环境工程学实验讲义.docx
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环境工程学实验讲义
环境工程学实验讲义
目录
实验一混凝实验………………………………………教材546页
实验二粉尘粒径实验测定………………………………………2
实验三吸附………………………………………………………4
实验四废水可生物处理性实验…………………………………5
实验五萃取实验…………………………………………9
实验六填料塔气体吸收实验……………………………………10
附录………………………………………………………………15
实验三粉尘粒径实验测定
一、实验目的
利用TZC-4型粒度测定仪，记录各种组分在液体中的沉降过程，应用斯托克斯公式计算并作出沉降曲线，求出不同粒径范围内的粉尘所占的百分数，从而掌握重力沉降法测定粉尘粒径分布的方法。
二、实验原理
液体重力沉降法是根据不同大小的粒子在重力的作用下，在液体中的沉降速度不同这一原理而求得的。
粒子在液体介质中作等速自然沉降时所具有的速度，称为沉降速度，其大小可用斯托克斯公式表示：
式中：
ut粒子的沉降速度（cm/s）
dp粉尘粒子的直径（cm）
p粉尘粒子真密度（g/cm3）
L沉降液的密度（g/cm3）
沉降液的粘度（g/cms）
当测出颗粒沉降至一定高度H所需之时间t后，就能算出沉降速度ut，进而算出颗粒直径dp，上式可改写为：
式中：
H沉降高度（沉降液面到称盘地面的距离）（cm）
t沉降时间（s）
利用上述原理了求得颗粒分布情况。
仪器使用时，只要将被测定物（310g）烘干后放在500ml沉降液中经搅拌后进行测试，求得沉降曲线，并计算颗粒大小及它们的百分比。
三、实验主要仪器设备
1．TZC-4型粒度测定仪
2．旋转式液体粘度计
3．液体比重计
4．分析天平
5．搅拌器
6．恒温烘箱
7．水银温度计（1-100℃）
8．烧杯、量筒等玻璃仪器
四、准备工作
1．测试样品制备：
（1）干燥
将试样放入烘箱烘干，烘箱的温度应根据试样的性质而定，一般取80℃左右，保温4小时，然后将试样放入干燥器中冷却至室温。
（2）称重
一般试样量可选择3-10gCaCO3,测量范围在1-160m之间。
（3）悬浮液的制备
根据试样选择适当的沉降液，最常用的沉降液是蒸馏水。
为了更好地测得颗粒的分布值，防止试样粘结，需加分散剂。
选取0.2%的六偏磷酸钠，将0.2%的六偏磷酸钠溶液5mL到入500mL的蒸馏水中,然后到入沉降筒中,用电动搅拌器进行搅拌,便成为制备好的沉降液体.测定出沉降液的温度及粘度和密度。
（4）把被测试样,到入制备好的沉降液中,再用电动搅拌器进行搅拌,搅拌时间为30-60分钟。
2.天平部分的操作使用
天平接通电源就开始工作,通常需要预热30min方可达到操作温度,进行操作使用。
（2）天平校准
五.试样的测试和计算
1．测试
1）接通计算机电源,将鼠标点在TZC-4粒度测定仪图标上,快速双击鼠标左键,进入颗粒测定窗口。
2）测试样品时,用鼠标点击“沉降曲线采集”,进入“粒度测定-〔数据采集〕”窗口，点击“参数设置”菜单,弹出参数设置对话框,按对话框要求逐条键入参数,检查正确无误后,点击“确定”。
3）将称盘放入盛有悬浮液（经充分搅拌的沉降液＋分散剂＋被测样品）的沉降筒的底部，再把称盘上下往复拉几次，主要用来改变搅拌机搅拌后产生的离心力，防止粗颗粒向沉降筒器壁沉降。
