环境工程原理.docx

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环境工程原理

1.简述土壤污染治理的技术体系。

客土法

稀释作用

所有污染物

隔离法

物理隔离（防止扩散）

所有污染物

清洗法（萃取法）

溶解作用

溶解性污染物

吹脱法（通气法）

挥发作用

挥发性有机物

热处理法

热分解作用、挥发作用

有机污染物

电化学法

电场作用（移动）

离子或极性污染物

焚烧法

燃烧反应

有机污染物

微生物净化法

生物降解作用

可降解性有机污染物

植物净化法

植物转化、植物挥发、植物吸收

/固定重金属、有机污染物

2.简述废物资源化的技术体系

焚烧

燃烧反应

有机固体废弃物的能源化

堆肥

生物降解作用

城市垃圾还田

离子交换

离子交换

工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用

溶剂萃取

萃取

工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用

电解

电化学反应

工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用

沉淀

沉淀

工业废水、废液中金属的回收

蒸发浓缩

挥发

废酸的再生利用

沼气发酵

生物降解作用

高浓度有机废水/废液利用

3.简述沉降分离的原理、类型和各类型的主要特征。

原理：

将含有颗粒物的流体（水或气体）置于某种力场（重力场、离心力场、电场或惯性场等）中，使颗粒物与连续相的流体之间发生相对运动，沉降到器壁、器底或其他沉积表面，从而实现颗粒物与流体的分离。

沉降过程

作用力

特征

重力沉降

重力

沉降速率小，适用于较大颗粒分离

离心沉降

离心力

适用于不同大小颗粒的分离

电沉降

电场力

带电微细颗粒（＜0.1pm）的分离

惯性沉降

惯性力

适用于10〜20叩以上粉尘的分离

扩散沉降

热运动

微细粒子«0,01卜叩）的分离

4.比较重力沉降和离心沉降的主要区别。

与重力沉降相比，离心沉降有如下特征：

①沉降方向不是向下，而是向外，即背离旋转中心②由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速率也随颗粒所处的位置而变，所以颗粒的离心沉降速率不是恒定的，而重力沉降速率则是不变的。

③离心沉降速率在数值上远大于重力沉降速率，对于细小颗粒以及密度与流体相近的颗粒的分离,

利用离心沉降要比重力沉降有效得多。

④离心沉降使用的是离心力而重力沉降利用的是重力

5.表面过滤与深层过滤的主要区别是什么？

各自的定义？

表面过滤：

①过滤介质的孔一般要比待过滤流体中的固体颗粒的粒径小②过滤时固体颗粒被过滤介质截留，并

在其表面逐渐积累成滤饼③此时沉积的滤饼亦起过滤作用，又称滤饼过滤④通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高或过滤速度较慢的情况。

深层过滤：

①利用过滤介质间空隙进行过滤②通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中③滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径④悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在拦截、惯性碰撞、扩散沉淀等作用下颗粒附着在滤料表面上而与流体分开区别：

表面过滤通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高或过滤速度较慢的情况，过滤介质的孔一般要比待过滤流体中

的固体颗粒的粒径小。

深层过滤利用过滤介质间空隙进行过滤，通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中，滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。

参考答案：

从两者的过滤介质、过滤过程、过滤机理和应用范围加以比较。

。

6.包压过滤和包速过滤的主要区别是什么？

各自的定义？

恒压过滤：

在过滤过程中，过滤压差自始自终保持恒定。

对于指定的悬浮液，K为常数。

恒速过滤：

恒速过滤是指在过滤过程中过滤速度保持不变，即滤液量与过滤时间呈正比。

区别：

7.表面过滤的过滤阻力有哪些部分组成？

由过滤介质的过滤阻力Rm和滤饼层的过滤阻力Rc组成

1过滤介质过滤阻力Rm=过滤介质的过滤比阻rm*过滤介质厚度Lm

2滤饼层过滤阻力&=滤饼层过滤比阻rc*滤饼层厚度L

8.颗粒床层的空隙率？

的影响因素：

怎）颗粒粒样的均匀性，粒祐越均勾，石越大

（S）颗粒表而的光沿性。

颗粒表面越光冶，幻越小

①颗粒的太小。

颗粒粒柯越大.&越大

非球形抵粒的球形度’球形度越小，占越小

O床层的堆积方式，乱MhkJB£7大

CD床层的堆积速度。

堆积越快，&越大

9.流体通过颗粒床层的实际流速u1与哪些因素有关，与空床流速是什么关系？

1因素：

u1——流体在床层空隙中的实际流速，m/s;

deb——颗粒床层的当量直径，m;

