃取和化学萃取。
? 萃取平衡,在萃取过程中，当被萃取物在单位时间内从水相转入有机相的量
与由有机相转入水相的量相等时，在该条件下萃取体系处于暂时的相对平衡。
如果条件改变，原来的萃取平衡就会被破坏，随着新条件的产生，发生平衡
移动，从而建立新的平衡。
? 分配定律：在一定温度下，当某一溶质在两种互不相混溶的溶剂中分配达到
平衡时，则该溶质在两相中的浓度之比为一常数（分配常数 K）。
萃取化学基本概念
? 分配定律适用条件：仅适用于理想溶液的萃取体系
▲ 被萃取物浓度低
▲ 溶质与溶剂不发生化学作用
▲ 溶质在两相中分子形式相同
? 分配比 /分配系数 D：被萃取物在两相中的总浓度之比,
分配比 D表示萃取体系达到平衡后，被萃取物在两相的实际分配情况，也表示
在一定条件下被萃取剂萃取的能力。 D值愈大，则被萃物在有机相中的浓
度愈大，也表示萃取比较完全。
萃取化学基本概念
萃取率 E,表示一种萃取剂对某种被萃物的萃取能力，是被萃物质在有机相中
的量与在原始水相中总量的百分比。
萃取化学基本概念
分离系数 β：是指相同条件下两种被分离物质在同一萃取体系内分配比的比值。
萃合常数 Kex,萃取过程化学反应的平衡常数。
萃取化学基本概念
? 萃取剂的性质,
(1)具有一个或几个萃取功能基，通过此功能基与金属离子配合而形成萃合物。
常见的功能基是氧、氮、硫与磷四种原子．它们的共同特点是具有末配对的
孤对电子。
(2)易溶于有机溶剂而难溶于水。
(3)有良好的选择性，只萃取某些元素而对其他元素则萃取能力很差或不萃取。
(4)有很大的萃取容量，即单位体积的萃取剂能萃取大量的被萃物。
此外，萃取剂还应满足粘度低、沸点高、化学性质稳定，所形成的萃合物易
反萃、无毒等要求。
萃取化学基本概念
萃取剂类型,
(1)中性配合萃取剂：萃取剂是中性有机化合物
(2)酸性配合萃取剂或螯合萃取剂：萃取剂是有机弱酸 HA，被萃物是金属
阳离子 Mn+，两者结合生成整合物 MAn而被萃取
(3)离子缔合萃取剂：萃取剂是佯盐或铵盐
等，当溶于有机溶剂时呈离子型化合物
污染控制过程中常用萃取体系
? 根据徐光究提出的萃取机理或萃取过程中生成的
萃合物的性质分类法，将萃取体系分为
1）简单分子萃取
2）中性配合萃取
3）螯合萃取
4）离子缔合萃取
5）协同萃取
6）高温萃取
2.5 离子交换处理
6.2.1 离子交换基本反应
1、强酸型阳离子交换剂
2、弱酸性阳离子交换剂
3、强碱性阴离子交换剂
4、弱碱性阴离于交换剂
离子交换平衡
离子交换反应机理
固定中性层、固定离子层、可动离子层
复杂过程的 5个阶段,
①溶液中离子向树脂表面扩散；
②离子进入树脂颗粒内的交联网孔，进行
扩散；
③ 离子与树脂内交联基团上的功能团发生
交换作用；
④被交换下来的离子向树脂表面扩散；
⑤被交换下来的离子在主体溶液小扩散。
离子交换平衡
1、交换反应的平衡常数
选择系数
2、分配系数
3、分离因子
膜分离技术是近三十多年来发展起来的高新技术，是多学科交叉的产物，
亦是化学工程学科发展新的增长点。它与传统的分离方法比较，具有如
下明显的优点,
1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡
另一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯
和浓缩；
