1、 離子交換離子交換簡介離子交換簡介重金屬處理應(yīng)用前景在水處理的應(yīng)用在水處理的應(yīng)用離子交換離子交換 離子交換是指水通過離子交換柱時，水中的陽離子和水中的陰離子（HCO等離子）與交換柱中的陽樹脂的H+離子和陰樹脂的OH離子進(jìn)行交換，從而達(dá)到脫鹽的目的。陽、陰混柱的不同組合可使水質(zhì)達(dá)到更高的要求。是目前成熟的常規(guī)制取純水、超純水的裝置。離子交換器分為陽離子交換器（軟化器）、陰離子交換器、混合離子交換器等。 在環(huán)境工程領(lǐng)域，離子交換主要用于水處理中的除鹽軟化及去除重金屬離子等。 離子交換技術(shù)有相當(dāng)長的歷史，某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現(xiàn)代有機(jī)合成工業(yè)技術(shù)

2、的迅速發(fā)展，研究制成了許多種性能優(yōu)良的離子交換樹脂，并開發(fā)了多種新的應(yīng)用方法，離子交換技術(shù)迅速發(fā)展，在許多行業(yè)特別是高新科技產(chǎn)業(yè)和科研領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。近年國內(nèi)外生產(chǎn)的樹脂品種達(dá)數(shù)百種，年產(chǎn)量數(shù)十萬噸。 在工業(yè)應(yīng)用中，離子交換樹脂的優(yōu)點(diǎn)主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復(fù)再生使用，工作壽命長，運(yùn)行費(fèi)用較低（雖然一次投入費(fèi)用較大）。以離子交換樹脂為基礎(chǔ)的多種新技術(shù)，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨(dú)特的功能，可以進(jìn)行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還在迅速發(fā)展之中。 離子交換法發(fā)展歷程 70 年代中后期 ，“閉路循環(huán)工序化

3、”發(fā)展,即逆流漂洗-離子交換-蒸發(fā)濃縮的組合工藝 到了20 世紀(jì)80 年代, 國內(nèi)也出現(xiàn)了類似工藝 ，我國樹脂法處理含鉻廢水始于20 世紀(jì)70 年代。 1974 年, 大孔苯乙烯叔胺型弱堿性陰離子交換樹脂研制成功, 被當(dāng)時認(rèn)為是電鍍含鉻廢水處理技術(shù)的一大突破。 工業(yè)上采用離子交換樹脂處理含鋅廢水也比較成熟 離子交換樹脂處理貴金屬廢水的經(jīng)濟(jì)效益顯著，國內(nèi)已有廠家成功地用“丙酮-鹽酸-水”混合液進(jìn)行樹脂洗脫并回收金 離子交換法是利用離子交換劑和溶液中的離子發(fā)生交換反應(yīng)進(jìn)行分離的方法,主要以離子交換樹脂為載體的 。 實(shí)質(zhì)：不溶性離子化合物（離子交換劑）上的可交換 離子與溶液中的其他同性離子的交換反應(yīng)

4、，是一種特殊 的吸附過程，通常是可逆化學(xué)吸附離子交換法原理 在平衡狀態(tài)下，離子交換劑及溶液中的反應(yīng)物濃度符合下列關(guān)系式： 離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為：離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為：HRMMRH飽和樹飽和樹脂脂KRHMRMH K 值的大小能定量地反映離子交換劑對某兩個固值的大小能定量地反映離子交換劑對某兩個固定離子交換選擇性的大小。定離子交換選擇性的大小。離子交換基本理論離子交換過程 離子交換過程可以看作是固相的離子交換樹脂與液相（廢水）電解質(zhì)之間的化學(xué)置換反應(yīng)。其中：其中： R和和 R 代表陽、陰交換樹脂的本體代表陽、陰交換樹脂的本體ABBAzBzAzAzBAzBRzBzAR

