第八章離子交換

第八章離子交換第一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四硬度的危害長期飲用高硬度的水，會造成膽結(jié)石等疾病鍋爐用水中含有硬度鹽類，會在受熱表面形成水垢，輕則降低鍋爐效率，重則會引起爆炸第二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四硬度的單位硬度的單位為meq/L10mgCaO/L為1度（德國）mgCaCO3/L（美國，日本）1meq/L＝2.8德國度＝50mgCaCO3/L法定計量單位為物質(zhì)的量濃度mol/L第三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四水的軟化處理藥劑軟化法基于溶度積的原理，加入某些藥劑，把水中鈣鎂離子轉(zhuǎn)變成難溶解化合物使之沉淀析出離子交換法利用某些離子交換劑所具有的陽離子與水中鈣鎂離子進行交換反應(yīng)電滲析利用離子交換膜的選擇透過性，在外加直流電場作用下，通過離子的遷移達到軟化的目的第四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四石灰軟化熟石灰提供了OH－離子將水中的HCO3－離子轉(zhuǎn)化成CO32－，使之與Ca2＋形成沉淀析出石灰軟化不能降低水的非碳酸鹽硬度，不過其可以去除水中部分鐵和硅的化合物過量投加石灰反而會增加水的硬度一般用于原水中碳酸鹽硬度較高且要求深度處理的情況，作為鈉離子交換法的預(yù)處理第五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四石灰蘇打軟化同時投加石灰和蘇打，石灰用于降低水的碳酸鹽硬度，蘇打用于降低水的非碳酸鹽硬度。軟化水的剩余硬度可以降低到0.15~0.2mol/L適應(yīng)于硬度大于堿度的水第六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換法概述8.1.1離子交換劑8.1.2離子交換速度8.1.3樹脂層的離子交換過程8.1.4水的離子交換軟化8.1.5水的離子交換除鹽8.1.6離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用

第七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四概述在給水處理中，離子交換是軟化、除鹽的主要方法之一；廢水處理中，常用于去除金屬離子。離子交換的實質(zhì)是不溶性離子化合物（離子交換劑）上的可交換離子與溶液中其它同樣離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過程，通常是可逆的化學(xué)吸附。反應(yīng)式可表達為：RH+M+RM+H+（11-1）

第八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四概述平衡時，有：（11-2）K——平衡常數(shù)。K越大，越有利于交換反應(yīng)。K值能定量地表示離子交換選擇性的大小，故亦稱為選擇性系數(shù)。第九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換劑水處理中常用的離子交換劑為磺化煤和離子交換樹指，廢水處理中主要用樹指。磺化煤：煤研磨后經(jīng)濃硫酸處理而得的碳質(zhì)離子交換劑。離子交換樹脂：有凝膠型、大孔型和等孔型等。根據(jù)交換基團（活性基團）的不同，可分為強酸性、弱酸性、強堿性、弱堿性四種。前兩種有酸性交換基團，為陽離子型交換樹脂；后兩種帶堿性交換基團，為陰離子交換樹脂。

第十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換劑一、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)二、樹脂的類型三、離子交換樹指的性能指標四、廢水水質(zhì)對離子交換的影響

第十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹脂是人工合成的高分子化合物(小球狀、多孔結(jié)構(gòu))，由樹脂本體(母體、骨架)和交換基團兩大部分組成。母體：由高分子化合物與交聯(lián)劑經(jīng)聚合反應(yīng)而成。樹脂中交聯(lián)劑的重量在樹脂重量中所占的百分數(shù)稱為交聯(lián)度。交換基團：樹脂母體并不具有離子交換性能，只能在母體上引入交換基團才成為離子化合物，具有離子交換能力。第十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)常用的交換基團有：經(jīng)磺化反應(yīng)引入的-SO3H（陽離子）；經(jīng)氯甲基化及胺化引入的≡NOH（強堿性陰離子）、≡NHOH（叔胺型）、=NH2OH（仲胺型）和—NH3OH（伯胺型）等。交換基團分為固定離子和活動離子第十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)固定離子：與母體牢固結(jié)合，固定在樹脂的網(wǎng)狀骨架上，不能自由移動。活動離子：依靠靜電引力與固定離子結(jié)合，遇水可離解，并能在一定范圍內(nèi)自由移動，與水中其它同性離子進行交換反應(yīng)，為可交換離子。例：—SO3H中，—SO3固定，H+移動；≡NHOH中，≡NH固定，OH-移動故：酸性樹脂以RH表示；堿性樹脂以ROH表示

第十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四樹脂的類型按樹脂類型和孔結(jié)構(gòu)不同，分為凝膠型、大孔型、多孔型、巨孔型等。按活性基團不同：陽離子(酸性基團)：強酸型(-SO3H)；弱酸性(-COOH)陰離子(堿性基團)：強堿性(≡NOH)；弱堿性(≡NHOH，=NH2OH，—NH3OH)螯合樹指（羥胺基團）氧化還原樹指：兩性樹指等。

