水污染治理中的離子交換法

3.2離子交換〔IonExchange〕離子交換法是一種借助于離子交換劑(ionexchangeresin)上的離子和廢水中電性相同的離子進(jìn)行交換反響而除去廢水中有害離子的方法。離子交換實(shí)質(zhì)是一種特殊的吸附過程。所以在許多方面都與吸附過程類同。離子交換過程的特點(diǎn)在于它主要吸附水中以離子態(tài)存在的物質(zhì)，并進(jìn)行等當(dāng)量的離子交換。該法是對水進(jìn)行軟化和除鹽的主要方法之一。在廢水處理中，主要用于回收和去除貴重金屬〔如金、銀、銅、鋅、隔、鉻等〕，對于凈化放射性廢水及有機(jī)廢水也有應(yīng)用。11/26/20231主要內(nèi)容：

離子交換劑

離子交換工藝和設(shè)備

L

離子交換法的應(yīng)用及問題L11/26/20232一、離子交換劑1、離子交換劑的分類L2、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)L3、離子交換樹脂的種類L4、離子交換樹脂的性能L11/26/202331、離子交換劑的分類離子交換劑有機(jī)無機(jī)天然沸石合成沸石磺化煤離子交換樹脂離子交換樹脂是一類具有離子交換特性的有機(jī)高分子聚合電解質(zhì)，是一種疏松的具有多孔結(jié)構(gòu)的固體球形顆粒，不溶于水，也不溶于電解質(zhì)溶液。11/26/202342、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹脂活性基團(tuán)骨架〔母體〕固定離子活動離子(可交換離子)離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)框圖11/26/20235課堂練習(xí)：試分析磺酸型陽離子交換樹脂R－SO3－H＋的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析如下：R－SO3－H＋活性基團(tuán)：SO3－H＋固定離子：SO3－活動離子(可交換離子)：H＋骨架（母體）：R－11/26/202363、離子交換樹脂的種類按功能基團(tuán)的性質(zhì)分：陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂含特殊活性基團(tuán)的離子交換樹脂強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂〔如-SO3H)弱酸性陽離子交換樹脂〔如-COOH)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂〔如R4NOH)弱堿性陰離子交換樹脂〔如-NH3OH)如：氧化復(fù)原樹脂、螯合樹脂、兩性樹脂等按樹脂類型和孔結(jié)構(gòu)的不同分類：凝膠型、大孔型、多孔凝膠型、巨孔型〔MR型〕、高巨孔型樹脂。按樹脂交聯(lián)度〔指交聯(lián)劑與單體的重量百分比〕大小分類：低交聯(lián)度〔2～4％〕，一般交聯(lián)度〔7～8％〕、高交聯(lián)度〔12~20%)常用交聯(lián)度為7％～12％的樹脂。11/26/20237大孔型離子交換樹脂11/26/202384、離子交換樹脂的性能1〕交換容量(exchangecapacity)：定量表示樹脂交換能力的大小。表示方法：重量法是指單位重量的干樹脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mmo1/g或mo1/g干樹脂來表示。容積法是指單位體積的濕樹脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mmol/L或mol/m3濕樹脂來表示。由于樹脂一般在濕態(tài)下使用，因此常用容積法。分類：11/26/20239全〔總〕交換容量：指離子交換樹脂內(nèi)全部可交換的活性基團(tuán)的數(shù)量。是一常數(shù)?？捎玫味ǚy定或根據(jù)樹脂單元結(jié)構(gòu)式粗略的計(jì)算出來。平衡交換容量：指在一定的外界溶液條件下，交換反響到達(dá)平衡時(shí)，樹脂所能交換的離子數(shù)量，其值隨外界條件而變化。工作交換容量：是指在給定的工作條件下，實(shí)際所發(fā)揮的交換容量。