離子交換的基本原理和裝置運行方式

　　借助于固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進(jìn)行交換，以達到提取或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬于傳質(zhì)分離過(guò)程的單元操作。離子交換是可逆的等當量交換反應。下面一起來(lái)了解一下離子交換的基本原理和裝置運行方式：

　　1.1離子交換的基本原理

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

　　離子交換樹(shù)脂按結構特征，分為：凝膠型、大孔型和等孔型;

　　按樹(shù)脂母體種類(lèi)，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

　　按其交換基團性質(zhì)，分為：強酸型、弱酸型、強堿型和弱堿型。

　�、烹x子交換樹(shù)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(dòng)，構成所謂固定離子，活動(dòng)部分，能在一定范圍內自由移動(dòng)，并與其周?chē)�溶液中的其他同性離子進(jìn)行交換反應，稱(chēng)為可交換離子。

　�、苹�本性能

　�、偻庥^(guān)

　　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，

　�、诮宦�(lián)度

　　指交聯(lián)劑占樹(shù)脂原料總重量的百分數。對樹(shù)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(shù)脂的交聯(lián)度為7%～10%.

　�、酆�水率

　　指每克濕樹(shù)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。

　�、苋苊浶�

　　指干樹(shù)脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來(lái)說(shuō)，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(shù)脂周?chē)�溶液電解質(zhì)濃度越高，樹(shù)脂溶脹率就越小。

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

　�、菝芏�

　　分為干真密度、濕真密度和濕視密度

　�、藿粨Q容量

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

　�、哂行�PH范圍

　　由于樹(shù)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(huì )產(chǎn)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。

　�、噙x擇性

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

　�、犭x子交換平衡

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

　�、怆x子交換速率

　　主要受離子交換過(guò)程中離子擴散過(guò)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(shù)脂理論上不溶于水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小于3%～7%/年。另外，溫度對樹(shù)脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹(shù)脂的機械強度下降，陽(yáng)離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸堿型耐熱好。

　�、菢�(shù)脂層離子交換過(guò)程

　　以離子交換柱中裝填鈉型樹(shù)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(shù)脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時(shí)刻的飽和度曲線(xiàn)。就整個(gè)交換過(guò)程而言，樹(shù)脂層的變化可分為三個(gè)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，分為固定床和連續床

　�、殴潭ù驳臉嬙炫c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(diǎn)是交換與再生兩個(gè)過(guò)程均在交換器中進(jìn)行，根據交換器內裝填樹(shù)脂種類(lèi)及交換時(shí)樹(shù)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(shù)脂，如果裝填的是陽(yáng)樹(shù)脂，稱(chēng)為陽(yáng)床;如果裝填的是陰樹(shù)脂，稱(chēng)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(shù)脂，由于強、弱兩種樹(shù)脂密度的不同，密度小的弱型樹(shù)脂在上，密度大的強型樹(shù)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(yáng)兩種樹(shù)脂，由于陰、陽(yáng)樹(shù)脂混雜，因此原水流經(jīng)樹(shù)脂層時(shí)，陰、陽(yáng)兩種離子同時(shí)被樹(shù)脂所吸附，其產(chǎn)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(jìn)行的徹底，使得出水水質(zhì)大大提高。但其缺點(diǎn)是再生的`陰、陽(yáng)樹(shù)脂很難徹底分層。于是又發(fā)明了三層混床新技術(shù)，保證在反洗時(shí)將陰、陽(yáng)樹(shù)脂分隔開(kāi)來(lái)。

　　根據固定床原水與再生液的流動(dòng)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(chēng)為順流再生固定床，原水與再生液流向相反的，稱(chēng)為逆流再生固定床。

　　順流再生固定床的構造簡(jiǎn)單，運行方便，但存在幾個(gè)缺點(diǎn)：在通常生產(chǎn)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(shù)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(shù)脂所吸附，置換出來(lái)的反離子隨水流流經(jīng)底層時(shí)，與未再生好的樹(shù)脂起逆交換反應，上一周期再生時(shí)未被洗脫出來(lái)的被去除的離子，作為泄漏離子出現在本周期的出水中，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(shù)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，出水提前超出規定，導致交換器過(guò)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(chǎng)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(diǎn)，而且出水質(zhì)量顯著(zhù)提高，原水水質(zhì)適用范圍擴大，對于硬度較高的水，仍能保證出水水質(zhì)，所以目前采用該法較多。

　　總起來(lái)說(shuō)，固定床有出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，但固定床離子交換器存在三個(gè)缺點(diǎn)：一是樹(shù)脂交換容量利用率低，二是在同設備中進(jìn)行產(chǎn)水和再生工序，生產(chǎn)不連續，三是樹(shù)脂中的樹(shù)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(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了連續式離子交換設備，即連續床。

　�、七B續床又分為移動(dòng)床和流動(dòng)床

　　移動(dòng)床的特點(diǎn)是樹(shù)脂顆粒不是固定在交換器內，而是處于一種連續的循環(huán)運動(dòng)過(guò)程中，樹(shù)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(dòng)床系統和三塔移動(dòng)床系統。

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

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