第十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換樹脂的性能指標1、密度

2、含水率3、酸、堿性4、選擇性

5、交換容量6、交聯(lián)度7、樹脂的再生

第十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四密度（1）濕真密度：樹脂在水中經(jīng)充分膨脹后的顆粒密度

（11-3）一般在1.04~1.3之間

第十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四密度（2）濕視密度：樹脂在水中充分膨脹后的堆積密度

（11-4）一般在0.6~0.85之間，常用來計算樹脂的用量

第十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四含水率在水中充分膨脹后的濕樹脂所含溶脹水的重量與濕樹脂重量的百分比

（11-5）一般為50%第十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四酸、堿性離子交換樹脂具有一般酸、堿的反應(yīng)性能，在水中離解出H+或OH-。根據(jù)離解能力的大小，樹脂的酸、堿性有強、弱之分。pH影響活性基團的電離能力，強酸強堿性受其影響小，弱酸堿性則受pH影響大。樹脂類型強酸強堿弱酸弱堿有效pH范圍1~141~125~140~7

第二十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四選擇性離子交換樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為離子交換選擇性。選擇性表示了交換離子取代樹脂上可交換離子的難易程度，與樹脂間結(jié)合力的大小，離子交換的先后順序和交換量。交換離子與樹脂的親和力的大小稱為交換勢。交換勢越大，表明選擇性越高。

第二十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四選擇性關(guān)于不同離子交換勢的大小，有多種理論解釋，影響因素較多，一般有如下規(guī)律：①離子的交換勢，與自身化學(xué)性質(zhì)，樹脂化學(xué)性有關(guān)，并受溫度和濃度影響較大。下面介紹的規(guī)律適用于常溫和低濃度溶液中。②離子所帶電荷愈多，交換勢愈大。Th4+>Al3+>Ca2+>Na+PO43->SO42->Cl-第二十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四選擇性③電荷相同時，大致是原子序數(shù)愈高或水合半徑愈小，交換勢愈大，副族元素正好相反。Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+≈NH3+>Na+>Li+NO3->Cl->HCO3->HSiO3-第二十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四選擇性④H+和OH-的交換選擇性與樹脂的酸、堿性關(guān)系很大，如：強酸性陽樹脂F(xiàn)e3+>Al3+>Ca2+>…>Na+>H+>Li+弱酸性陽樹脂H+>Fe3+>…強堿性陰樹脂SO42->NO3->Cl->OH->F->HCO3->HSiO3-弱堿性陰樹脂OH->SO42->…第二十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四選擇性⑤離子量高的有機離子和金屬絡(luò)合離子交換勢特別大。⑥大孔型樹脂具有很強的吸附性，可以吸附非離型雜質(zhì)。上述規(guī)律適用于稀溶液，當(dāng)離子濃度很高時則可使交換次序發(fā)生改變，再生時即如此。

第二十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四交換容量是樹脂最重要的性能指標，定量表示樹指交換能力的大小。表示方法：①重量表示法：單位重量干樹脂的交換能力，毫克當(dāng)量/克(干樹脂)②體積表示法：單位重量濕樹脂的交換能力，毫克當(dāng)量/毫升(濕樹脂)

第二十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四交換容量兩種表示方法之間具有如下關(guān)系：

（11-6）式中：Ev—單位體積濕樹脂的交換能力（毫克當(dāng)量/毫升濕樹脂）Ew—單位重量干樹脂的交換能力（毫克當(dāng)量/克干樹脂）

第二十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四交換容量樹脂的交換容量有幾種，常用兩種：（1）全（總）交換容量：指單位重量（干）或單位體積（濕）樹脂的交換基團總數(shù)，用滴定法測定。（2）工作交換容量：指樹脂在動態(tài)工作狀態(tài)下的交換容量，即樹脂在給定工作條件下的實際交換能力，一般為總交換容量的60~70％。影響因素包括再生程度、廢水的離子種類、濃度、樹脂層高度、水流速度、交換終點指標等。

第二十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四交聯(lián)度樹脂中交聯(lián)劑重量占樹脂總重量的百分數(shù)，影響樹脂的許多性能。交聯(lián)度高，孔隙率低，密度大，離子擴散速率較低，對半徑較大的離子和水合離子的交換量較小，溶脹率小，穩(wěn)定，不易破碎。水處理中使用的離子交換樹指，交聯(lián)度一般7~10％。

第二十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四樹脂的再生交換后的樹脂在強酸或強堿中浸泡可恢復(fù)交換能力，稱為樹脂的再生。

