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離子交換

大綱要求：熟悉離子交換的技術(shù)和方法，了解主要離子交換劑的性能

離子交換法在水的軟化和除鹽中早已獲得廣泛的應(yīng)用，目前已應(yīng)用在回收和處理工業(yè)廢水中的有毒物質(zhì)方面。

1.8.1離子交換的基本原理

水處理中主要采用離子交換樹(shù)脂和磺化煤用于離子交換。其中離子交換樹(shù)脂應(yīng)用廣泛，種類(lèi)多，而磺化煤為兼有強(qiáng)酸型和弱酸型交換基團(tuán)的陽(yáng)離子交換劑。 離子交換樹(shù)脂按結(jié)構(gòu)特征，分為：凝膠型、大孔型和等孔型; 按樹(shù)脂母體種類(lèi)，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;按其交換基團(tuán)性質(zhì)，分為：強(qiáng)酸型、弱酸型、強(qiáng)堿型和弱堿型。

⑴離子交換樹(shù)脂的構(gòu)造

是由空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團(tuán)所構(gòu)成的不溶性高分子化合物?；钚曰鶊F(tuán)遇水電離，分成兩部 分：固定部分，仍與骨架牢固結(jié)合，不能自由移動(dòng)，構(gòu)成所謂固定離子，活動(dòng)部分，能在一定范圍內(nèi)自由移動(dòng)，并與其周?chē)芤褐械钠渌噪x子進(jìn)行交換反應(yīng)，稱(chēng)為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，

②交聯(lián)度

指交聯(lián)劑占樹(shù)脂原料總重量的百分?jǐn)?shù)。對(duì)樹(shù)脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機(jī)械強(qiáng)度等有決定性影響，一般水處理 中樹(shù)脂的交聯(lián)度為7%～10%。

③含水率

指每克濕樹(shù)脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯(lián)度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶脹性

指干樹(shù)脂用水浸泡而體積變大的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，交聯(lián)度越小，活性基團(tuán)越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹(shù)脂周?chē)芤弘娊赓|(zhì)濃度越高，樹(shù)脂溶脹率就越小。

在生產(chǎn)中應(yīng)盡量保證離子交換器有長(zhǎng)的工作周期，減少再生次數(shù)，以延長(zhǎng)樹(shù)脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹(shù)脂最重要的性能，是設(shè)計(jì)離子交換過(guò)程裝置時(shí)所必須的數(shù)據(jù)，定量地表示樹(shù)脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容 量。

⑦有效PH范圍

由于樹(shù)脂的交換基團(tuán)分為強(qiáng)酸強(qiáng)堿和弱酸弱堿，所以水的PH值對(duì)其電離會(huì)產(chǎn)生影響，影響其工作交換容量。弱堿只能在酸性溶液中以及弱酸在堿性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹(shù)脂對(duì)水中某種離子能優(yōu)先交換的性能。除與樹(shù)脂類(lèi)型有關(guān)外，還與水中濕度和離子濃度有關(guān)。

⑨離子交換平衡

離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)，服從質(zhì)量作用定律和當(dāng)量定律。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，離子交換體系中固態(tài)的樹(shù)脂相和溶液相之間的離子交換反應(yīng)達(dá)到平衡，其平衡常數(shù)也稱(chēng)為離子交換選擇系數(shù)。降低反應(yīng)生成物的濃度有利于交換反應(yīng)的進(jìn)行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過(guò)程中離子擴(kuò)散過(guò)程的影響。

其他性能：如溶解性、機(jī)械強(qiáng)度和耐冷熱性等。離子交換樹(shù)脂理論上不溶于水，機(jī)械強(qiáng)度用年損耗百分?jǐn)?shù)表示，一般要求小于3%～ 7%/年。另外，溫度對(duì)樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度和交換能力有影響。溫度低則樹(shù)脂的機(jī)械強(qiáng)度下降，陽(yáng)離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸堿型耐熱 好。

