水質(zhì)工程學(xué)第8章離子交換

1、水的軟化硬度是水質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)硬度鹽類包括Ca2、Mg2、Fe2、Mn2、Fe3和Al3等易形成難溶鹽類的金屬陽(yáng)離子硬度分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度硬度的危害長(zhǎng)期飲用高硬度的水，會(huì)造成膽結(jié)石等疾病鍋爐用水中含有硬度鹽類，會(huì)在受熱表面形成水垢，輕則降低鍋爐效率，重則會(huì)引起爆炸硬度的單位硬度的單位為mEq/L10mgCaO/L為1度（德國(guó)）mgCaCO3/L（美國(guó)，日本）1 mEq/L2.8德國(guó)度50 mgCaCO3/L法定計(jì)量單位為物質(zhì)的量濃度mol/L水的軟化處理藥劑軟化法藥劑軟化法 基于溶度積的原理，加入某些藥劑，把水中鈣鎂離子鈣鎂離子轉(zhuǎn)變成難溶解化合物使之沉淀析出離子交換法離子交換法 利

2、用某些離子交換劑所具有的陽(yáng)離子與水中鈣鎂離子進(jìn)行交換反應(yīng)電滲析電滲析 利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，在外加直流電場(chǎng)作用下，通過(guò)離子的遷移達(dá)到軟化的目的石灰軟化熟石灰Ca(OH)2提供了OH離子將水中的HCO3離子轉(zhuǎn)化成CO32，使之與Ca2形成沉淀析出石灰軟化不能降低水的非碳酸鹽硬度，不過(guò)其可以去除水中部分鐵和硅的化合物過(guò)量投加石灰反而會(huì)增加水的硬度一般用于原水中碳酸鹽硬度較高且要求深度處理的情況，作為鈉離子交換法的預(yù)處理石灰蘇打軟化同時(shí)投加石灰和蘇打Na2CO3 ，石灰用于降低水的碳酸鹽硬度，蘇打用于降低水的非碳酸鹽硬度。軟化水的剩余硬度可以降低到0.150.2mol/L適應(yīng)于硬度大于堿度的水

3、離子交換法概述8.1.1 離子交換劑 8.1.2 離子交換速度 8.1.3 樹(shù)脂層的離子交換過(guò)程 8.1.4 水的離子交換軟化 8.1.5 水的離子交換除鹽 8.1.6 離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用 概述 在給水處理中，離子交換是軟化、除鹽的主要方法之一；廢水處理中，常用于去除金屬離子。離子交換的實(shí)質(zhì)是不溶性離子化合物（離子交換劑）上的可交換離子與溶液中其它同樣離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過(guò)程，通常是可逆的化學(xué)吸附。反應(yīng)式可表達(dá)為：RH + M+ RM + H+ （11-1） 概述平衡時(shí)，有： （11-2）K平衡常數(shù)。K越大，越有利于交換反應(yīng)。K值能定量地表示離子交換選擇性的大小，故亦稱為

4、選擇性系數(shù)。KMRHHRM離子交換劑 水處理中常用的離子交換劑為磺化煤和離子交換樹(shù)指，廢水處理中主要用樹(shù)指。 磺化煤：煤研磨后經(jīng)濃硫酸處理而得的碳質(zhì)離子交換劑。 離子交換樹(shù)脂：有凝膠型、大孔型和等孔型等。根據(jù)交換基團(tuán)（活性基團(tuán)）的不同，可分為強(qiáng)酸性、弱酸性、強(qiáng)堿性、弱堿性四種。前兩種有酸性交換基團(tuán)，為陽(yáng)離子型交換樹(shù)脂；后兩種帶堿性交換基團(tuán)，為陰離子交換樹(shù)脂。 離子交換劑一、離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu) 二、樹(shù)脂的類型 三、離子交換樹(shù)指的性能指標(biāo) 四、廢水水質(zhì)對(duì)離子交換的影響 離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu) 離子交換樹(shù)脂是人工合成的高分子化合物(小球狀、多孔結(jié)構(gòu))，由樹(shù)脂本體(母體、骨架)和交換基團(tuán)兩大部分組成。母體

