2014年環(huán)保工程師考試《專業(yè)知識(shí)》精講講義:離子交換

　　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。

　　離子交換的基本原理

　　水處理中主要采用離子交換樹脂和磺化煤用于離子交換。其中離子交換樹脂應(yīng)用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強(qiáng)酸型和弱酸型交換基團(tuán)的陽離子交換劑。 離子交換樹脂按結(jié)構(gòu)特征，分為：凝膠型、大孔型和等孔型; 按樹脂母體種類，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。

　?、烹x子交換樹脂的構(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)，并與其周圍溶液中的其他同性離子進(jìn)行交換反應(yīng)，稱為可交換離子。

　　⑵基本性能

　?、偻庥^

　　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)劑占樹脂原料總重量的百分?jǐn)?shù)。對(duì)樹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 中樹脂的交聯(lián)度為7%～10%。

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　　指每克濕樹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

　　指干樹脂用水浸泡而體積變大的現(xiàn)象。一般來說，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;樹脂周圍溶液電解質(zhì)濃度越高，樹脂溶脹率就越小。

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

　?、菝芏?/P>

　　分為干真密度、濕真密度和濕視密度

　?、藿粨Q容量

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

　?、哂行H范圍

　　由于樹脂的交換基團(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

　　即離子交換樹脂對(duì)水中某種離子能優(yōu)先交換的性能。除與樹脂類型有關(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)過一定時(shí)間，離子交換體系中固態(tài)的樹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。

　?、怆x子交換速率

　　主要受離子交換過程中離子擴(kuò)散過程的影響。

　　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)樹脂機(jī)械強(qiáng)度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機(jī)械強(qiáng)度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸堿型耐熱 好。

　　⑶樹脂層離子交換過程

　　以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，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)，以樹脂的飽和度為縱坐標(biāo)，可繪得某一時(shí)刻的飽和度曲線。就整個(gè)交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個(gè)階段。

　　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

　?、殴潭ù驳臉?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)過程均在交換器中進(jìn)行，根據(jù)交換器內(nèi)裝填樹脂種類及交換時(shí)樹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脂，如果裝填的是陽樹脂，稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂，稱為陰床。雙層床是離子交換器內(nèi)按比例裝填強(qiáng)、弱兩種同性樹脂，由于強(qiáng)、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強(qiáng)型樹脂在下，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、陽兩種樹脂，由于陰、陽樹脂混雜，因此原水流經(jīng)樹脂層時(shí)，陰、陽兩種離子同時(shí)被樹 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、陽樹脂很難徹底分層。于是又發(fā)明了三層混床新技術(shù)，保證在反洗時(shí)將陰、陽樹脂分隔開來。 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，稱為順流再生 固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。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脂所吸附，置換出來的反離子 隨水流流經(jīng)底層時(shí)，與未再生好的樹脂起逆交換反應(yīng)，上一周期再生時(shí)未被洗脫出來的被去除的離子，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?？偲饋碚f，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)，三是樹脂中的樹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)，開發(fā)出了連續(xù)式離子交換設(shè)備，即連續(xù)床。

　?、七B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)過程中，樹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。

　　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)器中離子交換樹脂交換容量充分得以發(fā)揮，并有效延長使用壽命。預(yù)處理的對(duì)象包括進(jìn)水的水溫、PH值、懸浮物、油類、有機(jī)物、引起樹脂中毒的高價(jià)離子和氧化劑等。

　　⑵樹脂的選用

　　選擇樹脂時(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)的陽離子，可選用弱酸型樹脂，若需去除的陽離子的吸附交換能力較弱，只能選用強(qiáng)酸型陽離子樹脂?？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)度的樹脂。對(duì)于混床，要選用濕真密度相差較大的陰、陽樹脂。另外，不同樹脂的交換容量有差異，而同一種樹脂的交換容量還受所處理廢水的懸浮物、油類、高價(jià)金屬離子等影響。

　?、钦莆展に囋O(shè)計(jì)參數(shù)

　　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

　?、庞糜诤t廢水的處理

　　對(duì)于廢水，經(jīng)預(yù)處理后，可用陽樹脂去除三價(jià)鉻和其他陽離子，用陽樹脂去除六價(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

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

　　⑶電鍍含氰廢水的處理

　　陰樹脂對(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脂能消除氰化物以及重金屬離子的污染，并將其回收利用。

　?、扔袡C(jī)廢水的處理

　　如洗滌煙草的過程中產(chǎn)生的含有煙堿的廢水，可以用陽樹脂回收后作為殺蟲劑。

　　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、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)。