2019年環(huán)保工程師專業(yè)知識：離子交換

1.1離子交換的基本原理

水處理中主要采用離子交換樹脂和磺化煤用于離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。

離子交換樹脂按結構特征，分為：凝膠型、大孔型和等孔型;

按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強堿型和弱堿型。

⑴離子交換樹脂的構造

是由空間網(wǎng)狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物?；钚曰鶊F遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，并與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，

②交聯(lián)度

指交聯(lián)劑占樹脂原料總重量的百分數(shù)。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯(lián)度為7%～10%.

③含水率

指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯(lián)度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶脹性

指干樹脂用水浸泡而體積變大的現(xiàn)象。一般來說，交聯(lián)度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。

在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數(shù)，以延長樹脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數(shù)據(jù)，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。

⑦有效ph范圍

由于樹脂的交換基團分為強酸強堿和弱酸弱堿，所以水的ph值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱堿只能在酸性溶液中以及弱酸在堿性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。

⑨離子交換平衡

離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經(jīng)過一定時間，離子交換體系中固態(tài)的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數(shù)也稱為離子交換選擇系數(shù)。降低反應生成物的濃度有利于交換反應的進行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。

其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶于水，機械強度用年損耗百分數(shù)表示，一般要求小于3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸堿型耐熱好。

⑶樹脂層離子交換過程

以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

1.2離子交換裝置運行方式

離子交換裝置按運行方式不同，分為固定床和連續(xù)床

⑴固定床的構造與壓力濾罐相似，是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式，其特點是交換與再生兩個過程均在交換器中進行，根據(jù)交換器內裝填樹脂種類及交換時樹脂在交換器中的位置的不同，可分為單層床、雙層床和混合床。

單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂，如果裝填的是陽樹脂，稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂，稱為陰床。

雙層床是離子交換器內按比例裝填強、弱兩種同性樹脂，由于強、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強型樹脂在下，在交換器內形成上下兩層。

混合床則是在交換器內均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂，由于陰、陽樹脂混雜，因此原水流經(jīng)樹脂層時，陰、陽兩種離子同時被樹脂所吸附，其產物氫離子和氫氧根離子又因反應生成水而得以降低，有利于交換反應進行的徹底，使得出水水質大大提高。但其缺點是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。于是又發(fā)明了三層混床新技術，保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。

根據(jù)固定床原水與再生液的流動方向，又分為兩種形式，原水與再生液分別從上而下以同一方向流經(jīng)離子交換器的，稱為順流再生固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。

順流再生固定床的構造簡單，運行方便，但存在幾個缺點：在通常生產條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍于理論值，再生效果也不太理想;樹脂層上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附，置換出來的反離子隨水流流經(jīng)底層時，與未再生好的樹脂起逆交換反應，上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子，作為泄漏離子出現(xiàn)在本周期的出水中，所以出水剩余被去除的離子較大;而到了了工作后期，由于樹脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規(guī)定，導致交換器過早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用于設備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。

逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補順流再生的缺點，而且出水質量顯著提高，原水水質適用范圍擴大，對于硬度較高的水，仍能保證出水水質，所以目前采用該法較多。

總起來說，固定床有出水水質好等優(yōu)點，但固定床離子交換器存在三個缺點：一是樹脂交換容量利用率低，二是在同設備中進行產水和再生工序，生產不連續(xù)，三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻，上層的飽和程度高，下層的低。

為克服固定床的缺點，開發(fā)出了連續(xù)式離子交換設備，即連續(xù)床。

⑵連續(xù)床又分為移動床和流動床

移動床的特點是樹脂顆粒不是固定在交換器內，而是處于一種連續(xù)的循環(huán)運動過程中，樹脂用量可減少三分之一至二分之一，設備單位容積的處理水量還可得到提高，如雙塔移動床系統(tǒng)和三塔移動床系統(tǒng)。

流動床是運行完全連續(xù)的離子交換系統(tǒng)，但其操作管理復雜，廢水處理中較少應用。

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