第六章 離子交換法

第六章離子交換法

一、定義離子交換法是一種借助于離子交換劑(ionexchangeresin)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(guò)程也可以看成是一種特殊吸附過(guò)程，所以在許多方面都與吸附過(guò)程類(lèi)同。離子交換過(guò)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。概述二、發(fā)展1805年英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和NH4+的交換現(xiàn)象；1876年Lemberg揭示了離子交換的可逆性和化學(xué)計(jì)量關(guān)系；1935年人工合成了離子交換樹(shù)脂；1940年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；1951年我國(guó)開(kāi)始合成樹(shù)脂。(一)給水處理

硬水軟化、脫鹽。純水、高純水的制備。

(二)廢水處理

廢水中金屬離子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+

(三)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品提純

，凈化除雜(如除去鎢酸鈉溶液中微量元素和雜質(zhì))三、應(yīng)用

1.去除率高，凈化效果好；

2.可做到污染物的回收利用；

3.對(duì)廢水的預(yù)處理要求較高；

4.樹(shù)脂再生液需要進(jìn)一步處置。四、特點(diǎn)一、離子交換過(guò)程

實(shí)質(zhì)：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)，是一種特殊的吸附過(guò)程，通常是可逆化學(xué)吸附。

離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為：交換樹(shù)脂交換離子飽和樹(shù)脂

在平衡狀態(tài)下，樹(shù)脂中及溶液中的反應(yīng)物濃度符合下列關(guān)系式：K為平衡常數(shù)

K值的大小能定量地反映離子交換劑對(duì)某兩個(gè)固定離子交換選擇性的大小。10.1離子交換的基本原理

二、離子交換速度

上述幾步中，交換反應(yīng)速率與擴(kuò)散相比要快得多。因此總交換速度由擴(kuò)散過(guò)程控制。由Fick定律，擴(kuò)散速度可寫(xiě)成：樹(shù)脂顆粒水膜BB(3)(1)(2)(A)(4)(5)A外擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散離子交換過(guò)程模型影響交換速度的因素

1薄膜擴(kuò)散

離子濃度溶液離子濃度低，樹(shù)脂交換容量大時(shí)，薄膜擴(kuò)散受阻。溶液離子濃度過(guò)高，樹(shù)脂易發(fā)生收縮現(xiàn)象，內(nèi)擴(kuò)散受阻。

水流速度水流速度增加，水膜變薄，薄膜擴(kuò)散加快。

樹(shù)脂顆粒的大小樹(shù)脂顆粒小，比表面積增加，利于薄膜擴(kuò)散。2內(nèi)擴(kuò)散

離子電荷離子電荷越大，擴(kuò)散系數(shù)越小，不利于內(nèi)擴(kuò)散。樹(shù)脂交聯(lián)度交聯(lián)度越低，樹(shù)脂網(wǎng)孔越大，有利于離子的內(nèi)擴(kuò)散。離子的水化度離子水化程度大，水合離子半徑越大，不利于離子的內(nèi)擴(kuò)散。三、離子交換過(guò)程的影響因素

