1任務(wù)5.3離子交換項(xiàng)目5

污水物理化學(xué)處理法水污染治理技術(shù)（1）概念

借助于離子交換劑上的離子和污水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)而去除污水中有害離子的方法，是一種屬于傳質(zhì)分離過(guò)程的單元操作。去除目標(biāo)物：污水中不需要的離子（2）應(yīng)用

離子交換主要用于水處理(軟化和純化)；

溶液（如糖液）的精制和脫色；

從礦物浸出液中提取鈾和稀有金屬；

從發(fā)酵液中提取抗生素以及從工業(yè)廢水中回收貴金屬等。任務(wù)5.3離子交換

5.3.1認(rèn)識(shí)離子交換法5.3.2離子交換法原理

離子交換過(guò)程是液固兩相間的傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)（離子交換反應(yīng)）過(guò)程，通常離子交換反應(yīng)進(jìn)行得很快，過(guò)程速率主要由傳質(zhì)速率決定。

離子交換反應(yīng)一般是可逆的，在一定條件下被交換的離子可以解吸（逆交換），使離子交換劑恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，即離子交換劑通過(guò)交換和再生可反復(fù)使用。同時(shí)，離子交換反應(yīng)是定量進(jìn)行的，所以離子交換劑的交換容量是有限的。R-SO3H+M+?RSO3M+H+，所有陽(yáng)離子吸附到樹(shù)脂上，釋放出H+；R-OH+X-?RX+OH-，將所有陰離子吸附到樹(shù)脂上，釋放出OH-；H++OH-=H2O，陽(yáng)離子交換產(chǎn)生的H+與陰離子交換產(chǎn)生的OH-結(jié)合成水。任務(wù)5.3離子交換

離子交換容量是指單位質(zhì)量的離子交換劑所能交換的離子的當(dāng)量數(shù)或摩爾數(shù)：任務(wù)5.3離子交換

5.3.3離子交換劑離子交換劑指的是含有若干離子基團(tuán)的不溶性高分子物質(zhì)，是通過(guò)在不溶性高分子物質(zhì)(母體)上引入若干可解離基團(tuán)(活性基團(tuán))而制成。根據(jù)母體的不同，離子交換劑可分為離子交換樹(shù)脂、離子交換纖維素和離子交換凝膠等。

根據(jù)材質(zhì)的不同，離子交換劑分為無(wú)機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)兩類(lèi)。無(wú)機(jī)質(zhì)主要是沸石，有機(jī)質(zhì)有磺化煤和離子交換樹(shù)脂。（1）沸石

沸石有天然沸石和合成沸石。沸石色淺，具玻璃光澤，是含有水的鈉、鈣以及鋇、鍶、鉀等硅鋁酸的鹽類(lèi)，可以用作陽(yáng)離子交換劑。

由于無(wú)機(jī)離子交換劑耐高溫和輻照，研制出鋯氧、鉻氧和鈦氧等的磷酸鹽或鎢酸鹽構(gòu)成的陽(yáng)離子交換劑，它們的交換容量高，應(yīng)用于核工業(yè)中。（2）磺化煤

是煙煤用濃硫酸磺化的產(chǎn)物，是陽(yáng)離子交換劑，含有磺酸基、羧基和酚羥基，用于水的脫堿軟化?；腔簝r(jià)廉，但性能隨煤種而異，交換容量較低，性脆易碎，不耐磨耗。任務(wù)5.3離子交換

（3）離子交換樹(shù)脂大都是苯乙烯與二乙烯苯的共聚物，也有的是丙烯酸系的共聚物或苯酚甲醛的縮聚物。離子交換樹(shù)脂呈固體球形顆粒其直徑為0.2-1.2mm，多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；不溶于水。

離子交換樹(shù)脂按它的交換基團(tuán)分成陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂兩大類(lèi)：①陽(yáng)離子交換樹(shù)脂

強(qiáng)酸性：分子中含有-SO3H；

弱酸性：分子中含有-COOH；②陰離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿性：分子中含有季胺基-NR3OH；

弱堿性：分子中含有伯氨基-NH2或仲胺基-NHR或叔胺基-NR2。任務(wù)5.3離子交換

③離子交換樹(shù)脂的選擇性

離子交換樹(shù)脂對(duì)水中各種離子的吸附能力不同，其中某些離子很容易吸附，而另一些離子卻很難吸附。樹(shù)脂在再生時(shí)，有的離子容易被置換下來(lái)，而有的離子卻很難被置換。離子交換樹(shù)脂所具有的這種對(duì)水中離子能優(yōu)先交換的性能稱(chēng)為選擇性，它是決定離子交換法處理效率的一個(gè)重要因素。強(qiáng)酸性樹(shù)脂對(duì)陽(yáng)離子的吸附順序：Fe3+>Al3+>Pb2+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+弱酸性樹(shù)脂對(duì)陽(yáng)離子的吸附順序：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+

