水污染控制工程
第 9章 污水的吸附法、离子交换法、
萃取法和膜析法处理
内蒙古科技大学环境工程教研室
目录
? 第一节 吸附法
? 第二节 离子交换法
? 第三节 萃取法
? 第四节 膜析法
第一节 吸附法
一、吸附原理
? 吸附可分为物理吸附和化学吸附。
? 物理吸附：吸附剂与吸附质之间通过分子间引力
（即范德华力）产生吸附。
? 化学吸附：吸附剂与吸附质之间产生化学作用，生
成化学键引起吸附。
? 一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质、
浓度和温度有关。表明被吸附物质的量与浓度之间
的关系式称为吸附等温式。
? 1.弗劳德利希（ Freundlich)吸附等温式
n
1
Kmy ?? ?l o g
n
1l o g K)
m
y(l o g ??两边取对数,
式中,y— 吸附剂吸附的物质总量,mg
m— 投加的吸附剂量,mg
ρ— 到达平衡时溶液中被吸附物的浓度,mg/L
K,n— 经验常数。 N值在正常条件下大于 1。
? 2.朗格缪尔（ Langmuir）吸附等温式
?
?
??
??
1K1
K
m
y
??
K
K
K
1
m
y
1??
两边同时被 ρ除,
式中,y— 吸附剂吸附的物质总量,mg
m— 投加的吸附剂量,mg
ρ— 到达平衡时溶液中被吸附物的浓度,mg/L
K,K1— 经验常数。
二、影响吸附的因数
?吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。固体吸附剂的
吸附能力可用吸附量来衡量。吸附速度指单位重量吸附剂在单位
时间内所吸附的物质量。它决定接触时间及吸附设备的容积。
? 吸附过程基本上可分为三个连续的阶段。第一阶段为吸附质扩散
通过水膜而到达吸附剂表面 (膜扩散 )；第二阶段为吸附质在孔隙
内扩散；第三阶段为吸附质在吸附剂内表面上发生吸附。通常吸
附阶段反应速度非常快，总的过程速度由第一、二阶段速度所控
制。在一般情况下，吸附过程开始时往往由膜扩散控制，而在吸
附接近终了时，内扩散起决定作用。
?吸附剂结构的影响
? 比表面积
? 孔结构 大孔 >100 nm
2nm<过渡孔 <100nm
微孔 <2nm
? 表面化学性质 表面含氧官能团的性质
－ COOH、－ OH等
有助于对极性分子的吸附
?吸附质性质的影响
对于一定的吸附剂，由于吸附质性质的差异，吸附效果
也不一样。通常有机物在水中的溶解度随着链长的增长而减
小，而活性炭的吸附容量却随着有机物在水中溶解度的减少
而增加，也即吸附量随有机物分子量的增大而增加（不能过
大）。如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸＜丁
酸的次序而增加。 活性炭处理废水时，对芳香族化合物的
吸附效果较脂肪族化合物好，不饱和链有机物较饱和链有机
物好，非极性或极性小的吸附质较极性强吸附质好。实际废
水体系的吸附质往往不是单一的，它们之间可以互相促进、
干扰或互不相干。
?操作条件的影响
吸附是放热过程，低温
有利于吸附，升温有利于解
吸。溶液的 pH值影响到溶
质的存在状态 (分子、离子、
络合物），也影响到吸附剂
表面的电荷特性和化学特性，
进而影响到吸附效果。国内
用太原 8＃炭吸附 Cd— CN
络合物的试验结果如图所示。
三、吸附剂
? 活性炭：比表面积可达 800— 2000m2/g，有很高的吸附能力。
一般可制成粉末状或颗粒状。粉末状活性炭吸附能力强，制
备容易，价格降低，但再生困难，一般不能重复使用。颗粒
状活性炭价格较贵，但可再生重复使用，并且使用时劳动条
件较好，操作管理方便。活性炭的再生方法主要有：加热再
生、化学再生。
? 腐殖酸类吸附剂：天然的富含腐殖酸的风化煤、泥煤、褐煤
等，它们可直接使用或简单处理后使用。腐殖酸是一组芳香
结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物，可吸附工业废
水中许多金属离子，如汞、镉、镉、锌、铅、铜等。
四、吸附工艺和设备
? 吸附的操作方式分为间
歇式和连续式。
? 间歇式是将废水和吸附
剂放在吸附池内进行搅
拌 30min左右，然后静
置沉淀，排除澄清液。
? 连续式吸附可以采用固
定床、移动床和流化床。
五、吸附法在污水处理中的应用
? 由于吸附法对废水的预处理要求高，吸附剂价格昂
贵，因此在废水处理中,吸附法主要用于去除废水
中的微量污染物,以达到深度净化的目的。
? 例 1：吸附法除汞工艺流程
含汞废水 排放 反应池 沉淀池
Ca(OH)2 FeSO4
Na2S
吸附池 1 吸附池 2
图 17-2 吸附法除汞流程（ 10 -20m3/d)
? 例 2：炼油厂、印染厂废水的深度处理
含油废水经隔油、气浮和生物处理后，再经砂
滤和活性炭过滤深度处理。废水中含酚量从 0.1（生
物处理后）降至 0.005mg/L，氰从 0.19mg/L降至
0.048mg/L,COD从 85mg/L降至 18mg/L。
第二节 离子交换法
? 在废水处理中，离子交换主要用于去除废水中的金属离子。
离子交换的实质是不溶性离子化合物（又称离子交换剂）上
的可交换离子与溶液中的其它同性离子的交换反应，是一种
特殊的吸附过程，通常是 可逆性化学吸附 。
?? ??? HRMMRH
在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式,
K]M][RH[ ]H][RM[ ??
