物理化学处理法在冶金企业环境保护中的应用

在工业污水的治理过程中，利用物质由一相转移到另一相的传质过程来分离污水中的溶解性物质，回收其中的有用成分，从而使污水得到治理的方法称为物理化学处理法。尤其当需要从污水中回收某种特定的物质或是当工业污水中含有有毒有害且不易被微生物降解的物质时，采用物理化学处理方法最为适宜。物理化学处理法又简称物化法，常用的物理化学处理法有吸附法、萃取法、电解法和膜分离法。

3.2.3.1　吸附法

吸附法是利用吸附剂对废水中某些溶解性物质及胶体物质的选择性吸附，来进行废水处理的一种方法。吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是指吸附剂与被吸附物质之间通过分子之间引力而产生的吸附；化学吸附是指吸附剂与被吸附物质之间发生了化学反应，生成了化学键。在实际的废水处理过程中，物理吸附和化学吸附可能同时发生，但是在某种条件下，可能是某一种吸附形式是主要的，在废水的实际处理过程中，往往是几种吸附形式同时发生作用。吸附剂在达到饱和后必须进行脱附再生，才能重复使用。脱附是吸附的逆过程，即在吸附剂结构不变化或变化极小的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂孔隙中除去，恢复它的吸附能力。这样可以降低处理成本，减少废渣的排放，同时回收吸附质。

物理吸附是通过固体表面粒子（分子、原子、离子）存在剩余的吸引力进行吸附的，是一个放热过程，在低温下就可以进行，没有选择性。

化学吸附是通过吸附剂与吸附质的原子或分子间的电子转移或共用化学键进行吸附的，是一个放热过程，由于化学反应需要大量的活化能，一般需要在较高的温度下吸附，为选择性吸附。

离子交换吸附在吸附的过程中每吸附一个吸附质离子，同时也要释放出一个等当量的离子。离子的电荷交换是交换吸附的决定性因素，离子带电越多，它在吸附剂表面的反电荷点上的吸附力也就越强。

一定的吸附剂所吸附某种物质的数量与该物质的性质、浓度及体系温度有关，表明被吸附物质的量与该物质浓度之间的关系式称为吸附等温式，常用的公式有弗劳德利希吸附等温式、朗格缪尔吸附等温式。

根据吸附剂种类的不同，吸附法分为活性炭吸附法、离子交换树脂吸附法、斜发沸石吸附法、麦饭石吸附法等。下面介绍前两种方法。

A　活性炭吸附法

在实际的废水处理过程中，活性炭一般制成粉末状或颗粒状。粉末状活性炭吸附能力强，价格便宜，但其缺点是再生困难，不能重复使用；颗粒状活性炭操作管理方便，并且可以再生并重复使用。在水处理过程中较多采用颗粒状活性炭。

活性炭法对废水进行处理的基本原理主要包括吸附作用和还原作用。

（1）吸附作用。活性炭是含碳量多、分子量大的有机物分子凝聚体，属于苯的各种衍生物。在pH值为3～4时，微晶分子结构的电子云由氧向苯环核心中的碳原子方向偏移，使得羟基上的氢具有一定的正电性质，能吸附等带负电荷的离子，形成一个相对稳定的结构，即：

pH值升高，体系OH-浓度增大，活性炭的含氧基团吸附OH-，形成稳定结构：

当pH值大于6.0时，活性炭表面的吸附位置被OH-占据，对Cr6+的吸附能力明显下降。因此，根据这个原理可以用碱对已达到饱和吸附的活性炭进行再生处理。

（2）还原作用。对于某些被吸附的物质来说，活性炭同时具有吸附剂和氧化剂的作用。例如，在酸性条件下（pH值小于3.0），活性炭可以将吸附在其表面上的Cr6+还原为Cr3+，其反应方程式为：

