3.5　離子交換

3.5.1　原理與功能

離子交換是指在固體顆粒和液體之間的界面上發(fā)生的離子互換過程，一般指水溶液通過樹脂時(shí)產(chǎn)生的固-液間離子的相互交換過程。廢水離子交換處理就是通過離子交換過程去除廢水中有毒有害離子的方法。

對(duì)離子交換動(dòng)力學(xué)過程的研究表明，離子交換過程通?？煞譃橐韵?個(gè)階段：

①水中電解質(zhì)離子由溶液擴(kuò)散到離子交換劑表面；

②水中電解質(zhì)離子通過離子交換劑表面水膜擴(kuò)散到離子交換劑的結(jié)構(gòu)內(nèi)部；

③被交換離子與離子交換劑中的可交換離子（活動(dòng)部分）進(jìn)行反應(yīng)；

④交換后的離子從交換劑結(jié)構(gòu)內(nèi)部向外擴(kuò)散；

⑤交換后的離子擴(kuò)散進(jìn)入水中。

上述5個(gè)階段中，第3階段反應(yīng)速率很快，其余4個(gè)階段的離子擴(kuò)散過程速度較慢，因此，離子交換速度主要取決于離子擴(kuò)散速度。其中第1、第5階段是離子通過樹脂表面的液膜進(jìn)行的擴(kuò)散，稱為膜擴(kuò)散；而第2、第4階段則是離子通過樹脂本身的孔道進(jìn)行的擴(kuò)散，稱為孔道擴(kuò)散。擴(kuò)散速度通常與水中離子濃度、攪拌強(qiáng)度、樹脂顆粒大小與交聯(lián)度以及水溫等因素有關(guān)。

3.5.2　技術(shù)與裝備

3.5.2.1　離子交換劑的類型與選擇性

（1）離子交換劑的類型

離子交換劑的分類方法很多。在廢水處理中，通常根據(jù)母體材質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，分類如下：

（2）離子交換劑的選擇性

離子交換樹脂對(duì)各種離子的交換能力是不同的。交換能力的大小主要取決于各種離子對(duì)該種樹脂親和力（也稱選擇性）的大小。在常溫、低濃度條件下，各種樹脂對(duì)離子親和力的大小可歸納如下。

①強(qiáng)酸陽離子交換樹脂的選擇性順序?yàn)椋?/p>

Fe³⁺>Cr³⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺=>Na⁺>Li⁺

②弱酸陽離子交換樹脂的選擇性順序?yàn)椋?/p>

H⁺>Fe³⁺>Cr³⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺=>Na⁺>Li⁺

③強(qiáng)堿陰離子交換樹脂的選擇性順序?yàn)椋?/p>

>>>>Cl^->OH^->F^->>

④弱堿陰離子交換樹脂的選擇性順序?yàn)椋?/p>

OH^->>>>>Cl^->

⑤螯合樹脂的選擇性順序與樹脂的種類有關(guān)。螯合樹脂在化學(xué)性質(zhì)方面與弱酸陽離子交換樹脂相似，但比弱酸樹脂對(duì)重金屬的選擇性高。典型的螯合樹脂為亞氨基醋酸型，亞氨基醋酸型螯合樹脂的選擇性順序?yàn)椋?/p>

Hg²⁺>Cu²⁺>Ni²⁺>Mn²⁺>Ca²⁺>Mg²⁺?Na⁺

位于順序前列的離子可以取代位于后列的離子。應(yīng)該指出的是，上述選擇性順序均是指低溫、低濃度條件下的。在高溫、高濃度時(shí)，處于順序后列的離子可以取代前列的離子，這是樹脂再生的依據(jù)之一。

3.5.2.2　離子交換容量

離子交換樹脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)的性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)，meq/g（干）或meq/mL（濕）；當(dāng)離子為一價(jià)時(shí)，克當(dāng)量數(shù)即是物質(zhì)的量（對(duì)二價(jià)或多價(jià)離子，前者為后者乘離子價(jià)數(shù)）。它又有總交換容量、工作交換容量和再生交換容量三種表示方式。

（1）總交換容量

即每單位數(shù)量（重量或體積）樹脂能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)的總量。

（2）工作交換容量

即樹脂在一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關(guān)。

（3）再生交換容量

即在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量，表明樹脂中原有化學(xué)基團(tuán)再生復(fù)原的程度。

通常，再生交換容量為總交換容量的50%～90%（一般控制在70%～80%），而工作交換容量為再生交換容量的30%～90%（對(duì)再生樹脂而言），后一比率亦稱為樹脂利用率。