4）将前吊耳向上翻起，沉降筒放到天平底板上，再把前吊耳放下，迅速把称盘挂到前吊耳上，天平经过短暂的平衡以后，面板显示的数字变动逐渐趋小，此时按下天平面板上的“TAR”清零键，同时迅速用鼠标点击“沉降曲线采集”菜单，显示屏上马上显示出采集的沉降曲线。
上述这一操作要熟练掌握，尽量在短时间内完成，防止被测样品大量沉积。
5）应尽量使样品可沉降颗粒都沉降，沉降曲线趋于水平时，用鼠标点击“终止采样”菜单，曲线采集便结束。
6）如果需要保留该样品的试验曲线，请点击“数据储存”菜单，显示屏上出现保存对话框。
在文件名栏内键入样品名称，再点击“保存”，曲线保存完毕对话框消失。
点击“返回”菜单，整个沉降数据采集过程完成，返回到窗口。
2．计算
对曲线的计算有下列二种情况：
a）即时采集沉降曲线后可直接进行计算；
b）曲线储存在计算机中的，先把曲线取出来，再进行计算。
如为第二种情况，其步骤为：
1）点击“数据处理”菜单，点击下拉菜单“文件”此时按住点击的左键不要松手，拉动鼠标选中“打开曲线”，当该栏底色翻成深色后松手。
显示屏弹出“打开”对话框，鼠标点击需要的曲线，然后点击“打开”，您选中的曲线便出现在显示屏上。
2）曲线出现后，点击“计算”菜单，选中“设置”菜单，弹出颗粒区间设置框，设置框中序号1是采样终止时测定的颗粒直径，首先按“Enter”键，出现序号2，键入颗粒直径，如此往复到需计算的最大颗粒直径数值。
然后点击“计算”下拉菜单等到出现提示框，便可以查看计算结果了。
3．打印
1）点击“报告”菜单选中“打印设置”，选择直方直图，然后选择确认键，再点击“报告”菜单选中“打印”，即可打印选择的图表。
2）打印结束后，点击“返回”菜单。
六．思考题
1．选择沉降液、分散剂的依据。
2．测试过程中应注意些什么问题？
3．这样计算各种粒径范围内的沉降量百分比？
实验三吸附
一、实验目的
测定吸附等温线
二、实验原理
液体或气体混合物与适当的多孔性固体接触时，利用固体表面存在的未平衡的分子引力或化学键力，把混合物中的某一组分或某些组分吸留在固体表面上。
本实验利用活性炭吸附有机物苯酚。
三、实验水样及吸附剂
水样采用自配苯酚溶液,浓度为100mg/L。
吸附剂采用5#、8#活性炭。
吸附剂经磨细（一般采用通过0.1mm筛孔以下的粒径），水洗后,在110℃下干燥（烘干1小时）后备用。
四、实验步骤
1.在5个500mL的三角瓶中分别放入0、30、80、50、300毫克的吸附剂，分别加入250mL的实验水样，测定水温，在震荡器上震荡30min（已接近平衡），用真空抽滤装置，滤出吸附剂。
2.用分光光度计测定原水及滤出液中酚的浓度。
具体方法为：
取原液1mL于50mL比色管中，加水至35mL左右，加缓冲溶液0.5mL再加四胺基吡啉（2%）1mL，铁氰化钾（8%）1mL，定容，显色10min，于510nm处实验空白为参比,用1cm比色皿测吸光度，记录数据，计算原水及滤出液中酚的浓度。
3.以lgc为横坐标，以
为纵坐标，画出各吸附剂的吸附等温线。
并以弗兰德利希方程的形式求出其吸附方程。
弗兰德利希吸附等温方程为:
c-达到平衡时溶质在溶液中的浓度molL-1
x-被吸附的苯酚的千克数
m-活性炭的千克数
k、m-为常数
五、实验结果分析
1.评价各种吸附剂对苯酚的吸附能力。
2.为什么要将吸附剂磨细?
其吸附能力及吸附速度与原状吸附剂相同吗?
