廢水離子交換處理法

任何離子交換反應(yīng)都有三個(gè)特征:①和其他化學(xué)反應(yīng)一樣服從當(dāng)量定律，即以等當(dāng)量進(jìn)行交換;②是一種可逆反應(yīng)，遵循質(zhì)量作用定律;③交換劑具有選擇性。交換劑上的交換離子先和交換勢(shì)大的離子交換。在常溫和低濃度時(shí)，陽(yáng)離子價(jià)數(shù)愈高，交換勢(shì)就愈大;同價(jià)離子則原子序數(shù)愈大，交換勢(shì)愈大。強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂的選擇性順序?yàn)?

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>H+

強(qiáng)堿陰樹脂的選擇性順序?yàn)?

Cr2O崼>SO厈>NO婣>CrO厈>Cl->OH-

當(dāng)高濃度時(shí)，上述前后順序退居次要地位，主要依濃度的大小排列順序。

離子交換的選擇性可由描述平衡狀態(tài)的一種數(shù)值，即所謂選擇系數(shù)K屧來(lái)表達(dá)。對(duì)于陽(yáng)離子交換則為:

式中【RnA】、【RB】分別為反應(yīng)平衡時(shí)樹脂中An+和B+的克離子濃度;【An+】、【B+】分別為反應(yīng)平衡時(shí)溶液中An+和B+的克離子濃度。選擇系數(shù)K屧表示樹脂中An+和B+的比值同溶液中An+和B+的比值相除的商數(shù)。它是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，其值決定于溶液的總濃度、離子組成和溫度,同所選擇的濃度單位無(wú)關(guān)。K屧大于1表示樹脂優(yōu)先選擇An+;K屧等于1表示樹脂對(duì)An+和B+的選擇性是一樣的;K屧=0，說(shuō)明An+根本不被樹脂吸附。如對(duì)陽(yáng)離子交換樹脂而言，陰離子的選擇系數(shù)等于0;反之,對(duì)陰離子交換樹脂,陽(yáng)離子的選擇系數(shù)等于0。K屧小于1則表示樹脂優(yōu)先選擇B+;K屧>>1或K屧<<1,An+、B+兩者最易分離;當(dāng)K屧>>1,則交換達(dá)到平衡時(shí)樹脂基本為【RnA】。再生時(shí)欲使樹脂基本恢復(fù)為【R·B】，唯一的辦法是加大溶液中B+離子的濃度。離子交換平衡現(xiàn)象的熱力學(xué)解釋，可按唐南膜平衡模型來(lái)描述，這比用簡(jiǎn)單的質(zhì)量作用定律來(lái)敘述更為完善。

離子交換劑在工業(yè)上的應(yīng)用，起初是用天然沸石制取軟水，后來(lái)發(fā)展到制備合成沸石和磺化煤。在離子交換技術(shù)中最重要的進(jìn)展，是1935年英國(guó)人B.A.亞當(dāng)斯和E.L.霍姆斯發(fā)表了關(guān)于用苯酚和甲醛合成有機(jī)離子交換樹脂的報(bào)告。1939年德國(guó)化學(xué)公司初次介紹了工業(yè)制造的離子交換樹脂，其牌號(hào)是wofatit。1945年后,苯乙烯磺酸型強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂以及強(qiáng)堿性和弱堿性陰樹脂先后研究成功，這些都是凝膠型樹脂。1962年性能更好的MR型大孔樹脂問(wèn)世。70年代發(fā)明了熱再生樹脂。離子交換技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥以及科學(xué)研究上的應(yīng)用日益廣泛。

簡(jiǎn)介

廢水離子交換處理法是廢水物理化學(xué)處理法之一種。借助于離子交換劑中的交換離子同廢水中的離子進(jìn)行交換而去除廢水中有害離子的方法。

有靜態(tài)運(yùn)行和動(dòng)態(tài)運(yùn)行兩種。靜態(tài)運(yùn)行是在處理水中加入適量的樹脂進(jìn)行混合，直至交換反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。這種運(yùn)行除非樹脂對(duì)所需去除的同性離子有很高的選擇性，否則由于反應(yīng)的可逆性只能利用樹脂交換容量的一部分。為了減弱交換時(shí)的逆反應(yīng)，離子交換操作大都以動(dòng)態(tài)運(yùn)行，即置交換劑于圓柱形床中，廢水連續(xù)通過(guò)床內(nèi)交換。

離子交換法處理廢水具有廣闊的前景，進(jìn)展很快。當(dāng)前研究的主要方向，一是合成適用于處理各種廢水的樹脂，以獲得交換容量大、洗脫率高、洗脫峰集中、抗污染能力強(qiáng)的樹脂;二是使離子交換設(shè)備小型化、系列化，并向生產(chǎn)裝置連續(xù)化、操作自動(dòng)化發(fā)展，以降低投資，減少用地，簡(jiǎn)化管理。

有固定床、移動(dòng)床、流動(dòng)床等型式。固定床是在離子交換一周期的四個(gè)過(guò)程(交換、反洗、再生、淋洗)中，樹脂均固定在床內(nèi)。移動(dòng)床則是在交換過(guò)程中將部分飽和樹脂移出床外再生，同時(shí)將再生的樹脂送回床內(nèi)使用。流動(dòng)床則是樹脂處于流動(dòng)狀態(tài)下完成上述四個(gè)過(guò)程。移動(dòng)床稱半連續(xù)裝置，流動(dòng)床則稱全連續(xù)裝置。