5、zCCDCzDzDzCzDCzDRzDzCRz反洗水反洗水 反洗反洗 樹脂 出水中開始有出水中開始有B漏出，漏出，此時樹脂層穿透。繼續(xù)，此時樹脂層穿透。繼續(xù)，C達(dá)達(dá)C0時，全塔樹脂交時，全塔樹脂交換飽和。換飽和。 1）水處理 水處理領(lǐng)域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產(chǎn)量的90%，用于水中的各種陰陽離子的去除。目前，離子交換樹脂的最大消耗量是用在火力發(fā)電廠的純水處理上，其次是原子能、半導(dǎo)體、電子工業(yè)等。 2）食品工業(yè) 離子交換樹脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工業(yè)裝置上。例如：高果糖漿的制造是由玉米中萃出淀粉后，再經(jīng)水解反應(yīng)，產(chǎn)生葡萄糖與果糖，而后經(jīng)離子交換處理，可以生成高果

6、糖漿。離子交換樹脂在食品工業(yè)中的消耗量僅次于水處理。3）制藥行業(yè)制藥工業(yè)離子交換樹脂對發(fā)展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質(zhì)量改良具有重要作用。鏈霉素的開發(fā)成功即是突出的例子。近年還在中藥提成等方面有所研究。4）合成化學(xué)和石油化學(xué)工業(yè)在有機(jī)合成中常用酸和堿作催化劑進(jìn)行酯化、水解、酯交換、水合等反應(yīng)。用離子交換樹脂代替無機(jī)酸、堿，同樣可進(jìn)行上述反應(yīng)，且優(yōu)點(diǎn)更多。如樹脂可反復(fù)使用，產(chǎn)品容易分離，反應(yīng)器不會被腐蝕，不污染環(huán)境，反應(yīng)容易控制等。甲基叔丁基醚（MTBE）的制備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑，由異丁烯與甲醇反應(yīng)而成，代替了原有的可對環(huán)境造成嚴(yán)重污染的四乙基鉛。 5）環(huán)境保護(hù) 離子交換樹脂

7、已應(yīng)用在許多非常受關(guān)注的環(huán)境保護(hù)問題上。目前，許多水溶液或非水溶液中含有有毒離子或非離子物質(zhì)，這些可用樹脂進(jìn)行回收使用。如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影制片廢液里的有用物質(zhì)等。 6）濕法冶金及其他 離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。 離子交換樹脂的應(yīng)用，是近年國內(nèi)外制糖工業(yè)的一個重點(diǎn)研究課題，是糖業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。膜分離技術(shù)在糖業(yè)的應(yīng)用也受到廣泛的研究。 離子交換樹脂都是用有機(jī)合成方法制成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸（酯），通過聚合反應(yīng)生成具有三維空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的骨架，再在骨架上導(dǎo)入不同類型的化學(xué)活性基團(tuán)（通常為酸性或堿性基團(tuán)）而制成。 離子交換樹脂不

8、溶于水和一般溶劑。大多數(shù)制成顆粒狀，也有一些制成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.31.2mm 范圍內(nèi)，大部分在0.40.6mm之間。它們有較高的機(jī)械強(qiáng)度（堅(jiān)牢性），化學(xué)性質(zhì)也很穩(wěn)定，在正常情況下有較長的使用壽命。 離子交換樹脂中含有一種（或幾種）化學(xué)活性基團(tuán)，它即是交換官能團(tuán)，在水溶液中能離解出某些陽離子（如H+或Na+）或陰離子（如OH或Cl），同時吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子。即樹脂中的離子與溶液中的離子互相交換，從而將溶液中的離子分離出來。 離子交換樹脂的品種很多，因化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不同而具有不同的功能和特性，適應(yīng)于不同的用途。應(yīng)用樹脂要根據(jù)工藝要求和物料的性質(zhì)選用適當(dāng)?shù)念?/p>

9、型和品種。16 離子交換樹脂回收鉻酸離子交換樹脂回收鉻酸 毫無疑問，離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)和性能直接決定著產(chǎn)品的質(zhì)量。 在常規(guī)離子交換樹脂的應(yīng)用過程中，出現(xiàn)了一些常規(guī)樹脂很難解決的問題。針對這些問題，一些新型的離子交換樹脂便應(yīng)運(yùn)而生。例如，反常規(guī)均?；齑矘渲某霈F(xiàn)在很大程度上解決了火電廠凝結(jié)水精處理的出水水質(zhì)惡化問題，兩性樹脂的使用大大降低了樹脂再生的酸堿耗量；另外，某些特殊的場合需要使用符合特定質(zhì)量要求的離子交換樹脂，例如核電站使用的樹脂必須是具備特殊性能的核級離子交換樹脂。下文將重點(diǎn)介紹上述幾種新型離子交換樹脂。反常規(guī)均?；齑矘渲^“反常規(guī)混床樹脂”，是針對“常規(guī)混床樹脂”而言。過去，為了防