第三十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四水質(zhì)對離子交換的影響1、懸浮物、油脂：堵塞樹指孔隙，包裹樹脂顆粒，影響交換容量。預(yù)處理：沉淀、過濾、除油等。2、有機物：某些高分子有機物與固定離子結(jié)合力很強，使樹脂難以再生，降低了交換容量。減少有機污染，選用低交聯(lián)度樹脂，預(yù)處理，特殊的再生操作(加氧化劑等)。

第三十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四水質(zhì)對離子交換的影響3、高價金屬離子：Fe3+、Al3+、Cr3+，與固定離子結(jié)合力強，優(yōu)先交換。難以再生、洗脫(中毒)，降低工作容量。高濃度酸（10~15％HCl或20％H2SO4）長時間浸泡。4、氧化劑：如Cl2、O2、H2Cr2O7等，會使樹脂氧化分解，強堿性樹脂容易被氧化，使交換基團變成非堿性物質(zhì)，完全喪失交換能力；氧化作用影響母體，使樹脂加速老化。選用交聯(lián)度大的樹指，加入適當(dāng)?shù)倪€原劑等。

第三十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換速度一、交換過程二、影響交換速度的因素

第三十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四交換過程1、水中Na+離子擴散至樹脂表面水膜（膜擴散）2、Na+經(jīng)水膜至某一交換基團位置（內(nèi)擴散）3、Na+與H+交換4、交換下的H+經(jīng)孔隙向樹脂表面擴散（內(nèi)擴散）5、H+經(jīng)水膜向水中擴散（膜擴散）其中第三步速度快，其余步驟速度慢，離子交換速度指全過程的速度。

第三十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四影響交換速度的因素1、交聯(lián)度2、水中的離子濃度3、水的流速4、樹脂顆粒大小5、水溫

第三十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四樹脂層的離子交換過程在離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水，逐層取出樣品并測定其吸著的鈣離子含量以及飽和程度。圖中，黑點表示鈣型樹脂，白點表示鈉型樹脂，1段表示樹脂已全部被鈣離子飽和，2段表示正在進行離子交換反應(yīng)的部分，其飽和程度順著流向逐漸減小，3段表示樹脂尚未進行交換的區(qū)段。如把整個樹脂層各點飽和程度連成曲線，即得圖所表示的飽和程度曲線。

第三十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四樹脂層的離子交換過程實驗證明，樹脂層離子交換過程可分為兩個階段（見圖）。交換帶是指在某一時刻正在進行交換反應(yīng)的軟化工作層。這個軟化工作層并非在一段時間內(nèi)固定不動的，而是隨著時間的推移而緩慢地推移。交換帶厚度可以理解為處于動態(tài)的軟化工作層的厚度。

第三十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四樹脂層的離子交換過程當(dāng)交換帶下端到達樹脂層底部，硬度也就開始泄漏。此時，整個樹脂層可分為兩個部分：樹脂交換容量得到充分利用的部分稱為飽和層，樹脂交換容量只是部分利用的部分稱為保護層?？梢?，交換帶厚度相當(dāng)于此時的保護層厚度，在水的離子交換軟化的情況下，交換帶厚度主要與進水流速及進水總硬度有關(guān)。

第三十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第三十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第四十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四水的離子交換軟化水的離子交換軟化是指利用離子交換去除水中的硬度離子（Ca、Mg），主要利用陽離子交換樹脂的交換特性。一、陽離子交換樹脂的交換特性二、離子交換軟化系統(tǒng)三、離子交換軟化裝置

第四十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四陽離子交換樹脂的交換特性1、鈉型樹脂的交換特性2、強酸性H型樹脂的交換特性3、弱酸性H型樹脂的交換特性

第四十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四鈉型樹脂的交換特性2RNa+Ca(HCO3)2R2Ca+2NaHCO3(11-7)2RNa+Mg(HCO3)2R2Mg+2NaHCO3(11-8)2RNa+CaSO4R2Ca+Na2SO4(11-9)2RNa+MgCl2R2Mg+2NaCl(11-10)水的硬度可分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。從上述反應(yīng)方程式可以看出，利用鈉型樹脂可去除水中的硬度，但不能去除堿度。

第四十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四強酸性H型樹脂的交換特性2RH+Ca(HCO3)2R2Ca+2CO2+2H2O(11-11)2RH+CaSO4R2Ca+H2SO4(11-12)2RH+CaCl2R2Ca+2HCl(11-13)RH+NaClRNa+HCl(11-14)

從上述反應(yīng)方程式可知，利用強酸性H型樹脂不僅可去除水中的硬度，還可去除堿度。第四十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四弱酸性H型樹脂的交換特性弱酸性H型樹脂常用的有丙烯酸型，交換基團是-COOH，交換時只能去除碳酸鹽硬度，而不能去除非碳酸鹽硬度。

