2014年環(huán)保工程師《基礎(chǔ)知識》精選復(fù)習(xí)資料:離子交換的基本原理

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    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，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。

　　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;

　　按其交換基團性質(zhì)，分為：強酸型、弱酸型、強堿型和弱堿型。

　?、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所構(gòu)成的不溶性高分子化合物?；钚曰鶊F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，構(gòu)成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內(nèi)自由移動，并與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應(yīng)，稱為可交換離子。

　　⑵基本性能

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　　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，

　?、诮宦?lián)度

　　指交聯(lián)劑占樹脂原料總重量的百分數(shù)。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，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。

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　　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。

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　　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)計離子交換過程裝置時所必須的數(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分為強酸強堿和弱酸弱堿，所以水的ph值對其電離會產(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。

　?、噙x擇性

　　即離子交換樹脂對水中某種離子能優(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)量作用定律和當量定律。經(jīng)過一定時間，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)的進行。

　?、怆x子交換速率

　　主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。

　　其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶于水，機械強度用年損耗百分數(shù)表示，一般要求小于3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，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，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

　　生物凈化過程

　　生物凈化是指在微生物的作用下，有機污染物逐漸分解、氧化使其含量逐漸降低的過程。進入水體的有機污染物的凈化，主要有賴于生物化學(xué)過程。在這個過程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水體向凈化的方向轉(zhuǎn)變。造成這一轉(zhuǎn)變的生物化學(xué)過程常被稱作生物降解。生物降解是指在微生物作用下，有機化合物轉(zhuǎn)化為低級有機物和簡單無機物的過程。

　　生物降解分為好氧生物降解和厭氧生物降解。前者是指在溶解氧(氧分子)存在的條件下，由好氧微生物完成的生物化學(xué)反應(yīng);后者是指在氧氣不足或無氧氣的情況下，由厭氧微生物完成的生物化學(xué)反應(yīng)。有的微生物既能在有氧條件下進行生物化學(xué)反應(yīng)，也能在無氧或缺氧條件下進行生物化學(xué)反應(yīng)，稱為兼性微生物。

　　從反應(yīng)的結(jié)果看，好氧生物降解與厭氧生物降解的區(qū)別是，前者的產(chǎn)物是穩(wěn)定的無機物(如CO2、H2O等)，后者的產(chǎn)物則不完全是上述穩(wěn)定的無機物，而是還包括甲烷、乙酸等有機物和NH3等氧化不徹底的無機物。

　　在未受污染的水體中，水中都有一定濃度的溶解氧。但是，當水體受到有機物的污染后，水體中的微生物就會大量繁殖起來。由于好氧微生物比厭氧微生物生長快，所以好氧微生物首先發(fā)展壯大。

　　當好氧微生物發(fā)展到一定數(shù)量，它們消耗水中溶解氧的速率有可能超過空氣中的氧氣向水中溶解的速率(稱為復(fù)氧速率)。一旦如此，水中的溶解氧濃度就開始迅速下降，直到濃度降到接近零，使水體呈現(xiàn)無氧或缺氧狀態(tài)。在缺氧或無氧狀態(tài)下，好氧微生物的生長受到抑制，而厭氧微生物則大量繁殖起來，繼承了大部分的自凈工作。

　　實際上，當一個水體受到較嚴重的有機污染時，水中的溶解氧是隨水的深度變化的，表層水體的溶解氧較高，越往深處溶解氧越低，直至厭氧狀態(tài)。因此，好氧微生物集中在水體的上部，阻止了從空氣中補充進來的溶解氧向下層的傳遞，從而維持下層水體的厭氧狀態(tài)，使得厭氧微生物集中在水體的底部。