1、離子交換劑的性質(zhì)2、水中污染物的性質(zhì)1）懸浮物和油脂廢水中的懸浮物會(huì)堵塞樹(shù)脂孔隙，油脂會(huì)包住樹(shù)脂顆粒，都會(huì)使交換能力下降。因此當(dāng)這些物質(zhì)含量較多時(shí)，應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的方法有過(guò)濾、吸附等。2）有機(jī)物廢水中某些高分子有機(jī)物與樹(shù)脂活性基團(tuán)的固定離子結(jié)合力很大，一旦結(jié)合就很難進(jìn)行再生，結(jié)果是降低樹(shù)脂的再生率和交換能力。3）高價(jià)金屬離子廢水中Fe3＋、A13＋、Cr3＋等高價(jià)金屬離子能引起樹(shù)脂中毒，當(dāng)樹(shù)脂受鐵中毒時(shí)，會(huì)使樹(shù)脂顏色變深。從陽(yáng)離子樹(shù)脂的選擇性可看出，高價(jià)金屬離子易為樹(shù)脂吸附，再生時(shí)難于把它洗脫下來(lái)，結(jié)果會(huì)降低樹(shù)脂的交換能力。為了恢復(fù)樹(shù)脂的交換能力可用高濃度酸，長(zhǎng)時(shí)間浸泡。4）pH值強(qiáng)酸和強(qiáng)堿樹(shù)脂的活性基團(tuán)的電離能力很強(qiáng)，交換能力基本上與pH值無(wú)關(guān)。但弱酸性樹(shù)脂在pH值低時(shí)不電離或部分電離，因此，在堿性條件下，才能得到較高的交換能力。而弱堿性樹(shù)脂在酸性溶液中才能得到較大的交換能力。螯合樹(shù)脂對(duì)金屬的結(jié)合與pH值有很大關(guān)系，每種金屬都有適宜的pH值5）水溫水溫高雖可加速離子交換的擴(kuò)散，但各種離子交換樹(shù)脂都有一定的允許使用溫度范圍。6）氧化劑廢水中如果含有氧化劑（如Cl2、O2、H2Cr2O7等）時(shí)，會(huì)使樹(shù)脂氧化分解。強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂容易被氧化劑氧化，使交換基團(tuán)變成非堿性物質(zhì)，可能完全喪失交換能力。氧化作用也會(huì)影響交換樹(shù)脂的本體，使樹(shù)脂加速老化，結(jié)果使交換能力下降。3、操作條件（運(yùn)行流速）10.2離子交換劑凡具有離子交換能力的物質(zhì)稱(chēng)為離子交換劑，是一種帶有可交換離子的不溶性固體物質(zhì)，帶有陽(yáng)離子的稱(chēng)陽(yáng)離子交換劑，帶有陰離子稱(chēng)陰離子交換劑。無(wú)機(jī)質(zhì)：陽(yáng)離子交換（硅質(zhì)，天然或合成沸石）離子交換劑碳質(zhì)：磺化煤（陽(yáng)離子交換劑）有機(jī)質(zhì)合成樹(shù)脂：是所有離子交換劑中性能最優(yōu)的一類(lèi)，它包括陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂。

將離子交換樹(shù)脂做成薄膜形式，即稱(chēng)為離子交換膜，用于海水淡化、物質(zhì)提純和污水處理等各方面。

固體球形顆粒，多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；不溶于水；具有離子交換特性的有機(jī)高分子聚電解質(zhì)。一、離子交換樹(shù)脂(一)組成

離子交換樹(shù)脂母體-骨架活性基團(tuán)固定離子可交換離子苯乙烯(單體)+二乙烯苯(交聯(lián)劑)母體共聚H2SO4功能基反應(yīng)R—SO3

H固定離子可交換離子母體離子交換樹(shù)脂結(jié)構(gòu)骨架：接有功能基團(tuán)，本身是惰性功能基團(tuán)：連接在骨架上，可與相反離子結(jié)合待交換離子：在吸附階段可與活性離子交換，與骨架上的功能基團(tuán)結(jié)合可交換離子：與功能基團(tuán)所帶電荷相反的可移動(dòng)的離子樹(shù)脂的網(wǎng)絡(luò)骨架(二)分類(lèi)按選擇性按結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂凝膠型等孔型

孔大、均勻，抗有機(jī)污染能力強(qiáng)?？状螅苊浂刃?，交換速度高，抗污染能力強(qiáng)。

孔隙小、少，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型離子交換樹(shù)脂陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂弱堿性陰離子交換樹(shù)脂R—NH3OH強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂R—

NOH弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂R—COOH強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂R—SO3H陽(yáng)離子交換樹(shù)脂〈1〉強(qiáng)酸性（聚苯乙烯系），交換基：磺酸－SO3H〈2〉中酸性（聚苯乙烯系）交換基：—P=O(OH)2〈3〉弱酸性（甲基丙烯酸系）交換基：羧基—COOH或酚基—OH

