第三章污水的物理处理第15节

第十五节离子交换法离子交换法是通过固相离子交换剂功能团所带的可交换离子，与接触交换剂的溶液中相同电性的离子进行交换反应，以达到离子置换、分离、去除、浓缩等目的。（一）离子交换剂离子交换剂可分为无机离子交换剂（沸石、人工沸石）、高分子聚合电解质（离子交换树脂）。一、离子交换树脂的结构特征骨架（母体）：是形成离子交换树脂的结构主体。它是以一种线型结构的高分子有机化合物为主，加上一定数量的交联剂，通过横键架桥作用构成空间网状结构。活性基团：是由固定离子和活动离子组成。二、离子交换树脂的种类1、按功能基团的性质分:酸性基团、碱性基团2、按树脂类型和孔结构的不同分：凝胶、大孔、多孔等三、离子交换树脂的性能1、交换选择性离子交换树脂对水溶液或废水中某种离子优先交换的性能，称为树脂的交换选择性，简称选择性。它是表征树脂对不同离子亲合能力的差别。2、离子交换树脂的交换容量离子交换树脂交换能力的大小以交换容量来衡量，它表示树脂所能吸着(交换)的交换离子数量。离子交换树脂的交换容量有三种表示法：1)全交换容量(或称总交换容量)：指离子交换树脂内全部可交换的活性基团的数量；此值决定于树脂内部组成，与外界溶液条件无关。这是一个常数，通常用滴定法测定。2)平衡交换容量：指在一定的外界溶液条件下，交换反应达到平衡状态时，交换树脂所能交换的离子数量，其值随外界条件变化而异。3)工作交换容量：或称实用交换容量，是指在某一指定的应用条件下树脂表现出来的交换容量。例如，在离子交换柱进行交换的运行过程中，当出水中开始出现需要脱除的离子时，或者说达到穿透点时，交换树脂所达到的实际交换容量。故有时也称穿透交换容量。树脂的全交换容量最大，平衡交换容量次之，工作交换容量最小。后二者只是全交换容量的一部分。离子交换容量的单位，可用每单位重量干树脂所能交换的离子数量来表示，例如mol/g(干)。也可用每单位体积温树脂所能交换的离子数量来表示，例如mo1/mL(湿)。3、树脂的溶胀性各种离子交换树脂都合有极性很强的交换基团，因此亲水性很强。树脂的这种结构使它具有溶胀和收缩的性能。树脂溶胀或收缩的程度以溶胀率表示。品种不同的树脂具有不同的溶胀率；同一种树脂，活动离子形式不同，其体积也不相同，因此树脂在转型时就会发生体积改变；外溶液的不同，树脂溶胀率也不一样，所以当树脂浸入某种溶液时就会产生溶胀或收缩。4、树脂的物理与化学稳定性树脂的物理稳定性是指树脂受到机械作用时(包括在使用过程中的溶胀和收缩)的磨损程度，还包括温度变化时对树脂影响的程度。树脂的化学稳定性包括承受酸碱度变化的能力、抵抗氧化还原的能力等。树脂稳定性是选择和使用树脂时必须注意的因素之一。5、粒度、密度树脂粒度对水流分布、床层压力有很大影响。密度对设计计算交换柱，对交换柱反洗强度以及对混合床再生前分层分离状况等都有关系。所以，这些性能在选择和使用离子交换树脂时必须予以考虑。=(g/ml)()=(g/ml)()湿树脂质量湿真密度树脂颗粒本身所占体积不包括树脂颗粒间的孔隙湿树脂质量湿视密度树脂堆积体积包括树脂颗粒间的孔隙（二）离子交换平衡与交换动力学一、离子交换平衡1、离子交换平衡常数2、离子交换平衡曲线-n-n-+n+n++n+n+nn+-+nRA+BRB+nAARBK=BRA等价离子交换平衡曲线的交换平衡曲线二价离子对一价离子二、离子交换动力学1、离子交换的动力学过程(1)交换离子从溶液中扩散到树脂表面；(2)离子透过树脂颗粒表面的边界膜；(3)离子在树脂颗粒内部孔隙中扩散到交换点；(4)离子在交换点进行交换反应；(5)被交换的离子沿相反方向迁移到溶液中去。2、控制步骤在上述这些步骤中，离子交换反应可以认为是瞬时完成的，其余步骤都属于离子的扩散过程，所以离子交换速度实际上由传质过程所控制。在废水处理的正常流速下，交换速度主要决定于膜扩散及孔隙扩散。在这两者中哪种为速度控制因素，需要根据具体情况进行分析。一般来说，溶液中交换离子浓度低时，膜扩散为控制因素；浓度高时，则孔隙扩散为控制因素。