华北理工环境工程原理课件10其他分离过程

第十章其他分离过程第十章其他分离过程第一节离子交换第二节萃取第三节膜分离本章主要内容一、离子交换剂概述二、离子交换基本原理三、离子交换速度本节的主要内容第一节离子交换（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）。一、离子交换剂概述第一节离子交换离子交换树脂分类方法多种：（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。（3）按活性基团性质：阳离子交换树脂、阴离子交换树脂等。（二）离子交换树脂的结构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。第一节离子交换活性基团遇水电离，分成：固定部分和活动部分（三）离子交换树脂的物理化学性质第一节离子交换（1）交联度交联度是指交联剂的用量（用质量分数表示）（2）粒度离子交换树脂通常为球形（3）密度真密度和视密度（4）溶胀性（5）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。第一节离子交换（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：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。（一）离子交换反应二、离子交换基本原理第一节离子交换1.可逆反应固态树脂和溶液接触的界面发生可逆离子交换。含Ca2＋的硬水通过RNa型树脂：食盐水使树脂再生：反应式可写为：2222RNaCaRCaNa12222RCaNaRNaCa2222RNaCaRCaNa交换再生（10.1.1）（10.1.2）（10.1.3）第一节离子交换2.强型树脂的交换反应强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂33SOSORHNaClRNaHClRNOHNaClRNClNaOH（10.1.4）（10.1.5）（1）中性盐分解反应（10.1.6）（10.1.7）（2）中和反应332SORHNaOHRSONaHO2RNOHHClRNClHO第一节离子交换3.弱型树脂的交换反应弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂3223(SO)SO2RNaCaClRCaNaCl2424()()2RNClNaSORNSONaCl（10.1.8）（10.1.9）（3）复分解反应（10.1.10）（10.1.11）（1）非中性盐的分解反应232223()()()2RCOOHCaHCORCOOCaHCO2424RNHOHNHClRNHClNHOH第一节离子交换（10.1.12）（10.1.13）（2）强酸或弱碱的中和反应（10.1.14）（10.1.15）（3）复分解反应2RCOOHNaOHRCOONaHO2424RNHOHNHClRNHClNHOH222()()2RCOONaCaClRCOOCaNaCl2323RNHClNaNORNHNONaCl（二）离子交换平衡和选择性系数二、离子交换基本原理第一节离子交换1.一价离子之间的交换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：RABRBA（10.1.16）第一节离子交换当离子交换达到平衡时，平衡常数为式中：，—树脂相中的离子浓度，kmol/m3；BARBARBRAKRABBA（10.1.17）ABRARB，—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。第一节离子交换选择性系数亦可用离子摩尔分数来表示。式中：c0—溶液中两种交换离子的总浓度，kmol/m3；cB—溶液中B+离子的总浓度，kmol/m3；q0—树脂全交换容量，kmol/m3；qB—树脂中B+离子浓度，kmol/m3。00[][][][][][]BBcABcBqRARBqRB（10.1.18）则：xB＝cB/c0，yB＝qB/q0第一节离子交换式（10.1.17）变为（10.1.18）(1)(1)BBBABByxKxy如果，则B+优先交换到树脂相，并且随的增加，yB增加显著。反之，如果，则A+优先交换到树脂相。1BAKBAK1BAK第一节离子交换1.二价离子对一价离子的交换二价离子对一价离子的交换反应通式：2222RABRBA（10.1.19）222202220200200(1)(1)(1)(1)BBBABBBBBABBRBAyxcKxyqRABqyxcKcxyq其离子交换的选择性系数为（10.1.20）00BAqKc：表观选择性系数，无量纲。第一节离子交换可以看出，该系数随和q0值的增大或c0值的减小而增大，该系数大于1时，有利于B+优先交换到树脂相；反之，则有利于再生反应。BAK（一）离子交换速度的控制步骤三、离子交换速度第一节离子交换①边界水膜内的迁移②交联网孔内的扩散③离子交换④交联网内的扩散⑤边界水膜内的迁移其中①⑤称为液膜扩散步骤，或称为外扩散；②和④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。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。