001×7苯乙烯系強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂指標(biāo)名稱(chēng)指標(biāo)含水量%45-53全交換容量(mmol/g干)≥4.5濕視密度(g/ml)0.77-0.87濕真密度(g/ml)1.25-1.29粒度(0.315-1.25mm)≥95出廠形式：鈉型用于：硬水軟化、脫鹽水、純水制備、稀有元素分離、分離和提取氨基酸制糖、制藥可作為催化劑和脫水劑陰離子交換樹(shù)脂〈1〉

強(qiáng)堿性（聚苯乙烯系）交換基：季胺叔胺〈2〉

弱堿性（聚苯乙烯系）交換基：氨基—NH2D201大孔強(qiáng)堿性陰離子出廠形式：氯型.主要性能指標(biāo)：指標(biāo)名稱(chēng)指標(biāo)含水量%54-62全交換容量(mmol/g干)≥4.0濕視密度(g/ml)0.66-0.73濕真密度(g/ml)1.04-1.08粒度(0.315-1.25mm)≥95主要用于純水及高純水制備、糖液脫色、生化制品，放射性元素的提煉。大孔弱堿性丙烯酸系陰離子

指標(biāo)名稱(chēng)指標(biāo)含水量%60-65全交換容量(mmol/g干)≥7.0濕視密度(g/ml)0.65-0.75濕真密度(g/ml)1.06-1.10粒度(0.315-1.25mm)≥95出廠形式：鈉型主要用于藥物提取，苦咸水凈化處理，糖液除酸脫色,金屬提取等

性能陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性

弱堿性活性基團(tuán)磺酸羧酸季氨

胺pH對(duì)交換能力的影響

無(wú)在酸性中交換能力很小

無(wú)在堿性溶液中交換能力很小鹽的穩(wěn)定性

穩(wěn)定洗滌要水解

穩(wěn)定洗滌時(shí)要水解再生需過(guò)量的強(qiáng)酸很容易需要過(guò)量的強(qiáng)堿再生容易，可用碳酸鈉或氨交換速度快慢(除非離子化后)快慢(除非離子化后)四類(lèi)樹(shù)脂的特性比較a)

b)c)圖9-17凝膠型、大孔型和等孔型樹(shù)脂比較示意圖a)凝膠型樹(shù)脂b)大孔型樹(shù)脂c)等孔型樹(shù)脂有機(jī)離子交換劑我國(guó)凝膠樹(shù)脂的名稱(chēng)代碼由分類(lèi)代號(hào)(表1)，骨架代號(hào)(表2)，順序號(hào)與交聯(lián)度數(shù)值四位數(shù)字組成。順序號(hào)用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異如201×7，表示交聯(lián)度為7(%)的一種凝膠型強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂。

表1樹(shù)脂分類(lèi)代碼0123456強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性螯合型兩性氧化-還原型表2樹(shù)脂骨架代碼0123456苯乙烯系丙烯酸系酚醛系環(huán)氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系(三)命名大孔型離子交換樹(shù)脂的型號(hào)。由三個(gè)數(shù)字組成：如：D201——大孔型強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂二、離子交換樹(shù)脂的性能物理性能1．外觀形狀：透明或半透明的球狀珠體。顏色：白、淺黃、赤褐色。

2．粒度一般樹(shù)脂粒徑0.3～1.2mm有效粒徑（d10）0.36～0.61，均一系數(shù)（d40/d90）為1.22～1.66，均一系數(shù)的含義是篩上體積為40％的篩孔孔徑與篩上體積為90％的篩孔孔徑之比。3．密度