床內(nèi)只有一種陽(yáng)樹脂(或陰樹脂)的稱為陽(yáng)床(或陰床)，床內(nèi)裝有陽(yáng)、陰兩種樹脂的稱為混合床。如床內(nèi)裝有一種強(qiáng)型和一種弱型陽(yáng)樹脂或陰樹脂的則稱為雙層床?；旌洗部赏瑫r(shí)去除廢水中的陽(yáng)、陰離子，相當(dāng)于無(wú)數(shù)個(gè)陽(yáng)床、陰床串聯(lián)，因而可制取高純水。采用雙層床進(jìn)行離子交換時(shí)廢水先通過(guò)弱型樹脂，后通過(guò)強(qiáng)型樹脂，再生時(shí)則相反。

有無(wú)機(jī)和有機(jī)質(zhì)兩類。前者如天然物質(zhì)海綠砂或合成沸石;后者如磺化煤和樹脂。

交換劑由兩部分組成，一是不參加交換過(guò)程的惰性物母體，如樹脂的母體是由高分子物質(zhì)交聯(lián)而成的三維空間網(wǎng)絡(luò)骨架;一是聯(lián)結(jié)在骨架上的活性基團(tuán)(帶電官能團(tuán))。母體本身是電中性的?；钚曰鶊F(tuán)包括可離解為同母體緊密結(jié)合的惰性離子和帶異號(hào)電荷的可交換離子。可交換離子為陽(yáng)離子(活性基團(tuán)為酸性基)時(shí)，稱陽(yáng)離子交換樹脂;可交換離子為陰離子(活性基團(tuán)為堿性基)時(shí)，稱陰離子交換樹脂。陽(yáng)、陰離子交換樹脂又可根據(jù)它們的酸堿性反應(yīng)基的強(qiáng)度分為強(qiáng)酸性和弱酸性，強(qiáng)堿性和弱堿性等。強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂可用 R-SO3H表示,R為母體,-SO3H為活性基團(tuán)。后者在溶液中可離解為惰性離子R-SO婣和可交換離子H+。弱堿性陽(yáng)樹脂可用R-COOH表示。強(qiáng)堿性季胺型陰樹脂可用R櫝NOH表示，弱堿性叔胺、 仲胺、 伯胺型陰樹脂分別用R呏NHOH、R=NH2OH、R-NH3OH表示，R代表母體，其他部分代表活性基團(tuán)。

主要有順流再生和逆流再生。前者，再生和交換過(guò)程中的流向相同;后者，再生和交換過(guò)程中的流向相反。逆流再生由于再生時(shí)新鮮度高的再生劑首先同飽和度小的樹脂接觸，新鮮度低的再生劑同飽和度大的樹脂接觸，這樣可充分利用再生劑，再生效果較好。

還出現(xiàn)了電再生和熱再生工藝。電再生是在電滲析器淡水隔室內(nèi)填充陽(yáng)、陰樹脂，利用極化產(chǎn)生的H+及OH-,使陽(yáng)、陰樹脂同時(shí)得到再生的一種技術(shù)。熱再生是以極易再生的弱酸或弱堿樹脂對(duì)溫度作用的敏感性為依據(jù):溫度低(25℃)時(shí)有利于交換，溫度高時(shí)(85℃)由于水中【H+】、【OH-】離子濃度增高而有利再生，因此,可以只調(diào)整水溫而不用再生劑。

在廢水處理中應(yīng)用離子交換,可以回收有用物質(zhì),如以含鉻廢水為例。含鉻廢水首先經(jīng)過(guò)H型陽(yáng)樹脂交換,去掉廢水中的陽(yáng)離子Cr3+、Fe3+等:

水中Cr6+在酸性條件下主要以H2Cr2O7形式存在,通過(guò)OH型陰樹脂交換:

廢水經(jīng)陽(yáng)、陰樹脂交換后，鉻被吸附在樹脂上，廢水得到凈化。當(dāng)陽(yáng)樹脂失效后可用酸再生，使樹脂恢復(fù)原型:

同樣，陰樹脂失效后可用堿再生:

(R呏NH)2Cr2O7+4NaOH匑

2R呏NHOH+2Na2CrO4+H2O得到的Na2CrO4可再通過(guò)H型陽(yáng)床交換脫鈉:

4R-SO3H+2Na2CrO4匑

4R-SO3Na+H2Cr2O7+H2O

因陰樹脂對(duì)Cr2O崼的選擇性最大,這樣在陰床交換達(dá)到平衡時(shí)，樹脂基本為(R櫝N)2Cr2O7型,故所得鉻酸濃度和純度很高，可回用于生產(chǎn)。樹脂在脫鈉后變?yōu)镹a型，可用酸再生轉(zhuǎn)型:

R-SO3Na+HCl匑R-SO3H+NaCl

應(yīng)用上述原理可處理其他各種金屬表面加工產(chǎn)生的廢水,如含金、鎳、鎘、銅的廢水等。此外,從原子核反應(yīng)器、醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)室廢水中回收和去除放射性物質(zhì)，也可應(yīng)用離子交換法。