1、10.離子交換技術預處理重金屬廢水,離子交換法是一種借助于離子交換劑(ion exchange resin)上的離子和廢水中的離子進行交換反應而除去廢水中有害離子的方法。 離子交換過程也可以看成是一種特殊吸附過程，所以在許多方面都與吸附過程類同。 離子交換過程的特點在于:它主要吸附水中以離子態存在的物質，并進行等當量的離子交換。 在廢水處理中，離子交換主要用于回收和去除廢水中金、銀、銅、鎘、鉻、鋅等金屬離子，對于凈化放射性廢水及有機廢水也有應用,1)離子交換過程 離子交換過程可以看作是固相的離子交換樹脂與液相（廢水）電解質之間的化學置換反應。 R-AB RBA RCD RDC 其中： R-和

2、R 代表陽、陰交換樹脂的本體， A和C 代表樹脂上可被交換的離子， B和D表示溶液中待交換的離子,一、離子交換基本理論,過程通常分為五個階段,a）交換離子從溶液中擴散到樹脂顆粒表面； （b）交換離子在樹脂顆粒內部擴散； （c）交換離子與結合在樹脂活性基團上的可交換離子發生交換反應； （d）被交換下來的離子在樹脂顆粒內部擴散； （e）被交換下來的離子在溶液中擴散。 離子交換的總速度取決于擴散速度,2)離子交換樹脂的選擇性,一些離子很容易被吸附而另一些離子卻很難吸附，被樹脂吸附的離子再生的時候，有的離子很容易被置換下來，而有的卻很難被置換。離子交換樹脂所具有的這種性能稱為選擇性。 樹脂對各種離子的

3、交換能力是不同的，交換能力大小主要取決于各種離子對該樹脂的親合力。強酸性陽離子交換樹脂的選擇順序為: Fe3+Cr3+Al3+Ca2+Mg2+K+ =NH4+ Na+ H+ Li,離子交換方式可分為靜態交換與動態交換兩種。 靜態交換是將廢水與交換劑同置于一耐腐蝕的容器內，使它們充分接觸（可進行不斷攪拌）直至交換反應達到平衡狀態。此法適用于平衡良好的交換反應。 動態交換是指廢水與樹脂發生相對移動，它又有塔式(column)（柱式）與連續式之分。在離子交換系統中多采用柱式交換法,二、離子交換的工藝過程,1)柱式交換法,1）工藝過程 國內常用的固定床式離子交換柱與吸附柱基本相同。樹脂在柱內不移動，廢

4、水通過一定高度的樹脂層進行交換。當樹脂失去交換能力以時，或出水中某中離子的濃度超過一定數值時，需進行反洗和再生。 柱式交換法的工作是周期性進行的。交換效果受樹脂對離子的選擇性、樹脂的再生程度、樹脂層的高度、廢水的流速及離子濃度等因素影響,離子交換工藝過程示意圖,2）裝置類型,a）單床離子交換器:使用一種樹脂的單床結構； （b）多床離子交換器:使用一種樹脂，由兩個以上交換器組成離子交換系統； （c）復床離子交換器:使用兩種樹脂的兩個交換器的串聯系統； （d）混合床離子交換器:同一交換器內填裝陰、陽兩種樹脂； （e）聯合床離子交換器:將復床與混合床聯合使用,離子交換柱組合方式,2)連續式交換法,連

5、續式交換法的特點是交換、再生、清洗等操作在裝置的不同部位同時進行，飽和的樹脂連續進入再生柱，新生的樹脂同時又連續進入交換柱。 該法進行交換所需樹脂量比柱式少，樹脂利用率高，連續運行，效率高。 但設備較復雜，樹脂磨損大,三塔式移動床系統由交換塔、再生塔和清洗塔組成,離子交換劑分為無機和有機兩大類。 無機的離子交換劑有天然沸石和人工合成沸石。沸石既可作陽離子交換劑，也能用作吸附劑。 有機的離子交換劑有磺化煤和各種離子交換樹脂。 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，不溶于水，也不溶于電解質溶液,三、離子交換劑的分類及組成,離子交換樹脂的結

6、構,一部分是不溶性的樹脂本體(resin matrix)。樹脂本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本體形成立體的網狀結構。 另一部分是具有活性的交換基團（也叫活性基團）。交換基團(functional group)由起交換作用的離子和與樹脂本體聯結的離子組成。 如磺酸型陽離子交換樹脂的組成為：RSO3H，其中R為樹脂本體，SO3H為交換基團，H是可交換離子,離子交換樹脂分為陽離子交換樹脂(cation resin)和陰離子交換樹脂(anion resin)。 如RSO3H，酸性基團上的H可以電離，能與其他陽離子進行等當量的離子交換。 如RNH2活性基團水合后形成含有

