3.5　離子交換

3.5.1　原理與功能

離子交換是指在固體顆粒和液體之間的界面上發(fā)生的離子互換過程，一般指水溶液通過樹脂時產生的固-液間離子的相互交換過程。廢水離子交換處理就是通過離子交換過程去除廢水中有毒有害離子的方法。

對離子交換動力學過程的研究表明，離子交換過程通常可分為以下5個階段：

①水中電解質離子由溶液擴散到離子交換劑表面；

②水中電解質離子通過離子交換劑表面水膜擴散到離子交換劑的結構內部；

③被交換離子與離子交換劑中的可交換離子（活動部分）進行反應；

④交換后的離子從交換劑結構內部向外擴散；

⑤交換后的離子擴散進入水中。

上述5個階段中，第3階段反應速率很快，其余4個階段的離子擴散過程速度較慢，因此，離子交換速度主要取決于離子擴散速度。其中第1、第5階段是離子通過樹脂表面的液膜進行的擴散，稱為膜擴散；而第2、第4階段則是離子通過樹脂本身的孔道進行的擴散，稱為孔道擴散。擴散速度通常與水中離子濃度、攪拌強度、樹脂顆粒大小與交聯(lián)度以及水溫等因素有關。

3.5.2　技術與裝備

3.5.2.1　離子交換劑的類型與選擇性

（1）離子交換劑的類型

離子交換劑的分類方法很多。在廢水處理中，通常根據(jù)母體材質和化學性質，分類如下：

（2）離子交換劑的選擇性

離子交換樹脂對各種離子的交換能力是不同的。交換能力的大小主要取決于各種離子對該種樹脂親和力（也稱選擇性）的大小。在常溫、低濃度條件下，各種樹脂對離子親和力的大小可歸納如下。

①強酸陽離子交換樹脂的選擇性順序為：

Fe³⁺>Cr³⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺=>Na⁺>Li⁺

②弱酸陽離子交換樹脂的選擇性順序為：

H⁺>Fe³⁺>Cr³⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺=>Na⁺>Li⁺

③強堿陰離子交換樹脂的選擇性順序為：

>>>>Cl^->OH^->F^->>

④弱堿陰離子交換樹脂的選擇性順序為：

OH^->>>>>Cl^->

⑤螯合樹脂的選擇性順序與樹脂的種類有關。螯合樹脂在化學性質方面與弱酸陽離子交換樹脂相似，但比弱酸樹脂對重金屬的選擇性高。典型的螯合樹脂為亞氨基醋酸型，亞氨基醋酸型螯合樹脂的選擇性順序為：

Hg²⁺>Cu²⁺>Ni²⁺>Mn²⁺>Ca²⁺>Mg²⁺?Na⁺

位于順序前列的離子可以取代位于后列的離子。應該指出的是，上述選擇性順序均是指低溫、低濃度條件下的。在高溫、高濃度時，處于順序后列的離子可以取代前列的離子，這是樹脂再生的依據(jù)之一。

3.5.2.2　離子交換容量

離子交換樹脂進行離子交換反應的性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當量數(shù)，meq/g（干）或meq/mL（濕）；當離子為一價時，克當量數(shù)即是物質的量（對二價或多價離子，前者為后者乘離子價數(shù)）。它又有總交換容量、工作交換容量和再生交換容量三種表示方式。

（1）總交換容量

即每單位數(shù)量（重量或體積）樹脂能進行離子交換反應的化學基團的總量。

（2）工作交換容量

即樹脂在一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關。

（3）再生交換容量

即在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量，表明樹脂中原有化學基團再生復原的程度。

通常，再生交換容量為總交換容量的50%～90%（一般控制在70%～80%），而工作交換容量為再生交換容量的30%～90%（對再生樹脂而言），后一比率亦稱為樹脂利用率。

在實際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹脂結構不同而異。現(xiàn)仍未能分別進行計算，在具體設計中，需憑經驗數(shù)據(jù)進行修正，并在實際運行時復核。

離子樹脂交換容量的測定一般以無機離子進行。這些離子尺寸較小，能自由擴散到樹脂體內，與它內部的全部交換基團起反應。而在實際應用時，溶液中常含有高分子有機物，它們的尺寸較大，難以進入樹脂的顯微孔中，因而實際的交換容量會低于用無機離子測出的數(shù)值。這種情況與樹脂的類型、孔的結構尺寸及所處理的物質有關。

3.5.2.3　運行方式與設備

離子交換處理廢水裝置的運行分靜態(tài)和動態(tài)兩大類，但都在離子交換器內進行，一般能承受0.4～0.6MPa的壓力，其構造如圖3-14所示。

（1） 固定床

固定床是將樹脂裝填在交換柱內，廢水從柱頂下向流通過樹脂層，離子交換的各項操作都在柱內進行。根據(jù)不同的處理程度要求，固定床可以有下列布置形式。

①單床　即由單個陽床或陰床構成，這是最簡單的一種運行方式，如圖3-15所示。

②多床　即由幾個陽床或幾個陰床串聯(lián)使用，可以提高水處理能力與效率。如圖3-16所示。

③復床　即將陽床和陰床串聯(lián)使用，可以同時去除水中的陽離子和陰離子。如圖3-17所示。

④混合床　即將陽樹脂、陰樹脂按一定比例混合后裝入同一交換柱內，在一個柱內同時去除陽離子和陰離子。如圖3-17所示LM。

工程中常見的固定組合布置形式如圖3-17所示。

固定床離子交換的操作過程分為4步：a.交換，廢水自上而下流過樹脂層；b.反洗，當樹脂使用到終點時，自下而上逆通水進行反洗，除去雜質，使樹脂層松動；c.再生，順流或逆流通過再生劑進行再生，使樹脂恢復交換能力；d.正洗，即自上而下通入清水進行淋洗，洗去樹脂層中夾帶的剩余再生劑，正洗后交換柱即可進入下一循環(huán)工序。上述4個工序的總歷時稱為離子交換器的工作周期，其中第1步交換屬工作階段，其余3步屬再生階段。典型的逆流再生操作如圖3-18所示。

（2）移動床

移動床屬于半連續(xù)式離子交換裝置，在移動床的離子交換過程中，不但廢水是流動的，而且樹脂也是移動的。飽和的樹脂連續(xù)地被送到再生柱和清洗柱內進行再生和淋洗，然后再送回交換柱內繼續(xù)工作。其工作原理如圖3-19所示。從圖中可以看出，移動床樹脂分三層，失效的一層被移出柱外進行再生和淋洗，再生和淋洗后的樹脂定期向交換柱補充，其間要短時間停產（1～2min），以使樹脂落床，故移動床被稱為半連續(xù)式離子交換裝置。

（3）流動床　流動床是移動床的發(fā)展，在流動床系統(tǒng)中，不僅交換柱樹脂分層，再生柱和清洗柱也分層，按照移動床方式連續(xù)移動，即樹脂層數(shù)n→∞即為流動床。因此，流動床內樹脂既不是固定的，也不是定期移動的，而是呈流動狀態(tài)的，整個系統(tǒng)的產水、再生和清洗過程都是連續(xù)進行的，因此，流動床被稱為全連續(xù)式離子交換裝置。

3.5.3　樹脂性能與應用

樹脂工藝性能與設計參數(shù)見表3-12。