第四十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換軟化系統(tǒng)1、Na離子交換軟化系統(tǒng)2、離子交換脫堿軟化系統(tǒng)

第四十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四Na離子交換軟化系統(tǒng)Na離子交換軟化系統(tǒng)只去除硬度，不能去除堿度。常用的有單級Na離子交換軟化系統(tǒng)和多級Na離子交換軟化系統(tǒng)（見圖11-1-3，11-1-4）。

第四十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第四十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第四十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換脫堿軟化系統(tǒng)在鍋爐給水中，有時需同時去除硬度和堿度。降低堿度最簡單的方法是加酸。在Na離子交換的出水中加酸可以去除堿度，但加酸的結(jié)果使水中溶解性固型物增加。因此，為達到去除硬度，降低堿度又不增加水中溶解性固體的目的，常采用H-Na離子交換法來處理。（1）H-Na并聯(lián)離子交換系統(tǒng)（見圖）（2）H-Na串聯(lián)離子交換系統(tǒng)（見圖）

第五十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第五十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第五十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換軟化裝置離子交換裝置，按照運行方式的不同，可分為固定床和連續(xù)床兩大類：單層床固定床雙層床混合床離子交換裝置移動床連續(xù)床流動床

第五十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換軟化裝置

單層固定床離子交換裝置是最常用、最基本的形式。離子交換樹脂（或磺化煤）裝填在離子交換器內(nèi)。在操作過程中，樹脂不往外輸送，所以稱為固定床。移動床、流動床都是與固定床相對而言的，并在固定床基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1、固定床離子交換設(shè)備2、連續(xù)床離子交換設(shè)備

第五十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四固定床離子交換設(shè)備

固定床離子交換裝置根據(jù)原水與再生液的流動方向，可分為兩種形式：原水與再生液分別從上而下以同一方向流經(jīng)離子交換器的，成為順流再生固定床；原水與再生液流向相反的，成為逆流再生固定床。后一種目前得到廣泛應(yīng)用。圖給出了固定床逆流再生離子交換器的構(gòu)造。第五十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四固定床離子交換設(shè)備（1）逆流再生固定床離子交換裝置的構(gòu)造圓形壓力鋼罐，一般承壓4~6Kg/cm2樹脂層：1.5~2.0m，上部有足夠空間保證反沖洗時樹脂層膨脹用；上部：進水系統(tǒng)(反洗水出口)，距樹脂層40~80％層高下部：排水系統(tǒng)(出水、清洗、反洗進口)多孔板、濾布層第五十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四固定床離子交換設(shè)備固定床操作過程：四個步驟（交換、反洗、再生、清洗），交換過程就是軟化過程，而反洗、再生、清洗屬于再生工序。

逆流再生有兩種操作方式：一是采用再生液向上流、水向下流的方式，應(yīng)用比較成功的有氣頂壓法、水頂壓法等；一是采用再生液向下流，水流向上的方式，應(yīng)用較為成功的有浮動床法。

第五十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四固定床離子交換設(shè)備（2）固定床軟化設(shè)備的設(shè)計計算物料衡算：

（11-15）式中：F—離子交換器截面積，m2；h—樹脂層高，m；q—樹脂工作交換容量，mmol/L；Q—軟化水水量，m3/h；T—軟化工作時間，即從軟化開始到出現(xiàn)硬度泄漏的時間，h；C0—原水硬度，mmol/LC—出水硬度，mmol/L第五十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四固定床離子交換設(shè)備圖表示陽離子交換器軟化水剩余硬度與出水量的關(guān)系曲線。出水量到達b點時，硬度開始泄漏，b點稱為硬度泄漏點。如交換反應(yīng)繼續(xù)進行，則軟化水剩余硬度很快上升，直至接近原水硬度。此時，交換器的交換能力幾乎全部耗盡。圖中面積abedca表示在給定條件下交換器總的交換能力，面積abdca為交換器的工作交換能力。后者除以樹脂體積即等于樹脂工作交換容量。

第五十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第六十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第六十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四連續(xù)床離子交換設(shè)備固定床的基本缺陷：①樹脂不能邊失效，邊再生，造成交換器內(nèi)樹指積壓，利用率低，交換器容積利用不充分；②樹脂層中樹脂交換能力使用不勻，上層飽和程度高，下層低。連續(xù)式的特點:樹脂不固定在交換器內(nèi)，而是處于連續(xù)循環(huán)運動中，交換與再生長則在不同塔內(nèi)進行。樹脂的用量比固定床減少1/3~1/2，設(shè)備單位容積的產(chǎn)水量還可提高。連續(xù)式離子交換至分移動床和流動床兩種。

第六十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四水的離子交換除鹽一、陰離子交換樹脂的工作特性二、離子交換除鹽系統(tǒng)

第六十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四陰離子交換樹脂的交換特性1、強堿性陰樹脂的工作特性2、弱堿性陰樹脂的工作特性