干真密度：干燥狀態(tài)下，樹(shù)脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹(shù)脂本身的密度。表觀密度：樹(shù)脂在水中充分溶脹后的堆積密度(視密度，濕視密度)。單位均為mg/L.4．含水率樹(shù)脂的含水率以每克樹(shù)脂（在水中充分膨脹）所含水分的百分比（約50%），樹(shù)脂的含水率相應(yīng)地反映了樹(shù)脂網(wǎng)架中的孔隙率。

與樹(shù)脂的交聯(lián)度有關(guān)，交聯(lián)度低，空隙率高，含水率高。

5.機(jī)械強(qiáng)度

6.耐熱性

7.孔結(jié)構(gòu)8.溶脹性

干樹(shù)脂+水→濕樹(shù)脂體積脹大絕對(duì)溶脹度吸水后體積增大的現(xiàn)象。溶脹程度用溶脹率表示：溶脹的原因

水?dāng)U散到樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)孔發(fā)生溶脹；活性基團(tuán)離解形成水合離子。影響因素樹(shù)脂交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，溶脹率越低?；钚曰鶊F(tuán)：離解程度越大，溶脹率越大；可交換離子：水合半徑越大，溶脹率越高。

化學(xué)性能

1.再生：離子交換反應(yīng)的可逆性交換的逆反應(yīng)。

2.酸堿性：樹(shù)脂在水中電離出H+和OH-,表現(xiàn)出酸堿性。樹(shù)脂的酸堿性受pH值影響，各種樹(shù)脂在使用時(shí)都有適當(dāng)?shù)膒H值范圍。

3.交換容量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量干樹(shù)脂或單位體積濕樹(shù)脂所能交換離子相當(dāng)于一價(jià)離子的物質(zhì)的量(大約為3~6mmol/g，或1~2mmol/ml)。表示樹(shù)脂的交換能力。通常用EV（mmol/ml濕樹(shù)脂）表示，也可用EW（mmol/g干樹(shù)脂）表示。

EV＝EW×（1-含水量）×濕視密度

交換容量全交換容量工作交換容量一定量的樹(shù)脂所具有的活性基團(tuán)或可交換離子的總數(shù)量樹(shù)脂在給定工作條件下實(shí)際的交換能力4.交聯(lián)度：交聯(lián)劑用量與單體質(zhì)量的百分比，是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)程度的表征

交聯(lián)度為樹(shù)脂合成時(shí)交聯(lián)劑的用量，一般為7%~10%。交聯(lián)度較高的樹(shù)脂，孔隙較低，密度較大，離子擴(kuò)散速度較低，對(duì)半徑較大的離子和水合離子的交換量較小，浸泡在水中時(shí)，水化度較低，形變較小，也就比較穩(wěn)定，不易破碎。交聯(lián)度越高，孔隙度越低，密度越大，對(duì)半徑較大的離子和水合離子擴(kuò)散速度越低，交換量越小。在水中浸泡，形變小，較穩(wěn)定。離子交換平衡是一個(gè)兩相(樹(shù)脂相和液相)平衡；例如：RA+B+

RB+A+平衡時(shí):

KAB={[A+][B+]RB}/{[B+][A+]RA}平衡常數(shù)KAB稱(chēng)為A交換B的選擇性系數(shù)：

KAB=1，無(wú)選擇性

KAB﹥1，交換反應(yīng)向右，A的交換大于B；

KAB﹤1，交換反應(yīng)向左，B的交換大于A；5.選擇性：指交換劑對(duì)不同離子的親和力。

影響離子交換的選擇性因素

1）在常溫、稀溶液中離子價(jià)數(shù)越高，與固定離子的靜電引力越大，越優(yōu)先交換。

Cr3+＞Ca2+＞Na+PO43+＞SO42-＞Cl-

同價(jià)離子原子序數(shù)越大，與固定離子的靜電引力越大2）在高濃度的溶液中

由于離子的水化作用不充分，水合離子的半徑接近離子半徑，原子序數(shù)越大，離子半徑增大，離子表面電荷密度相對(duì)減小，與固定離子的靜電引力越小。Rb+﹥K+﹥Na+﹥Li+3）樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