3.吸附等温线有何实际意义？
实验四废水可生化性实验
一、实验目的
工业废水中所含有的有机物，有的不容易被微生物所降解，有的则对微生物有毒害作用。
为了合理地选择废水处理方法，或是为了确定进入生化处理构筑物的有毒物质容许浓度，都要进行废水可生化性实验。
鉴定废水可生化性的方法很多，利用瓦勃氏呼吸仪（简称瓦呼仪）测定废水的生化呼吸线是一种较有效的方法之一。
本实验的目的主要在于：
1.熟悉瓦呼仪的基本构造及操作方法；
2.理解内源呼吸线及生化呼吸线的基本含义；
3.分析不同浓度的含酚废水的生物降解性及生物毒性。
二、实验原理
微生物处于内源呼吸阶段时，耗氧的速率基本上恒定不变。
微生物与有机物接触后，其呼吸耗氧的特性反映了有机物被氧化分解的规律，一般来说，耗氧量大，耗氧速率高，即说明该有机物易被微生物降解，反之亦然。
测定不同时间的内源呼吸耗氧量及与有机物接触后的生化呼吸耗氧量，可得内源呼吸线及生化呼吸线，通过比较即可判定废水的可生化性。
当生化呼吸线位于内源呼吸线之上时说明废水中的有机物一般是可被微生物氧化分解得；当生化呼吸线与内源呼吸线重合时，则说明有机物可能是不能被微生物降解的，但它对微生物的生命活动尚无抑制作用；当生化呼吸线位于内源呼吸线之下时，则说明有机物对微生物的生命活动产生了明显的抑制作用。
瓦呼仪的工作原理是，在恒温及不断搅拌的条件下，使一定量的菌种与废水在定容的反应瓶中接触反应，反应产生的CO2用KOH溶液吸收，因此，微生物的耗氧将使反应瓶中氧的分压降低，测定氧分压的变化，即可推算出消耗的氧量。
三、实验设备
1.瓦呼仪一台；
2.离心机一台；
3.活性污泥培养及驯化装置一套；
4.测酚装置一套。
四、实验步骤
1.活性污泥的培养、驯化及预处理
（1）取已建污水活性污泥或带菌土壤为菌种，在间竭式培养瓶中以含酚合成废水为营养、曝气或搅拌，以培养活性污泥。
（2）每天停止曝气一小时，沉淀后去除上清液，加入新鲜含酚合成为水，并逐步提高酚的浓度。
达到驯化活性污泥的目的。
（3）当活性污泥数量足够，且对酚具有相当去除能力后，即认为活性污泥的培养和驯化已告完成。
停止投加营养，空曝24小时，使活性污泥处于内源呼吸阶段。
（4）取上述活性污泥在3000rpm的离心机上离心十分钟，倾去上清液，加入蒸馏水洗涤，在电磁搅拌器上搅拌均匀后再离心，反复三次，用pH=7的磷酸盐缓冲液稀释，配制成所需浓度的活性污泥悬浊液。
因需时间较长，此步骤由教师进行。
2.含酚合成废水的配制
按下表配制五种含酚浓度不同的合成废水（单位为mg/L）：
苯酚
75
150
450
750
1500
硫酸铵
22
44
130
217
435
K2HPO4
5
10
30
51
102
NaHCO3
75
150
450
750
1500
FeCl3
10
10
10
10
10
3.取清洁干燥的反应瓶及测压管14套，测压管中装好Brodie溶液备用，反应瓶按下表加入各种溶液。
反应瓶编号
反应瓶内液体体积（ml）
中央小杯中10%KOH溶液体积（mL）
液体总体积（mL）
备注
蒸馏水
活性污泥悬浮液
75mg/L的含酚废水
150mg/L的含酚废水
450mg/L的含酚废水
750mg/L的含酚废水
1500mg/L的含酚废水
1、2
4
0.2
4.2
温度压力对照
3、4
2
2
0.2
4.2
内源呼吸
5、6
2
2
0.2
4.2
7、8
2
2
0.2
4.2
9、10
2
2
0.2
4.2
11、12
2
2
0.2
4.2
13、14
2
2
0.2
4.2
在试验过程中应注意以下事项：
（1）应先向中央小杯加入10%KOH溶液，并将折成皱折状的滤纸放在杯口，以扩大对CO2的吸收面积，但不得使KOH溢出中央小杯之外。
（2）加入活性污泥悬浮液及合成废水的动作尽可能迅速，使各反应瓶开始反应的时间不致相差太多。