第六十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四強堿性陰樹脂的工作特性強堿性陰樹脂（ROH）可以和經(jīng)H離子交換的出水中各種陰離子進行交換，發(fā)生如下反應(yīng)：ROH+H2SO4RHSO4+H2O(11-16)2ROH+H2SO4RSO4+2H2O(11-17)ROH+HClRCl+H2O(11-18)ROH+H2CO3RHCO3+H2O(11-19)

第六十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四弱堿性陰樹脂的工作特性弱堿性陰樹脂只能與水中的強酸陰離子起反應(yīng)，而不能吸附水中的弱酸陰離子。不僅如此，即使是強酸陰離子，也只有以酸的形式存在時，才能被弱堿性陰樹脂所交換，發(fā)生如下反應(yīng)：R-NH3OH+HClR-NH3Cl+H2O(11-20)2R-NH3OH+H2SO4(R-NH3)2SO4+2H2O(11-21)根據(jù)交換離子的選擇性，對弱堿性而言，OH-的交換勢最大，故用弱堿性樹脂交換陰離子，應(yīng)嚴格控制水的pH值，應(yīng)小于9。

第六十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換除鹽系統(tǒng)離子交換除鹽系統(tǒng)是由H型陽離子和OH型陰離子交換裝置串聯(lián)而成；也可將兩種樹脂混裝于同一交換裝置中；或分層填放在同一交換裝置中，均能達到除鹽的目的。1、復(fù)床除鹽系統(tǒng)2、混合床除鹽

第六十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四復(fù)床除鹽系統(tǒng)復(fù)床是指陽、印離子交換器串聯(lián)使用，常用的復(fù)床除鹽系統(tǒng)有下述兩種。（1）強酸-脫氣-強堿系統(tǒng)（如圖11-1-9所示）（2）強酸-脫氣-弱堿-強堿系統(tǒng)（見圖11-1-10）第六十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第六十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第七十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四混合床除鹽陰、陽離子交換樹脂裝填在同一個交換器內(nèi)，再生時使之分層再生，使用時先將其均勻混合，這種陰、陽離子交換樹脂混合一起的離子交換裝置成為混合床。由于混合床內(nèi)陰、陽樹脂緊密交替接觸，好像有許多陽床和陰床串聯(lián)在一起，構(gòu)成無數(shù)微型復(fù)床，反復(fù)進行多次脫鹽，因而出水純度很高。

第七十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四混合床除鹽混合床的缺點是再生時陰、陽樹脂難以徹底分層，另外對有機物污染很敏感。因此，為了防止有機物污染對陰樹脂的影響，在水進入混合床之前應(yīng)進行必要的預(yù)處理。除了上述介紹的兩種離子交換除鹽系統(tǒng)外，還有氫精處理器、雙層床離子交換裝置等。

第七十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用主要去除對象：銅、鎳、鎘、鉻、鋅、汞、金、銀、鉑、磷酸、硝酸、氨、有機物、放射性物質(zhì)等。下面以離子交換法處理含鉻廢水為例說明其在廢水處理中的應(yīng)用。

第七十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用雙陰柱全酸性全飽和流程處理含鉻廢水1、目的：實現(xiàn)鉻的回收及漂洗水的循環(huán)回用2、處理流程（見圖11-1-11）含鉻電鍍廢水：主要含有CrO42-和Cr2O72-，少量Cr3+以及其它離子第七十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用廢水先經(jīng)陽柱，除去陽離子(Fe3+、Cr3+、Ca2+、Mg2+等)，并使廢水的pH下降至5以下，此時鉻大部分以Cr2O72-的形式存在。然后廢水進入陰柱Ⅰ，根據(jù)交換選擇性Cr2O72->CrO42->SO42->Cl-，隨著交換的進行，陰柱Ⅰ中順序出現(xiàn)Cl-、SO42-、CrO42-的泄漏，為了保證陰柱Ⅰ全部為Cr2O72-飽和，在陰柱Ⅰ后面接另一陰柱Ⅱ。當(dāng)柱Ⅰ全部為鉻飽和時柱Ⅰ開始再生，可獲得純度較高的鉻酸。此流程稱為雙陰柱全酸性全飽和流程，出水純度較高。第七十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用陽柱采用HCl或H2SO4再生。陰柱采用NaOH再生(只再生Cr6+飽和的柱，根據(jù)出水水質(zhì)的要求)為了回收H2Cr2O7，可將再生陰樹脂獲得的再生洗脫液，經(jīng)H型陽柱：4RH+2Na2CrO4→4RNa+H2Cr2O7+H2O（11-22）