△p流体通过颗粒床层的压力差，Pa;

流体黏度，Pas;

l'——孔通道的平均长度，作

2与空床流速的关系：

ui=U

z

10.简述吸收的基本原理和过程。

基本原理：

依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中的物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。

实际上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程

过程：

11.化学吸收与物理吸收过程有哪些基本步骤？

物理吸收：

（典型的溶质由气相向液相的两相传递过程）

⑴溶质由气相主体传递至两相界面，即气相内的传递；

⑵溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传递；

⑶溶质由界面传递至液相主体，即液相内的传递。

化学吸收：

⑴气相反应物A由气相主体通过气膜向相界面扩散

（2）反应物A由相界面向液相扩散

（3）反应物在液膜内或液相主体与反应物B反应，形成反应区

（4）反应物M若为液态，向液相主体扩散，若为气态，则向相界面扩散

（5）气态产物由界面向气相主体扩散

12.吸收时板式塔和填料塔的主要区别是什么？

板式塔：

气液两相在塔内逐级接触

填料塔：

气液两相在塔内连续接触

13.常用的吸附剂有哪些？

（一）活性炭

（二）活性炭纤维（三）硅胶（四）活性氧化铝（五）沸石分子筛

14.BET和Langmuir吸附假设有哪些？

朗格谬尔（Langmuir）公式方程推导的基本假设：

⑴吸附剂表面性质均一，每一个具有剩余价力的表面分子或原子吸附一个气体分子。

⑵吸附质在吸附剂表面为单分子层吸附。

⑶吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可以重新回到气相。

⑷吸附过程类似于气体的凝结过程，脱附类似于液体的蒸发过程

⑸吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力。

BET公式方程推导的基本假设：

⑴吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的。

⑵吸附过程取决于范德华引力，吸附质可以在吸附剂表面一层一层地累叠吸附。

⑶每一层吸附都符合Langmuir公式。

15.常见的吸附分离设备有哪些？

1液体接触过滤器②固定床吸附塔③流化床吸附塔④移动床吸附塔

16.萃取分离的原理和特点是什么？

原理：

1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。

2该过程称为液-液萃取，或溶剂萃取，或液体萃取。

3萃取过程是物质由一相转到另一相的传质过程。

特点：

1可在常温下操作，无相变；

2萃取剂选择适当可以获得较高分离效率；

3对于沸点非常相近的物质可以进行有效分离；

4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。

17.常见的膜分离过程有哪些？

根据推动力的不同：

1压力差：

微滤、超滤、反渗透、气体分离、渗透蒸发

2浓度差：

渗析

3电位差：

电渗析、膜电解

4温度差：

膜蒸储

18.膜分离的选择性可以用哪些参数表示？

-Cf_Cp

①对于溶液脱盐或脱除微粒、局分子等物质，可用截留率E=表示

Cf

yA/yB一

②对于液体混合物或气体混合物等物质，可用分离因子

CtA/B=表示

XA/XB

yA和yB——组分A和B在渗透物中的摩尔分数；

xA和xB——组分A和B在过滤原料中的摩尔分数

19.反渗透和纳滤机理有哪些基本理论？

1氢键理论：

基于水分子能够通过膜的氢键的结合而发生联系并进行传递

2优先吸附-毛细孔流机理：

水溶液与多孔膜接触，膜对水具有选择性吸水斥盐，在膜液界面的溶质浓度下降，膜界面上形成一层吸附的纯水层，优选吸附的水渗透通过膜表面的毛细孔获得纯水。

3溶解-扩散机理：

能较好的说明反渗透膜的传递过程

20.浓差极化现象是如何发生的？

对膜分离过程有何影响？