2.节能：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不发生相变,是
一种低能耗，低成本的单元操作；
3.过程简单、容易操作和控制；
4.不污染环境。
由于这些优点、使膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，已广泛有效地应
用于石油化工、生化制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、
食品、环保、航天、海运、人民生活等领域，形成了独立的新兴技术产业。
目前，世界膜市场以每年递增 14～ 30％速度发展，它不仅自身形成了每年
约百亿美元的产值，而且有力地促进了社会、经济及科技的发展。特别是，
它的应用与节能、环境保护以及水资源的再生有密切的关系，因此在当今
世界上能源短缺、水荒和环境污染日益严重的情况下，膜分离技术得到世
界各国的普遍重视，欧、美、日等发达国家投巨资立专项进行开发研究，
已取得在此领域的领先地位。我国在“六五”、“七五”、“八五”、
“九五”以及 863,973计划中均列为重点项目，给予支持。
概述 2.6 膜分离技术
膜分离技术简介
1.分离膜的种类：膜是膜技术的核心，膜材料的性质和化学结构对膜分离
性能起着决定性的影响。膜的种类很多，其中按材料分有高分子膜、金属
膜、无机膜。高分子膜用途最广。
按结构分有七类,
(1)均质膜或致密膜，为结构均匀的致密薄膜。
(2)对称微孔膜，平均孔径为 0.02～ 10。按成膜方法不同，有三种类型的
微孔膜，即核孔膜、控制拉伸膜和海绵状结构膜。
(3)非对称膜。膜断面为不对称结构，是工业上应用最多的膜。
(4)复合膜。在多孔膜表面加涂另一种材料的致密复合层。
(5)离子交换膜
(6)荷电膜
(7)液膜、包括支撑液膜和乳状液膜
按形状分有平板膜、管式膜和中空纤维膜。
2.膜分离设备 (组件 )
板框式，结构类似板框式压滤机。
卷式，结构类似出螺旋板换热器。
管式，结构类似列管式换热器。
中空纤维式，结构类似列管式换热器，由几千根甚至几百万根中空纤维
组成。
3.膜分离过程
膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力
(如压力差、浓度差、电位差、温度差等 )时，原料侧组分选择性地透过膜，
以达到分离，提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜，推动力也不同。
目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤 (MF)、超滤 (UF)、反渗透 (RO)、
渗析 (D)、电渗析 (ED)、气体分离 (GS)、渗透汽化 (PV)、乳化液膜 (ELM)等
八种。
反渗透、超滤、微滤、电渗析这四大过程在技术上已经相当成熟，已有大规模
的工业应用，形成了相当规模的产业，有许多商品化的产品可供不同用途
使用。
气体分离和渗透汽化是正在发展中的技术。其中气体分离相对较为成熟
一些。目前已有工业规模的气体分离体系是,空气中氧和氮的分离；合成氨
厂中氨、氮、甲烷混合气中氢的分离；天然气中二氧化碳与甲烷的分离。
渗透汽化是这些膜过程中唯一有相变的过程，在组件和过程设计中均有特
殊的地方。它主要用于有机物／水，水／有机物，有机物／有机物分离，
是最有希望取代某些高能耗的精馏技术的膜过程。 80年代中期进入工业化
应用阶段。
