離子交換的工藝過程.ppt

1、10.離子交換技術(shù)預(yù)處理重金屬廢水,離子交換法是一種借助于離子交換劑(ion exchange resin)上的離子和廢水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)而除去廢水中有害離子的方法。 離子交換過程也可以看成是一種特殊吸附過程，所以在許多方面都與吸附過程類同。 離子交換過程的特點(diǎn)在于:它主要吸附水中以離子態(tài)存在的物質(zhì)，并進(jìn)行等當(dāng)量的離子交換。 在廢水處理中，離子交換主要用于回收和去除廢水中金、銀、銅、鎘、鉻、鋅等金屬離子，對(duì)于凈化放射性廢水及有機(jī)廢水也有應(yīng)用,1)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)。 R-AB RBA RCD RDC 其中： R-和

2、R 代表陽、陰交換樹脂的本體， A和C 代表樹脂上可被交換的離子， B和D表示溶液中待交換的離子,一、離子交換基本理論,過程通常分為五個(gè)階段,a）交換離子從溶液中擴(kuò)散到樹脂顆粒表面； （b）交換離子在樹脂顆粒內(nèi)部擴(kuò)散； （c）交換離子與結(jié)合在樹脂活性基團(tuán)上的可交換離子發(fā)生交換反應(yīng)； （d）被交換下來的離子在樹脂顆粒內(nèi)部擴(kuò)散； （e）被交換下來的離子在溶液中擴(kuò)散。 離子交換的總速度取決于擴(kuò)散速度,2)離子交換樹脂的選擇性,一些離子很容易被吸附而另一些離子卻很難吸附，被樹脂吸附的離子再生的時(shí)候，有的離子很容易被置換下來，而有的卻很難被置換。離子交換樹脂所具有的這種性能稱為選擇性。 樹脂對(duì)各種離子的

3、交換能力是不同的，交換能力大小主要取決于各種離子對(duì)該樹脂的親合力。強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂的選擇順序?yàn)? Fe3+Cr3+Al3+Ca2+Mg2+K+ =NH4+ Na+ H+ Li,離子交換方式可分為靜態(tài)交換與動(dòng)態(tài)交換兩種。 靜態(tài)交換是將廢水與交換劑同置于一耐腐蝕的容器內(nèi)，使它們充分接觸（可進(jìn)行不斷攪拌）直至交換反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此法適用于平衡良好的交換反應(yīng)。 動(dòng)態(tài)交換是指廢水與樹脂發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，它又有塔式(column)（柱式）與連續(xù)式之分。在離子交換系統(tǒng)中多采用柱式交換法,二、離子交換的工藝過程,1)柱式交換法,1）工藝過程 國內(nèi)常用的固定床式離子交換柱與吸附柱基本相同。樹脂在柱內(nèi)不移動(dòng)，廢

4、水通過一定高度的樹脂層進(jìn)行交換。當(dāng)樹脂失去交換能力以時(shí)，或出水中某中離子的濃度超過一定數(shù)值時(shí)，需進(jìn)行反洗和再生。 柱式交換法的工作是周期性進(jìn)行的。交換效果受樹脂對(duì)離子的選擇性、樹脂的再生程度、樹脂層的高度、廢水的流速及離子濃度等因素影響,離子交換工藝過程示意圖,2）裝置類型,a）單床離子交換器:使用一種樹脂的單床結(jié)構(gòu)； （b）多床離子交換器:使用一種樹脂，由兩個(gè)以上交換器組成離子交換系統(tǒng)； （c）復(fù)床離子交換器:使用兩種樹脂的兩個(gè)交換器的串聯(lián)系統(tǒng)； （d）混合床離子交換器:同一交換器內(nèi)填裝陰、陽兩種樹脂； （e）聯(lián)合床離子交換器:將復(fù)床與混合床聯(lián)合使用,離子交換柱組合方式,2)連續(xù)式交換法,連

5、續(xù)式交換法的特點(diǎn)是交換、再生、清洗等操作在裝置的不同部位同時(shí)進(jìn)行，飽和的樹脂連續(xù)進(jìn)入再生柱，新生的樹脂同時(shí)又連續(xù)進(jìn)入交換柱。 該法進(jìn)行交換所需樹脂量比柱式少，樹脂利用率高，連續(xù)運(yùn)行，效率高。 但設(shè)備較復(fù)雜，樹脂磨損大,三塔式移動(dòng)床系統(tǒng)由交換塔、再生塔和清洗塔組成,離子交換劑分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。 無機(jī)的離子交換劑有天然沸石和人工合成沸石。沸石既可作陽離子交換劑，也能用作吸附劑。 有機(jī)的離子交換劑有磺化煤和各種離子交換樹脂。 離子交換樹脂是一類具有離子交換特性的有機(jī)高分子聚合電解質(zhì)，是一種疏松的具有多孔結(jié)構(gòu)的固體球形顆粒，不溶于水，也不溶于電解質(zhì)溶液,三、離子交換劑的分類及組成,離子交換樹脂的結(jié)