強(qiáng)堿性樹(shù)脂對(duì)陰離子的吸附順序：SO42－>NO3－

>Cl－>HCO3－>OH－

弱堿性樹(shù)脂對(duì)陰離子的吸附順序：OH－>SO42－>PO43－>NO2－>Cl－>AC－>HCO3－

任務(wù)5.3離子交換

④樹(shù)脂保存及使用

樹(shù)脂宜在0-40℃下存放，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃，或發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂脫水后應(yīng)向包裝袋內(nèi)加入飽和食鹽水浸泡。對(duì)長(zhǎng)期停止運(yùn)行而閑置在交換器中的樹(shù)脂應(yīng)定期換水。通常強(qiáng)酸性樹(shù)脂以鹽型保存、弱酸性樹(shù)脂以氫型保存、弱堿性樹(shù)脂以游離胺型保存、性能最穩(wěn)定。

樹(shù)脂在使用前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以除去雜質(zhì)。最好分別用水、5%HCI、2%~4%NaOH反復(fù)浸泡清洗兩次，每次4~8h。

樹(shù)脂在使用過(guò)程中，其性能會(huì)逐步降低，尤其在處理工業(yè)污水時(shí)，主要原因有物理破損和流失、活性基團(tuán)的化學(xué)分解、無(wú)機(jī)和有機(jī)物覆蓋樹(shù)脂表面等。針對(duì)不同的原因應(yīng)采取相應(yīng)的對(duì)策，如:定期補(bǔ)充新樹(shù)脂；強(qiáng)化預(yù)處理，去除原水中的游離氯和懸浮物；用酸、堿和有機(jī)溶劑等洗脫樹(shù)脂表面的污垢和污染物。任務(wù)5.3離子交換

5.3.4離子交換工藝

離子交換工藝包括交換、反沖洗、再生和清洗四個(gè)過(guò)程，這四個(gè)過(guò)程依次進(jìn)行，形成不斷循環(huán)的工作周期。（1）交換原水在一定的壓力（0.2-0.6Mpa）、流量下，通過(guò)控制器閥腔，進(jìn)入裝有離子交換樹(shù)脂的容器（樹(shù)脂柱或罐）；陽(yáng)離子樹(shù)脂與污水中的陽(yáng)離子進(jìn)行交換，陰離子樹(shù)脂與污水中的陰離子進(jìn)行交換。任務(wù)5.3離子交換

（2）反沖洗樹(shù)脂失效后，在進(jìn)行再生之前，先用水自下而上的進(jìn)行反向沖洗。反洗的目的有兩個(gè)，一是通過(guò)反洗，使運(yùn)行中壓緊的樹(shù)脂層松動(dòng)，有利于樹(shù)脂顆粒與再生液充分接觸；一是使樹(shù)脂表面積累的懸浮物及碎樹(shù)脂隨反洗水排出，從而使交換器的水流阻力不會(huì)越來(lái)越大。

樹(shù)脂反沖洗時(shí)體積要膨脹30%-40%，沖洗水可用自來(lái)水或廢再生液。（3）再生

再生是以一定流速通入較高濃度的再生液，流經(jīng)失效的樹(shù)脂層，將原先交換到樹(shù)脂上的離子置換出來(lái)，使其恢復(fù)原有的交換能力。一般采用HCI、H2SO4等強(qiáng)酸以及NaCl、Na2SO4，對(duì)強(qiáng)酸性陽(yáng)樹(shù)脂進(jìn)行再生；用HCI、H2SO4對(duì)弱酸性陽(yáng)樹(shù)脂進(jìn)行再生；用NaOH或NaCl對(duì)強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂進(jìn)行生；用NaOH或Na2CO3或NaHCO3對(duì)弱堿性陰樹(shù)脂進(jìn)行再生。

再生液一般用NaCl溶液時(shí)質(zhì)量濃度為5%-10%，HCI溶液時(shí)質(zhì)量濃度為5%-10%，H2SO4溶液時(shí)質(zhì)量濃度為1%-2%。再生液的流速一般以4-8m/h為宜。

任務(wù)5.3離子交換

（4）清洗清洗的目的是洗滌殘留的再生液和