5、：由高分子化合物與交聯(lián)劑經(jīng)聚合反應(yīng)而成。樹(shù)脂中交聯(lián)劑的重量在樹(shù)脂重量中所占的百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度。 交換基團(tuán)：樹(shù)脂母體并不具有離子交換性能，只能在母體上引入交換基團(tuán)才成為離子化合物，具有離子交換能力。 離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu) 常用的交換基團(tuán)有：經(jīng)磺化反應(yīng)引入的-SO3H（陽(yáng)離子）；經(jīng)氯甲基化及胺化引入的NOH（強(qiáng)堿性陰離子）、NHOH（叔胺型）、=NH2OH（仲胺型）和NH3OH（伯胺型）等。交換基團(tuán)分為固定離子和活動(dòng)離子離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu) 固定離子：與母體牢固結(jié)合，固定在樹(shù)脂的網(wǎng)狀骨架上，不能自由移動(dòng)?；顒?dòng)離子：依靠靜電引力與固定離子結(jié)合，遇水可離解，并能在一定范圍內(nèi)自由移動(dòng)，與水中其它同性離子進(jìn)行

6、交換反應(yīng)，為可交換離子。 例：SO3H中，SO3固定，H+移動(dòng)；NHOH中，NH固定，OH-移動(dòng)故：酸性樹(shù)脂以RH表示；堿性樹(shù)脂以ROH表示 樹(shù)脂的類型 按樹(shù)脂類型和孔結(jié)構(gòu)不同，分為凝膠型、大孔型、多孔型、巨孔型等。按活性基團(tuán)不同：陽(yáng)離子(酸性基團(tuán))：強(qiáng)酸型(-SO3H)； 弱酸性(-COOH)陰離子(堿性基團(tuán))：強(qiáng)堿性(NOH)；弱堿性(NHOH，= NH2OH，NH3OH)螯合樹(shù)指（羥胺基團(tuán)） 氧化還原樹(shù)指：兩性樹(shù)指等。 離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)1、密度 2、含水率 3、酸、堿性 4、選擇性 5、交換容量 6、交聯(lián)度 7、樹(shù)脂的再生 密度（1）濕真密度：樹(shù)脂在水中經(jīng)充分膨脹后的顆粒密度 ）（

7、濕樹(shù)脂顆粒體積濕樹(shù)脂重濕真密度Lg/（11-3）一般在1.041.3之間 密度（2）濕視密度：樹(shù)脂在水中充分膨脹后的堆積密度 ）（濕樹(shù)脂堆積體積濕樹(shù)脂重濕視密度Lg/（11-4）一般在0.60.85之間，常用來(lái)計(jì)算樹(shù)脂的用量 含水率 在水中充分膨脹后的濕樹(shù)脂所含溶脹水的重量與濕樹(shù)脂重量的百分比 %100溶脹水重干樹(shù)脂重溶脹水重含水率（11-5）一般為50% 酸、堿性 離子交換樹(shù)脂具有一般酸、堿的反應(yīng)性能，在水中離解出H+或OH-。根據(jù)離解能力的大小，樹(shù)脂的酸、堿性有強(qiáng)、弱之分。 pH影響活性基團(tuán)的電離能力，強(qiáng)酸強(qiáng)堿性受其影響小，弱酸堿性則受pH影響大。樹(shù)脂類型 強(qiáng)酸 強(qiáng)堿 弱酸弱堿有效pH范圍

8、 114 112 514 07 選擇性 離子交換樹(shù)脂對(duì)水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為離子交換選擇性。選擇性表示了交換離子取代樹(shù)脂上可交換離子的難易程度，與樹(shù)脂間結(jié)合力的大小，離子交換的先后順序和交換量。 交換離子與樹(shù)脂的親和力的大小稱為交換勢(shì)。交換勢(shì)越大，表明選擇性越高。 選擇性 關(guān)于不同離子交換勢(shì)的大小，有多種理論解釋，影響因素較多，一般有如下規(guī)律： 離子的交換勢(shì)，與自身化學(xué)性質(zhì)，樹(shù)脂化學(xué)性有關(guān)，并受溫度和濃度影響較大。下面介紹的規(guī)律適用于常溫和低濃度溶液中。 離子所帶電荷愈多，交換勢(shì)愈大。Th4+Al3+ Ca2+Na+ PO43- SO42- Cl-選擇性 電荷相同時(shí)，大致是原子序數(shù)愈

