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離子交換

大綱要求：熟悉離子交換的技術和方法，了解主要離子交換劑的性能

離子交換法在水的軟化和除鹽中早已獲得廣泛的應用，目前已應用在回收和處理工業廢水中的有毒物質方面。

1.8.1離子交換的基本原理

水處理中主要采用離子交換樹脂和磺化煤用于離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。 離子交換樹脂按結構特征，分為：凝膠型、大孔型和等孔型; 按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強堿型和弱堿型。

⑴離子交換樹脂的構造

是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部 分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，并與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，

②交聯度

指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理 中樹脂的交聯度為7%～10%。

③含水率

指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶脹性

指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。

在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容 量。

⑦有效PH范圍

由于樹脂的交換基團分為強酸強堿和弱酸弱堿，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱堿只能在酸性溶液中以及弱酸在堿性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。

⑨離子交換平衡

離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利于交換反應的進行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。

其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶于水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小于3%～ 7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸堿型耐熱 好。

⑶樹脂層離子交換過程

以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

1.8.2離子交換裝置運行方式

離子交換裝置按運行方式不同，分為固定床和連續床

⑴固定床的構造與壓力濾罐相似，是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式，其特點是交換與再生兩個過程均在交換器中進行，根據交換器內裝填樹脂種類及交換時樹脂在交換器中的位置的不同，可分為單層床、雙層床和混合床。單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂，如果裝填的是陽樹脂，稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂，稱為陰床。雙層床是離子交換器內按比例裝填強、弱兩種同性樹脂，由于強、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強型樹脂在下，在交換器內形成上下兩層。

混合床則是在交換器內均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂，由于陰、陽樹脂混雜，因此原水流經樹脂層時，陰、陽兩種離子同時被樹 脂所吸附，其產物氫離子和氫氧根離子又因反應生成水而得以降低，有利于交換反應進行的徹底，使得出水水質大大提高。但其缺點是 再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。于是又發明了三層混床新技術，保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。 根據固定床原水與再生液的流動方向，又分為兩種形式，原水與再生液分別從上而下以同一方向流經離子交換器的，稱為順流再生 固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。順流再生固定床的構造簡單，運行方便，但存在幾個缺點：在通常生產條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍于理論值，再生效果 也不太理想;樹脂層上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附，置換出來的反離子 隨水流流經底層時，與未再生好的樹脂起逆交換反應，上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子，作為泄漏離子出現在本周期的出水中，所以出水剩余被去除的離子較大;而到了了工作后期，由于樹脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規定，導致交換器過早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用于設備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補順流再生的缺點，而且出水質量顯著提高，原水水質適用范圍擴大，對于硬度較高的水，仍能保證出水水質，所以目前采用該法較多。總起來說，固定床有出水水質好等優點，但固定床離子交換器存在三個缺點：一是樹脂交換容量利用率低，二是在同設備中進行產水和再生工序，生產不連續，三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻，上層的飽和程度高，下層的低。為克服固定床的缺點，開發出了連續式離子交換設備，即連續床。

⑵連續床又分為移動床和流動床

移動床的特點是樹脂顆粒不是固定在交換器內，而是處于一種連續的循環運動過程中，樹脂用量可減少三分之一至二分之一，設備單位容積的處理水量還可得到提高，如雙塔移動床系統和三塔移動床系統。 流動床是運行完全連續的離子交換系統，但其操作管理復雜，廢水處理中較少應用。

1.8.3離子交換工藝的設計

⑴進水預處理

廢水成分復雜，應進行預處理，目的是保障反應器中離子交換樹脂交換容量充分得以發揮，并有效延長使用壽命。預處理的對象包括進水的水溫、PH值、懸浮物、油類、有機物、引起樹脂中毒的高價離子和氧化劑等。

⑵樹脂的選用

選擇樹脂時應考慮交換容量、進水水質和離子交換器的運行方式等，選擇合適的樹脂。

例如考慮進水水質時，對于只需去除進水中吸附交換能力較強的陽離子，可選用弱酸型樹脂，若需去除的陽離子的吸附交換能力較弱，只能選用強酸型陽離子樹脂。考慮離子交換器的運行方式時，移動床和流動床要選用耐磨、高機械強度的樹脂。對于混床，要選用濕真密度相差較大的陰、陽樹脂。另外，不同樹脂的交換容量有差異，而同一種樹脂的交換容量還受所處理廢水的懸浮物、油類、高價金屬離子等影響。

⑶掌握工藝設計參數

1.8.4離子交換法在水處理中的應用

離子交換法目前廢水處理中得到了廣泛應用，例如

⑴用于含鉻廢水的處理

對于廢水，經預處理后，可用陽樹脂去除三價鉻和其他陽離子，用陽樹脂去除六價鉻，并可回收鉻酸，實現廢水在生產中的循環使 用。

⑵含鋅廢水的處理

化纖廠紡絲車間的酸性廢水主要含有硫酸鋅、硫酸和硫酸鈉等，用鈉離子型陽樹脂交換其中的鋅離子，用芒硝再生失效的樹脂，即可得到硫酸鋅的濃縮液。

⑶電鍍含氰廢水的處理

陰樹脂對絡合氰(即氰與金屬離子的絡合物)的結合力大，所以利用陰離子交換樹脂能消除氰化物以及重金屬離子的污染，并將其回收利用。

⑷有機廢水的處理

如洗滌煙草的過程中產生的含有煙堿的廢水，可以用陽樹脂回收后作為殺蟲劑。

⑸用于水的軟化處理

例如利用鈉離子交換軟化法可以去除水中的硬度。

⑹水的除鹽

分復床除鹽和混合床除鹽等系統。

復床是指陽、離子交換器串聯使用，常用的系統有強酸-脫氣-強堿系統，強酸-弱堿-脫氣系統以及強酸-脫氣-弱堿-強堿系統等。 混合床除鹽具有水質穩定、間斷運行影響小、失效終點分明等特點。

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（責任編輯：昆凌）

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