4.在测压管磨砂接头上涂上羊毛脂，塞入反应瓶瓶口，以牛皮筋拉紧使之密封，然后放入瓦呼仪的恒温水槽中（水温预先调好至20℃）使测压管闭管与大气相通，振摇5分钟，使之反应瓶内温度与水浴一致。
5.调节各测压管闭管中检压液的液面至刻度150mm处然后迅速关闭各管顶部的三通，使之与大气隔断，记录各测压管中检压液液面读数（此值应在150mm附近），再开启瓦呼仪振摇开关，此时刻为呼吸耗氧试验的开始时刻。
6.在开始试验后的0、20、40、60、80、100、120、140分钟，关闭援摇开关，调整各测压管闭管液面至150mm处，并记录开管液面读数，按下表记录。
注意：
读数及记录操作应尽可能迅速，作为温度及压力对照的1，2两瓶应分别在第一个及最后一个读数，以修正操作时间的影响（即从测压管2开始读数，然后3，4，5……最后是测压管1）。
读数、记录全部操作完成后即迅速工启振摇开关，使试验继续进行，待测压管读数降至50mm以下时，需开启闭管顶部三通放气。
再将闭管液位调至150mm。
并记录此时开管液位高度。
7.停止试验后，取下反应瓶及测压管，擦净瓶口及磨塞上的羊毛脂，倒去反应瓶中液体，用清水冲洗后置于肥皂水中浸泡，再用清水冲洗后以洗液浸泡过夜，洗净后置于55℃烘箱内烘干后待用。
五、实验结果的计算与分析
1.根据实验中记录下的测压管读数（液面高度）计算耗氧量。
主要计算公式为：
（1）
式中：
——各测压管计算的Brodie溶液液面高度变化值mm
——温度压力对照管中Brodie溶液液面高度变化值mm
——各测压管实验的Brodie溶液液面高度变化值mm
（2）
式中：
——各反应瓶不同时间的耗氧量分别以微升及微克表示。
Ki——各反应瓶的体积常数，由教师事先测得。
测定及计算方法从略。
1.429——氧的容重克/升
（3）
式中：
Gi——各反应瓶不同时刻单位重量活性污泥的耗氧量mg/g
Xi——见前。
Si——各反应瓶中的活性污泥重量mg
2.上述计算宜列表进行。
3.以时间为横坐标，Gi为纵坐标，绘制内源呼吸线及不同含酚浓度合成废水的生化呼吸线，进行比较分析含酚浓度对生化呼吸过程的影响及生化处理可允许的含酚浓度。
六、思考题
1.你认为利用瓦呼仪测定废水可生化性是否可靠?
有何局限性?
2.你在试验过程中曾发现那些异常现象?
试分析其原因及解决办法。
3.了解其他鉴定可生化性的方法。
实验五萃取实验
一、实验目的
1.掌握萃取原理和方法。
2.了解溶质的浓度对萃取效果的影响。
3.掌握分配系数K的计算。
二、实验原理
液—液萃取是分离和提纯物质的重要单元操作之一，又称溶剂萃取，简称萃取或抽提。
它是利用物质在两种不互溶（或微溶）溶剂中溶解度或分配比的不同来达到提取或纯化目的的一种操作。
萃取分为物理萃取和化学萃取。
如果萃取过程中，萃取剂与溶质不发生化学反应而仅为物理传递过程，称为物理萃取，反之称为化学萃取。
通常，所选用的溶剂称为萃取剂或溶剂，以S表示。
所处理的液体混合物称为原料液，其中较易溶于萃取剂的组分称为溶质，以A表示；较难溶的组分称为原溶剂或稀释剂，以B表示。
液—液萃取原理是：
原料液由A、B两组分组成，欲将其分离，选用萃取剂S。
萃取剂必须满足以下两点：
①萃取剂对原料液中各组分具有不同的溶解能力；②萃取剂不能与原料液完全互溶。
也就是说，萃取剂S对溶质A有较大的溶解度，而对稀释剂B应是完全不互溶或部分互溶。
萃取操作中，将原料液和萃取剂倒入三角烧瓶中，三角烧瓶中有两个液相。
然后用恒温震荡器来震荡原料液，使一液相以小液滴形式分散于另一液相中，造成很大的相际接触面积，使萃取剂A由稀释剂B中向萃取剂S中扩散。
两相充分接触后，停止震荡，把原料液倒入分液漏斗中稳定一段时间。
两液相因密度差自行沉降分层。
其中一相以萃取剂S为主，并溶有大量的溶质A，称为萃取相，以E表示。
另一相以稀释剂B为主，并含有未被萃取的溶质A，称为萃余相，以R表示。