第七十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用3、樹脂的選擇含鉻廢水pH<6，含強氧化劑H2CrO4和H2Cr2O7，應(yīng)選擇具有較高抗氧化能力和高機械強度的陽、陰樹脂。陽柱——強酸型H樹脂。陰柱——弱堿型樹脂，抗氧化能力較強(強堿型容量大，但易被氧化分解)。

第七十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用4、預(yù)處理和防腐柱——鋼制，不能用橡膠襯里。管道、閥門——硬聚氯乙烯。泵——耐酸泵。二、離子交換法在廢水處理中的某些應(yīng)用（見表11-1）

第七十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第七十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第八十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附8.2.1吸附及其類型8.2.2吸附等溫線8.2.3吸附速度8.2.4影響吸附的因素8.2.5常用吸附劑8.2.6吸附操作方式與設(shè)計8.2.7吸附劑的再生8.2.8吸附在水處理中的應(yīng)用

第八十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附及其類型一、吸附的定義二、吸附的原因三、吸附的種類四、吸附的特征

第八十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附的定義在相界面上，物質(zhì)的濃度自動發(fā)生積累和濃集的現(xiàn)象稱為吸附，它可以發(fā)生在不同的相界面上。廢水處理中，主要利用固體物質(zhì)對液相中污染物質(zhì)的吸附作用。吸附法(工藝)：利用多孔性的固體物質(zhì)，使廢水中一種或多種污染物吸附于固體表面而得到去除。吸附劑──具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)。吸附質(zhì)──(廢水中)被吸附的物質(zhì)。

第八十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附的原因由表面張力與表面能的變化引起，具體可參見《物理化學(xué)》中表面化學(xué)部分。

第八十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附的種類根據(jù)吸附力不同可分為：物理吸附：分子間力(范德華引力)吸附化學(xué)吸附：化學(xué)鍵力交換吸附：靜電引力吸附的實質(zhì)：表面現(xiàn)象，減小界面能的一種方式物質(zhì)吸附于固體表面之后，減小表面張力，使界面上的分子受力趨于均衡，故是自動發(fā)生的。

第八十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附的特征1、物理吸附①吸附時表面能降低、放熱；②可在低溫下進行∵不需要活化能③選擇性不強，吸引力隨分子量增大而增大，可以吸附多種吸附質(zhì)；④易于解吸(吸附的逆過程)∵分子的熱運動；⑤可形成單層或多層吸附。

第八十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附的特征2、化學(xué)吸附①吸附熱大，需在高溫下進行；②具有選擇性；③化學(xué)鍵力大時，吸附不可逆；④只能形成單分子吸附層。

第八十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附的特征3、交換吸附吸附質(zhì)的離子由于靜電引力聚集到吸附劑表面帶電點，同時吸附劑也放出等當(dāng)量離子。離子帶電荷多，吸附強；電荷相同，水化半徑小，吸附力強。三種吸附作用往往相伴發(fā)生，水處理中的吸附大部分是綜合作用的結(jié)果。

第八十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附等溫線由于吸附是一種表面化學(xué)過程，因此研究吸附可從兩方面進行：化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速度。吸附等溫線實際上表達了吸附達到動態(tài)平衡時的平衡濃度表達式。一、吸附平衡二、吸附劑的吸附量三、吸附等溫線

第八十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附平衡吸附速度=解吸速度如果吸附是可逆的，存在吸附和解吸兩個過程。當(dāng)吸附質(zhì)在吸附劑表面達到動態(tài)平衡時，吸附質(zhì)在溶液中的濃度和吸附劑表面的濃度都不再改變，此時溶液中的吸附質(zhì)濃度稱為平衡濃度。

第九十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附劑的吸附量吸附劑吸附能力的大小用吸附量表示：單位重量的吸附劑吸附的吸附質(zhì)的重量。吸附量q（g/g）按下式計算：

（11-23）式中：V——水的體積，L；C0——原水中吸附質(zhì)濃度，g/L；C——平衡水中的殘余吸附質(zhì)濃度，g/L；M——活性炭投加量，g

第九十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附等溫線溫度一定的條件下，V、C0一定時，改變投炭量，吸附的平衡濃度和吸附量均發(fā)生相應(yīng)改變。其規(guī)律如圖所示。在雙對數(shù)坐標上可得一近似直線（如圖）。表示吸附等溫線的方程為等溫吸附式，常用兩種1、Freundlich等溫吸附公式2、Langmuir等溫吸附公式

第九十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四Freundlich等溫吸附公式根據(jù)圖11-2-2可知：

（11-24）（11-25）式中：K，n——常數(shù)Freundlich等溫吸附公式是一個經(jīng)驗公式

第九十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四Langmuir等溫吸附公式根據(jù)分子運動學(xué)說，通過一些假設(shè)而推導(dǎo)的單分子層吸附公式如下：

(11-26)式中：a，b—常數(shù)

