第十一

章

離子交換

IonExchange第一節概述一、離子交換法

離子交換劑上的離子和水中的離子進行交換的一種特殊吸附現象。與其它吸附過程相比：主要吸附水中離子態物質；交換劑上的離子和水中離子進行“等當量”的交換。第一節概述二、發展1805年英國科學家發現了土壤中Ca2+和NH4+的交換現象；1876年Lemberg揭示了離子交換的可逆性和化學計量關系；1935年人工合成了離子交換樹脂；1940年應用于工業生產；1951年我國開始合成樹脂。第一節概述

1去除率高，凈化效果好；

2可做到污染物的回收利用；

3對廢水的預處理要求較高；

4樹脂再生液需要進一步處置。四、特點第二節離子交換樹脂

固體球形顆粒，多孔網狀結構；不溶于水；具有離子交換特性的有機高分子聚電解質。一、離子交換樹脂

(一)組成

離子交換樹脂母體(骨架)活性基團固定離子可交換離子苯乙烯(單體)+二乙烯苯(交聯劑)母體共聚H2SO4功能基反應R—SO3H固定離子可交換離子母體第二節離子交換樹脂

(二)樹脂分類按選擇性按結構離子交換樹脂凝膠型等孔型孔大、均勻，抗有機污染能力強?？状?，溶脹度小，交換速度高，抗污染能力強。孔隙小、少，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂R—NH3OH強堿性陰離子交換樹脂RNOH弱酸性陽離子交換樹脂R—COOH強酸性陽離子交換樹脂R—SO3H

(三)密度干真密度：干燥狀態下，樹脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹脂本身的密度。表觀密度：樹脂在水中充分溶脹后的堆積密度(視密度)。單位均為mg/L.第二節離子交換樹脂

(四)交聯度交聯度為樹脂合成時交聯劑的用量，一般為7%~10%。交聯度越高，孔隙度越低，密度越大，對半徑較大的離子和水合離子擴散速度越低，交換量越小。在水中浸泡，形變小，較穩定。

(五)溶脹性

吸水后體積增大的現象。溶脹程度用溶脹率表示：溶脹的原因

水擴散到樹脂交聯網孔發生溶脹；活性基團離解形成水合離子。影響因素樹脂交聯度：交聯度越大，溶脹率越低。活性基團：離解程度越大，溶脹率越大；可交換離子：水合半徑越大，溶脹率越高。第二節離子交換樹脂第二節離子交換樹脂

(六)交換容量

單位體積濕樹脂(容量表示法)或單位重量干樹脂(重量表示法)可發生交換的活性基團數量。

容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。

重量表示法EW

：mmol/g、mol/kg。EV=EW×[濕比重×(1-含水率)]

全交換容量：單位體積或重量樹脂中含可交換基團的總數。工作交換容量：在動態工作條件下，當出水水質達到交換終點時，樹脂層達到的平均交換容量。第三節離子交換原理一、離子交換反應

b(R—A)a++aBb+?a(R—B)b++bAa+

特點：

符合質量作用定律;

等當量進行的同性離子的互換反應;

具有飽和性;