若萃取剂S与稀释剂B部分互溶，则萃取相中还含有少量的B,萃余相中含有少量的S。
三、实验仪器与药品
恒温震荡器、分液漏斗、碱式滴定管、三角烧瓶、酚酞、NaOH、乙酸（溶质）、磷酸三丁脂（TBP）、四氯化碳（稀释剂）、三氯甲烷。
四、实验步骤和操作
1.配备不同浓度（0.1、0.2、0.3mol/L）的乙酸溶液。
2.配备萃取剂（TBP和四氯化碳的体积比为1:
4）50mL。
3.配备萃取剂（TBP和三氯甲烷的体积比为1:
4）50mL。
3.配备原料液（50mL萃取剂和50mL不同浓度的乙酸）。
4.用恒温震荡器来震荡原料液60分钟（震荡频率为200次/分钟）。
5.震荡后的原料液倒入分液漏斗中稳定30分钟。
五、实验方法
1.萃取相中苯甲酸的含量的测定
稳定好的水相中提取20mL放入三角瓶后用0.1mol/LNaOH溶液（指示剂为酚酞）滴定到终止。
然后NaOH溶液的用量可以换算出萃取相中乙酸的含量。
最后计算a.留在水中乙酸的量及质量分数。
b.留在萃取剂中的乙酸量及质量分数。
比较不同萃取剂的萃取效果。
2.分配系数K的计算
用公式表示：
CA/CB=K
CA-有机相中乙酸的摩尔浓度
CB-水相中乙酸的摩尔浓度
K-常数，分配系数
六、问题讨论
1. 影响萃取法的萃取效率的因素有那些？
怎样才能选择好溶剂？
2.比较不同萃取剂对乙酸的萃取能力。
3. 使用分液漏斗的目的何在？
使用分液漏斗时要注意哪些事项？
七、注意事项
1.上层液体从分液漏斗上口倒出，却不可也从活塞放出，以免被残留在漏斗颈上的另一种液体所沾污。
2.每次使用萃取溶剂的体积一般是被萃取液体的1/5～1/3，两者的总体积不应超过分液漏斗总体积的2/3。
实验六填料塔气体吸收实验
一、实验目的
1.掌握气体吸收的基本原理
2.通过本实验流程的设计，操作及数据整理，学习吸收净化法的一些实验研究方法和实验技能
3.了解吸收条件对吸收CO2的影响
二、实验原理及实验装置
1．实验原理
本实验用水吸收纯CO2。
对纯气体的稳态吸收过程，对填料吸收塔作全塔的物料恒算，已知CO2常温和常压下在水中的溶解度较小，对纯气体的稳态吸收过程,填料吸收塔物料恒算式近似可写为下式：
（1）
式中：
L为吸收剂水的流量mol/h
V为纯二氧化碳的流量mol/h
x1、x2分别为塔底和塔顶水溶液中二氧化碳的摩尔分率
y1、y2分别为塔底和塔顶气体中二氧化碳的摩尔分率
C与x的换算关系为：
（2）
（低浓度时）（3）
（4）
则
（5）
上式中：
、
分别为溶液和溶剂的密度kg/m3
、
分别为溶液和溶剂摩尔质量kg/kmol
将实验测得的塔底水中二氧化碳的浓度C1（kmolm-3）,换算为摩尔百分率，代入
（1）式可求得出塔气体中二氧化碳的摩尔分率。
2．工艺流程
本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、高位稳压水槽和各种测量仪表组成。
填料吸收塔采用直径为50mm的玻璃柱．柱内装填45mm球形玻璃填料，填充高度为300mm。
吸收质一纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流量计，进人塔底。
气体由下向上经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。
吸收剂一水由高位稳压水指，经调节阀和流量计进人塔顶，再喷洒而下。
吸收后溶液由塔底经形管排出．U形液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降。
水吸收CO2的流程如图所示。
图1常温、常压下水吸收二氧化碳装置图
1．二氧化碳钢瓶2．减压阀3．二氧化碳流量计4．填料塔
5.滴定计量球6．压差计7．水流量计8．高位水槽
三、实验步骤