?
K是平衡常数。 K大于 1，且越大越有利于交换反应。 K值得大
小能定量的反映在离子交换剂对某两个固定离子交换选择性
的大小。
一、交换树脂
? 离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由 树脂本体 （ 又称母
体或骨架）和 活性基团 两个部分组成。生产离子交换剂的树脂母
体最常见的是苯乙烯的聚合物，是线性结构的高分子有机化合物。
在原料中常加入一定数量的二已烯苯做交联剂，使线性聚合物之
间相互交联，成立体网状结构。树脂本身不是离子化合物，无离
子交化能力，需经适当处理加活性基团，活性基团由固定离子和
活动离子组成。固定离子固定在树脂网状骨架上，活动离子（或
称交换离子）则依靠静电引力与固定离子结合在一起，二者电性
相反电荷相等。
? 离子交换树脂外形呈球状颗粒，按树脂类型和孔结构的不同分为：
凝胶型、大孔型、多孔凝胶型、巨孔型（ MR）和高巨孔型（超
MR）树脂等。按活性基团的不同分为：含有酸性基团的（强酸
性、弱酸性）阳离子交换树脂，含有碱性基团（强碱性、弱碱性）
的阴离子交换树脂、含有胺酸基团等的螯合树脂，含有氧化还原
基团的氧化还原树脂和两型树脂等。
二,离子交换树脂的选用
? 1.离子交换树脂的有效 PH值范围：强酸、强碱性交换树脂的
活性基团电离能力强，其交换能力基本上与 PH值无关。弱
酸性离子交换树脂在碱性溶液中才有较高的交换能力；若碱
性离子则反之。
? 2.交换容量：全交换容量与工作交换容量。单位,mol（可
交换离子） /kg(干树脂或湿树脂）。树脂的全交换容量可由
滴定法测定。
? 3.交联度：交联度较高的树脂，孔隙度较低，密度较大，离
子扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较
小，浸泡在水中则水化度较低，形变较小，也比较稳定，不
易破裂。水处理中使用的交换树脂，交联度为 7%-10%。
? 4.交换势：对同一种交换树脂 RH讲，交换反应的平衡常数 K
值随交换离子 M+而异,K值越大，表明交换离子越容易取代
树脂上的可交换离子，也表明交换离子与树脂的亲和力愈大，
通常说这种离子的交换势很大；反之,K值愈小，通常说交
换势很小。当含有多种离子的废水同离子交换树脂接触时，
交换势大的离子必然最先同树脂上的离子进行交换。
三、离子交换的工艺和设备
? 离子交换装置，按照进行方式的不同，可分为固定床（单层
床、双层床、混合床）和连续床（移动床、流动床）两大类。
其中在废水处理中，单层固定床离子交换装置（图 17-4）是
最常用、最基本的一种型式。
? 用于废水处理的离子交换系统一般包括：预处理设备（一般
包括砂滤器，用于去除悬浮物，防止离子交换树脂受污染和
交换床堵塞）、离子交换器和再生附属设备（如再生液配制
设备）。
? 离子交换的运行操作包括四个步骤：交换、反洗、再生、清
洗。
四、离子交换法在废水处理中的应用
表 17-2 离子交换法在废水处理方面的某些应用