还有一种观点认为，由于对水溶液中的氧、氢离子、某种阴离子的吸附，首先在活性炭的表面生成过氧化氢，在酸性条件下，H2O2能将Cr6+还原为Cr3+，反应方程式为：

式中　C——活性炭中的碳原子；

A-——阴离子；

Aad-——吸附在活性炭中的阴离子；

P+——活性炭上一个带正电荷的空穴。

反应中产生的大部分的氧被活性炭重新吸收，使反应重复进行。在实际生产过程中发现，在较低的pH值条件下，活性炭以还原作用为主，并且溶液中H+浓度越高，活性炭的还原能力越强。因此利用这个原理，当活性炭对铬的吸附达到饱和后，向吸附装置中通入酸液，使被吸附的Cr6+还原为Cr3+，并以Cr3+形式解吸下来，这样在进行废水处理的同时起到了活性炭再生的作用。

活性炭在使用一段时间后趋于饱和并逐渐丧失吸附能力，这时应该进行活性炭的再生。再生是在吸附剂本身的结构基本上不发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质从吸附剂的微孔中除去，从而恢复活性炭的吸附能力。活性炭的再生方法主要有：

（1）加热再生法。在高温的条件下，使吸附质分子的能量升高，易于从活性炭脱离；而对于有机物吸附质，高温条件使其氧化分解成气态逸出或断裂成较低的分子。

（2）化学再生法。通过化学反应的方法使吸附质转变成易溶于水的物质而被解吸下来。例如，吸附了苯酚的活性炭，用氢氧化钠溶液浸泡后，形成酚钠盐而解吸下来。

（3）湿法氧化法。这是一种特殊的化学再生法，主要用于粉末状活性炭的再生。该方法是用高压泵将已经饱和的粉末状活性炭送入换热器，经过加热器到达反应器，在反应器中，被吸附的有机物质在高温高压的条件下，被氧气氧化分解，活性炭得到再生。

B　离子交换吸附

离子交换法是利用离子交换剂来分离废水中有害物质的方法，这是一种特殊的物理化学方法——在固体物质上吸附离子并进行离子交换，它可改变所处理液体的离子成分，而不改变交换前后废水中离子的总电荷数。目前离子交换法已成为实验室研究工作和化工过程中的一个重要的分离手段，但其最广泛应用的还是在水处理方面，它能有效去除废水中重金属离子（如Cu、Ni、Zn、Hg、Ag、Au等）和磷酸、硝酸、有机物和放射性物质等。

离子交换法的优点很多，诸如去除率高、可以浓缩回收有用物质、设备简单、操作控制容易等；但是在目前的技术发展水平下，离子交换法的应用还受到一定的限制，主要是由于交换剂品种、性能、成本等因素，并且对预处理的要求较高。离子交换剂的再生和再生液的处理也是一个难题。

离子交换剂是一种带有可交换离子（阳离子或阴离子）的不溶性固体物，由固体母体和交换基团两部分组成，交换基团内含有可游离交换的离子。离子交换反应就是这种可游离交换的离子与水中同性离子间的交换过程，它也是一种特殊的化学吸附过程，离子交换过程如图3-8所示。

图3-8　离子交换示意图

以阳离子交换为例，若以R-B+代表阳离子交换树脂，R-表示带有固定离子树脂骨架，B+为活动离子，电解质溶液中的阳离子以表示，则离子交换反应为：

离子交换过程是可逆的，其逆反应也称“再生”，因此交换剂经再生后可反复使用。

离子交换过程通常分为五个阶段：

（1）待交换离子从溶液扩散通过颗粒表面外层的液膜——膜扩散；

（2）进入颗粒，在颗粒内部孔隙内进行扩散——粒扩散；

（3）达到交换位置后进行交换——交换反应；

（4）交换下来的离子经过微孔扩散到达交换剂颗粒外表面——粒扩散；

（5）从交换剂表面穿过液膜而扩散进入溶液中——膜扩散。

上述过程中，交换速度是很快的，因此整个过程的速率主要决定于扩散速率。对强酸、强碱性树脂而言，一般情况下粒扩散速度较大，所以在稀的电解质溶液中，起决定作用的常常是膜扩散的速率，当浓度逐渐增大时，膜扩散和粒扩散将同时产生影响，当浓度很高时，粒扩散起决定性的作用。

