廢水離子交換處理法交換反應(yīng)

任何離子交換反應(yīng)都有三個特征: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大的離子交換。在常溫和低濃度時，陽離子價數(shù)愈高，交換勢就愈大;同價離子則原子序數(shù)愈大，交換勢愈大。強酸陽樹脂的選擇性順序為:

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

強堿陰樹脂的選擇性順序為:

Cr2O崼>SO厈>NO婣>CrO厈>Cl->OH-

當(dāng)高濃度時，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屧來表達(dá)。對于陽離子交換則為:

式中【RnA】、【RB】分別為反應(yīng)平衡時樹脂中An+和B+的克離子濃度;【An+】、【B+】分別為反應(yīng)平衡時溶液中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)。它是一個無量綱數(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An+和B+的選擇性是一樣的;K屧=0，說明An+根本不被樹脂吸附。如對陽離子交換樹脂而言，陰離子的選擇系數(shù)等于0;反之,對陰離子交換樹脂,陽離子的選擇系數(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)到平衡時樹脂基本為【RnA】。再生時欲使樹脂基本恢復(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描述，這比用簡單的質(zhì)量作用定律來敘述更為完善。

①被處理溶液中的某離子遷移到附著在離子交換劑顆粒表面的液膜中;

②該離子通過液膜擴(kuò)散(簡稱膜擴(kuò)散)進(jìn)入顆粒中，并在顆粒的孔道中擴(kuò)散而到達(dá)離子交換劑的交換基團(tuán)的部位上(簡稱顆粒內(nèi)擴(kuò)散);

③該離子同離子交換劑上的離子進(jìn)行交換;

④被交換下來的離子沿相反途徑轉(zhuǎn)移到被處理的溶液中。離子交換反應(yīng)是瞬間完成的，而交換過程的速度主要取決于歷時最長的膜擴(kuò)散或顆粒內(nèi)擴(kuò)散。

拋光樹脂是由氫型強酸性陽離子交換樹脂及氫氧型強堿性陰離子交換樹脂混合而成 來保證系統(tǒng)出水水質(zhì)能夠維持用水標(biāo)準(zhǔn)。一般出水水質(zhì)都能達(dá)到18兆歐以上，以及對TOC、SIO2都有一定的控制能力。拋光樹脂出廠的離子型態(tài)都是H、OH型，裝填后及可使用無需再生。

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)離子交換樹脂的報告。1939年德國化學(xué)公司初次介紹了工業(yè)制造的離子交換樹脂，其牌號是wofatit。1945年后,苯乙烯磺酸型強酸陽樹脂以及強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。

有無機(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電荷的可交換離子?？山粨Q離子為陽離子(活性基團(tuán)為酸性基)時，稱陽離子交換樹脂;可交換離子為陰離子(活性基團(tuán)為堿性基)時，稱陰離子交換樹脂。陽、陰離子交換樹脂又可根據(jù)它們的酸堿性反應(yīng)基的強度分為強酸性和弱酸性，強堿性和弱堿性等。強酸性陽離子交換樹脂可用 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+。弱堿性陽樹脂可用R-COOH表示。強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)。

有靜態(tài)運行和動態(tài)運行兩種。靜態(tài)運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)。這種運行除非樹脂對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。為了減弱交換時的逆反應(yīng)，離子交換操作大都以動態(tài)運行，即置交換劑于圓柱形床中，廢水連續(xù)通過床內(nèi)交換。

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

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

主要有順流再生和逆流再生。前者，再生和交換過程中的流向相同;后者，再生和交換過程中的流向相反。逆流再生由于再生時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、陰樹脂，利用極化產(chǎn)生的H+及OH-,使陽、陰樹脂同時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溫度作用的敏感性為依據(jù):溫度低(25℃)時有利于交換，溫度高時(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H型陽樹脂交換,去掉廢水中的陽離子Cr3+、Fe3+等:

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

廢水經(jīng)陽、陰樹脂交換后，鉻被吸附在樹脂上，廢水得到凈化。當(dāng)陽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H型陽床交換脫鈉:

4R-SO3H+2Na2CrO4匑

4R-SO3Na+H2Cr2O7+H2O

因陰樹脂對Cr2O崼的選擇性最大,這樣在陰床交換達(dá)到平衡時，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)院和實驗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。

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、操作自動化發(fā)展，以降低投資，減少用地，簡化管理。