废水种类 有害离子 树脂类型 废水出路 再生剂 再生液出路
电镀铬废水 CrO42- 大孔型阴离
子交换树脂
循环使用 食盐或烧
碱
用氢型阳离子
交换树脂除钠
后回用于生产
电镀废水 Cr3+,Cu2+ 氢型强酸性
阳离子交换
树脂
循环使用 18%-20%
硫酸
蒸发浓缩后回
用
含汞废水 Hg2+
HgClx(x-2)-
氯型强碱性
大孔阴离子
交换树脂
中和后排
放
盐酸 回收汞
粘胶纤维废
水
Zn2+ 强酸性阳离
子交换树脂
中和后排
放
硫酸 回用于生产
氯苯酚废水 氯苯酚 弱碱性大孔
型离子交换
树脂
排放 2%NaOH
甲醇
回收酚或甲
醇
第四节 膜析法
? 膜析法是用薄膜（又称半透膜）以分离水溶液中某些物质的
方法统称。目前有扩散渗析法（渗析法）、电渗析法、反渗
透法和超滤法等。
图 17-15 渗析现象
清水 盐水
半透膜 一、渗析法
? 起渗析作用的薄膜，因对溶质的渗透性有选择作用，故叫半
透膜。
? 半透膜的渗析作用有三种类型：①依靠薄膜中“孔道”的大
小分离大小不同的分子或离子；②依靠薄膜的离子结构分离
性质不同的离子，例如阳离子交换树脂做成的薄膜可以透过
阳离子，叫阳离子交换膜，用阴离子交换树脂做成的薄膜可
以透过阴离子，叫阴离子交换膜；③依靠薄膜的有选择的溶
解性分离某些物质，例如醋酸纤维膜有溶解某些液体和气体
的性质，而使这些物质透过薄膜。
? 一种薄膜只要具备上述三种作用之一，就能有选择地让某些
物质透过而成为半透膜。
? 在膜析法中，物质透过薄膜需要动力，目前利用的有三种动
力：分子扩散作用力、电力、压力。反渗透和超滤都要把水
加压。用电力的是电渗析。依靠分子自然扩散的是扩散渗析
法，简称渗析法。
二、电渗析
第 9章 污水的吸附法、离子交换法、
萃取法和膜析法处理
内蒙古科技大学环境工程教研室
目录
? 第一节 吸附法
? 第二节 离子交换法
? 第三节 萃取法
? 第四节 膜析法
第一节 吸附法
一、吸附原理
? 吸附可分为物理吸附和化学吸附。
? 物理吸附：吸附剂与吸附质之间通过分子间引力
（即范德华力）产生吸附。
? 化学吸附：吸附剂与吸附质之间产生化学作用，生
成化学键引起吸附。
? 一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质、
浓度和温度有关。表明被吸附物质的量与浓度之间
的关系式称为吸附等温式。
? 1.弗劳德利希（ Freundlich)吸附等温式
n
1
Kmy ?? ?l o g
n
1l o g K)
m
y(l o g ??两边取对数,
式中,y— 吸附剂吸附的物质总量,mg
m— 投加的吸附剂量,mg
ρ— 到达平衡时溶液中被吸附物的浓度,mg/L
K,n— 经验常数。 N值在正常条件下大于 1。
? 2.朗格缪尔（ Langmuir）吸附等温式
?
?
??
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1K1
K
m
y
??
K
K
K
1
m
y
1??