离子交换剂是一种具有多孔性海绵状结构的物质，它带有电荷，并与反离子相吸引，离子交换的反离子与溶液中符号相同的反离子在两相之间进行再分配，这就是离子交换动力学的一种扩散过程。但是离子交换剂又具有选择性，它对某些离子具有更高的亲和性，所以离子交换过程又与一般的扩散过程有所不同。

离子交换的机理与吸附有相似之处，即交换剂和吸附剂都能从溶液中吸取其溶质，但也有不同之处，离子交换是一个化学计量过程，交换剂能从溶液中与一定量的符号相同的反离子进行交换，从而取代出原存于交换剂的一定量的反离子，吸附则不是一个化学计量过程。

离子交换剂的种类很多，20世纪初，天然和合成的沸石即开始应用于水的软化。20世纪30年代出现了由煤经磺化而成的磺化煤。1945年英国人Adams和Holmas首先合成了离子交换树脂，由于其具有稳定性高、交换容量大的特点而得到广泛的应用。离子交换树脂在冶金废水的处理方面已经有较多的应用，表3-10列出了一些应用方法。

表3-10　离子交换树脂在处理冶金废水方面的应用

人工合成的离子交换树脂由树脂本体（又称母体）和活性基团两个部分组成。树脂母体通常是由具有线型结构的高分子有机化合物——聚苯乙烯和一定数量的二乙烯苯所组成的。二乙烯苯也称交联剂，它的作用是使线状聚合物之间相互交联，成立体网状结构。

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的网状骨架上，活动离子（又称交换离子）则依靠静电引力与固定离子结合在一起，两者电性相反，电荷数相等。

a　离子交换树脂类型

离子交换树脂种类很多，按其性能和孔结构的不同可有以下三种分类方法：按性能可分为阴离子树脂和阳离子树脂；按树脂官能团的离解程度可分为强酸性、弱酸性、强碱性和弱碱性树脂；按孔结构可分为大孔型和凝胶型树脂。

离子交换树脂的基本性能有以下三种：

（1）全交换容量。这是指树脂内全部可交换的活性基团的数量；

（2）平衡交换容量。这是指在一定外界溶液条件下，达到平衡状态时，交换树脂所能交换的离子数量；

（3）工作交换容量。这是指树脂在交换柱内进行交换工作过程中，当出水中开始出现需要脱除的离子时，所能达到的实际交换容量。

上述三种基本性能中，全交换容量最大，平衡交换工作容量次之，工作交换容量最小。离子交换容量通常以单位湿树脂体积所具有的交换离子数量表示，也可用单位干树脂重量所具有的交换离子数量表示。

b　离子交换的工艺和设备

离子交换的操作方式有：

（1）间歇式把交换剂与被处理溶液混合加以适当搅拌，使之达到交换平衡。设备简单，操作要求不严，常用于实验室及小批量废水处理中。

（2）连续式固定床交换剂置于交换柱内不动，被处理液不断流过，此法设备简单，操作方便，适用范围广，是最常用的一种方式。缺点是交换剂利用率低，再生费用大，阻力损失大。

（3）连续式移动床离子交换把树脂输送在不同装置中分别完成交换、再生、清洗等过程。优点是提高了树脂利用率，降低了树脂投资，减少了再生剂消耗。缺点是设备多，投资大，管理复杂。

（4）连续式流动床离子交换树脂和被处理的溶液、再生剂、洗水都处于流动状态。树脂呈“沸腾状”，在不同部位连续进行交换、再生及清洗作用。该法的优点是效率高，装置小，树脂利用率高，投资少，再生剂用量少，易管理。缺点是设计及操作条件要求高，树脂磨耗量大。