線性化：(11-27)如圖所示

第九十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第九十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第九十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第九十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附速度吸附速度：單位時間內(nèi)單位重量的吸附劑所吸附的物質(zhì)的量。水中多孔吸附劑對吸附質(zhì)的吸附過程分三個階段：①顆粒外部擴散(膜擴散)階段──吸附質(zhì)通過液膜②內(nèi)部擴散階段──吸附質(zhì)向細孔深處擴散③吸附反應(yīng)階段──吸附質(zhì)被吸附于細孔表面上第三階段一般進行很快，故吸附受前兩階段擴散速度控制。

第九十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附速度外部擴散：與膜兩邊濃度和膜表面積(即吸附劑外表面積)成正比，與溶液攪動程度有關(guān)。增加溶液與吸附劑的相對速度，可使液膜變薄，提高外擴速度。內(nèi)部擴散：比較復(fù)雜，與微孔大小、構(gòu)造、吸附質(zhì)顆粒大小、吸附劑顆粒大小有關(guān)。吸附劑顆粒小，對提高吸附速度有利。

第九十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四影響吸附的因素一、吸附劑的性質(zhì)二、吸附質(zhì)的性質(zhì)三、pH值四、溫度

五、接觸時間六、生物協(xié)同作用

第一百頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附劑的性質(zhì)1、孔的大小活性炭是以含炭物質(zhì)經(jīng)高溫炭化和活化而成，活化時造成內(nèi)部孔隙十分發(fā)達。一般孔徑<40埃為微孔，40~100埃為過渡孔，>100埃為大孔?；钚蕴康奈搅恐饕晌⒖字?，因微孔的表面積占總表面積的95%以上。

第一百零一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附劑的性質(zhì)2、比表面積活性炭的比表面積一般500~1700m2/g。炭的粒徑越小，或微孔越發(fā)達，則比表面積越大，吸附量就越大。3、炭的表面化學(xué)性質(zhì)活化時能使炭的表面產(chǎn)生微弱極性，有利于產(chǎn)生離子交換吸附或絡(luò)合反應(yīng)，提高處理效果。要求吸附容量大，速度快，機械強度好。

第一百零二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附質(zhì)的性質(zhì)能使液體表面張力降低越多的吸附質(zhì)，越易被吸附；吸附質(zhì)濃度的影響可由吸附等溫線看出。吸附質(zhì)的溶解度、表面自由能、分子大小和不飽和程度、極性等均對吸附有影響。

第一百零三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四pH值溶液的pH值影響溶質(zhì)在水中的存在狀態(tài)(分子、離子、絡(luò)合物)和溶解度，也影響炭的表面電荷特性，活性炭在酸性溶液中吸附性能好，pH>9時不易吸附。第一百零四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四溫度吸附是放熱反應(yīng)，因此溫度升高，吸附量減少。

第一百零五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四接觸時間受吸附速度影響，應(yīng)結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟兩方面考慮。吸附時應(yīng)保證一定的接觸時間，以使吸附接近平衡。接觸時間為：

（11-28）式中：W——炭層容積，m3；Q——流量，m3/h；h——炭層高度，m；v——空塔過濾速度，m/h

第一百零六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四生物協(xié)同作用活性炭使用一定時間后，其表面會繁殖微生物，參與對有機物的去除。目前，有人利用生物活性炭處理低濃度有機廢水，取得了較好的效果。有利──參與有機物的分解、去除。不利──增加水頭損失，產(chǎn)生厭氧狀態(tài)。

第一百零七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四常用吸附劑廣義上，一切固體表面都具有吸附作用。實際上，只有多孔物質(zhì)和尺度很小的物質(zhì)因為有巨大的表面積，才有明顯的吸附能力。廢水中處理中常用的吸附劑：活性炭，磺化煤、活化煤、沸石、活性粘土、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等，以活性炭應(yīng)用最廣。

第一百零八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四常用吸附劑活性炭：用含炭為主的原料(木材、煤)，經(jīng)高溫炭化和活化而制成的疏水性吸附劑，外觀黑色、有粉狀和粒狀、棒狀等。活性炭晶格間有許多不同形狀和大小的細孔，吸附作用主要發(fā)生的細孔表面，比表面積500～1700m2/g。吸附量與比表面積、細孔構(gòu)造和分布、表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

第一百零九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附操作方式與設(shè)計一、操作方式二、設(shè)計

第一百一十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四操作方式廢水進行吸附前，應(yīng)先經(jīng)預(yù)處理去除懸浮物、油類等雜質(zhì)，避免堵塞吸附劑的孔隙。吸附操作分為靜態(tài)與動態(tài)操作方式。靜態(tài)為間歇式，很少用(小流量，間歇排放)；動態(tài)操作為連續(xù)式，有固定床、移動床和流動床三種。

