環(huán)保工程師知識點：離子交換

環(huán)保工程師知識點：離子交換環(huán)保工程師必備知識：離子交換技術(shù)深度解析2017年環(huán)保工程師核心知識點：離子交換技術(shù)1.離子交換的基本原理在水的處理領(lǐng)域，離子交換技術(shù)主要依賴于離子交換樹脂和磺化煤這兩種材料。離子交換樹脂因其多樣性和廣泛的應(yīng)用而備受青睞，而磺化煤則是一種同時具備強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，離子交換樹脂可分為凝膠型、大孔型和等孔型；按照樹脂母體的不同，可分為苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等；而根據(jù)交換基團的性質(zhì)，則可分為強酸型、弱酸型、強堿型和弱堿型。⑴離子交換樹脂的構(gòu)造離子交換樹脂是一種不溶性的高分子化合物，由空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨架和附著在骨架上的多個活性基團組成。這些活性基團在水中會發(fā)生電離，形成兩部分：一部分是固定的，與骨架緊密結(jié)合，不能自由移動，稱為固定離子；另一部分是可移動的，能夠自由移動并與周圍溶液中的其他離子進行交換反應(yīng)，稱為可交換離子。⑵基本性能①外觀離子交換樹脂通常呈透明或半透明的球形，顏色多樣，包括乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等。②交聯(lián)度交聯(lián)度是指交聯(lián)劑在樹脂原料總重量中所占的百分比，它對樹脂的交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等性能有著決定性的影響。在水處理中，樹脂的交聯(lián)度通常在7%至10%之間。③含水率含水率是指每克濕樹脂所含水分的百分比，一般在50%左右。交聯(lián)度越大，孔隙越小，含水率也就越低。④溶脹性溶脹性是指干樹脂在水中浸泡后體積增大的現(xiàn)象。一般來說，交聯(lián)度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，溶脹度也就越大；同時，樹脂周圍溶液的電解質(zhì)濃度越高，樹脂的溶脹率就越小。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能延長離子交換器的工作周期，減少再生次數(shù)，以延長樹脂的使用壽命。⑤密度密度分為干真密度、濕真密度和濕視密度。⑥交換容量交換容量是樹脂最重要的性能之一，是設(shè)計離子交換過程裝置時必需的數(shù)據(jù)，定量地表示樹脂的交換能力大小，分為全交換容量和工作交換容量。⑦有效PH范圍由于樹脂的交換基團分為強酸強堿和弱酸弱堿，水的PH值對其電離會產(chǎn)生影響，進而影響其工作交換容量。弱堿型樹脂只能在酸性溶液中，而弱酸型樹脂只能在堿性溶液中表現(xiàn)出較高的交換能力。⑧選擇性選擇性是指離子交換樹脂對水中某種離子優(yōu)先交換的能力，這不僅與樹脂的類型有關(guān)，還與水中的溫度和離子濃度有關(guān)。⑨離子交換平衡離子交換反應(yīng)是一種可逆反應(yīng)，遵循質(zhì)量作用定律和當(dāng)量定律。經(jīng)過一定時間，離子交換體系中的固態(tài)樹脂相和溶液相之間的離子交換反應(yīng)會達到平衡狀態(tài)，其平衡常數(shù)也稱為離子交換選擇系數(shù)。降低反應(yīng)生成物的濃度有利于交換反應(yīng)的進行。⑩離子交換速率離子交換速率主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。理論上，離子交換樹脂不溶于水，機械強度以年損耗百分?jǐn)?shù)表示，一般要求小于3%至7%/年。此外，溫度對樹脂的機械強度和交換能力有影響，陽離子比陰離子更耐熱，鹽型比酸堿型更耐熱。⑶樹脂層離子交換過程以裝填鈉型樹脂的離子交換柱為例，從上至下通入含有一定濃度鈣離子的硬水，以交換柱的深度為橫坐標(biāo)，樹脂的飽和度為縱坐標(biāo)，可以繪制出某一時刻的飽和度曲線。整個交換過程可以分為三個階段。2.離子交換裝置的運行方式離子交換裝置根據(jù)運行方式的不同，分為固定床和連續(xù)床。⑴固定床的構(gòu)造類似于壓力濾罐，是離子交換裝置中最基本且最常用的一種形式。其特點是交換和再生兩個過程都在交換器中進行。根據(jù)交換器內(nèi)裝填的樹脂種類和交換時樹脂在交換器中的位置，固定床可分為單層床、雙層床和混合床。單層床指在交換器中只裝填一種樹脂，如果裝填的是陽樹脂，則稱為陽床；如果裝填的是陰樹脂，則稱為陰床。雙層床指在交換器內(nèi)按比例裝填強、弱兩種同性樹脂，由于強、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強型樹脂在下，形成上下兩層?；旌洗矂t是在交換器內(nèi)均勻混合裝填陰、陽兩種樹脂，陰、陽樹脂混合，因此原水流經(jīng)樹脂層時，陰、陽兩種離子同時被樹脂吸附，其產(chǎn)物氫離子和氫氧根離子又因反應(yīng)生成水而得以降低，有利于交換反應(yīng)進行的徹底，使得出水水質(zhì)大大提高。但其缺點是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。于是又發(fā)明了三層混床新技術(shù)，保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。根據(jù)固定床原水與再生液的流動方向，又分為兩種形式，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，稱為順流再生固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。順流再生固定床的構(gòu)造簡單，運行方便，但存在幾個缺點：在通常生產(chǎn)條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍于理論值，再生效果也不太理想；樹脂層上部再生程度高，而下部再生程度差；工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附，置換出來的反離子隨水流流經(jīng)底層時，與未再生好的樹脂起逆交換反應(yīng)，上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子，作為泄漏離子出現(xiàn)在本周期的出水中，所以出水剩余被去除的離子較大；而到了了工作后期，由于樹脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規(guī)定，導(dǎo)致交換器過早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用于設(shè)備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補順流再生的缺點，而且出水質(zhì)量顯著提高，原水水質(zhì)適用范圍擴大，對于硬度較高的水，仍能保證出水水質(zhì)，所以目前采用該法較多?？偲饋碚f，固定床有出水水質(zhì)