除了以上八种已工业应用的膜分离过程外，还有许多正在开发研究中的
新膜过程，它们是膜萃取、膜蒸馏、双极性膜电渗析、膜分相、膜吸收、
膜反应、膜控制释放、膜生物传感器等。这些膜过程目前尚处在小型试验
和中试阶段。
2.6.1 膜分离技术种类和原理
? 膜的特征与类型
? 膜,是指在一个流体相内或两个流体相之间存在的一 薄层凝聚相物质,它能把流体相分
隔开来成为两部分，并能在这两部分之间传质。
? 膜性状：具有渗透性和半渗透性，固态 /液态，均相 /非均相、对称 /非对称，带电 /电中
性 (带正电 /负电 )。存在于被分离的两流体之间 /附着于支撑体或载体的微孔隙上，膜的
厚度应很小。被膜分隔开的流体相物质可以是液态 /气态。
? 膜特点,1、两个界面分别与两相流体接触； 2、具有选择透过性。
膜
的
分
类
相态：固体膜、液体膜
来源：天然膜、合成膜（无机材料膜、有机
高分子膜）
结构：致密膜、多孔膜
形状：平板膜、管式膜、中空纤维膜、核径
迹蚀刻膜（核孔膜）
物理形态：对称膜（均质膜）、不对称膜、
复合膜
主
要
类
型
反渗透膜
蒸馏膜
生物酶膜
控制释放膜
压渗析膜
微孔膜
离子交换膜
气体分离膜
液体膜
超过滤膜
油包水型膜滴
（ W/O）
水包油型膜滴
（ O/W）
膜分离过程
电 渗 析
电渗析基本原理
电 渗 析
阳离子交换膜
离
子
交
换
膜
阴离于交换膜
特殊离于交换膜
组成：基膜、离子交换基团
电 渗 析
离子交换膜的选择性透过机理
电导过程
电渗析过程 =电导过程 +电解过程
膜的选择透过性
膜的选择透过性决定因子：离子种类、溶液浓度、制膜工艺等
电 渗 析
c
电 渗 析
电渗析技术在水处理中的应用
反 渗 透
反渗透过程基本原理
半透膜,只透过溶剂而不适过溶质的膜。
渗透现象在自然界是常见的,比如将一根
黄瓜放入盐水中,黄瓜就会因失水而
变小。黄瓜中的水分子进入盐水溶
液的过程就是渗透过程。
渗透,根据热力学的理论，纯水的化学位高于废水的化学位，在恒温恒压下，
纯水自发地通过半透膜向废水方向流动的现象。
渗透压,达到渗透平衡时，废水一侧的液面升到一定高度 n，此即该废水的渗
透压。
影响因子：溶液的种类、浓度和温度，而 与膜本身无关 。
氢键理论,
在压力作用下，溶剂水分子和醋酸纤维素高分子膜上的活化点 —— 羰基上的氧原子形成氢键，
而原来与该羰基缔合的“结合水”随之离解下来 (氢键断开 )。离解出来的水分子转移到下
一个活化点，再与碳基上的氧原子进行缔合，形成新的氢键，于是水分子通过一连串的氢
链形成与断开．水分子依次从一个活化点移向另一个活化点，使水分子离开膜表面的致密
活性层而进入膜的多孔层。由于多孔层含有大量毛细管水，水分子能畅通地流出摸外。
优先吸附 —— 毛细管流理论
半透膜有微孔，孔径愈小，孔隙率愈高时膜
的透水性能和截留性能愈好。水分子透
过膜的现象，首先是膜对水分子优先吸
附在膜的表面，然后在膜的毛细管中通
过。由于膜优先吸附水面排斥溶质，因
此在膜的表面形成一层纯水层，纯水层
的厚度约为 l一 2个水分子厚。因此，膜
的选择性取决于该膜的孔径与膜面纯水
层厚度之间的关系。当膜的孔径径为纯
水层厚度的两倍，此时膜的选择性高，
水通量大，是最佳状态。如果膜孔径小
于纯水层两倍，虽然具有高选择性，但
水通量相应较小；若膜的孔径大于纯水
层厚度的两倍，则选择性降低，而且溶
质将会透过膜。
溶解扩散理论、扩散－细孔流理论、自由体积理论