⑶樹(shù)脂層離子交換過(guò)程

以離子交換柱中裝填鈉型樹(shù)脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標(biāo)，以樹(shù)脂的飽和度為縱坐標(biāo)，可繪得某一時(shí)刻的飽和度曲線(xiàn)。就整個(gè)交換過(guò)程而言，樹(shù)脂層的變化可分為三個(gè)階段。

1.8.2離子交換裝置運(yùn)行方式

離子交換裝置按運(yùn)行方式不同，分為固定床和連續(xù)床

⑴固定床的構(gòu)造與壓力濾罐相似，是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式，其特點(diǎn)是交換與再生兩個(gè)過(guò)程均在交換器中進(jìn)行，根據(jù)交換器內(nèi)裝填樹(shù)脂種類(lèi)及交換時(shí)樹(shù)脂在交換器中的位置的不同，可分為單層床、雙層床和混合床。單層床是在離子交換器中只裝填一種樹(shù)脂，如果裝填的是陽(yáng)樹(shù)脂，稱(chēng)為陽(yáng)床;如果裝填的是陰樹(shù)脂，稱(chēng)為陰床。雙層床是離子交換器內(nèi)按比例裝填強(qiáng)、弱兩種同性樹(shù)脂，由于強(qiáng)、弱兩種樹(shù)脂密度的不同，密度小的弱型樹(shù)脂在上，密度大的強(qiáng)型樹(shù)脂在下，在交換器內(nèi)形成上下兩層。

混合床則是在交換器內(nèi)均勻混雜的裝填陰、陽(yáng)兩種樹(shù)脂，由于陰、陽(yáng)樹(shù)脂混雜，因此原水流經(jīng)樹(shù)脂層時(shí)，陰、陽(yáng)兩種離子同時(shí)被樹(shù) 脂所吸附，其產(chǎn)物氫離子和氫氧根離子又因反應(yīng)生成水而得以降低，有利于交換反應(yīng)進(jìn)行的徹底，使得出水水質(zhì)大大提高。但其缺點(diǎn)是 再生的陰、陽(yáng)樹(shù)脂很難徹底分層。于是又發(fā)明了三層混床新技術(shù)，保證在反洗時(shí)將陰、陽(yáng)樹(shù)脂分隔開(kāi)來(lái)。 根據(jù)固定床原水與再生液的流動(dòng)方向，又分為兩種形式，原水與再生液分別從上而下以同一方向流經(jīng)離子交換器的，稱(chēng)為順流再生 固定床，原水與再生液流向相反的，稱(chēng)為逆流再生固定床。順流再生固定床的構(gòu)造簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，但存在幾個(gè)缺點(diǎn)：在通常生產(chǎn)條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍于理論值，再生效果 也不太理想;樹(shù)脂層上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹(shù)脂所吸附，置換出來(lái)的反離子 隨水流流經(jīng)底層時(shí)，與未再生好的樹(shù)脂起逆交換反應(yīng)，上一周期再生時(shí)未被洗脫出來(lái)的被去除的離子，作為泄漏離子出現(xiàn)在本周期的出水中，所以出水剩余被去除的離子較大;而到了了工作后期，由于樹(shù)脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規(guī)定，導(dǎo)致交換器過(guò)早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用于設(shè)備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場(chǎng)合。逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補(bǔ)順流再生的缺點(diǎn)，而且出水質(zhì)量顯著提高，原水水質(zhì)適用范圍擴(kuò)大，對(duì)于硬度較高的水，仍能保證出水水質(zhì)，所以目前采用該法較多。總起來(lái)說(shuō)，固定床有出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，但固定床離子交換器存在三個(gè)缺點(diǎn)：一是樹(shù)脂交換容量利用率低，二是在同設(shè)備中進(jìn)行產(chǎn)水和再生工序，生產(chǎn)不連續(xù)，三是樹(shù)脂中的樹(shù)脂交換能力使用不均勻，上層的飽和程度高，下層的低。為克服固定床的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了連續(xù)式離子交換設(shè)備，即連續(xù)床。