9、高或水合半徑愈小，交換勢(shì)愈大，副族元素正好相反。Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ K+ NH3+ Na+ Li+ NO3- Cl- HCO3- HSiO3-選擇性 H+和OH-的交換選擇性與樹(shù)脂的酸、堿性關(guān)系很大，如：強(qiáng)酸性陽(yáng)樹(shù)脂 Fe3+ Al3+ Ca2+ Na+ H+ Li+弱酸性陽(yáng)樹(shù)脂 H+ Fe3+ 強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂 SO42- NO3- Cl- OH- F- HCO3- HSiO3-弱堿性陰樹(shù)脂 OH- SO42- 選擇性 離子量高的有機(jī)離子和金屬絡(luò)合離子交換勢(shì)特別大。 大孔型樹(shù)脂具有很強(qiáng)的吸附性，可以吸附非離型雜質(zhì)。 上述規(guī)律適用于稀溶液，當(dāng)離子濃度很高時(shí)則可使交換次序發(fā)生改變

10、，再生時(shí)即如此。 交換容量 是樹(shù)脂最重要的性能指標(biāo)，定量表示樹(shù)指交換能力的大小。表示方法： 重量表示法：?jiǎn)挝恢亓扛蓸?shù)脂的交換能力，毫克當(dāng)量/克(干樹(shù)脂) 體積表示法：?jiǎn)挝恢亓繚駱?shù)脂的交換能力，毫克當(dāng)量/毫升(濕樹(shù)脂) 交換容量?jī)煞N表示方法之間具有如下關(guān)系： 濕視密度含水率）（1wvEE（11-6）式中：Ev單位體積濕樹(shù)脂的交換能力（毫克當(dāng)量/毫升濕樹(shù)脂） Ew單位重量干樹(shù)脂的交換能力（毫克當(dāng)量/克干樹(shù)脂） 交換容量樹(shù)脂的交換容量有幾種，常用兩種：（1）全（總）交換容量：指單位重量（干）或單位體積（濕）樹(shù)脂的交換基團(tuán)總數(shù)，用滴定法測(cè)定。（2）工作交換容量：指樹(shù)脂在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下的交換容量，即樹(shù)脂

11、在給定工作條件下的實(shí)際交換能力，一般為總交換容量的6070。影響因素包括再生程度、廢水的離子種類、濃影響因素包括再生程度、廢水的離子種類、濃度、樹(shù)脂層高度、水流速度、交換終點(diǎn)指標(biāo)等。度、樹(shù)脂層高度、水流速度、交換終點(diǎn)指標(biāo)等。 交聯(lián)度交聯(lián)度 樹(shù)脂中交聯(lián)劑重量占樹(shù)脂總重量樹(shù)脂總重量的百分?jǐn)?shù)，影響樹(shù)脂的許多性能。交聯(lián)度高，孔隙率低，孔隙率低，密度大，離子擴(kuò)散速率較低，密度大，離子擴(kuò)散速率較低，對(duì)半徑較大的離子和水合離子的交換量較小，溶脹率小，穩(wěn)定，不易破碎。 水處理中使用的離子交換樹(shù)指，交聯(lián)度一般710。 樹(shù)脂的再生 交換后的樹(shù)脂在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿中浸泡可恢復(fù)交換能力，稱為樹(shù)脂的再生樹(shù)脂的再生。 水質(zhì)對(duì)離

12、子交換的影響1、懸浮物、油脂懸浮物、油脂：堵塞樹(shù)指孔隙，包裹樹(shù)脂顆粒，影響交換容量。預(yù)處理：沉淀、過(guò)濾、除油等。2、有機(jī)物：某些高分子有機(jī)物與固定離子結(jié)合力很強(qiáng)，使樹(shù)脂難以再生，降低了交換容量。減少有機(jī)污染，選用低交聯(lián)度樹(shù)脂，預(yù)處理，特殊的再生操作( 加氧化劑等)。 水質(zhì)對(duì)離子交換的影響 3、高價(jià)金屬離子：Fe3+、Al3+、Cr3+，與固定離子結(jié)合力強(qiáng)，優(yōu)先交換。難以再生、洗脫(中毒)，降低工作容量。高濃度酸（1015HCl或20H2SO4）長(zhǎng)時(shí)間浸泡。4、氧化劑：如Cl2、O2、H2Cr2O7等，會(huì)使樹(shù)脂氧化分解，強(qiáng)堿性樹(shù)脂容易被氧化，使交換基團(tuán)變成非堿性物質(zhì)，完全喪失交換能力；氧化作用影