樹脂母體和固定離子不發生變化。第三節離子交換原理二、離子交換平衡

b(R—A)a++aBb+?a(R—B)b++bAa+有：式中：f為活度系數。三、離子交換選擇性平衡吸著率設：fR-B/fR-A=C；

fA/fB=1選擇性系數K//C=K第三節離子交換原理

影響離子交換的選擇性

1在常溫、稀溶液中離子價數越高，與固定離子的靜電引力越大，越優先交換。

Cr3+＞Ca2+＞Na+PO43+＞SO42-＞Cl-

同價離子原子序數越大，與固定離子的靜電引力越大；稀土元素相反。

2在高濃度的溶液中

由于離子的水化作用不充分，水合離子的半徑接近離子半徑，原子序數越大，離子半徑增大，離子表面電荷密度相對減小，與固定離子的靜電引力越小。第三節離子交換原理

3樹脂的結構和性質

樹脂的交聯度：交聯度越高，選擇性增加強酸(堿)、弱酸堿樹脂的交換

4溶液的溫度和pH溫度升高，K值增大，離子和固定基團交換勢增大。pH值：影響某些離子的存在狀態，

Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+

影響弱酸、堿樹脂固定基團的電離。第三節離子交換原理樹脂顆粒水膜BB(1)(2)(3)(A)(4)(5)(6)A外擴散薄膜擴散內擴散三、交換動力學簡述

(一)交換過程第三節離子交換原理2內擴散

離子電荷

離子電荷越大，擴散系數越小，不利于內擴散。樹脂交聯度

交聯度越低，樹脂網孔越大，有利于離子的內擴散。離子的水化度

離子水化程度大，水合離子半徑越大，不利于離子的內擴散。第四節離子交換原理第四節離子交換工藝及設備二、動態交換

(一)裝置類型

固定床系統單床、復床、混合床移動床和流化床一、離子交換操作方式靜態交換

動態交換第四節離子交換工藝及設備

(二)工藝流程及操作過程工藝流程運行過程廢水預處理交換離子排放去除影響交換的雜質:懸浮物、油類、膠體吸附、過濾去除陽離子、陰離子反洗再生交換正洗第四節離子交換工藝及設備(二)廢水中有幾種離子B1+、B2+、B3+

且交換能力B1+＞B2+＞B3+

離子交換可對廢水中不同離子進行分離。第四節離子交換工藝及設備三、樹脂的再生

(一)再生的目的恢復樹脂的交換能力回收有用物質(二)再生原理

b(R—A)a++aBb+≒a(R—B)b++bAa+再生方式

逆順流再生

優點：

避免重復交換；再生劑用量少。樹脂底層再生干凈，工作交換容量較高。

缺點：

設備較復雜。要求控制技術高。

第四節離子交換工藝及設備四、離子交換設計

(一)根據廢水水質和處理要求，選擇離子交換劑。

(二)選擇合適的再生劑，估算其用量。

(三)根據去除對象確定工藝流程及工藝參數。

1工藝流程的確定

2主要工藝參數

交換速度15～35m/h；反沖速度15m/h

再生劑流速10～15m/h

再生效率＞80%第四節離子交換工藝及設備

(四)離子交換柱尺寸確定

1離子交換柱高度HH=H1+H2+H3H1—樹脂層高度；H2—樹脂層以上高度，膨脹率40～80%；H3—底部配水區高度(0.4m)

2交換柱內徑D

式中：Q—處理水量；(D≤3m)n—并聯臺數；

u—交換速度。第四節離子交換工藝及設備(五)樹脂用量確定

TQ(C0—C)=nE工

f·H1V=(n＋n′)f·H1

式中：

T—有效工作時間；Q—水量；

C0、C—進、出水濃度；E工—工作交換容量；f—交換柱截面積；V—樹脂體積；n′—備用臺數。第四節離子交換工藝及設備第五節應用二水的軟化和除鹽

(一)水質軟化

1Na離子交換軟化系統

2R—Na+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2NaHCO32R—Na+CaSO4=R2—Ca+Na2SO4

2R—Na+MgCl2=R2—Mg+2NaCl2第五節應用2強酸性H離子交換脫堿軟化系統

2R—H+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2CO2+2H2O2R—H+CaCl2=R2—Ca+2HCl2R—H+NaCl=R—Na+2HCl

生成的CO2用CO2去除裝置去除，HCl加堿中和。第五節應用

(二)水的除鹽

工藝流程：

強酸RH+脫除CO2+強堿ROH第五節應用三離子交換處理工業廢水

(一)處理廢水注意的問題

預處理懸浮物或油類濃度大于5～10mg/L時，采用過濾或吸附法。

有機污染和重金屬污染采用大孔樹脂；再生時適當加入氧化劑；選用高濃度再生劑。

pH值不同性質樹脂使用；廢水中污染物的存在狀態。

水溫提高離子內擴散和薄膜擴散速度；過高可引起樹脂降解。第五節應用(二)離子交換處理電鍍含鉻廢水

1廢水的來源及水質特征

鍍件酸洗清洗鍍槽清洗成品

廢酸液酸性水廢鍍液含鉻廢水

廢電鍍液：產生量少，濃度高。

含鉻廢水：產生量多，濃度低，水質情況為：

Cr6+濃度為20～150mg/L，存在形式Cr2O72-和CrO42-。金屬離子Cr3+、Fe3+等；陰離子有SO42-

、Cl-等；

pH4～6。

2工藝流程及原理

廢水過濾排放陽柱陰柱作用去除懸浮物、油類。作用nRH＋(Cr3+、Fe3+···

)

=Rn(Cr、Fe···

)＋nH+①改善水質;②調節廢水pH，使Cr6+以Cr2O72-形式存在。作用nROH＋(Cr2O72-、CrO42-、SO42-

、Cl-··)