離子交換

有兩種理論可用于研究交換過程的選擇性:

① 多相化學(xué)反應(yīng)理論假定離子A1與A2之間有如下的交換反應(yīng):

式中Z1和Z2分別為離子A1和A2的化合價(jià);A1和A2表示存在于溶液相中的離子;憑1和憑2表示存在于樹脂相中的離子。以離子濃度C代替活度，依據(jù)質(zhì)量作用定律,可得出離子交換平衡常數(shù)為: 式中C1、C2、叿1和叿2分別為A1、A2、憑1和憑2的離子濃度。此常數(shù)又稱選擇性系數(shù)。

②膜平衡理論 認(rèn)為樹脂表面相當(dāng)于半透膜, 所交換的離子能自由通過;而連接在樹脂骨架上的離子不能通過。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈?duì)柟?

式中R為摩爾氣體常數(shù);T為絕對溫度;α1、α2、ā1和ā2分別為離子A1、A2、憑1和憑2的活度;π為滲透壓;堸為位于樹脂相的離子的偏摩爾體積。由上式可以看出，化合價(jià)較高、體積較小(即水化半徑較小)的離子，將優(yōu)先與樹脂結(jié)合。因此，溶液中各種離子的化合價(jià)及體積相差越大，離子交換過程的選擇性越高。

離子交換是一種液固相反應(yīng)過程，必然涉及物質(zhì)在液相和固相中的擴(kuò)散過程。在常溫下，交換反應(yīng)的速度很快，不是控制因素。如果進(jìn)行交換的離子在液相中的擴(kuò)散速度較慢，稱為外擴(kuò)散控制，如果在固相中的擴(kuò)散較慢，則稱為內(nèi)擴(kuò)散控制。

早期的研究系從斐克定律(見分子擴(kuò)散)出發(fā)，所導(dǎo)出的速率方程式只適用于同位素離子的交換。實(shí)際上，離子交換過程至少有兩種離子反向擴(kuò)散。如果它們的擴(kuò)散速率不等，就會產(chǎn)生電場，此電場必對離子的擴(kuò)散產(chǎn)生影響?？紤]到此電場的影響，F(xiàn).G.赫爾弗里希導(dǎo)出相應(yīng)的速率方程為:

式中N為物質(zhì)通量;D為擴(kuò)散系數(shù);F為法拉第常數(shù);φ為電極電位。

EDI(Electro-de-ionization)是一種將離子交換技術(shù)、離子交換膜技術(shù)和離子電遷移技術(shù)(電滲析技術(shù))相結(jié)合的純水制造技術(shù)。該技術(shù)利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析極化而脫鹽不徹底,又利用電滲析極化而發(fā)生水電離產(chǎn)生H和OH離子實(shí)現(xiàn)樹脂自再生來克服樹脂失效后通過化學(xué)藥劑再生的缺陷,是20世紀(jì)80年代以來逐漸興起的新技術(shù)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展,EDI技術(shù)已經(jīng)在北美及歐洲占據(jù)了相當(dāng)部分的超純水市場。

EDI裝置包括陰/陽離子交換膜、離子交換樹脂、直流電源等設(shè)備。其中陰離子交換膜只允許陰離子透過,不允許陽離子通過,而陽離子交換膜只允許陽離子透過,不允許陰離子通過。離子交換樹脂充夾在陰陽離子交換膜之間形成單個(gè)處理單元,并構(gòu)成淡水室。單元與單元之間用網(wǎng)狀物隔開,形成濃水室。在單元組兩端的直流電源陰陽電極形成電場。來水水流流經(jīng)淡水室,水中的陰陽離子在電場作用下通過陰陽離子交換膜被清除,進(jìn)入濃水室。在離子交換膜之間充填的離子交換樹脂大大地提高了離子被清除的速度。同時(shí),水分子在電場作用下產(chǎn)生氫離子和氫氧根離子,這些離子對離子交換樹脂進(jìn)行連續(xù)再生,以使離子交換樹脂保持最佳狀態(tài)。EDI裝置將給水分成三股獨(dú)立的水流:純水、濃水、和極水。純水(90%-95%)為最終得到水,濃水(5%-10%)可以再循環(huán)處理,極水(1%)排放掉。圖2表示了EDI的凈水基本過程。

EDI裝置屬于精處理水系統(tǒng),一般多與反滲透(RO)配合使用,組成預(yù)處理、反滲透、EDI裝置的超純水處理系統(tǒng),取代了傳統(tǒng)水處理工藝的混合離子交換設(shè)備。EDI裝置進(jìn)水要求為電阻率為0.025-0.5MΩ·cm,反滲透裝置完全可以滿足要求。EDI裝置可生產(chǎn)電阻率高達(dá)15MΩ·cm以上的超純水。

EDI裝置不需要化學(xué)再生,可連續(xù)運(yùn)行,進(jìn)而不需要傳統(tǒng)水處理工藝的混合離子交換設(shè)備再生所需的酸堿液,以及再生所排放的廢水。其主要特點(diǎn)如下:

EDI的凈水基本過程

·連續(xù)運(yùn)行,產(chǎn)品水水質(zhì)穩(wěn)定

·容易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制

·無須用酸堿再生

·不會因再生而停機(jī)

·節(jié)省了再生用水及再生污水處理設(shè)施

·產(chǎn)水率高(可達(dá)95%)