反渗透技术在环境工程上的应用
(1)电镀废水
(2)含油废水
(3)染色废水
(4)放射性废水
超滤和微滤技术
超滤和微滤的原理
超滤和微滤机理：利用半透膜的膜孔对溶液中的悬浮微粒的筛分作用，以
压力差作为推动力的膜分离过程。在介质压力作用下，小于孔径的微粒
随溶剂一起运过膜上的微孔，大于孔径的微粒被截留。膜上微孔的尺寸
与形状决定了膜的分离性能。被截留的微粒子不能形成滤饼，仍以溶质
形式保留在滤余液中。
超滤和微滤用膜
超滤及微滤处理废水
(1)电泳涂漆废液处理
(2)含油废水
(3)染色废水
液膜分离
概述
液膜：液体表面活性剂膜的简称，是很薄的一层液体，能够把两个组成不同而
又互溶的溶液隔开，通过渗透分离一种或者一类物质。
液膜溶液通常是由膜溶剂和表面活性剂所组成。
膜溶剂 是成膜的基体物质、具有一定的粘度，保持成膜所需的机械强度，以防
膜破裂。
表面活性剂 含有亲水基和疏水基．可以定向排列，用于稳定膜形、固定油水分
界面。
流动载体 负责指定溶质或离子的选择性迁移，它对分离指定溶质或离子的选择
性和适量起决定性的作用。
液膜类型
液膜法处理废水的机理
液膜法处理废水的机理
流动载体的类型及特性
液膜分离操作 制乳
接触分离
沉降澄清
破乳
沉降、加热、超声、
化学、离心、过
滤、静电等
液膜法在废水处理中的应用
液膜法脱酚
重金属废水处理
2.7 污染物的氧化还原处理
污染治理中常用的化学氧化法
空气氧化法
利用空气中的氧气作氧化剂，使一些有机物和还原性物质氧化的一种处理方
法，可以使某些有机化合物完全氧化或使某些有机化合物部分破坏。
从上面的电位图可以看出，在碱性溶液中 E0减小，具有较强的还原能力。
所以空气氧化脱硫应在碱性溶液中进行。
各种硫的标准电极电势 E0值如下
臭氧氧化法
(1)它是一种强氧化剂，能与水和废水中存在的大多数有机化合物和微生物
以及无机物迅速发生反应；
(2)处理后，臭氧及沉淀物不留在水中，不会给水留下嗅和味；
(3)与氯一样，不会生成氨的络合物；
(4)臭氧受水温和 pH的影响不像氯那样大；
(5)它是利用电能以空气中的氧为原料制取的,空气资源可以取之不尽。
臭氧的主要应用范围为,
(1)脱色、嗅和味；
(2)杀菌消毒；
(3)除铁、锰、酚和氰。
1．臭氧的理化性质
03是 02的同素异形体，是一种具有
特殊气味的谈紫色有毒气体。沸点
为 — 119℃ 。臭氧在水中的溶解度
主要取决于温度。
2．臭氧氧化的机理
在低 pH值下，臭氧反应是以溶解于水的臭氧本身为主要氧化剂,
在高 pH值下，以臭氧氧化过程中生成的活性化学种 HO.自由基为主要氧化剂。
低 pH值
高 pH值
3．臭氧在废水处理中的应用
臭氧氧化法已广泛地用于处理工业废水和生活用水。
有机物
无机物
微生物
氯化氧化法
水和废水处理中常用的氯系氧化剂主要有：液氯、次氯酸钠、氧化氯和漂白粉
等，其中以液氯应用为主。
1、氯的理化性质
2、氯的水化学
(1) 元素氯 (Cl2)
(2) 次氯酸盐（次氯酸钠、次氯酸钙）
(3) 二氧化氯 二氧化氯是一种不稳定气体，应在现场制取。 废水处理中选择何种次氯酸盐为好，主耍取决于以下因素,
有效氯量的价格、稳定性、反应产生的溶解性、操作条件、来源等。
例如,Ca(OCl)2可生成大量 Ca(OH)2,CaCO3污泥，而 NaOCl则不会。
3．有效氯
各种含氯化合物的活性成分的相对含量大小，指含氯化合物中氧化数大
于氯化物离子 (氧化数为 -1)的那部分氯。