两边同时被 ρ除,
式中,y— 吸附剂吸附的物质总量,mg
m— 投加的吸附剂量,mg
ρ— 到达平衡时溶液中被吸附物的浓度,mg/L
K,K1— 经验常数。
二、影响吸附的因数
?吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。固体吸附剂的
吸附能力可用吸附量来衡量。吸附速度指单位重量吸附剂在单位
时间内所吸附的物质量。它决定接触时间及吸附设备的容积。
? 吸附过程基本上可分为三个连续的阶段。第一阶段为吸附质扩散
通过水膜而到达吸附剂表面 (膜扩散 )；第二阶段为吸附质在孔隙
内扩散；第三阶段为吸附质在吸附剂内表面上发生吸附。通常吸
附阶段反应速度非常快，总的过程速度由第一、二阶段速度所控
制。在一般情况下，吸附过程开始时往往由膜扩散控制，而在吸
附接近终了时，内扩散起决定作用。
?吸附剂结构的影响
? 比表面积
? 孔结构 大孔 >100 nm
2nm<过渡孔 <100nm
微孔 <2nm
? 表面化学性质 表面含氧官能团的性质
－ COOH、－ OH等
有助于对极性分子的吸附
?吸附质性质的影响
对于一定的吸附剂，由于吸附质性质的差异，吸附效果
也不一样。通常有机物在水中的溶解度随着链长的增长而减
小，而活性炭的吸附容量却随着有机物在水中溶解度的减少
而增加，也即吸附量随有机物分子量的增大而增加（不能过
大）。如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸＜丁
酸的次序而增加。 活性炭处理废水时，对芳香族化合物的
吸附效果较脂肪族化合物好，不饱和链有机物较饱和链有机
物好，非极性或极性小的吸附质较极性强吸附质好。实际废
水体系的吸附质往往不是单一的，它们之间可以互相促进、
干扰或互不相干。
?操作条件的影响
吸附是放热过程，低温
有利于吸附，升温有利于解
吸。溶液的 pH值影响到溶
质的存在状态 (分子、离子、
络合物），也影响到吸附剂
表面的电荷特性和化学特性，
进而影响到吸附效果。国内
用太原 8＃炭吸附 Cd— CN
络合物的试验结果如图所示。
三、吸附剂
? 活性炭：比表面积可达 800— 2000m2/g，有很高的吸附能力。
一般可制成粉末状或颗粒状。粉末状活性炭吸附能力强，制
备容易，价格降低，但再生困难，一般不能重复使用。颗粒
状活性炭价格较贵，但可再生重复使用，并且使用时劳动条
件较好，操作管理方便。活性炭的再生方法主要有：加热再
生、化学再生。
? 腐殖酸类吸附剂：天然的富含腐殖酸的风化煤、泥煤、褐煤
等，它们可直接使用或简单处理后使用。腐殖酸是一组芳香
结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物，可吸附工业废
水中许多金属离子，如汞、镉、镉、锌、铅、铜等。
四、吸附工艺和设备
? 吸附的操作方式分为间
歇式和连续式。
? 间歇式是将废水和吸附
剂放在吸附池内进行搅
拌 30min左右，然后静
置沉淀，排除澄清液。
? 连续式吸附可以采用固
定床、移动床和流化床。
五、吸附法在污水处理中的应用
? 由于吸附法对废水的预处理要求高，吸附剂价格昂
贵，因此在废水处理中,吸附法主要用于去除废水
中的微量污染物,以达到深度净化的目的。
? 例 1：吸附法除汞工艺流程
含汞废水 排放 反应池 沉淀池
Ca(OH)2 FeSO4
Na2S
吸附池 1 吸附池 2
图 17-2 吸附法除汞流程（ 10 -20m3/d)
? 例 2：炼油厂、印染厂废水的深度处理
含油废水经隔油、气浮和生物处理后，再经砂
滤和活性炭过滤深度处理。废水中含酚量从 0.1（生
物处理后）降至 0.005mg/L，氰从 0.19mg/L降至
0.048mg/L,COD从 85mg/L降至 18mg/L。
第二节 离子交换法
? 在废水处理中，离子交换主要用于去除废水中的金属离子。
离子交换的实质是不溶性离子化合物（又称离子交换剂）上
的可交换离子与溶液中的其它同性离子的交换反应，是一种
特殊的吸附过程，通常是 可逆性化学吸附 。
?? ??? HRMMRH
在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式,
K]M][RH[ ]H][RM[ ??
?