原因：

当含有不同大小分子的混合液通过膜面时，在压力差的作用下，混合液中小于膜孔的组分透过膜，而大于膜孔的组分被截留。

被截留的组分在紧邻膜表面形成浓度边界层，使边界层中的溶质浓度大大高于主体溶液中的浓度，形成由膜表面到主体溶液之间的浓度差。

浓度差的存在导致紧靠膜面的溶质反向扩散到主体溶液中，导致浓差极化现象。

影响：

超滤过程中的浓差极化对通量的影响则十分明显。

一旦膜投入运行，浓差极化现象不可避免，但是可逆的。

【例6.2.1]求直径为40时密度为2700kg/m3的固体颗粒在20C的常压空气中的

白由沉降速度。

已知20C,常压状态下空气密度为1.205kg/m3,黏度为1.81x10-5Pas

PP[P,所以由式

解：

（1）试差法

假设颗粒的沉降处丁层流区，并且由丁

（6.2.6）得：

Ut

珞-广gd；

18」

2

27009.814010

181.8110站

=0.13m/s

4010"0.131.205

1.8110*

所以在层流区，与假设相符，计算正确

（2）摩擦数群法

首先计算摩擦数群

2

CdRep

CDRe2=J

R344010-1.20527009.81

2=8.3131.8110-5

1,则由CpRe；与Rep的关系曲线，可以查得Rep为

Re」因此，可得山=—dp"

由丁查图得到的Rep误差较大，所以可以作为判断颗粒沉降所处区域的依

据，而ut的计算仍然采用式（6.2.6）,

-2

七_gd；27009.814010-6

181.8110*

皿=茵E=.m/S

（3）判据法

计算K判据得

3

KdPg、七-/4010"9.811.2052700

"2（1.81勺0站j

所以可判断沉降位丁层流区，由斯托克斯公式，可得：

2

七-gd|27009.814010

Ut18」181.8110站.m/S

【例题7.2.1】在实验室中用过滤面积为0.1m2的滤布对某种水悬

浮液进行过滤试验，在恒定压差下，过滤5min得到滤液1L,又过滤5min得到滤液0.6L。

如果再过滤5min,可以再得到多少滤液？

解：

在恒压过滤条件下，过滤方程为q2+2qqe=Kt

q10110-2m3/m2,t1=560=300s10.11

q（V0.^M0-=i.^i^2皿3血2,t^600s0.1

代入过滤方程得一22.2

（V10）+2T102qe=300K

（1）

（1.6乂10”亍+2乂1.6乂10—2qe=600K

（2）

联立

（1）、

（2）两式可以求得

q^0.710*m3/m2,K=0.810-6m2/s

因此，q2十2乂0710^=0.810尧，

当t3=15*60=900s,则：

q；+2、0，102q3=0.810知900,

解得：

q3=2.07310'm3/m2

所以q3-q20.1=2.07310*-1.610一20.1=0.47310"m3

因此可再得到的滤液知.473L

【例题7.2.2】用一台过滤面积为10m2的过滤机过滤某种悬浮液。

已知悬浮液中固体颗粒的含量为60kg/m3,颗粒密度为1800

kg/m3。

已知滤饼的比阻为4X1011m-2,压缩指数为0.3,滤饼含

水的质量分数为0.3,且忽略过滤介质的阻力，滤液的物性接近

20C的水。

采用先恒速后恒压的操作方式，恒速过滤10min后,

进行恒压操作30min,得到的总滤液的量为8^。

求最后的操作压差和恒速过滤阶段得到的滤液量。

解：

设恒速过滤阶段得到的滤液体积为V,根据恒速过滤的方程

式（7.2.18a）,得

滤液的物性可查得：

黏度V=1X10-3Pa・s,密度为998.2kg/m3,根据过滤的物料衡算按以下步骤求得f:

已知1m3悬浮液形成的滤饼中固体颗粒质量为60kg,含水的质量分数为0.3,所以滤饼中的水的质量y为：

———=0.3,所以y=25.7kg,

60257--

所以滤饼的体积为-60竺7=0.059m3,滤液体积为1-0.059=0.941m3,

1800998.2

0.059

所以f-0.0627

0.941

在恒压过滤阶段，

22

VV=

8一吊2=呈为=

应用由-2-15）,

2

KAt

匕103?