實(shí)際應(yīng)用中由于受各種因素的影響，一般工作交換容量只有總交換容量的60％－70％。全〔總〕交換容量>平衡交換容量>工作交換容量11/26/2023102〕選擇性離子交換樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為選擇性。它表征樹脂對不同離子親和力的差異，是決定離子交換法處理效率的一個(gè)主要因素。選擇性大小用選擇性系數(shù)來表征。以A型樹脂交換溶液中的B離子的反響為例：RA+BRB+A，交換反響達(dá)動態(tài)平衡時(shí)，A交換B的選擇性系數(shù)為：11/26/202311討論：若＝1，那么樹脂對任一離子均無選擇性；那么樹脂對B有選擇性，數(shù)值越大，選擇性越強(qiáng)；那么樹脂對A有選擇性。若＜1，若＞1，11/26/2023123〕溶脹性指干樹脂浸入水中，由于活性基團(tuán)的水合作用使交聯(lián)網(wǎng)孔增大，體積膨脹的現(xiàn)象。溶脹程度常用溶脹率(溶脹前后的體積差／溶脹前的體積)表示。不同離子的水合離子半徑不同，因此，樹脂轉(zhuǎn)型時(shí)會有體積的變化。樹脂交聯(lián)度越小、活性基團(tuán)越易離解或水合離子半徑越大，那么溶脹率越大。影響樹脂的操作條件和使用壽命。11/26/2023134〕粒度、密度粒度對交換速度，水流阻力，反洗有很大影響。密度是設(shè)計(jì)交換柱、確定反洗強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是影響樹脂分層的主要因素。密度的表示方法:干密度是指在115℃真空枯燥后的密度。濕真密度是指樹脂在水中充分膨漲后的質(zhì)量與樹脂所占體積〔不包括空隙〕之比，其值一般為1.04~1.3g/mL。濕視密度是指樹脂在水中充分膨漲后的質(zhì)量與樹脂堆積體積之比，此值一般為0.60~0.85g/mL。濕真密度與樹脂層的反洗強(qiáng)度、溶脹率以及混合床和雙層床的樹脂分層有關(guān)。濕視密度用來計(jì)算離子交換器所需裝填濕樹脂的重量。11/26/2023145〕物理化學(xué)穩(wěn)定性樹脂的物理穩(wěn)定性是指樹脂受到機(jī)械作用時(shí)(包括在使用過程中的溶脹和收縮)的磨損程度，還包括溫度變化時(shí)對樹脂影響的程度。如含水率，耐熱性，機(jī)械強(qiáng)度。樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性包括承受酸堿度變化的能力、抵抗氧化復(fù)原的能力等。樹脂穩(wěn)定性是選擇和使用樹脂時(shí)必須注意的因素之一。11/26/202315二、離子交換工藝與設(shè)備1．離子交換工藝過程樹脂反洗廢水反洗水反洗樹脂再生液再生廢液再生樹脂產(chǎn)品水正洗廢液正洗樹脂進(jìn)水產(chǎn)品水交換11/26/202316離子交換工藝過程包括交換、反洗、再生和清洗等四個(gè)步驟，這四個(gè)步驟依次進(jìn)行，形成不斷循環(huán)的工作周期。⑴交換階段是利用離子交換樹脂的交換能力，從廢水中別離脫除需要去除的離子的操作過程。交換過程分析L樹脂利用率L11/26/202317交換過程分析：樹脂層穿透：當(dāng)交換區(qū)下緣到達(dá)樹脂層底部時(shí)(圖c)，出水中開始有B漏出。11/26/202318樹脂利用率：在圖(c)中，陰影面積置S1代表工作交換容量〔從交換開始到穿透為止，樹脂所到達(dá)的交換容量〕，S2代表到穿透點(diǎn)時(shí)尚來利用的交換容量，那么樹脂的利用率η為：樹脂的利用率主要決定于工作層的厚度和整個(gè)樹脂層的高寬尺寸比例。工作層的厚度主要取決于水流速度。當(dāng)水流速度不超過交換速度〔對一定的樹脂根本上為常數(shù)〕時(shí)，交換區(qū)的厚度小，樹脂利用率高；當(dāng)水流速度大于交換速度時(shí)，進(jìn)入的B離子來不及交換就流過去了，故交換區(qū)厚度大，樹脂利用率低。適宜的水流速度通常由試驗(yàn)確定，一般為10~30m/h。11/26/202319⑵反洗階段操作：逆交換水流方向通入沖洗水。目的：①松通樹脂層，使再生液能均勻滲入層中，與交換劑顆粒充分接觸。②去除交換過程截留的污染物和破碎的樹脂。要求：樹脂反洗時(shí)要膨脹30％～40％。沖洗水：自來水或廢再生液。11/26/202320⑶再生階段