K是平衡常数。 K大于 1，且越大越有利于交换反应。 K值得大
小能定量的反映在离子交换剂对某两个固定离子交换选择性
的大小。
一、交换树脂
? 离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由 树脂本体 （ 又称母
体或骨架）和 活性基团 两个部分组成。生产离子交换剂的树脂母
体最常见的是苯乙烯的聚合物，是线性结构的高分子有机化合物。
在原料中常加入一定数量的二已烯苯做交联剂，使线性聚合物之
间相互交联，成立体网状结构。树脂本身不是离子化合物，无离
子交化能力，需经适当处理加活性基团，活性基团由固定离子和
活动离子组成。固定离子固定在树脂网状骨架上，活动离子（或
称交换离子）则依靠静电引力与固定离子结合在一起，二者电性
相反电荷相等。
? 离子交换树脂外形呈球状颗粒，按树脂类型和孔结构的不同分为：
凝胶型、大孔型、多孔凝胶型、巨孔型（ MR）和高巨孔型（超
MR）树脂等。按活性基团的不同分为：含有酸性基团的（强酸
性、弱酸性）阳离子交换树脂，含有碱性基团（强碱性、弱碱性）
的阴离子交换树脂、含有胺酸基团等的螯合树脂，含有氧化还原
基团的氧化还原树脂和两型树脂等。
二,离子交换树脂的选用
? 1.离子交换树脂的有效 PH值范围：强酸、强碱性交换树脂的
活性基团电离能力强，其交换能力基本上与 PH值无关。弱
酸性离子交换树脂在碱性溶液中才有较高的交换能力；若碱
性离子则反之。
? 2.交换容量：全交换容量与工作交换容量。单位,mol（可
交换离子） /kg(干树脂或湿树脂）。树脂的全交换容量可由
滴定法测定。
? 3.交联度：交联度较高的树脂，孔隙度较低，密度较大，离
子扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较
小，浸泡在水中则水化度较低，形变较小，也比较稳定，不
易破裂。水处理中使用的交换树脂，交联度为 7%-10%。
? 4.交换势：对同一种交换树脂 RH讲，交换反应的平衡常数 K
值随交换离子 M+而异,K值越大，表明交换离子越容易取代
树脂上的可交换离子，也表明交换离子与树脂的亲和力愈大，
通常说这种离子的交换势很大；反之,K值愈小，通常说交
换势很小。当含有多种离子的废水同离子交换树脂接触时，
交换势大的离子必然最先同树脂上的离子进行交换。
三、离子交换的工艺和设备
? 离子交换装置，按照进行方式的不同，可分为固定床（单层
床、双层床、混合床）和连续床（移动床、流动床）两大类。
其中在废水处理中，单层固定床离子交换装置（图 17-4）是
最常用、最基本的一种型式。
? 用于废水处理的离子交换系统一般包括：预处理设备（一般
包括砂滤器，用于去除悬浮物，防止离子交换树脂受污染和
交换床堵塞）、离子交换器和再生附属设备（如再生液配制
设备）。
? 离子交换的运行操作包括四个步骤：交换、反洗、再生、清
洗。
四、离子交换法在废水处理中的应用
表 17-2 离子交换法在废水处理方面的某些应用
废水种类 有害离子 树脂类型 废水出路 再生剂 再生液出路
电镀铬废水 CrO42- 大孔型阴离
子交换树脂
循环使用 食盐或烧
碱
用氢型阳离子
交换树脂除钠
后回用于生产
电镀废水 Cr3+,Cu2+ 氢型强酸性
阳离子交换
树脂
循环使用 18%-20%
硫酸
蒸发浓缩后回
用
含汞废水 Hg2+
HgClx(x-2)-
氯型强碱性
大孔阴离子
交换树脂
中和后排
放
盐酸 回收汞
粘胶纤维废
水
Zn2+ 强酸性阳离
子交换树脂
中和后排
放
硫酸 回用于生产
氯苯酚废水 氯苯酚 弱碱性大孔
型离子交换
树脂
排放 2%NaOH
甲醇
回收酚或甲
醇
第四节 膜析法
? 膜析法是用薄膜（又称半透膜）以分离水溶液中某些物质的
方法统称。目前有扩散渗析法（渗析法）、电渗析法、反渗
透法和超滤法等。
图 17-15 渗析现象
清水 盐水
半透膜 一、渗析法
? 起渗析作用的薄膜，因对溶质的渗透性有选择作用，故叫半
透膜。
? 半透膜的渗析作用有三种类型：①依靠薄膜中“孔道”的大
小分离大小不同的分子或离子；②依靠薄膜的离子结构分离
性质不同的离子，例如阳离子交换树脂做成的薄膜可以透过
阳离子，叫阳离子交换膜，用阴离子交换树脂做成的薄膜可
以透过阴离子，叫阴离子交换膜；③依靠薄膜的有选择的溶
解性分离某些物质，例如醋酸纤维膜有溶解某些液体和气体
的性质，而使这些物质透过薄膜。
? 一种薄膜只要具备上述三种作用之一，就能有选择地让某些
物质透过而成为半透膜。
? 在膜析法中，物质透过薄膜需要动力，目前利用的有三种动
力：分子扩散作用力、电力、压力。反渗透和超滤都要把水
加压。用电力的是电渗析。依靠分子自然扩散的是扩散渗析
法，简称渗析法。
二、电渗析