第一百一十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四操作方式1、固定床水連續(xù)進入和流出，經(jīng)床層吸附雜質(zhì)可得到清潔的出水。為充分發(fā)揮炭床的最大吸附作用，常采用多塔串聯(lián)運行。2、移動床水由下部進入上部排出，底層飽和的炭定期由下部排出，經(jīng)再生的炭由塔頂補充，可節(jié)省占地面積。3、流動床（流化床）利用進水動力使炭粒之間發(fā)生相對運動，呈流化態(tài)懸浮，利于炭水的充分接觸。

第一百一十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四設(shè)計1、設(shè)計步驟（1）根據(jù)靜態(tài)吸附試驗得出不同炭的吸附的等溫線，從而選擇炭型，并按式11-23計算用炭量；（2）由動態(tài)吸附柱試驗確定設(shè)計參數(shù)——炭柱形式、串聯(lián)級數(shù)、炭的使用周期、通水倍數(shù)(m3水/Kg炭)、最佳空塔速度；接觸時間、炭柱容量、用炭量、再生設(shè)備容量；每米炭層水頭損失、反沖洗頻率、強度等。

第一百一十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四設(shè)計2、動態(tài)吸附柱的工作過程與計算動態(tài)吸附過程可用穿透曲線（圖）來表示。以出水吸附質(zhì)濃度為縱坐標，出水量(或出流時間)為橫坐標作圖，可得到穿透曲線。

第一百一十四頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四設(shè)計當(dāng)廢水進入炭柱后，首先由炭層上部發(fā)生吸附作用。隨著廢水的進入，吸附區(qū)逐漸下移，當(dāng)出水中吸附質(zhì)濃度達到出水要求時，吸附達到終點，此時應(yīng)對炭柱進行再生。圖中炭層上部為飽和區(qū)，發(fā)生吸附的為吸附帶，下部為未吸附區(qū)。當(dāng)出水濃度達到允許的濃度Ca時對應(yīng)的點為穿透點a；出水濃度達到進水濃度的90~95%時表明吸附能力耗竭，對應(yīng)的點為吸附終點b。從a到b這段時間Δt內(nèi)，吸附帶所移動的距離為吸附帶的長度δ。

第一百一十五頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四設(shè)計吸附容量的通水倍數(shù)：單位重量的炭可處理的水量。若采用單柱吸附，則處理水量為Va，通水倍數(shù)為Va/M；若采用多柱串聯(lián)，則每柱可處理水量增加到Vb，通水倍數(shù)為增加為Vb/M。到達吸附終點時，去除的溶質(zhì)總量相當(dāng)于穿透曲線與過C0點的水平線之間的面積，可用圖解積分求出：

（11-29）第一百一十六頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四設(shè)計若為多柱串聯(lián)，則串聯(lián)級數(shù)為：

（11-30）（11-31）第一百一十七頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四第一百一十八頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附劑的再生在吸附劑本身結(jié)構(gòu)不發(fā)生或極少發(fā)生變化的情況下，將吸附質(zhì)從吸附劑表面去除，以便恢復(fù)吸附劑的吸附能力的過程稱為吸附劑的再生。再生方法有加熱再生法、蒸汽法、溶劑法、臭氧氧化法和生物法等。

第一百一十九頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四吸附在水處理中的應(yīng)用給水處理：過濾之后，去除微量有害物質(zhì)的臭味，脫氯廢水處理：深度處理，微量污染物。去除難以生物降解或化學(xué)氧化的少量有害物質(zhì)，去色、殺蟲劑，洗滌劑及金屬離子。與其它水處理技術(shù)聯(lián)合使用：①臭氧—活性炭—飲用水去除有機物，印染廢水脫色②投炭活性污泥法(PACT)③生物活性炭法第一百二十頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四膜分離法概述8.3.1擴散滲析法8.3.2電滲析8.3.3反滲透8.3.4超濾

第一百二十一頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四概述凡是使溶液中一種或幾種成分不能透過，而其它成分能透過的膜都叫著半透膜。膜分離法就是用一種特殊的半透膜將溶液隔開，使溶液中的某種溶質(zhì)或溶劑（水）滲透出來，從而達到分離溶質(zhì)的目的。半透膜最大的特點是選擇透過性。

第一百二十二頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星期四概述根據(jù)采用的膜的種類不同和分離的推動力不同，膜分離法可區(qū)別如下：

分離過程推動力膜用途擴散滲析濃度差滲析膜分離溶質(zhì)，回收酸、堿等電滲析電位差離子交換膜分離離子，用于回收酸、堿，苦咸水淡化反滲透壓力差反滲透膜分離小分子溶質(zhì)，用于海水淡化、去除無機離子或有機物超濾壓力差超過濾膜截留分子量大于500的大分子，去除粘土、植物質(zhì)、油漆、微生物等第一百二十三頁，共一百三十九頁，編輯于2023年，星