在實(shí)際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹脂結(jié)構(gòu)不同而異?，F(xiàn)仍未能分別進(jìn)行計(jì)算，在具體設(shè)計(jì)中，需憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并在實(shí)際運(yùn)行時(shí)復(fù)核。

離子樹脂交換容量的測(cè)定一般以無機(jī)離子進(jìn)行。這些離子尺寸較小，能自由擴(kuò)散到樹脂體內(nèi)，與它內(nèi)部的全部交換基團(tuán)起反應(yīng)。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，溶液中常含有高分子有機(jī)物，它們的尺寸較大，難以進(jìn)入樹脂的顯微孔中，因而實(shí)際的交換容量會(huì)低于用無機(jī)離子測(cè)出的數(shù)值。這種情況與樹脂的類型、孔的結(jié)構(gòu)尺寸及所處理的物質(zhì)有關(guān)。

3.5.2.3　運(yùn)行方式與設(shè)備

離子交換處理廢水裝置的運(yùn)行分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類，但都在離子交換器內(nèi)進(jìn)行，一般能承受0.4～0.6MPa的壓力，其構(gòu)造如圖3-14所示。

（1） 固定床

固定床是將樹脂裝填在交換柱內(nèi)，廢水從柱頂下向流通過樹脂層，離子交換的各項(xiàng)操作都在柱內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)不同的處理程度要求，固定床可以有下列布置形式。

①單床　即由單個(gè)陽床或陰床構(gòu)成，這是最簡(jiǎn)單的一種運(yùn)行方式，如圖3-15所示。

②多床　即由幾個(gè)陽床或幾個(gè)陰床串聯(lián)使用，可以提高水處理能力與效率。如圖3-16所示。

③復(fù)床　即將陽床和陰床串聯(lián)使用，可以同時(shí)去除水中的陽離子和陰離子。如圖3-17所示。

④混合床　即將陽樹脂、陰樹脂按一定比例混合后裝入同一交換柱內(nèi)，在一個(gè)柱內(nèi)同時(shí)去除陽離子和陰離子。如圖3-17所示LM。

工程中常見的固定組合布置形式如圖3-17所示。

固定床離子交換的操作過程分為4步：a.交換，廢水自上而下流過樹脂層；b.反洗，當(dāng)樹脂使用到終點(diǎn)時(shí)，自下而上逆通水進(jìn)行反洗，除去雜質(zhì)，使樹脂層松動(dòng)；c.再生，順流或逆流通過再生劑進(jìn)行再生，使樹脂恢復(fù)交換能力；d.正洗，即自上而下通入清水進(jìn)行淋洗，洗去樹脂層中夾帶的剩余再生劑，正洗后交換柱即可進(jìn)入下一循環(huán)工序。上述4個(gè)工序的總歷時(shí)稱為離子交換器的工作周期，其中第1步交換屬工作階段，其余3步屬再生階段。典型的逆流再生操作如圖3-18所示。

（2）移動(dòng)床

移動(dòng)床屬于半連續(xù)式離子交換裝置，在移動(dòng)床的離子交換過程中，不但廢水是流動(dòng)的，而且樹脂也是移動(dòng)的。飽和的樹脂連續(xù)地被送到再生柱和清洗柱內(nèi)進(jìn)行再生和淋洗，然后再送回交換柱內(nèi)繼續(xù)工作。其工作原理如圖3-19所示。從圖中可以看出，移動(dòng)床樹脂分三層，失效的一層被移出柱外進(jìn)行再生和淋洗，再生和淋洗后的樹脂定期向交換柱補(bǔ)充，其間要短時(shí)間停產(chǎn)（1～2min），以使樹脂落床，故移動(dòng)床被稱為半連續(xù)式離子交換裝置。

（3）流動(dòng)床　流動(dòng)床是移動(dòng)床的發(fā)展，在流動(dòng)床系統(tǒng)中，不僅交換柱樹脂分層，再生柱和清洗柱也分層，按照移動(dòng)床方式連續(xù)移動(dòng)，即樹脂層數(shù)n→∞即為流動(dòng)床。因此，流動(dòng)床內(nèi)樹脂既不是固定的，也不是定期移動(dòng)的，而是呈流動(dòng)狀態(tài)的，整個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)水、再生和清洗過程都是連續(xù)進(jìn)行的，因此，流動(dòng)床被稱為全連續(xù)式離子交換裝置。

3.5.3　樹脂性能與應(yīng)用

樹脂工藝性能與設(shè)計(jì)參數(shù)見表3-12。