樹(shù)脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度越高，選擇性增加強(qiáng)酸(堿)、弱酸堿樹(shù)脂的交換

4）溶液的溫度和pH溫度升高，K值增大，離子和固定基團(tuán)交換勢(shì)增大。pH值：影響某些離子的存在狀態(tài)，

Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+

影響弱酸、堿樹(shù)脂固定基團(tuán)的電離。強(qiáng)、弱酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的親和力強(qiáng)酸型a.不同價(jià)態(tài)離子，電荷越高，親和力越大。例如：Na+＜Ca2+＜Al3+＜Th（IV）b.當(dāng)離子價(jià)態(tài)相同時(shí)．親和力隨著水合離子半徑減小而增大。

例如；Li+＜H+＜Na+＜NH4+＜K+＜Rb+＜Cs+＜Ag+＜Tl+

c.二價(jià)離子的親和力順序：UO22+＜Mg2+＜Zn2+＜Co2+＜Cu2+＜Cd2+＜Ni2+＜Ca2+＜Sr2+＜Pb2+＜Ba2+

d．稀土元素的親和力隨原子序數(shù)增大而減小。

La3+＞Ce3+＞Pr3+＞Nd3+＞Sm3+＞Eu3+＞Gd3+＞Tb3+＞Dy3+＞Y3+＞Ho3+

＞Er3+＞Tm3+

＞Yb3+＞Lu3+＞Sc3+弱酸型：H+的親和力比其它陽(yáng)離子大，其它同強(qiáng)酸型。強(qiáng)、弱堿型陰離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿型常見(jiàn)陰離子的親和力順序?yàn)椋?/p>

F-＜OH-＜CH3COO-＜HCOO-

＜C1-

＜NO2-＜CN-＜Br-＜C2O42-＜NO3-＜HSO42-＜I-＜CrO42-＜SO42-＜檸檬酸根離子弱堿型常見(jiàn)陰離子的親和力順序?yàn)椋?/p>

F-＜C1-＜Br-＜I-＜CH3COO-＜Mo052-＜P043-＜AsO43-＜NO3-＜酒石酸根離子<CrO42-＜SO42-＜OH-6.交換勢(shì)

交換勢(shì)大，交換離子越容易取代樹(shù)脂上的可交換離子，也就表明交換離子與樹(shù)脂之間的親和力越大。表

幾種離子交換樹(shù)脂的規(guī)格和性能牌

號(hào)001╳7110201╳7D301產(chǎn)品名稱(chēng)強(qiáng)酸性苯乙烯系

陽(yáng)離子交換樹(shù)脂弱酸性丙烯酸系

陽(yáng)離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿性苯乙烯系

陰離子交換樹(shù)脂大孔弱堿性苯乙烯

系陰離子交換樹(shù)脂功能基-SO3--COOH-N+(CH3)3-N(CH3)2交換

容量mol/g（干）≥4.2,Na≥12,H≥3.0,Cl≥4.0mol/ml（濕）≥2.0,Na≥4,H≥1.2,Cl≥1.4外

觀棕黃色至棕褐

色球狀顆粒近乎白色半透

明球狀顆粒淡黃色至全黃

色球狀顆粒微黃色不透明

球狀顆粒粒度(%)

(0.3~1.2mm)≥95≥95≥95≥95含水量(%)34~4150~6040~5050~60濕真比重(200C)1.30~1.351.10~1.151.06~1.111.05~1.12濕視密度(g/ml)0.84~0.880.70~0.800.65~0.750.70~0.75耐磨率(%)≥98

≥95

型變膨脹率(%)