13、響母體，使樹(shù)脂加速老化。選用交聯(lián)度大的樹(shù)指，加入適當(dāng)?shù)倪€原劑等。 離子交換速度一、交換過(guò)程 二、影響交換速度的因素 交換過(guò)程1、水中Na+離子擴(kuò)散至樹(shù)脂表面水膜（膜擴(kuò)散）2、Na+經(jīng)水膜至某一交換基團(tuán)位置（內(nèi)擴(kuò)散）3、Na+與H+交換4、交換下的H+經(jīng)孔隙向樹(shù)脂表面擴(kuò)散（內(nèi)擴(kuò)散）5、H+經(jīng)水膜向水中擴(kuò)散（膜擴(kuò)散） 其中第三步速度快，其余步驟速度慢，離子交換速度指全過(guò)程的速度。 影響交換速度的因素1、交聯(lián)度 2、水中的離子濃度 3、水的流速 4、樹(shù)脂顆粒大小 5、水溫 樹(shù)脂層的離子交換過(guò)程 在離子交換柱中裝填鈉型樹(shù)脂鈉型樹(shù)脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水，逐層取出樣品并測(cè)定其吸著的鈣離子

14、含量以及飽和程度。圖中，黑點(diǎn)表示鈣型樹(shù)脂，白點(diǎn)表示鈉型樹(shù)脂，1段表示樹(shù)脂已全部被鈣離子飽和，2段表示正在進(jìn)行離子交換反應(yīng)的部分，其飽和程度順著流向逐漸減小，3段表示樹(shù)脂尚未進(jìn)行交換的區(qū)段。如把整個(gè)樹(shù)脂層各點(diǎn)飽和程度連成曲線，即得圖所表示的飽和程度曲線。 樹(shù)脂層的離子交換過(guò)程 實(shí)驗(yàn)證明，樹(shù)脂層離子交換過(guò)程可分為兩個(gè)階段（見(jiàn)圖）。 交換帶是指在某一時(shí)刻正在進(jìn)行交換反應(yīng)的軟化工作層。這個(gè)軟化工作層并非在一段時(shí)間內(nèi)固定不動(dòng)的，而是隨著時(shí)間的推移而緩慢地推移。交換帶厚度可以理解為處于動(dòng)態(tài)的軟化工作層的厚度。 樹(shù)脂層的離子交換過(guò)程 當(dāng)交換帶下端到達(dá)樹(shù)脂層底部，硬度也就開(kāi)始泄漏。此時(shí)，整個(gè)樹(shù)脂層可分為兩個(gè)部

15、分：樹(shù)脂交換容量得到充分利用的部分稱為飽和層飽和層，樹(shù)脂交換容量只是部分利用的部分稱為保護(hù)層保護(hù)層?？梢?jiàn)，交換帶厚度相當(dāng)于此時(shí)的保護(hù)層厚度，在水的離子交換軟化的情況下，交換帶厚度主要與進(jìn)水流速進(jìn)水流速及進(jìn)水總硬度進(jìn)水總硬度有關(guān)。 水的離子交換軟化 水的離子交換軟化是指利用離子交換去除水中的硬度離子（Ca、Mg），主要利用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的交換特性。一、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的交換特性 二、離子交換軟化系統(tǒng) 三、離子交換軟化裝置 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的交換特性1、鈉型樹(shù)脂的交換特性 2、強(qiáng)酸性H型樹(shù)脂的交換特性 3、弱酸性H型樹(shù)脂的交換特性 鈉型樹(shù)脂的交換特性2RNa + Ca(HCO3)2 R2Ca + 2N