4 氯化法在废水处理中的应用
(1) 氯化法除氰
(2) 紫外光照射并用氯氧化
(3)脱氯 活性炭吸附，在适宜 pH条件下曝气，投药脱氯。曝气脱氯效果很
差，这是由于在碱性 pH条件下，水中非挥发性次氯酸盐占优势
高锰酸盐氧化法
1．高锰酸盐的性质
2．高锰酸盐的水化学
高锰酸盐氧化法的缺点是高锰酸盐对鱼类的毒性高 (最大浓度约为 5mg/l)，二氧
化锰的最大浓度为认 3g／ L。高锰酸钾的成本较高也常常限制了它在工业上
的应用。
过氧化氢氧化法
Feton试剂：过氧化氢与亚铁离子的组合。
类 Feton试剂
还 原 法
常用的还原剂有 SO2、硫化钠、硫化氢、硫代硫酸铀、亚硫酸钠、硫酸
亚铁,NaBH4或甲醛等。
含铬废水的还原处理
1．硫酸亚铁盐还原法
2．亚硫酸钠法处理含铬废水
还 原 法
8.3.2 化学还原法处理酸性镀铜废水
电解氧化还原法
1．直接电解处理法
电解氧化含氰废水
2．间接电解处理法
电解氧化除酚
光化学氧化法
8.5.1 光氧化基本原理
光氧化作用,通过吸收光能，使有机物变为激发态分子，直接与 O2作用或
裂解成自由基再与 O2作用而发生反应的过程。
1．光氧化与化学氧化的区别
光氧化速率决定于光解有机物在水中直接吸收光的吸收系数，量子产率及
所吸收光的光通量大小；
化学氧化的氧化速率决定于水中存在天然物或人工化学物质吸光所产生的
自由基浓度。
2 光氧化机理
光化学氧化法
8.5.2 光氧化在净化水和处理废水中的应用
1 应用 H2O2与 UV制备高纯度水
2 应用 H2O2与 UV光解炸药废水
光化学氧化法
3．光照射对臭氧氧化能力的促进
(1)污染成分的光分解
(2)臭氧的光分解
光敏化氧化
光敏化氧化即光催化氧化，光敏化剂为一种能吸收光的分子，它吸光后
将能量转给其他底物（氧化反应体系）使之发生氧化反应。
1．光敏化氧化机理
2 三线态敏化剂的反应
辐射化学氧化法
辐射化学氧化法：利用高能射线 (γ,β,χ射线等 )对化合物的破坏作用所开
发的污水辐照净化法。
8.6.1 辐射氧化基本原理
8.6.2 污染物的辐照处理
燃 烧 法
燃烧法,通过热氧化作用将废气、废掖成固体废物中的可燃有害成分转化为
无害物或易于进一步处理和回收的物质的方法。
8.7.1 气态污染物的燃烧
1．燃烧转化的原理
当混合气体中的氧和可燃烧组分在一定浓度范围内，某一点被燃着时产生的
热量，可以继续引燃周围可燃的混合气体，此浓度范围称为燃烧极限浓度
范围。
可燃混合气体在某一点着火后，传播开来,在有控制的条件下,就形成火焰
而维持燃烧；
若在一个有限空间内迅速蔓延，则形成气体爆炸。
因此，燃挠极限浓度范围也就是爆炸极限浓度范围。
低于爆炸下限，可燃组分燃烧产生的热量不足以引燃周围混和气体，因而
不会继续燃烧，也不会引起爆炸；
空气中可燃组分高于爆炸上限时，由于氧气不足也不能引起燃烧爆炸；
几种可燃物与空气混和时的爆炸极限范围近似值按下式计算,
废气中可燃物质的浓度常用爆炸下限浓度的百分数来表示，简写％ LEL
(Lower ExpIosive Limit)，一般将废气中的可燃物质的浓度控制在
25％ LEL以下，以防止爆炸或回火。
2．燃烧过程的热化学计算
(1)热平衡和比燃料需要量
减少比燃料量
废气燃烧焓计算
(2)污染物和燃料燃烧时所需的氧和空气量计算
(3)排出物的流量计算
比需氧量
最小比产气量
最小比排气量
最终排气总量
污泥湿式燃烧
1．基本原理
