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      離子交換法

      一、概述及分類:
        離子交換法是一種借助于離子交換劑上的離子和污水中的離子進行交換反應而除去水中有害離子的方法。在工業廢水處理中,主要用于回收和除去污水中的金、銀、銅、鉻、鎘、鋅等重金屬離子,也用于放射性廢水和有機廢水的處理。離子交換劑按母體材質不同可以分為無機和有機兩大類。無機離子交換劑有天然沸石和人工合成沸石兩種,是一類硅質的陽離子交換劑。沸石即可作陽離子交換劑,也可作為吸附劑,成本較低,但不能在酸性條件下使用。有機離子交換劑有磺化煤和各種離子交換樹脂?;腔菏菬熋夯蚝置航洶l煙硫酸磺化處理后制成的陽離子交換劑,成本適中,但交換容量低,機械強度差,化學穩定性差,目前在水處理中廣泛使用的是離子交換樹脂。

       

        離子交換樹脂是一類具有離子交換特性的有機高分子聚合電解質,是一種疏松的具有多孔結構的固體球形顆粒,由樹脂母體(骨架)和活性基團兩部分組成。樹脂母體為有機化合物和交聯劑組成的高分子共聚物,交聯劑的作用是使樹脂母體形成主體網狀結構?;钚曰鶊F由起交換作用的離子和與樹脂母體連接的固定分子組成。離子交換樹脂按樹脂的類型和孔結構的不同可分為凝膠型樹脂、大孔型樹脂、多孔凝膠型樹脂、巨孔型(MR)樹脂和高巨孔型(超MB型)樹脂等。離子交換樹脂按活性基體的不同可分為:含有酸性基團的陽離子交換樹脂,含有堿性基團的陰離子交換樹脂,含有氨羧基團等的螯合樹脂,含有氧化還原基團的氧化還原樹脂及兩性樹脂。其中陰、陽離子交換樹脂按照活性基團電離的強弱程度,又分為強酸性樹脂、弱酸性樹脂、強堿性樹脂和弱堿性樹脂。
      二、離子交換樹脂的性能指標:
        離子交換樹脂的性能對污水處理效率、再生周期及再生劑的消耗量有很大影響,了解離子交換樹脂的性能對于合理選用離子交換樹脂是很重要的。
        1、選擇性離子交換樹脂對某種離子優先吸附的性能稱為選擇性,它是決定離子交換法處理效果的一個重要因素。
        2、交換容量定量表示樹脂的交換能力,單位是mol/kg交換劑。交換容量又可分為全交換容量和工作交換容量。前者是指一定量的交換劑所有的活性基團或可交換離子的總數量,后者指交換劑給定工作條件下的實際交換能力。
        3、溶脹性各種離子交換樹脂都含有極性很強的交換基團,因此親水性很強。樹脂的這種結構使它具有溶脹和收縮的性能,樹脂溶脹或收縮的程度以溶脹度來表示。樹脂的交聯度越小,活性基團越多,越易離解,其溶脹率越大。水中電解質濃度越高,由于滲透壓增大,其溶脹率越小。一般情況下強酸性陽離子交換樹脂由鈉型轉變為氫型,強堿性陰離子交換樹脂由氯型轉變為氫氧型時,其體積溶脹率為5%左右。
         4、物理與化學穩定性樹脂的物理穩定性是指樹脂受到機械作用時的磨損程度,還包括溫度變化時對樹脂影響的程度。樹脂的化學穩定性包括承受酸堿度變化的能力、抵抗氧化還原的能力等,樹脂穩定性是選擇和使用樹脂時必須注意的因素之一。
        5、粒度和密度樹脂粒度對水流分布、床層壓力有很大影響。密度是設計計算交換柱、確定反沖洗強度以及混合床再生前分層分離狀態等的重要指標,也是影響樹脂分層的主要因素。因此在選擇和使用離子交換樹脂時必須要考慮這些性能。

       

      三、離子交換樹脂的選擇:
        離子交換法主要用于除去水中可溶性鹽類。選擇樹脂時應綜合考慮原水水質、處理要求、工藝條件及投資和運行費用等因素。當分離無機陽離子或有機堿性物質時,宜選用陽離子交換樹脂;當分離無機陰離子或有機酸時,宜選用陰離子交換樹脂。對氨基酸等兩性物質的分離,即可用陽離子交換樹脂,也可用陰離子交換樹脂。對某些貴金屬和有毒金屬離子可選用螯合樹脂交換回收。對有機物(如酚)宜用低交聯度的大孔樹脂處理。絕大多數脫鹽系統都采用強型樹脂。污水處理時,對交換勢大的離子,宜選用弱性樹脂。此時弱性樹脂的交換能力強,再生容易,運行費用較小。當污水中含有多種離子時,可利用交換選擇性進行多級回收,如不需回收時,可用陽-陰樹脂混合床處理。
      四、離子交換工藝與設備:
        離子交換裝置,按照進行方式的不同,可分為固定床和連續床兩大類。固定床有單層床、雙層床和混合床三種類型;連續床有移動床和流動床兩種。在廢水處理中,單層固定床離子交換裝置是最常用、最基本的一種形式。固定床離子交換器在工作時,床層固定不變,水流由上而下流動。根據料層的組成,又分為單層床、雙層床和混合床三種。單層床中只裝一種樹脂,可以單獨使用,也可以串聯使用。雙層床是在同一個柱內裝兩種同性不同型的樹脂,由于密度不同而分為兩層?;旌洗彩前殃?、陽兩種樹脂混合裝成一床使用。固定床交換柱的上部和下部設有配水和集水裝置,中部裝填1.0~1.5m厚的交換樹脂。這種交換器的優點是設備緊湊、操作簡單、出水水質好;但是,再生費用較大、生產效率不夠高,目前仍然是應用比較廣泛的一種設備。移動床交換設備包括交換柱和再生柱兩個主要部分,工作時,定期從交換柱排出部分失效樹脂,送到再生柱再生,同時補充等量的新鮮樹脂參與工作。它是一種半連續式的交換設備,整個交換樹脂在間斷移動中完成交換和再生。移動床和流動床與固定床相比,具有交換速度快、生產能力大和效率高的優點,但是由于設備復雜、操作麻煩、對水質水量變化的適應性差,以及樹脂磨損大等缺點,限制了使用范圍。

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