H→Na70Cl→OH,22鹽→堿→8最高使用溫度

（0C）H型100

Na型120100OH型40

Cl型100鹽型40

堿型100PH值使用范圍1~145~141~121~9出廠型式Na+H+Cl堿型離子交換樹(shù)脂的選擇、保存、使用和鑒別樹(shù)脂選擇選擇樹(shù)脂時(shí)應(yīng)綜合考慮原水水質(zhì)、處理要求、交換工藝以及投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素。樹(shù)脂保存樹(shù)脂宜在0～40℃下存放，通常強(qiáng)性樹(shù)脂以鹽型保存，弱酸樹(shù)脂以氫型保存，弱堿樹(shù)脂以游離胺型保存。樹(shù)脂使用樹(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％HCl、2％～4％NaOH反復(fù)浸泡清洗兩次，每次4～8h。表未知樹(shù)脂的鑒別操作①取未知樹(shù)脂樣品2mL，置于30mL試管中操作②加1NHCl15mL，搖1--2min，重復(fù)2--3次操作③水洗2～3次操作④加1O％CuSO4(其中含1％H2SO4)5mL，搖1min，放5min檢查淺綠色不變色操作⑤加5N氨液2mL，搖1min，水洗加1NNaOH15mL搖1min，水洗，加酚酞，水洗檢查深藍(lán)顏色不變紅色不變色結(jié)果強(qiáng)酸性陽(yáng)樹(shù)脂弱酸性陽(yáng)樹(shù)脂強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂弱堿性陰樹(shù)脂離子交換的操作方式

操作方式有靜態(tài)(間歇式)與動(dòng)態(tài)交換兩種，在動(dòng)態(tài)交換中又有周期式，連續(xù)式交換操作方式。靜態(tài)交換交換液與樹(shù)脂一同放入容器內(nèi)，攪拌或鼓入空氣，充分接觸，交換達(dá)到平衡時(shí)，過(guò)濾將液固分離。為了提高交換效果，需進(jìn)行多次靜態(tài)交換，又稱(chēng)間歇式交換。費(fèi)時(shí)，效率低，實(shí)用價(jià)值小。10.3離子交換工藝一、固定床離子交換器樹(shù)脂裝在柱中，交換液流經(jīng)樹(shù)脂層并發(fā)生交換。特點(diǎn)：交換液在流動(dòng)過(guò)程中不斷與新樹(shù)脂接觸和交換(常用方法)；固定床交換操作是由交換與再生交替進(jìn)行的。柱式離子交換罐剖視圖流化床逆流操作過(guò)程再生劑溶液47

1.離子交換工藝過(guò)程

樹(shù)脂

反洗廢水

反洗水

反洗

樹(shù)脂

再生液

再生廢液

再生

樹(shù)脂

產(chǎn)品水

正洗廢液

正洗

樹(shù)脂

進(jìn)水產(chǎn)品水

交換

固定床操作的工作過(guò)程：交換及穿透曲線：將交換液均勻不斷地自上而下流經(jīng)柱中床層，當(dāng)達(dá)到穿透點(diǎn)即停止交換；下面以樹(shù)脂(RA)交換水中B為例來(lái)討論

(一)廢水中只有一種離子B（見(jiàn)圖a-d）頂層樹(shù)脂首先與B交換，達(dá)到平衡時(shí)，這層樹(shù)脂被B飽和失效；交換區(qū)內(nèi)，上層樹(shù)脂接觸的B濃度大，其交換量大于下層樹(shù)脂；流出交換區(qū)的水流不含B，交換區(qū)以下樹(shù)脂層未發(fā)揮作用；隨著交換不斷進(jìn)行，失效區(qū)逐漸擴(kuò)大，交換區(qū)向下移，未用區(qū)逐漸縮小，直到出水中開(kāi)始有B，此時(shí)稱(chēng)為樹(shù)脂穿透。交換區(qū)濃度分布曲線；樹(shù)脂交換區(qū)的厚度取決于所用的樹(shù)脂、離子種類(lèi)和濃度以及工作條件。

從交換開(kāi)始到穿透為止，樹(shù)脂所達(dá)到的交換容量就是工作容量，為全交換容量的60%~70%;在床層穿透以前，樹(shù)脂分屬于飽和區(qū)、交換區(qū)和未用區(qū)，真正工作的只有交換區(qū)穿透曲線（如圖）