10、止陽、陰離子交換樹脂的“交叉污染”，在現(xiàn)場應(yīng)用中一直十分強(qiáng)調(diào)陽、陰樹脂在再生前反洗時的分層效果，但卻忽視了陽、陰樹脂在再生后的混合問題，使陽、陰樹脂的混合很不均勻，甚至在混合后或運(yùn)行時產(chǎn)生分層，從而造成混床出水水質(zhì)惡化、周期制水量下降，正洗水耗增加等問題。反常規(guī)均?；齑矘渲畲筇攸c(diǎn)是陽樹脂平均粒徑小于陰樹脂平均粒徑，這一點(diǎn)與常規(guī)混床樹脂相區(qū)別。這種混脂顆粒均勻、分層清晰、混合均勻，能大幅度提高混床的出水水質(zhì)和周期制水量，降低再生劑耗量。目前，國內(nèi)離子交換樹脂生產(chǎn)商正在積極研制開發(fā)具有優(yōu)良性能的反常規(guī)樹脂，國內(nèi)走在該領(lǐng)域前列的有浙江爭光實(shí)業(yè)股份有限公司。該廠在反常規(guī)均?；齑矘渲纳a(chǎn)制備上擁有自

11、主知識產(chǎn)權(quán)，且能夠批量生產(chǎn)。該廠生產(chǎn)的反常規(guī)均粒混床樹脂技術(shù)指標(biāo)見表3。孫振海和徐斌16通過試驗(yàn)研究反常規(guī)均粒混床樹脂在鎮(zhèn)海煉化股份有限公司熱電站的應(yīng)用情況，證明了通過使用浙江爭光實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的反常規(guī)均?；齑矘渲梢允怪芷谥扑坑善骄?8600m3提高到44500m3，同時使出水中硅含量由原來的11gL降低到4gL，并且使出水pH穩(wěn)定維持在7附近。兩性功能基團(tuán)離子交換樹脂兩性功能基團(tuán)離子交換樹脂與常規(guī)樹脂的主要區(qū)別在于其同時具有酸堿兩種功能基團(tuán)。由于該種樹脂中兩種功能基距離很近（10nm），中和了部分電荷，所以與溶液中相反電荷離子吸著力微弱，用水即可使樹脂再生不必使用酸、堿，從而大大

12、降低了再生劑用量。根據(jù)酸性和堿性基團(tuán)的強(qiáng)弱性組合不同，兩性樹脂可分為強(qiáng)酸強(qiáng)堿、強(qiáng)酸弱堿、強(qiáng)堿弱酸和弱酸弱堿型四類，其中每一類又可以按照能否形成內(nèi)鹽分為幾種不同的類型。不同的兩性樹脂的合成方法有所不同。例如，可以形成內(nèi)鹽的強(qiáng)堿弱酸型樹脂的合成可以采用懸浮聚合法，也可以采用前文介紹過的互貫聚合法。而不能形成內(nèi)鹽的強(qiáng)堿弱酸樹脂在合成時需要采用適當(dāng)技術(shù)使陰陽基團(tuán)隔開。內(nèi)鹽鍵的形成與否和強(qiáng)度大小還會影響樹脂的結(jié)構(gòu)和對電解質(zhì)的吸附性能。目前，兩性樹脂主要用于大分子與小分子電解質(zhì)的分離，如離子隔膜堿中去除硫酸根、蛋白質(zhì)的分離提純和脫鹽等，也可以用于常規(guī)水處理、聚丙烯腈紡絲廢水及含鋅廢水處理等方面。核級離子交