3.2.3.2　萃取法

在废水处理中，采用液液萃取是一项重要的单元操作。此法用与水不互溶，但能良好溶解污染物的萃取剂，使其与废水充分混合接触后，利用污染物在水和溶剂中的溶解度或分配比的不同，来达到分离、提取污染物和净化废水的目的。采用的溶剂称为萃取剂，被萃取的污染物称为溶质；萃取后的萃取剂称为萃取液（萃取相），残液为萃余液（萃余相）。

分配系数（或称分配比）D就是溶质在有机相中的总浓度y与在水相中总浓度x的比值，即D=y/x。可见，D值越大，即表示被萃取组分在有机相中的浓度越大，也就是它越容易被萃取。

萃取法处理废水适用的情况：

（1）能形成共沸点的恒沸混合物，而不能用蒸馏、蒸发的方法分离的废水。

（2）对热敏感的物质，在蒸发和蒸馏的高温条件下，易发生化学变化或易燃易爆的物质。

（3）对沸点非常接近的、难以用蒸馏方法分离的废水。

（4）对挥发度差的物质，用蒸发法需消耗大量热能或需用高真空蒸馏的废水，例如含醋酸、苯甲酸和多元酚的废水。

（5）对某些成本高、处理复杂的化学方法。例如，对含铀和钒的洗矿水和含铜冶炼废水，可采用有机溶剂萃取、分离和回收。(www.xing528.com)

A　萃取剂的选择

选择萃取剂主要考虑以下几个方面：萃取能力要大，即分配系数越大越好。萃取法的实质是利用溶质在水中和有机溶剂中的溶解度有着明显的不同来进行组分分离。只有溶质在溶剂中的溶解度远大于其在水中的溶解度时，溶质才能从水中转入到溶剂中去。另外也要满足萃取容量大、选择性强、在水溶液中的溶解度小、黏度与密度和水的差别要大、使用运输要安全、化学稳定性强、毒性小、来源方便、价格低廉等要求。

萃取也是一种可逆过程。溶解在有机溶剂中的溶质，在一定的条件下（如蒸馏、蒸发、投加某种盐类能使溶质不溶于萃取剂中），来转移到另一种介质或溶剂中，回收溶剂或去除污染物以实现反萃取。萃取和反萃取的效果主要决定于过程中的各项条件（如废水的pH值、溶质浓度、萃取剂与反萃取剂的浓度、温度和其他操作参数）。

萃取工艺流程包括以下三个主要工序：混合一分离一回收。

根据萃取剂（或称有机相）与废水（或称水相）接触方式的不同，萃取作业可分为间歇式和连续式两种，根据二者接触次数（或接触情况）的不同，萃取流程可分为单级萃取和多级萃取两种，后者又分为混流式和逆流式两种。萃取操作按两相接触方式，则可分为分段接触式和连续接触式。

图3-9所示为单级萃取流程，这种方式主要用于实验室或生产规模不大的萃取过程。

B　萃取装置

萃取设备同时具有使两相充分混合接触和充分分离的功能。萃取设备的发展很快，新型高效的萃取器不断地出现和被推广使用。萃取设备可分为箱式、塔式和离心机式等。图3-10所示为箱式（混合澄清槽），混合澄清槽是由混合器及澄清器两部分组成的，混合器内装有搅拌器。原料液及溶剂同时加入混合器内，经搅拌后流入澄清器，进行沉降，即重相沉至底部形成重相层，而轻相浮入器上部，形成轻相层。轻相层及重相层分别由其排出口引出，若为了进一步提高分离程度，可将多个混合澄清器按错流或逆流的流程组合成多级萃取设备，所需级数多少随工艺的分离要求而定。

图3-9　单级萃取过程示意图

图3-11所示为填料萃取塔，塔内充填适宜的填料，塔两端装有两相进出口管。重相由上部进入，从下端排出，而轻相由下端进入，从顶部排出。连续相充满整个塔，分散相由分布器分散成液滴进入填料层，在与连续相逆流接触中进行萃取。在塔内，流经填料表面的分散相液滴不断地破裂与再生。当离开填料时，分散相液滴又重新混合，促使表面不断更新。