判断离子交换过程是由液膜扩散还是颗粒内扩散控制，可采用Helfferich准数（He）或Vermeulen准数（Ve）进行确定。第一节离子交换1.Helfferich准数（He）01/001(52)rbABqDHecrDHe＝1，表示液膜扩散与颗粒内扩散两种控制因素同时存在，且作用相等；He1，表示液膜扩散所需要之半交换周期远远大于颗粒内扩散时之半交换周期，故为液膜扩散控制；He1，表示为颗粒内扩散控制。（10.1.21）根据液膜扩散控制与颗粒内扩散控制两种模型得到的半交换周期，即交换率达到一半时所需要的时间之比，得到：第一节离子交换1.Vermeulen准数（Ve）111/20104.8()2pbrbDqDVePeDcVe0.3，为颗粒内扩散控制；Ve3.0，为液膜扩散控制；0.3Ve3.0，为两种因素皆起作用的中间状态。（10.1.22）Pe—皮克来准数，定义式为013(1)burPeD（10.1.23）（二）离子交换速度的表达式第一节离子交换010()(1)rpDccdqdtrr（10.1.24）—单位时间单位体积树脂的离子交换量，kmol/m3；—总的扩散系数，m2/s；—与粒度均匀程度有关的系数；—分别表示同一种离子在溶液相和树脂相中的浓度，kmol/m3；—树脂颗粒的孔隙率；—树脂颗粒的粒径，m—扩散距离，mdqdt0D1rcc，p0rr（三）离子交换速度的影响因素第一节离子交换（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。(1)离子交换树脂的结构特点是什么。(2)离子交换过程有哪些主要步骤，可能的控制步骤是什么。本节思考题第一节离子交换第二节萃取一、萃取分离的特点二、萃取过程的热力学基础三、萃取剂的选择四、萃取过程的流程与计算本节的主要内容一、萃取分离的特点•利用混合液中被分离组分A在两相中分配差异的性质，使该组分从混合液中分离。•该过程称为液-液萃取，或溶剂萃取，或液体萃取。•萃取过程是物质由一相转到另一相的传质过程。溶剂B称为稀释剂第二节萃取•可在常温下操作，无相变；•萃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。萃取分离的特点第二节萃取•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。在环境领域中的应用第二节萃取在萃取操作中至少涉及三个组分：待分离混合液中的溶质A、稀释剂B和加入的萃取剂S达到平衡时的两个相均为液相：萃取相和萃余相当萃取剂和稀释剂部分互溶时，萃取相和萃余相均含有三个组分，因此表示平衡关系时要用三角相图。二、萃取过程的热力学基础第二节萃取三角形任何一个边上的任一点均代表一个二元混合物，如E点。三角形内的任一点代表一个三元混合物，如M点。纯溶质纯稀释剂纯溶剂相xmA=0.4xmB=0.3xmS=0.3第二节萃取（一）三角形相图在萃取操作中，根据组分间互溶度的不同，可分为以下三种情况：①溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但稀释剂B和萃取剂S之间不互溶。②溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但B和S之间部分互溶。③组分A、B完全互溶，但B、S及A、S之间部分互溶。第I类物系：第(1)和第(2)情况（以下主要讨论）第II类物系：第(3)情况（二）溶解度曲线与联结线第二节萃取萃取相E及萃余相R：达到平衡时的共轭液相。联结线：连线RE，都互不平行P点：临界混溶点，溶液为均相在含有溶质A和稀释剂B的原混合液中加入适量的萃取剂S，经充分混合，达到平衡。如果改变萃取剂的用量，将会建立新的平衡。溶解度曲线把三角形分为两个区，曲线以内为两相区，以外为均相区。萃取相萃余相第二节萃取辅助曲线：连接F、G、H，得辅助曲线。利用辅助曲线，可以求任一平衡液相的共轭相，如从R点求E点。溶解度实测数据少时，如何处理？第二节萃取（三）杠杆规则混合物M分成任意两个相，或由任意两个相E和R混合成一个相M,则表示组成的点M、E和R在一直线上。EMREMRRMMERE或式中，E、R、M—混合液E、R及M的质量，E+R＝M。……杠杆规则M：点E和R的“和点”；E(或R)：点M与R（或E）的“差点”由其中的任意二点求得第三点。表示了混合物M和两个相E和R之间的质量与组成间的关系。第二节萃取（10.2.1）若在原料液F中加入纯溶剂S，则表示混合液组成的点M视溶剂加入量的多少沿FS线变化，根据杠杆规则：MFSFMS＝萃取过程在三角相图中的表示由联结线和溶解度曲线可得萃取相E和萃取相R的组成。第二节萃取（10.2.2）1.分配曲线将三角形相图上各组相对应的共扼平衡液层中溶质A的组成转移到xm-ym直角坐标上，所得的曲线称为分配曲线。分配曲线表达了溶质A在相互平衡R相与E相中的分配关系。（四）分配曲线与分配系数第二节萃取mAmAykx2.分配系数溶质A在两相中的平衡关系可以用相平衡常数k来表示。ymA—溶质A在萃取剂中的质量分数xmA—溶质A在萃余相中的质量分数k通常称为分配系数。该值随温度与溶质的组成而异。当溶质浓度较低时，k接近常数，分配曲线接近直线。第二节萃取（10.2.3）（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：//m