（三）离子交换工艺过程及设备一、离子交换工艺过程离子交换操作是在装有离子交换剂的交换柱中以过滤方式进行的，整个工艺过程一般包括过滤(工作交换)、反洗、再生和清洗等4个阶段。这四个阶段依次进行，形成不断循环的工作周期。1、过滤阶段(交换阶段)离子交换的过滤速度是一个重要的工艺参数，过滤阶段的滤速和进水水质、出水水质及阻力损失等因素有关。根据废水性质和处理条件的不同，滤速可在每小时几米到几十米的范围内变动，一般为10~30m／h，最好是通过实验加以确定。2、反冲洗阶段反冲洗的目的有二：一是松动树脂层，使再生液能均匀渗入层中，与交换剂颗粒充分接触；二是把过滤过程中产生的破碎粒子和截留的污物冲走。为了达到这两个目的，树脂层在反冲洗时要膨胀30~40％。冲洗水可用自来水或废再生液。3、再生阶段（1）再生的推动力再生的推动力主要是反应系统的离子浓度差。此外，对弱酸、弱碱树脂而言，除浓度差作用外，还由于它们分别对H+和OH-离子的亲和力较强，所以用酸和碱再生时，比强酸、强碱树脂更容易再生，所使用的再生剂浓度也较低。（2）再生剂用量与再生程度（3）固定床的再生方式固定床交换柱的再生方式有两种：再生阶段的液流方向和过滤阶段相同者，称为顺流再生；方向相反者，称为逆流再生。4、清洗阶段清洗的目的是洗涤残留的再生液和再生时可能出现的反应产物。通常清洗的水流方向和过滤时一样，所以又称为正洗。清洗的水流速度应先小后大。清洗过程后期应特别注意掌握清洗终点的pH值(尤其是弱胜树脂转型之后的清洗)，避免重新消耗树脂的交换容量。一般，淋洗用水为树脂体积4~13倍，淋洗水流速为2~4m/h。二、离子交换设备最常用的离子交换设备有固定床、移动床和流动床三种。1、固定床固定床离子交换器在工作时，床层固定不变，水流由上而下流动。根据料层的组成，又分为单层床、双层床和混合床三种。单层床中只装一种树脂，可以单独使用，也可以串联使用。双层床是在同一个柱中装两种同性不同型的树脂，由于比重不同而分为两层。混合床是把阴、阳两种树脂混合装成一床腔用。特点：设备紧凑、操作简单、出水水质好；再生费用较大、生产效率不够高；但目前仍然是应用比较广泛的一种设备。2、移动床移动床交换设备包括交换柱和再生柱两个主要部分，工作时，定期从交换柱排出部分失效树脂，送到再生柱再生，同时补充等量的新鲜树脂参与工作。它是一种半连续式的交换设备，整个交换树脂在间断移动中完成交换和再生。移动床交换器的优点是效率较高；树脂用量较少。3、流动床流动床交换设备是交换树脂在连续移动中实现交换和再生的。移动床和流动床与固定床相比，具有交换速度快、生产能力大和效率高等优点。但是由于设备复杂、操作麻烦、对水质水量变化的适应性差，以及树脂磨损大等缺点，故限制了它们的应用范围。（四）离子交换系统的设计一、离子交换系统的设计步骤（1）根据排放标准或出水的去向和用途，确定处理后的水质要求。（2）根据废水水量、水质及处理的要求，选择交换器的类型，设计系统布置方案，确定合理的处理流程。（3）选用离子交换树脂、再生剂种类，确定树脂的交换容量和再生剂用量。在选择中必须综合考虑技术与经济因素。（4）确定合理的工艺参数，首先选定合适的过滤速度及工作周期，污染物的浓度大时，滤速应小些，反之则大些。人工操作时，过滤周期需考虑长些，一般为8-24h或更长。自动操作时，可以采用较高的流速和较短的工作周期，这样可缩小交换器尺寸，节省投资。（5）进行有关的计算。二、固定床的设计计算1、树脂用量的初步计算（1）选定交换周期T(h)，并计算一个交换周期内应去除的污染物总量N(mol)（2）根据选定的树脂工作交换容量E(mol/m3树脂)，计算所需的树脂体积VR(m3)（3）根据树脂的湿视密度ρ(t/m3)，计算树脂重量M(t)2、交换柱主要尺寸的计算先选定树脂层的高度HR(一般为0.70～1.50m)，再根据VR和HR计算交换柱的直径D(m)。交换柱的总高度H(m)按下式计算H=(1.8～2.0)HR3、核算过滤速（五）运行操作中应该注意的问题悬浮物和油类；含盐量过高的影响；高价离子影响；氧化剂的影响；高分子有机物的影响；pH的影响；温度的影响等。