图3-10　混合澄清槽示意图

图3-11　填料萃取塔

3.2.3.3　电解法

电解是利用直流电进行溶液氧化还原的过程。污水中的污染物在阳极被氧化，在阴极被还原，或者与电极的反应产物相作用，转化为无害成分被分离除去，或形成沉淀析出或生成气体逸出，电解能够一次去除多种污染物，如氰化镀铜污水经过电解处理时，CN-在阳极被氧化的同时，Cu2+在阴极被还原沉淀。

若以铝或铁金属为阳极，通电后的电化学腐蚀作用，可使铝或铁以离子的形式溶解于水中，经过水解生成的氢氧化铝或氢氧化铁，可对废水中的胶体和悬浮物质起到吸附和凝聚的作用。而且在电解的过程中，在阴阳两极产生的氢气和氧气，都以微小的气泡逸出，在上升的过程中黏附在水中的微粒杂质或油类于表面，从而将其带到水面，起到电解气浮的作用。

电解装置紧凑，占地面积小，节省投资，容易形成自动化。药剂用量少，废液量少。通过调节槽电压和电流，可以适应较大幅度的水量和水质的变化冲击。但电耗和可溶性的阳极材料消耗较大，副反应较多，电极易钝化。

A　电解法处理废水的基本原理

电解法处理冶金废水时，极板被浸在废水中，接通直流电源后，废水中就有电流通过，在电解质水溶液中，电解质分子电解为正离子和负离子，由于溶液中正离子所带的正电荷总数和负离子所带的负电荷总数相等，因此电解质溶液呈电中性。接通电源后，在电场的作用下，溶液中的正离子向阴极迁移，负离子向阳极迁移，产生电流。

当有电流通过时，溶液中的每一种离子都不同程度参加了电迁移过程，每种离子所迁移的电流与离子的运动速度呈正比。在锌、铁、铜、银等金属盐的溶液中，当有一定的电流通过时，溶液中的金属离子在阴极上吸收电子并以原子态金属的形式析出；在碱金属、碱土金属溶液中以及酸性溶液中，大多是H+在阴极上释放电子而析出氢气；如果阳极为惰性金属（铂等）或非金属石墨等，溶液中的负离子会在阳极上放电，对于硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等溶液，硝酸根离子、硫酸根离子、磷酸根离子等会在阳极上放电而析出氧气；而卤素化合物的溶液中，可能在阳极上析出卤素单质（氟化物除外）；若阳极为一种较活泼的金属（如铁、铜、镍、锌等）时，这些阳极的金属原子会释放电子，以金属离子状态溶解而进入液相中。

例如用电解方法处理含铬废水时，以金属铁作为阳极，在电解过程中铁失去电子以二价铁离子的形式进入液相中，溶液中生成的二价铁离子在酸性条件下，将六价铬离子还原为三价铬离子，同时溶液中的H+在阴极上获取电子析出氢气，使溶液的pH值逐渐上升，溶液由酸性变为近似中性，三价铬形成氢氧化物沉淀而从液相中除去。

最后将水和沉淀物分离，从而达到了去除水中六价铬的目的。

B　电解法的影响因素

电解法的影响因素有：

（1）电流密度。阳极板电流密度是指单位阳极面积上通过的电流的大小，阳极板所需要的电流密度随着所处理废水的污染物浓度而变化。当污染物浓度相对较大时，应适当提高电流密度；污染物浓度较小时，可适当降低电流密度。电流密度与电解时间成反比关系。当废水中污染物浓度一定时，增加电流密度，则电压相对升高，污水处理速度加快，但同时增加了电能的消耗；而如果采用较小的电流密度，相应减小了电的消耗量，但电解速度减慢。