60—p0.7=1.436102p0'7⑵

」r0f11041C110.0627

联立⑴、⑵式,#=翌瓯6,

M20.2394

所以，求得恒速过滤的滤液阿3.02m3,

进而求得恒压过滤的操作压Cp=1.31dPa

【例题7.3.3】直径为0.1mm球形颗粒物质忌浮于水中，过滤时形成不可压缩的滤饼，空隙率为0.6,求滤饼的比阻。

如果

忌浮液中颗粒所占的体积分率为0.1,求每平方米过滤面积上

获得0.5m3滤液时滤饼的阻力。

解：

（1）滤饼的空隙率为0.6,颗粒的比表面积

a=—=——6~=6乂104m2/m3,取比例系数K|=5,可p

得滤饼的比阻为：

（2）滤饼的阻力R=rL,因此需要求出滤饼的厚度。

根据水的体积进行物料衡算即0.510.6L=0.5L11-0.1

（左边是滤液和滤饼中水的体积，右边是悬浮液中水的体积）

得滤饼的厚度为L=0.1667m

所以滤饼的阻力为R=rL=1.3310100.1667=2.22109m-1

【例题8.3.1】在20C下，用水吸收空气中的SO2,达到吸收平衡时，SO2的平衡分压为5.05kPa,如果只考虑SO2在水中的一级解离，求此时水中SO2的溶解度。

已知该条件下SO2溶解度系数为H=1.56、10—2kmol/（kPa-m3）,一级解离常数为K1=1.7102kmol/m3o

解：

考虑解离情况下SO2的吸收情况可以表示为以下两个过程：

扩散传质过程SO2（g）口itSO2（l）

解离过程so2+h2o口帅h++hso3-

由传质平衡可以求得吸收液中SO2的浓度

2

ca=HpA=1.56105.05=0.0788kmol/m

由吸收液伯Q的浓度，根据解离平衡，求HSO-浓度

H+HSQ

3

'SC21

HSQ-=\*SQ】=\1.71020.07880.036（kmol/rri

所以溶液中溶解的Q总的浓度为

SQ+HSQ=0.07880.03660.1154tmol/mp7.4kg/m

（此处忽略!

SQ+H2O雷H2SQ的反应平衡而认为SQ全部反应为HSQ,然后解离）

10.10用膜分商空气（氧2Q初氮80%）,渗透物氧浓瘦为75对计算裁留

率8和选择性因子m并说明这种情况下哪-个参数更适用•

Wi氮气被留率:

瞧-25%=。

炒

80%

选择性因子,

y/）项0.75/0,25|7

a..,.===12

工」为0.2/0.8

网

由于分高的两个勾，分总体数量相差不大"两个参数比较，选择性因子史能反映膜分离空气的效率,所以这个参数更适用.

10.12成，2（JMPa匕某反渗透膜对5000nig/L的NaCl溶液的残留率为

90%,己知膜的水渗透系数为4.8xlQ%/（cni%MPa）,求30MPa卜的截留机

照；进料侧蒂摩尔浓度为Q=三=0侧55皿1几

'58.5

透过侧盐摩尔浓度为&=9（1"）-壮°°855顷1兀

刖协土切凡8.314x293x2x（0.0855-O.OOS55/―次槌心

膜伪侧的渗透压差为M=L=0375MPa

1000

由式（10322）,可得溶质渗透系数

0.9

=孔即-侦）（或）=4切。

*2。

-。

.375四1=gg"

假设当膜两侧压力为30MPa机截留率为仇

此'"岫=

电3-骨）

K『（Ap-A/）+匕

4.8同0一七（30-（）420）

4JSx10*x（30-0,424）+L05xI尸

可求得W=93I%