湿式氧化法 必须在高温高压下进行，所用的氧化剂为空气中的氧气。
氧化度即为污泥中 (或高浓度有机污水 )CODCr的去除百分数。
(1)污泥燃烧热值与燃烧所需的空气量
(2)有机物氧化过程和产物
(3)反应温度、压力及反应时间的影响
① 压力增加,反应体系中空气的分压增加,提高氧化速度；
②压力增加,不仅限制了液相的蒸发气化,使反应保持在液相的条件下进行,
而且还能提高反应温度，加快氧化速度
2 湿式氧化法分类
湿
式
氧
化
法
反应压力
高压氧化法,80-120kg/cm2
中压氧化法,40-70kg/cm2
低压氧化法,15-35kg/cm2
燃料补助 自燃型
外部热源供给型
运行方式 连续式
间歇式
3．湿式燃烧法的应用
① 污泥、粪便处理；
① 高浓度工业废水；
③ 危险物、有毒物和有恶臭的污水；
④ 含还原性硫化物；
⑤ 回收有用物质；
⑥ 再生活性碳。
优点：适应性较强；杀菌完全；无恶臭，
管理可自动化；反应过程迅速。
缺点：造价昂贵，管理能力；能耗高，
噪音大；经常清洗；产生腐蚀；
固体废弃物的焚烧
1．焚烧的目的和基本条件
2．燃烧热值
2.8 污染物的生物处理
不含氮有机物的降解
1．纤维素的转化
2．淀粉的转化
3,脂肪酸和油的降解
4．芳香族化合物的降解
5 烃类物质的降解
含氮有机物质的降解
1．蛋白质的降解
(1) 氨化作用
① 氧化性脱氨
② 非氧化性脱氨
（ 2）硝化作用
(3)反硝化作用
2 尿素的降解
3．氮的循环
无机物的转化
1．硫的转化
2,含磷化合物的转化
3,铁化合物的转化
(1) 铁化物的氧化和沉淀
(2) 铁化物的还原与溶解
(3) 有机铁化物的形成与溶解
好氧生物处理
基本原理
(1)有机物的氧化
(2)细胞物质的合成
(3)细胞质的氧化
活性污泥法
活性污泥,指经过专门培养的好气性微生物降解群体，包括细菌、放线菌、
真菌、原生动物等借分泌的粘液聚集在一起形成的菌胶团，在污水中呈
褐色絮状的泥粒存在的生物群体。
活性污泥法,实质是利用活性污泥具有的较大表面积，吸附、卷带有机物，
再借其中存在的大量微生物，在充分供氧的条件下，分解、氧化污水中
的有机物、无机物以至有毒物质，最终产物是二氧化碳和水等，从而净
化污水。生成的新活性污泥又重复使用，多余的活性污泥可排放出去。
1 活性污泥法系统
活
性
污
泥
法
系
统
推流式
完全 混合 式
初次沉淀池、曝气池、二
次沉淀池、污泥回收设
施和供氧设备等
2．活性污泥净化过程与机理
(1)初期去除与吸附作用
(2)活性污泥氧化作用
活性污泥增殖与养分消耗的关系
(3)絮凝体的形成与凝聚沉淀性能
3 活性污泥的消化
(1)活性污泥的厌气消化
(2)活性污泥的好气消化
生物膜法
生物膜法,利用生长在固体填料上和转盘表面上的生物膜净化污水的生物处
理法。
设备：生物滤他、生物转盘以及生物接触氧化法、生物流化床法等。
1 生物膜的形成和结构
初生
成熟
衰退
2．生物膜净化机理
厌氧生物处理
基本原理
优点,① 能量需求小； ② 形成沼气供给能量；
③ 可降解好氧无法处理的物质； ④ 污水污泥产生量少。
厌氧生物处理的工艺条件
(1)温度 (2)pH (3)碳、氮、磷的比例 (4)有毒物浓度
其他类型的生物处理法
氧化塘法
污水灌溉处理法
1 农业灌溉旱田
① 过滤截留
② 吸附、分解
③ 吸收利用
④ 离子状态的成为养分
⑤ 有机物形成腐植质
氮素的土壤净化途径,6条
2 农业灌溉水田