（2）槽电压。槽电压受所处理废水的电阻率和极板间距离的影响，废水的电阻率一般控制在1200Ω/cm以下，当所处理废水的导电性差时，需要投加一定数量的食盐来改善其导电性能，同时也能相应地减少电能消耗，但多加不但是浪费，而且增加了水中氯离子含量，破坏了水质。电解法处理含铬废水时，食盐的投加量一般控制在1～1.5g/L；电极间距一般为5～20mm，多采用10mm。间距大则所需的电解时间长、耗电量大、电极效率低，而如果间距太小，安装和维修都不方便。

（3）阳极钝化。在用电解法处理废水的过程中常常会发生阳极钝化现象，为减少这一现象的发生，可采用电极换向、降低pH值、投加食盐、增加电极间的液体流动速度等一系列措施。电极换向时间一般为15min，也可以是30～60min换向一次。

（4）废水pH值。在电解法处理废水的过程中，废水的pH值对阳极电流效率有很大影响。pH值低则阳极电流效率高，电解时间短，而且铁阳极溶解速度快，电解效率高，同时阳极的钝化程度小；而在碱性条件下铁阳极非常容易钝化，局部阳极表面有时会发生氢氧根离子放电析出氧气的反应，而析出的氧将二价铁离子氧化为三价铁离子，从而使二价铁离子还原六价铬离子的作用减弱。同时二价铁离子还原六价铬离子的反应速度随着反应体系pH值的降低而加快。但是并不是溶液的pH值越低越好，因为如果pH值太低，会使处理后废水中的Fe3+、Cr3+不能形成氢氧化物沉淀，从而影响废水处理的效果。

（5）空气搅拌。空气搅拌促进了离子的对流和扩散，降低了极化现象，缩短了电解的时间；同时防止了沉淀物在电解槽中的沉降，起到清洁电极表面的作用。但是要特别注意，电解槽工作时压缩空气的量不宜太大，以不使沉淀物在电解槽内沉淀为准，这是因为如果电解槽内空气量太大，空气中的氧会将Fe2+氧化成Fe3+，影响处理效果。

3.2.3.4　膜分离法

膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的一类方法的总称。溶质透过膜的过程称为渗析，溶剂透过膜的过程称为渗透。膜可以是气相、液相和固相，废水处理中应用最广泛的膜常是固相，常用的膜分离法有反渗透法、电渗析法、超滤法、微孔过滤、隔膜电解法和液膜法等。

A　电渗析

电渗析是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性把电解质从溶液中分离出来的过程。电渗析主要用于海水淡化、制取饮用水和工业纯水，目前也开始在重金属废水、放射性废水处理中得到应用。

电渗析的原理可用图3-12来说明。在电渗析槽中交错放置两种类型的交换树脂膜——阳离子膜和阴离子膜。阳离子膜带有固定的负电荷，它只允许阳离子通过而排斥阴离子；阴离子膜带有固定的正电荷，允许阴离子通过而排斥阳离子。在两电极接上直流电源之后，则形成电场，槽内各室中的阴阳离子在电场力的作用下发生定向移动。在一、三两室中，阳离子向左移动，穿过阳离子膜分别进入阴极室和二室。而阴离子向右移动穿过阴离子膜分别进入二室和阳极室内。总的结果则使一、三两室离子浓度大大降低，使其中水得以“淡化”。在二室则相反，阳离子向左移动但受到阴离子膜阻挡而留在室内，阴离子向右移动但受到阳离子膜阻挡也留在室内，同时一、三两室的阴阳离子还要进入二室，总结果便造成了二室的离子的积聚，使水得以“浓缩”，将待处理水不断送入二室（浓室），从一、三两室（淡室）便可排出处理过的废水。电渗析法可有效地浓缩工业废水中的无机酸、碱、金属盐及有机电解质等。即使废水得到净化，又可回收有用物质。与反渗透法相比，它的优点是膜对热和化学作用的稳定性更好，并可得到较高浓度的浓缩比。电渗析法虽可以用来处理各种废水，但其成本高，且只能除去水中盐分，对有机物不能去除，某些高价离子和有机物还会污染膜，因而应用受到一定限制。改进制膜技术，降低膜的成本，生产新型的离子交换膜是这一方法的发展方向。

