廢水離子交換處理法

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更新時間: 2013-09-04

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廢水離子交換處理法是藉助於離子交換劑中的交換離子同廢水中的離子進行交換而除去廢水中有害離子的方法。

  
廢水離子交換處理法 -簡介

人類對自然界中的某些離子交換現象早已有所認識。古希臘著作中已有關於使用粘土脫去水中礦物質的敘述。1850年有人發現了土壤中離子交換的現象,以後又有人發現泥土吸附地下水中的離子是可逆反應。
  

廢水離子交換處理法 -應用發展

離子交換劑在工業上的應用,起初是用天然沸石製取軟水,後來發展到製備合成沸石和磺化煤。

在離子交換技術中最重要的進展,是1935年英國人B.A.亞當斯和E.L.霍姆斯發表了關於用苯酚和甲醛合成有機離子交換樹脂的報告。

1939年德國化學公司初次介紹了工業製造的離子交換樹脂,其牌號是wofatit。

1945年後,苯乙烯磺酸型強酸陽樹脂以及強鹼性和弱鹼性陰樹脂先後研究成功,這些都是凝膠型樹脂。

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1962年性能更好的MR型大孔樹脂問世。

70年代發明了熱再生樹脂。離子交換技術在工業、農業、醫藥以及科學研究上的應用日益廣泛。

離子交換技術在廢水處理中的應用:第二次世界大戰期間有人開始利用離子交換技術從攝影洗印廢液中分離銀。50年代又有人研究用離子交換法處理電鍍廢水。60年代出現的大孔樹脂在交換容量、洗脫效率、耐污染性能、抗氧化能力以及機械強度等方面都優於凝膠型樹脂。這種交換劑的製成促進了離子交換技術在廢水處理中的發展,成為回收電鍍廢水中的貴金屬離子的有效手段之一。

廢水離子交換處理法 -交換過程

①被處理溶液中的某離子遷移到附著在離子交換劑顆粒表面的液膜中;   

②該離子通過液膜擴散(簡稱膜擴散)進入顆粒中,並在顆粒的孔道中擴散而到達離子交換劑的交換基團的部位上(簡稱顆粒內擴散);   

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③該離子同離子交換劑上的離子進行交換;   

④被交換下來的離子沿相反途徑轉移到被處理的溶液中。離子交換反應是瞬間完成的,而交換過程的速度主要取決於歷時最長的膜擴散或顆粒內擴散。

廢水離子交換處理法 -離子交換反應  

任何離子交換反應都有三個特徵:①和其他化學反應一樣服從當量定律,即以等當量進行交換;②是一種可逆反應,遵循質量作用定律;③交換劑具有選擇性。交換劑上的交換離子先和交換勢大的離子交換。在常溫和低濃度時,陽離子價數愈高,交換勢就愈大;同價離子則原子序數愈大,交換勢愈大。強酸陽樹脂的選擇性順序為:

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>H+
強鹼陰樹脂的選擇性順序為:
Cr2O崼>SO厈>NO婣>CrO厈>Cl->OH-
  當高濃度時,上述前後順序退居次要地位,主要依濃度的大小排列順序。
  離子交換的選擇性可由描述平衡狀態的一種數值,即所謂選擇係數K屧來表達。對於陽離子交換則為:

廢水離子交換處理法

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廢水離子交換處理法

式中【RnA】、【RB】分別為反應平衡時樹脂中An+和B+的克離子濃度;【An+】、【B+】分別為反應平衡時溶液中An+和B+的克離子濃度。選擇係數K屧表示樹脂中An+和B+的比值同溶液中An+和B+的比值相除的商數。它是一個無量綱數,其值決定於溶液的總濃度、離子組成和溫度,同所選擇的濃度單位無關。K屧大於1表示樹脂優先選擇An+;K屧等於1表示樹脂對An+和B+的選擇性是一樣的;K屧=0,說明An+根本不被樹脂吸附。如對陽離子交換樹脂而言,陰離子的選擇係數等於0;反之,對陰離子交換樹脂,陽離子的選擇係數等於0。K屧小於1則表示樹脂優先選擇B+;K屧>>1或K屧<<1,An+、B+兩者最易分離;當K屧>>1,則交換達到平衡時樹脂基本為【RnA】。再生時欲使樹脂基本恢復為【R·B】,唯一的辦法是加大溶液中B+離子的濃度。離子交換平衡現象的熱力學解釋,可按唐南膜平衡模型來描述,這比用簡單的質量作用定律來敘述更為完善。離子交換技術,就是利用離子交換的選擇性、等當量交換和可逆反應來進行交換和再生的。

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離子交換的過程:①被處理水溶液中的離子遷移到附著在離子交換劑顆粒表面的液膜中;②被處理水溶液中的離子通過液膜擴散(簡稱膜擴散)進入顆粒中;並在顆粒的孔道中擴散而到達離子交換劑的交換基團的部位上(簡稱顆粒內擴散);③被處理水溶液中的離子同離子交換劑的離子進行交換;④離子交換劑中被交換下來的離子沿相反途徑轉移到被處理的水溶液中。其中離子交換反應一般認為是瞬間完成的,而離子交換過程的速度主要是由歷時最長的膜擴散或顆粒內擴散所決定的。