·無須酸堿儲備和酸堿稀釋運(yùn)送設(shè)施

·占地面積小

·使用安全可靠,避免工人接觸酸堿

·降低運(yùn)行及維護(hù)成本

·設(shè)備單元模塊化,可靈活的組合各種流量的凈水設(shè)施

·安裝簡單、費(fèi)用低廉

·設(shè)備初投資大

EDI裝置與混床離子交換設(shè)備屬于水處理系統(tǒng)中的精處理設(shè)備,下面將兩種設(shè)備在產(chǎn)水水質(zhì)、投資量及運(yùn)行成本方面進(jìn)行比較,來說明EDI裝置在水處理中應(yīng)用的優(yōu)越性。

(1)產(chǎn)品水水質(zhì)比較

EDI裝置是一個(gè)連續(xù)凈水過程,因此其產(chǎn)品水水質(zhì)穩(wěn)定,電阻率一般為15MΩ·cm,最高可達(dá)18MΩ·cm,達(dá)到超純水的指標(biāo)?；齑搽x子交換設(shè)施的凈水過程是間斷式的,在剛剛被再生后,其產(chǎn)品水水質(zhì)較高,而在下次再生之前,其產(chǎn)品水水質(zhì)較差。

(2)投資量比較

與混床離子交換設(shè)施相比EDI裝置投資量要高約20%左右,但從混床需要酸堿儲存、酸堿添加和廢水處理設(shè)施及后期維護(hù)、樹脂更換來看,兩者費(fèi)用相差在10%左右。隨著技術(shù)的提高與批量生產(chǎn),EDI裝置所需的投資量會大大的降低。另外,EDI裝置設(shè)備小巧,所需廠房遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混床。

(3)運(yùn)行成本比較

EDI裝置運(yùn)行費(fèi)用包括電耗、水耗、藥劑費(fèi)及設(shè)備折舊等費(fèi)用,省去了酸堿消耗、再生用水、廢水處理和污水排放等費(fèi)用。

在電耗方面,EDI裝置約0.5kWh/t水,混床工藝約0.35kWh/t水,電耗的成本在電廠來說是比較經(jīng)濟(jì)的,可以用廠用電的價(jià)格核算。

在水耗方面,EDI裝置產(chǎn)水率高,不用再生用水,因此在此方面運(yùn)行費(fèi)用低于混床。

至于藥劑費(fèi)和設(shè)備折舊費(fèi)兩者相差不大。

總的來說,在運(yùn)行費(fèi)用中,EDI裝置噸水運(yùn)行成本在2.4元左右,常規(guī)混床噸水運(yùn)行成本在2.7元左右,高于EDI裝置。因此,EDI裝置多投資的費(fèi)用在幾年內(nèi)完全可以回收。

EDI技術(shù)在國外廣泛的應(yīng)用有十幾年的時(shí)間,大多用于制藥行業(yè)、微電子行業(yè)、發(fā)電工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室。在表面清洗、表面涂裝、電解工業(yè)和化工工業(yè)的應(yīng)用也日趨廣泛。在我國應(yīng)用時(shí)間只有2-3年,主要用于醫(yī)藥和微電子工業(yè)的超純水的處理,而在發(fā)電行業(yè)化學(xué)水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用剛剛興起。

EDI裝置屬于水精處理設(shè)備, 具有連續(xù)產(chǎn)水、水質(zhì)高、易控制、占地少、不需酸堿、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn), 具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著設(shè)備改進(jìn)與技術(shù)完善以及針對不同行業(yè)進(jìn)行優(yōu)化, 初投資費(fèi)用會大大降低。可以相信在不久的將來會完全取代傳統(tǒng)的水處理工藝中的混合 。

控制氮含量的方法(4種):生物硝化-反硝化(無機(jī)氮延時(shí)曝氣氧化成硝酸鹽，再厭氧反硝化轉(zhuǎn)化成氮?dú)?;折點(diǎn)氯化(二級出水投加氯，到殘余的全部溶解性氯達(dá)到最低點(diǎn)，水中氨氮全部氧化);選擇性離子交換;氨的氣提(二級出水pH提高到11以上，使銨離子轉(zhuǎn)化為氨，對出水激烈曝氣，以氣體方式將氨從水中去除，再調(diào)節(jié)pH到合適值)。每種方法氮的去除率均可超過90%。

早在1850年就發(fā)現(xiàn)了土壤吸收銨鹽時(shí)的離子交換現(xiàn)象,但離子交換作為一種現(xiàn)代分離手段,是在20世紀(jì)40年代人工合成了離子交換樹脂以后的事。離子交換操作的過程和設(shè)備，與吸附基本相同，但離子交換的選擇性較高，更適用于高純度的分離和凈化。

目前離子交換主要用于水處理(軟化和純化);溶液(如糖液)的精制和脫色;從礦物浸出液中提取鈾和稀有金屬;從發(fā)酵液中提取抗生素以及從工業(yè)廢水中回收貴金屬等。

主要類型有:①攪拌槽(見傳質(zhì)設(shè)備)，適用于處理粘稠液體。當(dāng)單級交換達(dá)不到要求時(shí)，可用多級組成級聯(lián)。②固定床離子交換器,也稱離子交換柱,是用于離子交換的固定床傳質(zhì)設(shè)備，應(yīng)用最廣。③移動(dòng)床離子交換器，是用于離子交換的移動(dòng)床傳質(zhì)設(shè)備，由于技術(shù)上的困難尚未得到工業(yè)應(yīng)用。

離子交換膜按功能及結(jié)構(gòu)的不同，可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜、兩性交換膜、鑲嵌離子交換膜、聚電解質(zhì)復(fù)合物膜五種類型。離子交換膜的構(gòu)造和離子交換樹脂相同，但為膜的形式。