图3-12　电渗析原理示意图

电渗析器有板框型（压滤型）和螺旋卷式两种。目前国内外广泛使用的是板框型，它由交换膜、隔板、电极、极框及压紧装置所组成，两端为电极，中间为阴、阳膜和用隔板间隔交替排列的浓、淡室，电极与膜之间设置极框。

（1）离子交换膜。离子交换膜是一种由高分子材料制成的、具有离子交换基团的薄膜，内有一定数目的孔隙，以供离子通过。离子交换膜可分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种，简称阳膜和阴膜。

阳离子交换膜，常有酸性活性基团（如R—SO3H），在水中可离解成固定在高分子膜上带负电的阴离子R—和可移动阳离子H+，膜中固定基团R—SO3-构成了足够强的负电场，因此能吸引阳离子让其通过而排斥阴离子，阻止其通过。

阴离子交换膜，带有碱性活性基团，如R—CH2N+（CH3）2OH，固定在高分子膜上的是带正电的阳离子R—CH2N+（CH3）2和可移动的OH-，固定基团构成强烈正电场，故它能吸引阴离子让其通过而排斥阳离子。

可见离子交换膜所发生的作用并不是离子交换，而是离子的选择性透过。因此，离子交换膜应称为离子选择性透过膜更为合适。

（2）隔板和隔网。隔板的用处是使阴、阳膜间保持一定距离，并使布水均匀，上面有配水孔、布水槽、流水道、填充网。网的作用是使液体产生湍流，提高效率。隔板可由聚氯乙烯硬板、聚丙烯、合成橡胶等材料制成，厚度为0.5～2.5mm。根据隔板在膜堆中使用的情况，又分为浓室隔板和淡室隔板，它们和阴阳离子交换膜交替排列，构成了淡水室和浓水室。

（3）电极。电极的作用是直接连接电源，位于膜堆两侧。它的质量直接影响电渗析效果。常用的有石墨电极、铅板电极、钛涂钌电极、不锈钢电极（只能做阴极）等，国外还有钛镀铂或钽涂铂电极。

（4）电极框。电极框用以保持电极与膜堆间的距离，是集水的通道，它必须保持电极室内水流均匀流畅，及时排除电极反应产生的气体及沉淀，以防止电极和膜的腐蚀。

板框型电渗析器的组装形式如图3-13所示。

图3-13　电渗析器的基本组装形式

1—压紧板；2—垫板；3—电极；4—垫圈；5—导水、集水板；6—阳膜；7—淡水隔板框；8—阴膜；9—浓水隔板框

B　反渗透

反渗透法是20世纪60年代发展起来的一项新型隔膜分离技术，最早用于海水淡化，以后发展到软水制备、废水处理及化工、制药、食品工业上的分离、提纯、浓缩技术。因其具有设备简单、能耗低、相态不变、易于操作等优点而得到广泛应用。

反渗透是自然渗透的逆过程，它的原理，如图3-14所示。若将两种不同浓度的溶液用一种只能透过水而不能透过溶质的半透膜隔开，淡水则会自然地从低浓度溶液一侧透过膜渗透到高浓度溶液的一侧，这一现象叫渗透，渗透达到平衡时的平衡压力称渗透压。

若在高浓度一侧加上一大于渗透压的压力，其中的水分则会透过半透膜反向渗透，这一过程叫反渗透。反渗透是在膜两侧的液体对膜的压力不等，当压力超过渗透压时，压力大的一侧的水就会流向压力小的一侧，直到压力平衡。实现反渗透的必备条件：一是必须具有高度选择性和高透水性的半透膜；二是操作压力必须高于溶液的渗透压。