離子交換劑:有無機和有機質兩類。前者如天然物質海綠砂或合成沸石;後者如磺化煤和樹脂。

交換劑由兩部分組成,一是不參加交換過程的惰性物母體,如樹脂的母體是由高分子物質交聯而成的三維空間網路骨架;一是聯結在骨架上的活性基團(帶電官能團)。母體本身是電中性的。活性基團包括可離解為同母體緊密結合的惰性離子和帶異號電荷的可交換離子。可交換離子為陽離子(活性基團為酸性基)時,稱陽離子交換樹脂;可交換離子為陰離子(活性基團為鹼性基)時,稱陰離子交換樹脂。陽、陰離子交換樹脂又可根據它們的酸鹼性反應基的強度分為強酸性和弱酸性,強鹼性和弱鹼性等。強酸性陽離子交換樹脂可用 R—SO3H表示,R為母體,—SO3H為活性基團。後者在溶液中可離解為惰性離子R—SO婣和可交換離子H+ 。弱鹼性陽樹脂可用R—COOH表示。強鹼性季胺型陰樹脂可用R匵NOH表示,弱鹼性叔胺、 仲胺、 伯胺型陰樹脂分別用R呏NHOH、R=NH2OH、R—NH3OH表示,R代表母體,其他部分代表活性基團。

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離子交換的運行方式:有靜態運行和動態運行兩種。靜態運行是在處理水中加入適量的樹脂進行混合,直至交換反應達到平衡狀態。這種運行除非樹脂對所需去除的同性離子有很高的選擇性,否則由於反應的可逆性只能利用樹脂交換容量的一部分。為了減弱交換時的逆反應,離子交換操作大都以動態運行,即置交換劑於圓柱形床中,廢水連續通過床內交換。離子交換設備有固定床、移動床、流動床等型式。固定床是在離子交換一周期的四個過程(交換、反洗、再生、淋洗)中,樹脂均固定在床內。移動床則是在交換過程中將部分飽和樹脂移出床外再生,同時將再生的樹脂送回床內使用。流動床則是樹脂處於流動狀態下完成上述四個過程。移動床稱半連續裝置,流動床則稱全連續裝置。

床內只有一種陽樹脂(或陰樹脂)的稱為陽床(或陰床),床內裝有陽、陰兩種樹脂的稱為混合床。如床內裝有一種強型和一種弱型陽樹脂或陰樹脂的則稱為雙層床。混合床可同時去除廢水中的陽、陰離子,相當於無數個陽床、陰床串聯,因而可製取高純水。採用雙層床進行離子交換時廢水先通過弱型樹脂,后通過強型樹脂,再生時則相反。

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離子交換的再生方式主要有順流再生和逆流再生。前者,再生和交換過程中的流向相同;後者,再生和交換過程中的流向相反。逆流再生由於再生時新鮮度高的再生劑首先同飽和度小的樹脂接觸,新鮮度低的再生劑同飽和度大的樹脂接觸,這樣可充分利用再生劑,再生效果較好。

近年還出現了電再生和熱再生工藝。電再生是在電滲析器淡水隔室內填充陽、陰樹脂,利用極化產生的H+及OH-,使陽、陰樹脂同時得到再生的一種技術。熱再生是以極易再生的弱酸或弱鹼樹脂對溫度作用的敏感性為依據:溫度低(25℃)時有利於交換,溫度高時(85℃)由於水中【H+】、【OH-】離子濃度增高而有利再生,因此,可以只調整水溫而不用再生劑。

在廢水處理中應用離子交換,可以回收有用物質,如以含鉻廢水為例。含鉻廢水首先經過H型陽樹脂交換,去掉廢水中的陽離子Cr3+、Fe3+等:

廢水離子交換處理法

水中Cr6+在酸性條件下主要以H2Cr2O7形式存在,通過OH型陰樹脂交換:

廢水離子交換處理法

廢水經陽、陰樹脂交換后,鉻被吸附在樹脂上,廢水得到凈化。當陽樹脂失效后可用酸再生,使樹脂恢復原型:

廢水離子交換處理法

同樣,陰樹脂失效后可用鹼再生:
(R呏NH)2Cr2O7+4NaOH匑
2R呏NHOH+2Na2CrO4+H2O得到的Na2CrO4可再通過H型陽床交換脫鈉:
4R—SO3H+2Na2CrO4
4R—SO3Na+H2Cr2O7+H2O 因陰樹脂對Cr2O崼的選擇性最大,這樣在陰床交換達到平衡時,樹脂基本為(R匵N)2Cr2O7型,故所得鉻酸濃度和純度很高,可回用於生產。樹脂在脫鈉后變為Na型,可用酸再生轉型:
R—SO3Na+HCl匑R—SO3H+NaCl


應用上述原理可處理其他各種金屬表面加工產生的廢水,如含金、鎳、鎘、銅的廢水等。此外,從原子核反應器、醫院和實驗室廢水中回收和去除放射性物質,也可應用離子交換法。

離子交換法處理廢水具有廣闊的前景,近年來進展很快。當前研究的主要方向,一是合成適用於處理各種廢水的樹脂,以獲得交換容量大、洗脫率高、洗脫峰集中、抗污染能力強的樹脂;二是使離子交換設備小型化、系列化,並向生產裝置連續化、操作自動化發展,以降低投資,減少用地,簡化管理。

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