⑵連續(xù)床又分為移動(dòng)床和流動(dòng)床

移動(dòng)床的特點(diǎn)是樹(shù)脂顆粒不是固定在交換器內(nèi)，而是處于一種連續(xù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，樹(shù)脂用量可減少三分之一至二分之一，設(shè)備單位容積的處理水量還可得到提高，如雙塔移動(dòng)床系統(tǒng)和三塔移動(dòng)床系統(tǒng)。 流動(dòng)床是運(yùn)行完全連續(xù)的離子交換系統(tǒng)，但其操作管理復(fù)雜，廢水處理中較少應(yīng)用。

1.8.3離子交換工藝的設(shè)計(jì)

⑴進(jìn)水預(yù)處理

廢水成分復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，目的是保障反應(yīng)器中離子交換樹(shù)脂交換容量充分得以發(fā)揮，并有效延長(zhǎng)使用壽命。預(yù)處理的對(duì)象包括進(jìn)水的水溫、PH值、懸浮物、油類(lèi)、有機(jī)物、引起樹(shù)脂中毒的高價(jià)離子和氧化劑等。

⑵樹(shù)脂的選用

選擇樹(shù)脂時(shí)應(yīng)考慮交換容量、進(jìn)水水質(zhì)和離子交換器的運(yùn)行方式等，選擇合適的樹(shù)脂。

例如考慮進(jìn)水水質(zhì)時(shí)，對(duì)于只需去除進(jìn)水中吸附交換能力較強(qiáng)的陽(yáng)離子，可選用弱酸型樹(shù)脂，若需去除的陽(yáng)離子的吸附交換能力較弱，只能選用強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹(shù)脂?？紤]離子交換器的運(yùn)行方式時(shí)，移動(dòng)床和流動(dòng)床要選用耐磨、高機(jī)械強(qiáng)度的樹(shù)脂。對(duì)于混床，要選用濕真密度相差較大的陰、陽(yáng)樹(shù)脂。另外，不同樹(shù)脂的交換容量有差異，而同一種樹(shù)脂的交換容量還受所處理廢水的懸浮物、油類(lèi)、高價(jià)金屬離子等影響。

⑶掌握工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

1.8.4離子交換法在水處理中的應(yīng)用

離子交換法目前廢水處理中得到了廣泛應(yīng)用，例如

⑴用于含鉻廢水的處理

對(duì)于廢水，經(jīng)預(yù)處理后，可用陽(yáng)樹(shù)脂去除三價(jià)鉻和其他陽(yáng)離子，用陽(yáng)樹(shù)脂去除六價(jià)鉻，并可回收鉻酸，實(shí)現(xiàn)廢水在生產(chǎn)中的循環(huán)使 用。

⑵含鋅廢水的處理

化纖廠(chǎng)紡絲車(chē)間的酸性廢水主要含有硫酸鋅、硫酸和硫酸鈉等，用鈉離子型陽(yáng)樹(shù)脂交換其中的鋅離子，用芒硝再生失效的樹(shù)脂，即可得到硫酸鋅的濃縮液。

⑶電鍍含氰廢水的處理

陰樹(shù)脂對(duì)絡(luò)合氰(即氰與金屬離子的絡(luò)合物)的結(jié)合力大，所以利用陰離子交換樹(shù)脂能消除氰化物以及重金屬離子的污染，并將其回收利用。

⑷有機(jī)廢水的處理

如洗滌煙草的過(guò)程中產(chǎn)生的含有煙堿的廢水，可以用陽(yáng)樹(shù)脂回收后作為殺蟲(chóng)劑。

⑸用于水的軟化處理

例如利用鈉離子交換軟化法可以去除水中的硬度。

⑹水的除鹽

分復(fù)床除鹽和混合床除鹽等系統(tǒng)。

復(fù)床是指陽(yáng)、離子交換器串聯(lián)使用，常用的系統(tǒng)有強(qiáng)酸-脫氣-強(qiáng)堿系統(tǒng)，強(qiáng)酸-弱堿-脫氣系統(tǒng)以及強(qiáng)酸-脫氣-弱堿-強(qiáng)堿系統(tǒng)等。 混合床除鹽具有水質(zhì)穩(wěn)定、間斷運(yùn)行影響小、失效終點(diǎn)分明等特點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯：昆凌）

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