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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(jìn)行交換反應(yīng)而除去水中有害離子的方法。在工業(yè)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(jī)廢水的處理。離子交換劑按母體材質(zhì)不同可以分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。無機(jī)離子交換劑有天然沸石和人工合成沸石兩種,是一類硅質(zhì)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(jī)離子交換劑有磺化煤和各種離子交換樹脂。磺化煤是煙煤或褐煤經(jīng)發(fā)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(jī)械強(qiáng)度差,化學(xué)穩(wěn)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(jī)高分子聚合電解質(zhì),是一種疏松的具有多孔結(jié)構(gòu)的固體球形顆粒,由樹脂母體(骨架)和活性基團(tuán)兩部分組成。樹脂母體為有機(jī)化合物和交聯(lián)劑組成的高分子共聚物,交聯(lián)劑的作用是使樹脂母體形成主體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。活性基團(tuán)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(jié)構(gòu)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(tuán)的陽離子交換樹脂,含有堿性基團(tuán)的陰離子交換樹脂,含有氨羧基團(tuán)等的螯合樹脂,含有氧化還原基團(tuán)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(tuán)電離的強(qiáng)弱程度,又分為強(qiáng)酸性樹脂、弱酸性樹脂、強(qiáng)堿性樹脂和弱堿性樹脂。
二、離子交換樹脂的性能指標(biāo):
離子交換樹脂的性能對(duì)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(duì)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(duì)某種離子優(yōu)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(gè)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(tuán)或可交換離子的總數(shù)量,后者指交換劑給定工作條件下的實(shí)際交換能力。
3、溶脹性各種離子交換樹脂都含有極性很強(qiáng)的交換基團(tuán),因此親水性很強(qiáng)。樹脂的這種結(jié)構(gòu)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(lián)度越小,活性基團(tuán)越多,越易離解,其溶脹率越大。水中電解質(zhì)濃度越高,由于滲透壓增大,其溶脹率越小。一般情況下強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂由鈉型轉(zhuǎn)變?yōu)闅湫停瑥?qiáng)堿性陰離子交換樹脂由氯型轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲跣蜁r(shí),其體積溶脹率為5%左右。
4、物理與化學(xué)穩(wěn)定性樹脂的物理穩(wěn)定性是指樹脂受到機(jī)械作用時(shí)的磨損程度,還包括溫度變化時(shí)對(duì)樹脂影響的程度。樹脂的化學(xué)穩(wěn)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(wěn)定性是選擇和使用樹脂時(shí)必須注意的因素之一。
5、粒度和密度樹脂粒度對(duì)水流分布、床層壓力有很大影響。密度是設(shè)計(jì)計(jì)算交換柱、確定反沖洗強(qiáng)度以及混合床再生前分層分離狀態(tài)等的重要指標(biāo),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(shí)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(shí)應(yīng)綜合考慮原水水質(zhì)、處理要求、工藝條件及投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素。當(dāng)分離無機(jī)陽離子或有機(jī)堿性物質(zhì)時(shí),宜選用陽離子交換樹脂;當(dāng)分離無機(jī)陰離子或有機(jī)酸時(shí),宜選用陰離子交換樹脂。對(duì)氨基酸等兩性物質(zhì)的分離,即可用陽離子交換樹脂,也可用陰離子交換樹脂。對(duì)某些貴金屬和有毒金屬離子可選用螯合樹脂交換回收。對(duì)有機(jī)物(如酚)宜用低交聯(lián)度的大孔樹脂處理。絕大多數(shù)脫鹽系統(tǒng)都采用強(qiáng)型樹脂。污水處理時(shí),對(duì)交換勢(shì)大的離子,宜選用弱性樹脂。此時(shí)弱性樹脂的交換能力強(qiáng),再生容易,運(yùn)行費(fèi)用較小。當(dāng)污水中含有多種離子時(shí),可利用交換選擇性進(jìn)行多級(jí)回收,如不需回收時(shí),可用陽-陰樹脂混合床處理。
四、離子交換工藝與設(shè)備:
離子交換裝置,按照進(jìn)行方式的不同,可分為固定床和連續(xù)床兩大類。固定床有單層床、雙層床和混合床三種類型;連續(xù)床有移動(dòng)床和流動(dòng)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(shí),床層固定不變,水流由上而下流動(dòng)。根據(jù)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(dú)使用,也可以串聯(lián)使用。雙層床是在同一個(gè)柱內(nèi)裝兩種同性不同型的樹脂,由于密度不同而分為兩層?;旌洗彩前殃帯㈥杻煞N樹脂混合裝成一床使用。固定床交換柱的上部和下部設(shè)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(yōu)點(diǎn)是設(shè)備緊湊、操作簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)好;但是,再生費(fèi)用較大、生產(chǎn)效率不夠高,目前仍然是應(yīng)用比較廣泛的一種設(shè)備。移動(dòng)床交換設(shè)備包括交換柱和再生柱兩個(gè)主要部分,工作時(shí),定期從交換柱排出部分失效樹脂,送到再生柱再生,同時(shí)補(bǔ)充等量的新鮮樹脂參與工作。它是一種半連續(xù)式的交換設(shè)備,整個(gè)交換樹脂在間斷移動(dòng)中完成交換和再生。移動(dòng)床和流動(dòng)床與固定床相比,具有交換速度快、生產(chǎn)能力大和效率高的優(yōu)點(diǎn),但是由于設(shè)備復(fù)雜、操作麻煩、對(duì)水質(zhì)水量變化的適應(yīng)性差,以及樹脂磨損大等缺點(diǎn),限制了使用范圍。