6、構(gòu),一部分是不溶性的樹脂本體(resin matrix)。樹脂本體為有機(jī)化合物和交聯(lián)劑組成的高分子共聚物。交聯(lián)劑的作用是使樹脂本體形成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 另一部分是具有活性的交換基團(tuán)（也叫活性基團(tuán)）。交換基團(tuán)(functional group)由起交換作用的離子和與樹脂本體聯(lián)結(jié)的離子組成。 如磺酸型陽離子交換樹脂的組成為：RSO3H，其中R為樹脂本體，SO3H為交換基團(tuán)，H是可交換離子,離子交換樹脂分為陽離子交換樹脂(cation resin)和陰離子交換樹脂(anion resin)。 如RSO3H，酸性基團(tuán)上的H可以電離，能與其他陽離子進(jìn)行等當(dāng)量的離子交換。 如RNH2活性基團(tuán)水合后形成含有

7、可離解的OH離子： RNH2H2O RNH3OH OH 可以和其它陰離子交換,按活性基團(tuán)中酸堿的強(qiáng)弱分為,a）強(qiáng)酸性(strong acid)陽離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為SO3H，故又稱磺酸型陽離子交換樹脂。 （b）弱酸性(weak acid)陽離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為COOH，故又稱羧酸型陽離子交換樹脂。其中活性基團(tuán)中的H可以被Na代替，因此陽離子交換樹脂又可分為氫型和鈉型。 （c）強(qiáng)堿性(strong base)陰離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為NOH，故又稱為季胺型陰離子交換樹脂,d）弱堿性(weak base)陰離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般有 NH3OH、NH2OH和NHOH之分，故分

8、別又稱伯胺型，仲胺型和叔胺型離子交換樹脂。陰離子交換樹脂中的氫氧根離子OH可以用氯離子Cl代替。因此，陰離子交換樹脂又有氫氧型和氯型之分。 根據(jù)離子交換樹脂顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又分為凝膠型(gel structure)和大孔型(macroporous structure)兩類。兩者的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)中空隙的大小,大孔型離子交化樹脂,1）離子交換容量 交換容量(exchange capacity)是樹脂交換能力大小的標(biāo)準(zhǔn)，可以用重量法和容積法兩種方法表示。 重量法是指單位重量的干樹脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mmo1/g或mo1/g來表示。 容積法是指單位體積的濕樹脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mmol/L

9、或mol/m3樹脂來表示。由于樹脂一般在濕態(tài)下使用，因此常用的是容積法,四、離子交換樹脂的性能指標(biāo),全交換容量是指樹脂中活性基團(tuán)的總數(shù)。 工作交換容量是指在給定的工作條件下，實(shí)際所發(fā)揮的交換容量，實(shí)際應(yīng)用中由于受各種因素的影響，一般工作交換容量只有總交換容量的6070。 有效交換容量是指出水到達(dá)一定指標(biāo)時(shí)交換樹脂的交換容量。 （2）含水率 含水率通常以每克濕樹脂（去除表面水分后）所含水分百分?jǐn)?shù)來表示,3）相對(duì)密度 離子交換樹脂的相對(duì)密度有三種表示方法:干真密度、濕真密度和濕視密度。 干密度是指在115真空干燥后的密度； 濕真密度是指樹脂在水中充分膨漲后的質(zhì)量與樹脂所占體積（不包括空隙）之比；

10、濕視密度是指樹脂在水中充分膨漲后單位體積樹脂所具有的質(zhì)量,4）溶脹性 當(dāng)樹脂由一種離子型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N離子型態(tài)時(shí)所發(fā)生的體積變化稱為溶脹性或膨脹性。 樹脂溶脹的程度用溶脹度來表示。如強(qiáng)酸陽離子交換樹脂由鈉型轉(zhuǎn)變成氫型時(shí)，其體積溶脹度約為57。 （5）耐熱性 各種樹脂所能承受的溫度都有一個(gè)高限，超過這個(gè)極限，就會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的熱分解現(xiàn)象，影響交換容量和使用壽命,6）交聯(lián)度 交聯(lián)劑占單體質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度。 交聯(lián)度直接影響樹脂的性能，交聯(lián)度越高，樹脂的機(jī)械強(qiáng)度就越大，對(duì)離子的選擇性就越強(qiáng)，但交換速度就越慢。 （7）選擇性 離子交換樹脂對(duì)水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為選擇性，它是決定離子交換法

11、處理效率的一個(gè)主要因素,8）化學(xué)穩(wěn)定性 廢水中的氧化劑，如氧、氯、鉻酸、硝酸等，由于其氧化作用能使樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，活性基團(tuán)的數(shù)量和性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。 防止樹脂因氧化而化學(xué)降解的辦法有三種：一是采用高交聯(lián)度的樹脂；二是在廢水中加入適量的還原劑；三是使交換柱內(nèi)的pH值保持在6左右。 除上述幾項(xiàng)指標(biāo)外，還有樹脂的外形、粘度、耐磨性、在水中的不溶性等,電鍍廢水水質(zhì),五、電鍍工藝及生產(chǎn)廢水來源,含鉻漂洗廢水首先進(jìn)行預(yù)處理，即砂濾、錳砂濾、炭濾和精密過濾，分別去除廢水中的固體顆粒物、鐵、錳雜質(zhì)及有機(jī)污染物，為后續(xù)離子交換工藝的順利運(yùn)行提供基礎(chǔ)。預(yù)處理后的漂洗水經(jīng)過陽樹脂床處理，交 換廢水中的陽離子雜質(zhì)，再經(jīng)過陰樹脂床處理，交換廢水中的鉻酸根離子；之后采用精密過濾器去除水中殘留的固體顆粒物，回用于生產(chǎn)線上,鉻酸回收工藝首先采用氫氧