離子交換原理

有兩種理論可用于研究交換過(guò)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(shù)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(shù)脂表面相當(dāng)于半透膜, 所交換的離子能自由通過(guò);而連接在樹(shù)脂骨架上的離子不能通過(guò)。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(duì)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(shù)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(shù)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(guò)程的選擇性越高。

離子交換是一種液固相反應(yīng)過(guò)程，必然涉及物質(zhì)在液相和固相中的擴(kuò)散過(guò)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(jiàn)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(guò)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(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，此電場(chǎng)必對(duì)離子的擴(kuò)散產(chǎn)生影響?？紤]到此電場(chǎng)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。

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(shù)脂以后的事。離子交換操作的過(guò)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(jiàn)傳質(zhì)設(shè)備)，適用于處理粘稠液體。當(dāng)單級(jí)交換達(dá)不到要求時(shí)，可用多級(jí)組成級(jí)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。

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(lái)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(shù)脂自再生來(lái)克服樹(shù)脂失效后通過(guò)化學(xué)藥劑再生的缺陷,是20世紀(jì)80年代以來(lái)逐漸興起的新技術(shù)。經(jīng)過(guò)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(chǎng)。

EDI裝置包括陰/陽(yáng)離子交換膜、離子交換樹(shù)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(guò),不允許陽(yáng)離子通過(guò),而陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子透過(guò),不允許陰離子通過(guò)。離子交換樹(shù)脂充夾在陰陽(yáng)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(kāi),形成濃水室。在單元組兩端的直流電源陰陽(yáng)電極形成電場(chǎng)。來(lái)水水流流經(jīng)淡水室,水中的陰陽(yáng)離子在電場(chǎng)作用下通過(guò)陰陽(yáng)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(shù)脂大大地提高了離子被清除的速度。同時(shí),水分子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生氫離子和氫氧根離子,這些離子對(duì)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行連續(xù)再生,以使離子交換樹(shù)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(guò)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(guò)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(wú)須用酸堿再生

·不會(huì)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(wú)須酸堿儲(chǔ)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(jiǎn)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(chǔ)存、酸堿添加和廢水處理設(shè)施及后期維護(hù)、樹(shù)脂更換來(lái)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(huì)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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō),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(guó)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(guó)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(duì)不同行業(yè)進(jìn)行優(yōu)化, 初投資費(fèi)用會(huì)大大降低?？梢韵嘈旁诓痪玫膶?lái)會(huì)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(wú)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(jí)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(jí)出水pH提高到11以上，使銨離子轉(zhuǎn)化為氨，對(duì)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(guò)90%。

離子交換膜按功能及結(jié)構(gòu)的不同，可分為陽(yáng)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(shù)脂相同，但為膜的形式。