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水处理作业
水的物化处理作业
项文力090430
第一章超纯水及其制备
20℃时测得纯水电阻率(MΩ·cm)为16,换算成25℃时的电阻率?
解:
20℃时测得纯水电导率为:
L20℃=1/16μΩ-1·cm-1=μΩ-1·cm-1;
Lt=Le(t)+Lp(t);Le(25℃)=kt*Le(t)=kt*(Lt-Lp(t))=k20℃*(L20℃-Lp(20℃));
∴L25℃=Le(25℃)+Lp(25℃)=k20℃*(L20℃-Lp(20℃))+Lp(25℃);
∴ρ25℃=1/L25℃=1/[k20℃*(L20℃-Lp(20℃))+Lp(25℃)];
查表得:
k20℃=;Lp(20℃)=μΩ-1·cm-1;Lp(25℃)=μΩ-1·cm-1;
∴ρ25℃=1/[k20℃*(L20℃-Lp(20℃))+Lp(25℃)]=
=MΩ·cm
第二章传质与物料平衡原理
多相反应模型:
如图为淹没式生物活性炭滤池,试建立数学模型,假定生物反应为一级反应
,其他参数自行假定。
图淹没式生物活性炭滤池
解:
如图,在滤柱上取一段ΔL,在AΔL这一体积微元内,建立污染物的物料衡算方程。
主体溶液中污染物的变化量等于活性炭表面生物膜反应的量。
假定微元内单位体积生物膜表面积为F,污染物进入生物膜表面的通量为NΔ,则:
-QΔS=AΔL·F·NΔ
∴
,微元趋于无限小时,
假定活性炭的空隙率为ε,比表面积为e,则:
F=(1-ε)e;
∵污染物到达生物膜后才发生反应,反应速率为一级反应
,而NΔ为污染物的通量,进入生物膜表面由于反应而消失,消失速率即反应速率,
∴-NΔ=
;
∴
∴
∴
第三章离子交换理论
用离子交换法从CuSO4废液中回收Cu,废液含Cu2+为20mgN/L,处理水量3.78m3/h。
要求Cu2+回收率为99%,参考有关资料,当水流速度u=22m/h,Kfav=1500h-1;固定床装填强酸性阳离子交换树脂ρb=350kg/m3。
总交换容量≥g,经过酸再生后,残余Cu2+为g,试计算交换带宽度;若树脂层高为,估算树脂层运行时间。
表1Cu2+--H+平衡数据
Cu2+初始浓度/mgN/L
20
16
12
8
4
2
1
平衡浓度/mgN/L
0
解:
(a)交换带宽度:
由已知得,废液的初始浓度C0=20mgN/L,终了浓度C2=20*=L,树脂初始吸附量q2=g,终了吸附量取q0=。
表2数据计算
Cu2+初始浓度CmgN/L
平衡浓度CemgN/L
C-Ce
1/(C-Ce)
△C
1/(C-Ce)平均值
△C/(C-Ce)平均值
20
16
4
12
4
8
4
4
4
2
2
1
1
0
由表2得,
Za=。
(b)树脂层运行时间:
由已知得,树脂层高h为,
第三章活性炭吸附
3-1某工业废水的pH为,用活性炭直接吸附其中有机物。
用A、B、C三种活性炭在一升水样中加不同量的有机物进行吸附实验。
加活性炭1g。
平衡浓度的实验结果见表3-1-1,容积传质系数ka的实验见表3-1-2。
(a)求每种活性炭所适用的吸附公式及相应的公式中的常数。
(b)求每种活性炭的容积传质系数ka。
活性炭的容重皆用300kg/m3。
表3-1-1平衡浓度试验
TOC初始浓度/mg/L
平衡浓度/mg/L
炭A
炭B
炭C
10
20
40
80
160
320
640
1280
1180
2560
2460
表3-1-2容积传质系数实验TOC初始浓度=320mg/L
时间/s
TOC浓度/mg/L
炭A
炭B
炭C
1
2
4
8
313
307
312
305
311
302
286
258
216
170
296
278
292
274
16
32
254
233
239
207
解:
(a)求每种活性炭所适用的吸附公式及相应的公式中的常数:
首先判断活性炭A、B、C是否符合langmuir公式:
由吸附量试验数据得吸附量数据,见表3-1-3。
1g活性炭的吸附量即是(ρ-ρe),相当于吸附等温线的x/m。
用吸附量x/m和平衡浓度ρe绘制吸附等温线,见图3-1-1。
表3-1-3平衡浓度试验数据
TOC初始浓度ρmg/L
平衡浓度ρemg/L
吸附量x/mmg/g
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
10
20
40
80
160
320
640
1280
2560
1180
2460
图3-1-1langmuir吸附等温线
从图3-1-1可以看出:
活性炭A、C符合langmuir吸附等温线,而活性炭B偏差较大,需通过直线回归作图进一步验证。
从表3-1-1中数据可以看出ρe值基本上都大于1mg/L,利用langmuir公式的变形公式,需作~ρe关系曲线:
计算,列于表3-1-4,以平衡浓度ρe为横坐标,为纵坐标进行直线回归做图3-1-2。
表3-1-4~ρe数据
平衡浓度ρe(mg/L)
(g/L)
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
1180
2460
图3-1-2langmuir回归直线
由图3-1-2得,R代表拟合程度,越接近于1,表明拟合越准确,炭A、C的R值都为1,说明适合langmuir公式,而炭B需要进一步验证。
由langnuir公式的变形及及图3-1-2的拟合方程知:
对于炭A:
。
,即mg/g,b=。
所以,炭A的吸附等温线公式为:
。
同理可知炭C:
,,可得mg/g,b=,炭C的吸附等温线公式为:
。
判断炭B是否符合Freundlich公式:
利用Freundlich公式的变形,根据表3-1-3数据计算lgρe,lg(x/m)列于表3-1-5,并作lg(x/m)~lgρe关系曲线,如图3-1-3所示。
表3-1-5Frendlich数据
lgρe
lg(x/m)
图3-1-3Freundlich公式回归直线
从图3-1-3可得,活性炭B更符合Freundlich公式。
由Freundlich公式的变形知:
,,即。
R2=,接近于1,拟合较准确,所以炭B的吸附等温线公式为:
。
活性炭A、B、C的吸附等温线公式为:
炭A:
;
炭B:
;
炭C:
,其中,--吸附量mg/g,ρe--平衡浓度mg/L。
(b)求每种活性炭的容积传质系数ka:
对给定的数据计算列于下表3-1-6,利用公式,作lg(ρi-ρe)/ρ-ρe~t关系曲线,如图3-1-4。
表3-1-6容积传质系数实验TOC初始浓度=320mg/L
时间/s
TOC浓度(mg/L)
ρi
ρe
ρi-ρe
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
1
2
313
307
312
305
311
302
320
320
4
8
296
278
292
274
286
258
320
320
16
32
254
233
239
207
216
170
320
320
ρ-ρe
(ρi-ρe)/ρ-ρe
lg(ρi-ρe)/ρ-ρe
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
图3-1-4活性炭的容积传质系数ka
由公式,其中,m=1g,ρc=300kg/m3:
活性炭A:
即ka=20.66g/s·dm3=20.66kg/s·m3
活性炭B:
即ka=17.69g/s·dm3=17.69kg/s·m3
活性炭C:
即ka=15.41g/s·dm3=15.41kg/s·m3
3-2用上题活性炭试验资料设计吸附柱。
废液通量为1kg/m2·s。
吸附柱高10米。
废液TOC浓度为100mg/L。
ρb及ρx分别采用5mg/L及95mg/L。
求每种活性炭的吸附柱的吸附周期。
解:
(a)求吸附带高度:
由上题可知,活性炭A、B、C的吸附等温线公式为:
活性炭A:
;
活性炭B:
;
活性炭C:
。
其中,--吸附量mg/g,ρe--平衡浓度mg/L。
由废液TOC浓度ρi=100mg/L,代入活性炭A、B、C的吸附等温式可求得(x/m)i,即得活性炭A、B、C操作线的斜率,操作线通过原点,可得活性炭A、B、C的操作线方程分别为:
活性炭A:
x/m=ρ;
活性炭B:
x/m=ρ;
活性炭C:
x/m=ρ。
分别从5mg/L到95mg/L之间每间隔10取一系列ρ。
由操作线方程和吸附等温线公式联立求解,即可得到ρe,废液TOC浓度ρi=100mg/L,见表3-2-1。
表3-2-1计算数据表
ρ
ρe
ρ/ρi
1-(ρ/ρi)
1-(ρ/ρi)平均值
ρ-ρe
1/(ρ-ρe)
炭A、B、C
炭A
炭B
炭C
炭A、B、C
炭A、B、C
炭A、B、C
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
5
15
25
35
45
55
65
75
85
95
1/(ρ-ρe)平均值
△ρ/(ρ-ρe)
∑△ρ/(ρ-ρe)(y*ka/Fm)
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
y/δ
△(y/δ)
f即(5)*(12)
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
炭A
炭B
炭C
∑f
由上题可知:
活性炭A:
ka=20.66kg/s·m3
活性炭B:
ka=17.69kg/s·m3
活性炭C:
ka==15.41kg/s·m3
废液通量Fm为1kg/m2·s。
对于活性炭A:
,以ka及Fm代入得δ=()=0.17m。
对于活性炭B:
,以ka及Fm代入得δ=()=0.22m。
对于活性炭C:
,以ka及Fm代入得δ=()=0.22m。
(b)吸附柱有效吸附容量
活性炭A、B、C在浓度为100mg/L时的x/m值为g,g,g。
则1m2面积10m高的吸附柱有效吸附容量为:
活性炭A:
活性炭B:
活性炭C:
(c)吸附周期
按有机物全部被去除估计,即100mg/g,每秒每m2去除量为1L100mg/L=100mg,吸附周期为:
活性炭A:
活性炭B:
活性炭C:
3-3吸附柱的处理系统见图3-3-1。
废水流量为50L/s,TOC浓度为350mg/L。
要求出水TOC浓度小于3mg/L。
活性炭吸附试验的数据见表3-3-1(1L水加活性炭1g);求每分钟再生活性炭的质量。
图3-3-1流化床连续再生吸附系统
解:
由已知数据计算吸附量(ρi-ρe)/m,其中m=1g,见表3-3-1。
并作吸附等温线,如图3-3-2。
表3-3-1吸附试验数据及计算数据
初始浓度ρi(mg/L)
平衡浓度ρe(mg/L)
吸附量(ρi-ρe)/m(mg/g)
10
20
40
80
120
160
240
115
125
图3-3-2吸附等温线
由图3-3-2可得,当平衡浓度为3mg/L时,吸附量约为51mg/g。
设每分钟再生活性炭的质量为M,由物料衡算得:
50×(350-3)=M(51-0)
M=s=min
第五章反应器设计理论
某水采用CSTR反应器进行预消毒实验,当投氯量为一定值时,细菌杀灭速率为一级反应,且k=,求细菌被灭99%所需杀毒时间为多少。
解:
对CSTR反应器有:
由题意可得:
cA=1%;cAi=1;k=。
带入上式可解得:
θ=
即所需杀毒时间为。
采用与前题同体积的PF反应器,其他条件均相同,求去除率为99%所花的时间。
解:
对PF反应器有:
由题意可得:
c0=1%;ci=1;k=。
带入上式可解得:
θ=
即所需杀毒时间为。
采用两只CSTR反应器串联,其他条件与上题均相同,求去除率为99%所花的时间。
解:
对二级阶式CSTR反应器有:
由题意可得:
c2=1%;ci=1;k=。
带入上式可解得:
θ=
即所需杀毒时间为。
2-7证明图2-21的曲线在t/θ=n-1处(n>1)有一极大值。
证明:
2-8脉冲信号的反应器出口示踪剂浓度见表2-8,求反应器的E(t)曲线。
表2-8示踪剂的出口浓度
时间/min
示踪剂出口浓度/g·L-1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
0
解:
先计算示踪剂的总量有:
m=Q×5++++++=70Q。
则由上结果列表如下:
时间ti/min
示踪剂出口浓度ρi/g·L-1
E(t)=Qρ(t)/m
E(t)平均值
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
0
0
0.0057
做出E(t曲线)如下,
2-9假定例题2-2中水流线通过CSTR后通过活塞流部分,同样求反应器整体的E(t)曲线。
解:
当0 此时E(t)=0;F(t)=0; 当t>(1-f)(V/Q)时,实际时间为t+(1-f)V/Q,代入式(2-64)(2-66)(2-67)有: 2-11反应器同习题2-8,反应物为一级反应,k=,计算反应器出水中残余浓度的百分数。 解: 有题2-8所得E(t)函数 t 0 5 10 15 20 25 30 35 E(t) 又知,CA=CA0e-kt,式中,CA0为t=0时的CA值。 则有 式中,k= 计算kt,e-kt,e-ktE(t)Δt得下表: 时间t/min E(t)平均值 kt e-kt e-ktE(t)Δ 0 5 10 15 20 25 30 0 35 0 0 ∴实际的反应器出水中,残余浓度百分数为%。 2-18活塞流反应器与CSTR串联运行。 反应速率为r=kCa。 比较在下列条件下先活塞流次CSTR与先CSTR次活塞流的转化率: (a)α=0 (b)0<α<1 (c)α=1 (d)α>1 解: 由题知: 对CSTR有反应器有物料平衡方程 同理,对PF反应器有: 当先活塞流次CSTR时,令PF中C0与CSTR中的Ci相等,则有 当先CSTR次活塞流时,令CSTR中C0与PF中Ci相等,则有 (a)当α=0时; kθ+Ci=1 1-kθ=Ci 所以两种去除率相同。 (b)当0<α<1时; 所以知先活塞流次CSTR时去除率较高; (c)当α=1时 1=1 1=1 所以去除率无法比较; (d)当α>1时 所以只先CSTR次活塞流时去除率较高。 第七章沉淀 证明图5-38中,uρ线为Ψt的一条渐近线。 证明: Ψt=Ψb+uρ=vρ+uρ, 对上式求导得: , 当ρ→∞时,v→0,则 ; 而uρ线的斜率也为u,故Ψt-uρ=Ψb→0, 则uρ线为Ψt的一条渐近线。
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