目的：①恢復(fù)樹脂的交換能力。②回收有用物質(zhì)。推動力：主要為濃差。再生是交換的逆過程。操作要點(diǎn)：是將再生劑以一定流速〔4~8m/h〕通過反洗后的樹脂層，再生一定時(shí)間〔不小于30min〕，直到再生液中B濃度低于某個(gè)規(guī)定值后為止。再生程度：一般控制在60~80％以下。(4)清洗階段目的：洗滌殘留的再生液和再生時(shí)可能出現(xiàn)的反響產(chǎn)物。操作：通常清洗的水流方向和交換時(shí)一樣，所以又稱為正洗。一般，淋洗用水為樹脂體積4~13倍，淋洗水流速為2~4m/h。11/26/2023212、離子交換設(shè)備離子交換設(shè)備固定床連續(xù)床單床多床復(fù)床混合床聯(lián)合床移動床流動床11/26/202322〔1〕固定床1〕工作過程與吸附柱根本相同。工作時(shí)，樹脂在柱內(nèi)不移動，廢水通過一定高度的樹脂層進(jìn)行交換。當(dāng)樹脂失去交換能力以后，或出水中某中離子的濃度超過一定數(shù)值時(shí)，需進(jìn)行反洗和再生。固定床式的工作是周期性進(jìn)行的。交換效果受樹脂對離子的選擇性、樹脂的再生程度、樹脂層的高度、廢水的流速及離子濃度等因素影響。11/26/2023232〕裝置類型〔a〕單床離子交換器:使用一種樹脂的單床結(jié)構(gòu)；在廢水處理中，單床離子交換裝置是最常用、最根本的—種型式?！瞓〕多床離子交換器:使用一種樹脂，由兩個(gè)以上交換器組成離子交換系統(tǒng)；〔c〕復(fù)床離子交換器:使用兩種樹脂的兩個(gè)交換器的串聯(lián)系統(tǒng)；〔d〕混合床離子交換器:同一交換器內(nèi)填裝陰、陽兩種樹脂；〔e〕聯(lián)合床離子交換器:將復(fù)床與混合床聯(lián)合使用。24單床離子交換器11/26/202325離子交換柱組合方式11/26/202326(2)連續(xù)床交換、再生、清洗等操作在裝置的不同部位同時(shí)進(jìn)行，飽和的樹脂連續(xù)進(jìn)入再生柱，新生的樹脂同時(shí)又連續(xù)進(jìn)入交換柱。連續(xù)床進(jìn)行交換所需樹脂量比固定床少，樹脂利用率高，連續(xù)運(yùn)行，效率高。但設(shè)備較復(fù)雜，樹脂磨損大。三塔式移動床系統(tǒng)由交換塔、再生塔和清洗塔組成。11/26/202327三塔移動床示意圖交換塔清洗塔再生塔11/26/202328流動床交換設(shè)備是交換樹脂在裝置內(nèi)連續(xù)循環(huán)流動，失效樹脂在流動過程中，經(jīng)再生、清洗設(shè)備后恢復(fù)再生能力，連續(xù)定量補(bǔ)充到交換柱