離子交換介紹

早在1850年就發(fā)現(xiàn)了土壤吸收銨鹽時的離子交換現(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。

有兩種理論可用于研究交換過程的選擇性:

① 多相化學反應理論假定離子A1與A2之間有如下的交換反應:

式中Z1和Z2分別為離子A1和A2的化合價;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 認為樹脂表面相當于半透膜, 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，可得出格雷戈爾公式:

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過程，必然涉及物質(zhì)在液相和固相中的擴散過程。在常溫下，交換反應的速度很快，不是控制因素。如果進行交換的離子在液相中的擴散速度較慢，稱為外擴散控制，如果在固相中的擴散較慢，則稱為內(nèi)擴散控制。

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

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

主要類型有:①攪拌槽(見傳質(zhì)設備)，適用于處理粘稠液體。當單級交換達不到要求時，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)設備，應用最廣。③移動床離子交換器，是用于離子交換的移動床傳質(zhì)設備，由于技術上的困難尚未得到工業(yè)應用。

EDI(Electro-de-ionization)是一種將離子交換技術、離子交換膜技術和離子電遷移技術(電滲析技術)相結(jié)合的純水制造技術。該技術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離子實現(xiàn)樹脂自再生來克服樹脂失效后通過化學藥劑再生的缺陷,是20世紀80年代以來逐漸興起的新技術。經(jīng)過十幾年的發(fā)展,EDI技術已經(jīng)在北美及歐洲占據(jù)了相當部分的超純水市場。

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,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備。EDI裝置進水要求為電阻率為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15MΩ·cm以上的超純水。

EDI裝置不需要化學再生,可連續(xù)運行,進而不需要傳統(tǒng)水處理工藝的混合離子交換設備再生所需的酸堿液,以及再生所排放的廢水。其主要特點如下:

EDI的凈水基本過程

·連續(xù)運行,產(chǎn)品水水質(zhì)穩(wěn)定

·容易實現(xiàn)全自動控制

·無須用酸堿再生

·不會因再生而停機

·節(jié)省了再生用水及再生污水處理設施

·產(chǎn)水率高(可達95%)

·無須酸堿儲備和酸堿稀釋運送設施

·占地面積小

·使用安全可靠,避免工人接觸酸堿

·降低運行及維護成本

·設備單元模塊化,可靈活的組合各種流量的凈水設施

·安裝簡單、費用低廉

·設備初投資大

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

(1)產(chǎn)品水水質(zhì)比較

EDI裝置是一個連續(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18MΩ·cm,達到超純水的指標?；齑搽x子交換設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施及后期維護、樹脂更換來看,兩者費用相差在10%左右。隨著技術的提高與批量生產(chǎn),EDI裝置所需的投資量會大大的降低。另外,EDI裝置設備小巧,所需廠房遠遠小于混床。

(3)運行成本比較

EDI裝置運行費用包括電耗、水耗、藥劑費及設備折舊等費用,省去了酸堿消耗、再生用水、廢水處理和污水排放等費用。

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)濟的,可以用廠用電的價格核算。

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

至于藥劑費和設備折舊費兩者相差不大。

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

EDI技術在國外廣泛的應用有十幾年的時間,大多用于制藥行業(yè)、微電子行業(yè)、發(fā)電工業(yè)和實驗室。在表面清洗、表面涂裝、電解工業(yè)和化工工業(yè)的應用也日趨廣泛。在我國應用時間只有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)化學水處理系統(tǒng)中的應用剛剛興起。

EDI裝置屬于水精處理設備, 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, 具有廣泛的應用前景。隨著設備改進與技術完善以及針對不同行業(yè)進行優(yōu)化, 初投資費用會大大降低?？梢韵嘈旁诓痪玫膶頃耆〈鷤鹘y(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(無機氮延時曝氣氧化成硝酸鹽，再厭氧反硝化轉(zhuǎn)化成氮氣);折點氯化(二級出水投加氯，到殘余的全部溶解性氯達到最低點，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%。

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。