13、換樹脂 核級離子交換樹脂是指能夠應(yīng)用于核電站一回路、二回路放射性水處理及核廢料處理的離子交換樹脂。其中核級混床樹脂由核級陽樹脂和核級陰樹脂按不同比例混合而成，主要用于核電站一回路、二回路冷卻劑及廢液的脫鹽、凈化和精處理，以及放射性元素的脫除凈化和核廢料的回收。應(yīng)用于核電站一回路水處理系統(tǒng)的核級樹脂對再生轉(zhuǎn)型率、抗輻照分解能力、機(jī)械強(qiáng)度及高溫穩(wěn)定性有很高要求。我國核電廠建設(shè)起步較晚，數(shù)量較少，核電廠一回路的離子交換樹脂需求并不大，目前這部分市場大部分被國外離子交換樹脂廠家（如陶氏公司）所壟斷。隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，可以預(yù)見核電廠對高品質(zhì)的離子交換樹脂的需求將會越來越大，這將是一個極有發(fā)展?jié)摿Φ?/p>

14、市場。另外，核電事業(yè)的發(fā)展對一個國家的綜合實(shí)力和國計(jì)民生有著至關(guān)重要的影響。因此，加強(qiáng)對核級樹脂的研究與開發(fā)，生產(chǎn)出可以與國外產(chǎn)品媲美的核級樹脂除了具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，從某種程度上，還具有重大的戰(zhàn)略意義。目前我國國內(nèi)的離子交換樹脂廠商中具有核級樹脂生產(chǎn)資質(zhì)的僅有浙江爭光實(shí)業(yè)股份有限公司一家。上海交通大學(xué)的陶鈞研究了由該廠采用西安熱工研究院提供的技術(shù)生產(chǎn)出的新一代核級樹脂在 秦山核電站的試用情況，并證明了該核級樹脂運(yùn)行穩(wěn)定、放射性核素及雜質(zhì)離子去除效果明顯且抗輻照性能好，其理化性能完全滿足秦山核電站對離子交換樹脂的要求。凝膠型碳黑陽離子交換樹脂 凝膠型碳黑陽離子交換樹脂，主要與強(qiáng)堿性陰樹脂配套用

15、于混床系統(tǒng)純水、高純水的制備。其深黑色外觀與陰樹脂有十分明顯的色差，可以明顯觀察到再生前反洗時陰陽樹脂是否已完全分層及再生后陰陽樹脂的混合情況，便于現(xiàn)場水處理工作人員針對實(shí)際情況采取不同的操作，降低清洗水耗，提高周期制水量。應(yīng)用技術(shù)自動化 設(shè)備控制自動化是當(dāng)今各行業(yè)的發(fā)展方向，離子交換樹脂的應(yīng)用也不例外。這里的自動化包括兩個方面，即樹脂生產(chǎn)的自動化和樹脂應(yīng)用技術(shù)的自動化。采用可編程的控制技術(shù)，加強(qiáng)樹脂生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備自動化的相互整合，提高離子交換樹脂生產(chǎn)應(yīng)用的自動化控制程度將在很大程度上拓寬我國離子交換樹脂的應(yīng)用范圍，提高離子交換樹脂使用的效率。國內(nèi)在樹脂生產(chǎn)的自動化控制方面已經(jīng)有了一定的研

16、究成果。變色樹脂 變色樹脂是一類帶有指示劑的陽離子交換樹脂或陰離子交換樹脂。它既能與水中的陽離子或陰離子進(jìn)行交換反應(yīng)，又因?yàn)槠湓偕秃褪蜁r的顏色具有明顯色差，非常便于分辨，從而便于現(xiàn)場人員的操作控制。其中，變色陽樹脂主要可以用來監(jiān)測蒸汽和凝結(jié)水處理混床出水的陽電導(dǎo)率。樹脂裝填于小型交換柱中，水中微量的礦物質(zhì)被樹脂交換轉(zhuǎn)化為酸，大大提高了監(jiān)測水中陽離子的靈敏度。當(dāng)樹脂失效時變成另一種顏色，明顯的指示出交換柱的工作狀態(tài)。另外，變色陽樹脂還可以與變色陰樹脂或普通強(qiáng)堿性陰樹脂配套裝于小直徑的透明混床交換柱中，作為帶指示劑的混床樹脂，用于電廠汽輪機(jī)內(nèi)冷水的監(jiān)測，并可以用于電子儀表工業(yè)和食品、醫(yī)藥工業(yè)