(二)廢水中有幾種離子如用RH處理含Ca、Mg、Na離子的天然原水按照選擇順序Ca2+>Mg2+>Na+

，樹(shù)脂依次交換Ca2+，Mg2+，Na+

；某一時(shí)刻樹(shù)脂層液相中三種離子的濃度分布曲線如圖(e)；交換出水濃度隨時(shí)間變化的曲線如圖(f)；隨著進(jìn)水量增加，穿透離子的順序依次為Na+，Mg2+，Ca2+。進(jìn)水初期，進(jìn)水中所用陽(yáng)離子均交換出H+，生成相當(dāng)量的無(wú)機(jī)酸，出水酸度保持定值；運(yùn)行至a點(diǎn)時(shí)，Na+首先穿透，且迅速增加，同時(shí)酸度降低；當(dāng)出水堿度也增加到與進(jìn)水堿度相等時(shí)，H離子交換結(jié)束，交換器開(kāi)始進(jìn)行Na+交換；穩(wěn)定運(yùn)行至b點(diǎn)之后，硬度離子開(kāi)始穿透，出水Na+含量開(kāi)始下降；最后出水硬度接近進(jìn)水硬度，出水Na+接近進(jìn)水Na+，樹(shù)脂層全部飽和。②反洗：再生前的反洗液通常用原液(或用洗滌水)，將反洗液由底部向上沖洗，清除固體顆粒，排除氣泡以及疏松樹(shù)脂層使之膨脹50%~70%。為了提高反洗效率，有時(shí)鼓入空氣進(jìn)行攪動(dòng)。③再生：將再生劑通過(guò)樹(shù)脂層，樹(shù)脂與再生劑發(fā)生再生反應(yīng)，使交換能力耗竭的樹(shù)脂重新轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合應(yīng)用的型式(恢復(fù)原狀)，也稱(chēng)為洗脫。再生反應(yīng)是交換反應(yīng)的逆過(guò)程，交換反應(yīng)的平衡常數(shù)大，完全再生不經(jīng)濟(jì)；再生劑用量，應(yīng)考慮樹(shù)脂的類(lèi)型，用途，再生劑效率及經(jīng)濟(jì)價(jià)值等因素。逆流再生效果比順流再生要好。④正洗：以純水自上而下流過(guò)樹(shù)脂層，除盡樹(shù)脂顆粒之間及表面存在的再生劑，并將排出的再生液回收。⑤洗凈：正洗后繼續(xù)用純水流經(jīng)樹(shù)脂層，以徹底除凈再生劑。(二)影響再生的因素

再生劑再生劑的種類(lèi)

H型陽(yáng)樹(shù)脂：再生劑HCl或H2SO4，HCl優(yōu)于H2SO4。

OH型陰樹(shù)脂：再生劑Na2CO3或NaOH。

再生劑的濃度

HCl5～10%NaOH10～12%、4～8%再生劑用量1.2～3.0倍樹(shù)脂體積。

再生方式

順流再生

優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單；操作方便、可靠。

缺點(diǎn)：有重復(fù)交換現(xiàn)象，再生劑用量高；工作交換容量低。

再生方式

逆順流再生

優(yōu)點(diǎn)：

避免重復(fù)交換；再生劑用量少。樹(shù)脂底層再生干凈，工作交換容量較高。

缺點(diǎn)：

設(shè)備較復(fù)雜。要求控制技術(shù)高。

運(yùn)行過(guò)程（1）交換：控制要素為水流速度及樹(shù)脂屋高度（2）反洗：膨脹率40%~60%，流速15m/h，時(shí)間15mm。（3）鹽酸4~6%；鹽5~10%；硫酸小于2%。（4）清洗：水量為樹(shù)脂體積的4~13倍。2.離子交換設(shè)備結(jié)構(gòu)