7、可離解的OH離子： RNH2H2O RNH3OH OH 可以和其它陰離子交換,按活性基團中酸堿的強弱分為,a）強酸性(strong acid)陽離子交換樹脂，活性基團一般為SO3H，故又稱磺酸型陽離子交換樹脂。 （b）弱酸性(weak acid)陽離子交換樹脂，活性基團一般為COOH，故又稱羧酸型陽離子交換樹脂。其中活性基團中的H可以被Na代替，因此陽離子交換樹脂又可分為氫型和鈉型。 （c）強堿性(strong base)陰離子交換樹脂，活性基團一般為NOH，故又稱為季胺型陰離子交換樹脂,d）弱堿性(weak base)陰離子交換樹脂，活性基團一般有 NH3OH、NH2OH和NHOH之分，故分

8、別又稱伯胺型，仲胺型和叔胺型離子交換樹脂。陰離子交換樹脂中的氫氧根離子OH可以用氯離子Cl代替。因此，陰離子交換樹脂又有氫氧型和氯型之分。 根據離子交換樹脂顆粒內部結構特點，又分為凝膠型(gel structure)和大孔型(macroporous structure)兩類。兩者的區別在于結構中空隙的大小,大孔型離子交化樹脂,1）離子交換容量 交換容量(exchange capacity)是樹脂交換能力大小的標準，可以用重量法和容積法兩種方法表示。 重量法是指單位重量的干樹脂中離子交換基團的數量，用mmo1/g或mo1/g來表示。 容積法是指單位體積的濕樹脂中離子交換基團的數量，用mmol/L

9、或mol/m3樹脂來表示。由于樹脂一般在濕態下使用，因此常用的是容積法,四、離子交換樹脂的性能指標,全交換容量是指樹脂中活性基團的總數。 工作交換容量是指在給定的工作條件下，實際所發揮的交換容量，實際應用中由于受各種因素的影響，一般工作交換容量只有總交換容量的6070。 有效交換容量是指出水到達一定指標時交換樹脂的交換容量。 （2）含水率 含水率通常以每克濕樹脂（去除表面水分后）所含水分百分數來表示,3）相對密度 離子交換樹脂的相對密度有三種表示方法:干真密度、濕真密度和濕視密度。 干密度是指在115真空干燥后的密度； 濕真密度是指樹脂在水中充分膨漲后的質量與樹脂所占體積（不包括空隙）之比；

10、濕視密度是指樹脂在水中充分膨漲后單位體積樹脂所具有的質量,4）溶脹性 當樹脂由一種離子型態轉變為另一種離子型態時所發生的體積變化稱為溶脹性或膨脹性。 樹脂溶脹的程度用溶脹度來表示。如強酸陽離子交換樹脂由鈉型轉變成氫型時，其體積溶脹度約為57。 （5）耐熱性 各種樹脂所能承受的溫度都有一個高限，超過這個極限，就會發生比較嚴重的熱分解現象，影響交換容量和使用壽命,6）交聯度 交聯劑占單體質量的百分數稱為交聯度。 交聯度直接影響樹脂的性能，交聯度越高，樹脂的機械強度就越大，對離子的選擇性就越強，但交換速度就越慢。 （7）選擇性 離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能稱為選擇性，它是決定離子交換法

11、處理效率的一個主要因素,8）化學穩定性 廢水中的氧化劑，如氧、氯、鉻酸、硝酸等，由于其氧化作用能使樹脂網狀結構破壞，活性基團的數量和性質也會發生變化。 防止樹脂因氧化而化學降解的辦法有三種：一是采用高交聯度的樹脂；二是在廢水中加入適量的還原劑；三是使交換柱內的pH值保持在6左右。 除上述幾項指標外，還有樹脂的外形、粘度、耐磨性、在水中的不溶性等,電鍍廢水水質,五、電鍍工藝及生產廢水來源,含鉻漂洗廢水首先進行預處理，即砂濾、錳砂濾、炭濾和精密過濾，分別去除廢水中的固體顆粒物、鐵、錳雜質及有機污染物，為后續離子交換工藝的順利運行提供基礎。預處理后的漂洗水經過陽樹脂床處理，交 換廢水中的陽離子雜質，再經過陰樹脂床處理，交換廢水中的鉻酸根離子；之后采用精密過濾器去除水中殘留的固體顆粒物，回用于生產線上,鉻酸回收工藝首先采用氫氧