离子交换法 - 郑州益源天泽环境科技有限公司
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离子交换法

一、概述及分类:
  离子交换法是一种借助于离子交换剂上的离子和污水中的离子进行交换反应而除去水中有害离子的方法。在工业废水处理中,主要用于回收和除去污水中的金、银、铜、铬、镉、锌等重金属离子,也用于放射性废水和有机废水的处理。离子交换剂按母体材质不同可以分为无机和有机两大类。无机离子交换剂有天然沸石和人工合成沸石两种,是一类硅质的阳离子交换剂。沸石即可作阳离子交换剂,也可作为吸附剂,成本较低,但不能在酸性条件下使用。有机离子交换剂有磺化煤和各种离子交换树脂。磺化煤是烟煤或褐煤经发烟硫酸磺化处理后制成的阳离子交换剂,成本适中,但交换容量低,机械强度差,化学稳定性差,目前在水处理中广泛使用的是离子交换树脂。

 

  离子交换树脂是一类具有离子交换特性的有机高分子聚合电解质,是一种疏松的具有多孔结构的固体球形颗粒,由树脂母体(骨架)和活性基团两部分组成。树脂母体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物,交联剂的作用是使树脂母体形成主体网状结构。活性基团由起交换作用的离子和与树脂母体连接的固定分子组成。离子交换树脂按树脂的类型和孔结构的不同可分为凝胶型树脂、大孔型树脂、多孔凝胶型树脂、巨孔型(MR)树脂和高巨孔型(超MB型)树脂等。离子交换树脂按活性基体的不同可分为:含有酸性基团的阳离子交换树脂,含有碱性基团的阴离子交换树脂,含有氨羧基团等的螯合树脂,含有氧化还原基团的氧化还原树脂及两性树脂。其中阴、阳离子交换树脂按照活性基团电离的强弱程度,又分为强酸性树脂、弱酸性树脂、强碱性树脂和弱碱性树脂。
二、离子交换树脂的性能指标:
  离子交换树脂的性能对污水处理效率、再生周期及再生剂的消耗量有很大影响,了解离子交换树脂的性能对于合理选用离子交换树脂是很重要的。
  1、选择性离子交换树脂对某种离子优先吸附的性能称为选择性,它是决定离子交换法处理效果的一个重要因素。
  2、交换容量定量表示树脂的交换能力,单位是mol/kg交换剂。交换容量又可分为全交换容量和工作交换容量。前者是指一定量的交换剂所有的活性基团或可交换离子的总数量,后者指交换剂给定工作条件下的实际交换能力。
  3、溶胀性各种离子交换树脂都含有极性很强的交换基团,因此亲水性很强。树脂的这种结构使它具有溶胀和收缩的性能,树脂溶胀或收缩的程度以溶胀度来表示。树脂的交联度越小,活性基团越多,越易离解,其溶胀率越大。水中电解质浓度越高,由于渗透压增大,其溶胀率越小。一般情况下强酸性阳离子交换树脂由钠型转变为氢型,强碱性阴离子交换树脂由氯型转变为氢氧型时,其体积溶胀率为5%左右。
   4、物理与化学稳定性树脂的物理稳定性是指树脂受到机械作用时的磨损程度,还包括温度变化时对树脂影响的程度。树脂的化学稳定性包括承受酸碱度变化的能力、抵抗氧化还原的能力等,树脂稳定性是选择和使用树脂时必须注意的因素之一。
  5、粒度和密度树脂粒度对水流分布、床层压力有很大影响。密度是设计计算交换柱、确定反冲洗强度以及混合床再生前分层分离状态等的重要指标,也是影响树脂分层的主要因素。因此在选择和使用离子交换树脂时必须要考虑这些性能。

 

三、离子交换树脂的选择:
  离子交换法主要用于除去水中可溶性盐类。选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、工艺条件及投资和运行费用等因素。当分离无机阳离子或有机碱性物质时,宜选用阳离子交换树脂;当分离无机阴离子或有机酸时,宜选用阴离子交换树脂。对氨基酸等两性物质的分离,即可用阳离子交换树脂,也可用阴离子交换树脂。对某些贵金属和有毒金属离子可选用螯合树脂交换回收。对有机物(如酚)宜用低交联度的大孔树脂处理。绝大多数脱盐系统都采用强型树脂。污水处理时,对交换势大的离子,宜选用弱性树脂。此时弱性树脂的交换能力强,再生容易,运行费用较小。当污水中含有多种离子时,可利用交换选择性进行多级回收,如不需回收时,可用阳-阴树脂混合床处理。
四、离子交换工艺与设备:
  离子交换装置,按照进行方式的不同,可分为固定床和连续床两大类。固定床有单层床、双层床和混合床三种类型;连续床有移动床和流动床两种。在废水处理中,单层固定床离子交换装置是最常用、最基本的一种形式。固定床离子交换器在工作时,床层固定不变,水流由上而下流动。根据料层的组成,又分为单层床、双层床和混合床三种。单层床中只装一种树脂,可以单独使用,也可以串联使用。双层床是在同一个柱内装两种同性不同型的树脂,由于密度不同而分为两层。混合床是把阴、阳两种树脂混合装成一床使用。固定床交换柱的上部和下部设有配水和集水装置,中部装填1.0~1.5m厚的交换树脂。这种交换器的优点是设备紧凑、操作简单、出水水质好;但是,再生费用较大、生产效率不够高,目前仍然是应用比较广泛的一种设备。移动床交换设备包括交换柱和再生柱两个主要部分,工作时,定期从交换柱排出部分失效树脂,送到再生柱再生,同时补充等量的新鲜树脂参与工作。它是一种半连续式的交换设备,整个交换树脂在间断移动中完成交换和再生。移动床和流动床与固定床相比,具有交换速度快、生产能力大和效率高的优点,但是由于设备复杂、操作麻烦、对水质水量变化的适应性差,以及树脂磨损大等缺点,限制了使用范围。

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