实验前，首先检查填料塔的进气阀和进水阀，以及二氧化碳二次减压阀是否均已关严；然后，打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，将压力调至1MPa;同时，向高位稳压水槽注水，直至溢流管有适量水溢流而出。
实验操作可按如下步骤进行：
（1）缓慢开启进水调节阀，水流量可在10～50L/h范围内选取。
一般在此范围内选取5～6个数据点，本实验取10L/h、20L/h、30L/h。
调节流量时一定要注童保持高位稳压水槽有适量溢流水流出，以保证水压稳定。
（2）缓慢开启进气调节阀。
二氧化碳流量一般控制在0.1m3/h左右为宜。
（3）当操作达到定常状态之后，测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测定塔底溶液中二氧化碳的含量。
溶液中二氧化碳含量的测定方法：
用移液管移取Ba（OH）2溶液10mL,放人三角瓶中，并由塔底附设的计量管滴人塔底溶液20mL，再加人酚酞指示剂数滴，最后用0.1mol/L盐酸滴定，直至其脱除红色的瞬时为止。
由空白实验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：
kmolm-3
式中VHCl为标准盐酸溶液的浓度；
VHCl为实际滴定用量，即空白试验用量与滴定试样时用量之差值，mL；
V为塔底溶液采样量mL。
（4）改变二氧化碳的流量，将流量调节在0.2m3/h左右，保持水的流量不变，重复以上实验。
四、实验结果
1．测量并记录实验基本参数
（1）填料柱：
柱体内径d＝mm
填料型式
填料规格
填料层高度h=mm
（2）大气压力：
p=MPa
（3）室温：
T=℃
（4）试剂：
吸收剂的密度
=kg/m3
Ba（OH）2溶液浓度MBa（OH）2=
用量VBa（OH）2=
HCl浓度MHCl=
空白实验HCl的用量
2.测定并记录实验数据
填写下面的实验结果记录表。
做液气比L/V和回收率关系曲线，由数据表和关系曲线思考下列问题。
五、思考题
1．如何计算钢瓶内二氧化碳的浓度，并写出浓度的表达式。
2．吸收条件对吸收CO2有何影响，并讨论原因。
实验结果记录表
序号
操作条件
实验结果
塔底CO2的浓度y1（mol%）
温度
℃
压力
Pa
CO2流量m3/h
水
流量
L/h
液气比
L/V
塔底采液量
V（mL）
HCl滴定试样用量VHCl（mL）
HCl实际滴定用量VHCl（mL）
塔底CO2
浓度molm-3
塔底CO2浓度x1
mol%
塔顶CO2的浓度y2（mol%）
CO2回收率
附录1
一、液体比重天平的安装和调整
1．天平经开箱拆包后，小心做好清洁工作，尤其是各刀刃及玛瑙刀座，应用手帕、轻刷等擦其清洁．严禁使用粗布、硬别，并须防止擦伤撞坏。
2．天平应安装在温度正常的室内（约20℃）．不能在一个方向受热或受冷，同时免受气流、震动、强力磁源等影响，并安装在牢固的工作台上。
3．使用时先将盒内各种零件顺次取出，将测锤（10）、弯头温度表（8）和玻璃量筒（11）用酒精楷净，再将支柱紧定螺钉
（2）旋松，托架（3）升至适当高度后旋紧螺打。
横梁（6）置于托架之玛瑙刀座（4）上。
用等重砝（12）码挂于横梁右端之小钩上，旋动水平调整脚
（1），使横梁上的指针尖与托架指针尖两尖对准，以示平衡，如无法调节平衡时，首先将平衡调节器（5）上的定位小螺打松开，然后略微转动平衡调节器（5），直至平衡止。
再将中间定位螺打旋紧，严防松动。
4．将等重珐码取下，换上整套侧锤，此时必须保持平衡状态，但允许有
±0.0005的误差存在。
如果天平灵敏度高，则将重心砣（7）旋低，反之旋高．
5．天平安装后，应检查各部件位置是否正确，持横梁正常摆动后方可认为安装完毕．
二、天平的使用和维护保养
天平和其它计量仪器一样，必须仔细保养它，并严格遵守天平的安装及使用规则。
1．天平应调整平衡后方可使用。
2．将需要测试的液体
升级会员 