3.5　离子交换

3.5.1　原理与功能

离子交换是指在固体颗粒和液体之间的界面上发生的离子互换过程，一般指水溶液通过树脂时产生的固-液间离子的相互交换过程。废水离子交换处理就是通过离子交换过程去除废水中有毒有害离子的方法。

对离子交换动力学过程的研究表明，离子交换过程通常可分为以下5个阶段：

①水中电解质离子由溶液扩散到离子交换剂表面；

②水中电解质离子通过离子交换剂表面水膜扩散到离子交换剂的结构内部；

③被交换离子与离子交换剂中的可交换离子（活动部分）进行反应；

④交换后的离子从交换剂结构内部向外扩散；

⑤交换后的离子扩散进入水中。

上述5个阶段中，第3阶段反应速率很快，其余4个阶段的离子扩散过程速度较慢，因此，离子交换速度主要取决于离子扩散速度。其中第1、第5阶段是离子通过树脂表面的液膜进行的扩散，称为膜扩散；而第2、第4阶段则是离子通过树脂本身的孔道进行的扩散，称为孔道扩散。扩散速度通常与水中离子浓度、搅拌强度、树脂颗粒大小与交联度以及水温等因素有关。

3.5.2　技术与装备

3.5.2.1　离子交换剂的类型与选择性

（1）离子交换剂的类型

离子交换剂的分类方法很多。在废水处理中，通常根据母体材质和化学性质，分类如下：

（2）离子交换剂的选择性

离子交换树脂对各种离子的交换能力是不同的。交换能力的大小主要取决于各种离子对该种树脂亲和力（也称选择性）的大小。在常温、低浓度条件下，各种树脂对离子亲和力的大小可归纳如下。

①强酸阳离子交换树脂的选择性顺序为：

Fe³⁺>Cr³⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺=>Na⁺>Li⁺

②弱酸阳离子交换树脂的选择性顺序为：

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

③强碱阴离子交换树脂的选择性顺序为：

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

④弱碱阴离子交换树脂的选择性顺序为：

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

⑤螯合树脂的选择性顺序与树脂的种类有关。螯合树脂在化学性质方面与弱酸阳离子交换树脂相似，但比弱酸树脂对重金属的选择性高。典型的螯合树脂为亚氨基醋酸型，亚氨基醋酸型螯合树脂的选择性顺序为：

Hg²⁺>Cu²⁺>Ni²⁺>Mn²⁺>Ca²⁺>Mg²⁺≫Na⁺

位于顺序前列的离子可以取代位于后列的离子。应该指出的是，上述选择性顺序均是指低温、低浓度条件下的。在高温、高浓度时，处于顺序后列的离子可以取代前列的离子，这是树脂再生的依据之一。

3.5.2.2　离子交换容量

离子交换树脂进行离子交换反应的性能，表现在它的“离子交换容量”，即每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数，meq/g（干）或meq/mL（湿）；当离子为一价时，克当量数即是物质的量（对二价或多价离子，前者为后者乘离子价数）。它又有总交换容量、工作交换容量和再生交换容量三种表示方式。

（1）总交换容量

即每单位数量（重量或体积）树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。

（2）工作交换容量

即树脂在一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件如溶液的组成、流速、温度等因素有关。

（3）再生交换容量

即在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量，表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。

通常，再生交换容量为总交换容量的50%～90%（一般控制在70%～80%），而工作交换容量为再生交换容量的30%～90%（对再生树脂而言），后一比率亦称为树脂利用率。

在实际使用中，离子交换树脂的交换容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因树脂结构不同而异。现仍未能分别进行计算，在具体设计中，需凭经验数据进行修正，并在实际运行时复核。

离子树脂交换容量的测定一般以无机离子进行。这些离子尺寸较小，能自由扩散到树脂体内，与它内部的全部交换基团起反应。而在实际应用时，溶液中常含有高分子有机物，它们的尺寸较大，难以进入树脂的显微孔中，因而实际的交换容量会低于用无机离子测出的数值。这种情况与树脂的类型、孔的结构尺寸及所处理的物质有关。

3.5.2.3　运行方式与设备

离子交换处理废水装置的运行分静态和动态两大类，但都在离子交换器内进行，一般能承受0.4～0.6MPa的压力，其构造如图3-14所示。

（1） 固定床

固定床是将树脂装填在交换柱内，废水从柱顶下向流通过树脂层，离子交换的各项操作都在柱内进行。根据不同的处理程度要求，固定床可以有下列布置形式。

①单床　即由单个阳床或阴床构成，这是最简单的一种运行方式，如图3-15所示。

②多床　即由几个阳床或几个阴床串联使用，可以提高水处理能力与效率。如图3-16所示。

③复床　即将阳床和阴床串联使用，可以同时去除水中的阳离子和阴离子。如图3-17所示。

④混合床　即将阳树脂、阴树脂按一定比例混合后装入同一交换柱内，在一个柱内同时去除阳离子和阴离子。如图3-17所示LM。

工程中常见的固定组合布置形式如图3-17所示。

固定床离子交换的操作过程分为4步：a.交换，废水自上而下流过树脂层；b.反洗，当树脂使用到终点时，自下而上逆通水进行反洗，除去杂质，使树脂层松动；c.再生，顺流或逆流通过再生剂进行再生，使树脂恢复交换能力；d.正洗，即自上而下通入清水进行淋洗，洗去树脂层中夹带的剩余再生剂，正洗后交换柱即可进入下一循环工序。上述4个工序的总历时称为离子交换器的工作周期，其中第1步交换属工作阶段，其余3步属再生阶段。典型的逆流再生操作如图3-18所示。

（2）移动床

移动床属于半连续式离子交换装置，在移动床的离子交换过程中，不但废水是流动的，而且树脂也是移动的。饱和的树脂连续地被送到再生柱和清洗柱内进行再生和淋洗，然后再送回交换柱内继续工作。其工作原理如图3-19所示。从图中可以看出，移动床树脂分三层，失效的一层被移出柱外进行再生和淋洗，再生和淋洗后的树脂定期向交换柱补充，其间要短时间停产（1～2min），以使树脂落床，故移动床被称为半连续式离子交换装置。

（3）流动床　流动床是移动床的发展，在流动床系统中，不仅交换柱树脂分层，再生柱和清洗柱也分层，按照移动床方式连续移动，即树脂层数n→∞即为流动床。因此，流动床内树脂既不是固定的，也不是定期移动的，而是呈流动状态的，整个系统的产水、再生和清洗过程都是连续进行的，因此，流动床被称为全连续式离子交换装置。

3.5.3　树脂性能与应用

树脂工艺性能与设计参数见表3-12。