17、等領(lǐng)域。 當(dāng)前離子交換法研究的主要方向 一是合成適用于處理各種廢水的樹脂，以獲得交換容量大、洗脫率高、洗脫峰集中、抗污染能力強(qiáng)的樹脂； 二是是離子交換設(shè)備小型化、系列化、并向生產(chǎn)裝置連續(xù)化、操作自動化發(fā)展，以降低投資、減少用地，簡化管理。從目前掌握的離子交換法應(yīng)用的實(shí)踐以及當(dāng)前技術(shù)發(fā)展考慮離子交換樹脂法處理廢水的發(fā)展方向在于 : 選擇并開發(fā)具有高選擇性、易于解吸、耐磨率高、不易污染的新型功能樹脂或復(fù)合樹脂 在選擇離子交換樹脂時，應(yīng)考慮各種樹脂的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍，必要時采用幾種樹脂的組合處理 開發(fā)智能化的集成設(shè)備以控制離子交換樹脂法的吸附、解吸及再生過程 離子交換樹脂作為一種具備選擇吸附和交換功能

18、的特殊的高分子化合物，已經(jīng)在工業(yè)農(nóng)業(yè)加工制造業(yè)等各個領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用?？梢灶A(yù)見，隨著各行業(yè)不斷發(fā)展和科技水平的不斷進(jìn)步，離子交換樹脂將在未來發(fā)揮更加重要的作用。因此，準(zhǔn)確預(yù)測未來的發(fā)展方向?qū)τ谖覈x子交換樹脂生產(chǎn)者和消費(fèi)者來說有著重要意義。離子交換樹脂市場前景 離子交換樹脂市場規(guī)模越來越大。離子交換樹脂除了繼續(xù)在常規(guī)應(yīng)用領(lǐng)域（如工業(yè)水處理、飲用水凈化和食品工業(yè)等）繼續(xù)發(fā)揮重要作用外，也開始向高端科技領(lǐng)域滲透和發(fā)展。例如，在“神州五號”、“神舟六號”載人宇宙飛船和“嫦娥一號”探月衛(wèi)星工程中，哈爾濱晶體管廠負(fù)責(zé)提供軍用電子元器件，而浙江爭光實(shí)業(yè)股份有限公司提供的ZGER樹脂則為哈爾濱晶體管廠制

19、得了高純度的電子級生產(chǎn)用水。 目前國內(nèi)樹脂總產(chǎn)能已能夠滿足國內(nèi)市場，而在未來需要更多的國內(nèi)廠家積極開拓并占領(lǐng)國際市場。與此同時，來自國外樹脂生產(chǎn)商的壓力將迫使國內(nèi)廠家提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，這種良性競爭將給離子交換樹脂市場注入新的活力和生機(jī)。因此，可以預(yù)見離子交換樹脂的市場前景將會很廣闊，未來的35年將是世界（包括中國）離子交換樹脂行業(yè)又一個巨變的時期。 合成工藝先進(jìn)化 目前我國離子交換樹脂的常規(guī)合成工藝水平與國外相當(dāng)，但在新型合成工藝方面與國外相比仍存 在一定差距。例如，為了彌補(bǔ)懸浮聚合的不足，國外采用了先進(jìn)的全自動噴射法合成技術(shù)。采用這種技術(shù)的白球得率高且粒度均勻。但是這種方法在國內(nèi)還未實(shí)施，也未見有相關(guān)文獻(xiàn)報道。我國離子交換樹脂要想切實(shí)改善產(chǎn)品性能提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)一步增強(qiáng)國際競爭力，研究和推廣先進(jìn)的合成工藝是不可或缺的前提條件 性能質(zhì)量規(guī)范化 在離子交換樹脂領(lǐng)域，我國現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)、化工標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三個層次的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范33，其內(nèi)容涉及離子交換樹脂的分類、命名、各性能指標(biāo)測定方法、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及報廢標(biāo)準(zhǔn)等。隨著新型樹脂的出現(xiàn)及生產(chǎn)實(shí)際對于離子交換樹脂要求的提高，各標(biāo)準(zhǔn)也將逐步完善，某些特殊離子交換樹脂（如核級離子交換樹脂、食品級離子交換樹脂等）的驗(yàn)收、性能測定及報廢標(biāo)準(zhǔn)等有待逐一制定。總體來說，我國離子交換