工業(yè)離于交換設(shè)備主要有固定床、移動(dòng)床和流動(dòng)床，目前使用最廣泛的是固定床。固定床離于交換器包括筒體、進(jìn)水裝置、排水裝置，再生液分布裝置及體外有關(guān)管道和閥門(mén)，如圖所示。

1.筒體：支撐作用

2.進(jìn)水裝置：分配進(jìn)水和收集反洗用水

3.底部排水裝置：收集出水和分配反洗水3.離子交換柱的組合方式

（a）單床離子交換器:使用一種樹(shù)脂的單床結(jié)構(gòu)；（b）多床離子交換器:使用一種樹(shù)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(shù)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(yáng)兩種樹(shù)脂；（e）聯(lián)合床離子交換器:將復(fù)床與混合床聯(lián)合使用。61

離子交換柱組合方式

62

復(fù)合床離子交換器63

混合床離子交換柱二連續(xù)式交換法連續(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(shù)脂連續(xù)進(jìn)入再生柱，新生的樹(shù)脂同時(shí)又連續(xù)進(jìn)入交換柱。該法進(jìn)行交換所需樹(shù)脂量比柱式少，樹(shù)脂利用率高，連續(xù)運(yùn)行，效率高。但設(shè)備較復(fù)雜，樹(shù)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。65

三塔移動(dòng)床示意圖

66

三塔移動(dòng)床離子交換器一、離子交換設(shè)計(jì)

(一)根據(jù)廢水水質(zhì)和處理要求，選擇離子交換劑。

(二)選擇合適的再生劑，估算其用量。

(三)根據(jù)去除對(duì)象確定工藝流程及工藝參數(shù)。

1、工藝流程的確定

2、主要工藝參數(shù)

交換速度15～35m/h；反沖速度15m/h

再生劑流速10～15m/h

再生效率＞80%10.4離子交換的應(yīng)用

(四)離子交換柱尺寸確定

1、離子交換柱高度HH=H1+H2+H3H1—樹(shù)脂層高度；

H2—樹(shù)脂層以上高度，膨脹率40～80%；

H3—底部配水區(qū)高度(0.4m)2、交換柱內(nèi)徑D

式中：Q—處理水量；

(D≤3m)n—并聯(lián)臺(tái)數(shù)；

u—交換速度。

(一)處理廢水注意的問(wèn)題：

預(yù)處理懸浮物或油類(lèi)濃度大于5~10mg/L時(shí)，采用過(guò)濾或吸附法。有機(jī)污染和重金屬污染采用大孔樹(shù)脂；再生時(shí)適當(dāng)加入氧化劑；選用高濃度再生劑。

pH值不同性質(zhì)樹(shù)脂的使用；廢水中污染物的存在狀態(tài)。水溫提高離子內(nèi)擴(kuò)散和薄膜擴(kuò)散速度；過(guò)高可引起樹(shù)脂降解。二、處理工業(yè)廢水(二)離子交換處理電鍍含鉻廢水

1、廢水的來(lái)源及水質(zhì)特征

鍍件酸洗清洗鍍槽清洗成品

廢酸液酸性水廢鍍液含鉻廢水

廢電鍍液：產(chǎn)生量少，濃度高。

含鉻廢水：產(chǎn)生量多，濃度低，水質(zhì)情況為：Cr6+濃度為20~150mg/L，存在形式Cr2O72-和CrO42-；金屬離子Cr3+、Fe3+等；陰離子有SO42-

、Cl-等；pH4~6。

2、工藝流程及原理

廢水過(guò)濾排放陽(yáng)柱陰柱去除懸浮物、油類(lèi)nRH＋(Cr3+、Fe3+···)=Rn(Cr、Fe···)＋nH+①改善水質(zhì);②調(diào)節(jié)廢水pH，使Cr6+以Cr2O72-形式存在。nROH＋(Cr2O72-、CrO42-、SO42-

、Cl-··)=Rn

(Cr2O7、CrO4