图3-14　渗透与反渗透示意图

ΔH—渗透压

反渗透膜是一种半透膜，所谓半透膜是指只能通过溶液中某种组分的膜，水处理中所用的半透膜要求只能通过水分子，但也可能有少量的其他离子或小分子通过。半透膜的厚度一般小于0.1μm，分平膜和中空纤维膜两种。中空膜的外径为45μm，内径为25μm，单位体积中空纤维膜所提供的过滤面积比平膜要大15～50倍，但其透过通量要比平膜低。良好的反渗透膜是实现反渗透技术的关键。好的反渗透膜必须有多种性能：选择性好，单位面积的透水量大，脱盐率高；机械强度好（抗压、抗拉）；耐磨、热稳定性和化学稳定性好，耐酸、碱的腐蚀和微生物的侵蚀，耐辐射和氧化；结构均匀一致，尽可能地薄；寿命长，成本低。但是，要制备具有上述多种性能的膜目前还做不到。当前最广泛使用的是醋酸纤维素膜（CA膜），它对水有较大渗透性，而对大多数水溶性化合物渗透性低，且易于制造。

常用的反渗透装置有四种形式：板式、管式、卷式和空心纤维式，以下就两种形式作以介绍。对反渗透装置的要求是：单位容积中具有的膜面积大，耐高压性能好，便于装卸和清洗膜面上的黏着物，进水流速稳定，浓差极化小。

（1）板式反渗透器。板式反渗透器类似于板框压滤机，其结构如图3-15所示，它是由几块或几十块圆形承压板（用不锈钢或环氧玻璃钢制成）组成，承压板外环有密封圈支撑，使内部组成压力容器，两板之间是多孔性材料用以支撑膜并引出分离出的水，每块板面都装有反渗透平膜。高压废水以湍流状态通过反渗透膜表面，分离出的水由承压板中流出。这类装置结构简单、体积小但装卸复杂，单位体积膜表面积小。

（2）管式反渗透器。管式反渗透器类似排管式热交换器，由若干直径10～20mm、长1～3m反渗透管状膜装入多孔高压管内，膜与高压管之间衬以尼龙布或其他纤维网，组成管状膜单元，然后将多根管状膜单元装入高压容器内成为内压管式。管式反渗装置还有套管式，其结构如图3-16所示。管式反渗透装置的特点是水力条件好，安装、清洗、换膜维修方便，但膜的有效面积小。

图3-15　板式反渗透装置

1—膜；2—水引出孔；3—橡胶密封圈；4—多孔性板；5—处理水通道；6—膜间流水道；7—双头螺栓

图3-16　管式反渗透装置

1—高压水泵；2—缓冲器；3—管式组件；4—压力表；5—阀门；6—玻璃钢管；7—膜

C 超滤

超滤是利用孔径为2～20nm的半透膜，让流体以一定压力和流速通过膜的表面将流体中的高分子和低分子分开。超滤法与反渗透法相似，也是以压力差为推动力的液相膜分离过程。但是两者的作用实质并不完全相同。超滤的机理目前尚不完善，一般认为，超滤是一种筛孔分离过程。超滤膜具有选择性表面层的主要因素是它具有一定大小的孔隙，比孔隙小的分子和粒子可以在压力差的作用下，从高压侧透过膜到低压侧，而大粒子则被膜所阻拦，从而达到选择性分离的目的。

超滤膜是超滤工艺的关键，要求它有较好的分离性能，透水率高，化学稳定性好，强度高。大多数超滤膜都是聚合物或共聚合物的合成膜，如醋酸纤维素和芳香聚酰胺等，在膜材料的选择和制备上和反渗透膜有许多类似的地方。所以有人认为超滤膜就是具有较大平均孔径的反渗透膜。

超滤法所截留的污染物粒子比反渗透法所截留的粒子要大得多，前者为2～10000μm，而后者为0.44～600μm。超滤法也要加压，以使废水能克服滤膜的阻力而透过滤膜，但这个压力比反渗透法要小，一般为101.3～709.3kPa。

超滤设备同反渗透相似，主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式。超滤在工业污水处理方面的应用很广，如用电泳涂漆污水、含油污水、纸浆污水、颜料和颜色污水、放射性污水等的处理及食品工业污水中蛋白质、淀粉的回收，国外早已大规模地运用于生产中。