16、aHCO3 (11-7) 2RNa + Mg(HCO3)2 R2Mg + 2NaHCO3 (11-8) 2RNa + CaSO4 R2Ca + Na2SO4 (11-9) 2RNa + MgCl2 R2Mg + 2NaCl (11-10) 水的硬度可分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。從上述反應(yīng)方程式可以看出，利用鈉型樹(shù)脂可去除水中的硬度，但不能去除堿度。 強(qiáng)酸性H型樹(shù)脂的交換特性2RH + Ca(HCO3)2 R2Ca + 2CO2 + 2H2O (11-11) 2RH + CaSO4 R2Ca + H2SO4 (11-12) 2RH + CaCl2 R2Ca + 2HCl (11-13) RH

17、+ NaCl RNa + HCl (11-14) 從上述反應(yīng)方程式可知，利用強(qiáng)酸性H型樹(shù)脂不僅可去除水中的硬度，還可去除堿度。弱酸性H型樹(shù)脂的交換特性 弱酸性H型樹(shù)脂常用的有丙烯酸型，交換基團(tuán)是-COOH，交換時(shí)只能去除碳酸鹽硬度，而不能去除非碳酸鹽硬度。 離子交換軟化系統(tǒng)1、Na離子交換軟化系統(tǒng) 2、離子交換脫堿軟化系統(tǒng) Na離子交換軟化系統(tǒng) Na離子交換軟化系統(tǒng)只去除硬度，不能去除堿度。常用的有單級(jí)Na離子交換軟化系統(tǒng)和多級(jí)Na離子交換軟化系統(tǒng)（見(jiàn)圖11-1-3，11-1-4）。 離子交換脫堿軟化系統(tǒng)在鍋爐給水中，有時(shí)需同時(shí)去除硬度和堿度。降低堿度最簡(jiǎn)單的方法是加酸。在在Na離子交換離子交

18、換的出水中加酸可以去除堿度，的出水中加酸可以去除堿度，但加酸的結(jié)果使水中溶解性固型物增加溶解性固型物增加。因此，為達(dá)到去除硬度，降低堿度又不增加水中溶解性固體不增加水中溶解性固體的目的，常采用H-Na離子交換法來(lái)處理。（1）H-Na并聯(lián)離子交換系統(tǒng)（見(jiàn)圖）（2）H-Na串聯(lián)離子交換系統(tǒng)（見(jiàn)圖） 離子交換軟化裝置 離子交換裝置，按照運(yùn)行方式的不同，可分為固定床和連續(xù)床兩大類： 單層床 固定床 雙層床 混合床離子交換裝置 移動(dòng)床 連續(xù)床 流動(dòng)床 離子交換軟化裝置 單層固定床單層固定床離子交換裝置是最常用、最基本的形式。離子交換樹(shù)脂（或磺化煤）裝填在離子交換器內(nèi)。在操作過(guò)程中，樹(shù)脂不往外輸送，所以稱

19、為固定床。移動(dòng)床、流動(dòng)床都是與固定床相對(duì)而言的，并在固定床基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 1、固定床離子交換設(shè)備 2、連續(xù)床離子交換設(shè)備 固定床離子交換設(shè)備 固定床離子交換裝置根據(jù)原水與再生液的流動(dòng)方向，可分為兩種形式：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，成為順流再生固定床；原水與再生液流向相反的，成為逆流再生固定床。后一種目前得到廣泛應(yīng)用。圖給出了固定床逆流再生離子交換器的構(gòu)造 。固定床離子交換設(shè)備（1）逆流再生固定床離子交換裝置的構(gòu)造 圓形壓力鋼罐，一般承壓46Kg/cm2 樹(shù)脂層：1.52.0m，上部有足夠空間保證反沖洗時(shí)樹(shù)脂層膨脹用；上部：進(jìn)水系統(tǒng)(反洗水出口)，距樹(shù)脂層4080層

20、高 下部：排水系統(tǒng)(出水、清洗、反洗進(jìn)口)多孔板、濾布層固定床離子交換設(shè)備 固定床操作過(guò)程：四個(gè)步驟（交換、反洗、再生、清洗），交換過(guò)程就是軟化過(guò)程，而反洗、再生、清洗屬于再生工序。 逆流再生有兩種操作方式：一是采用再生液向上流、水向下流的方式，應(yīng)用比較成功的有氣頂壓法、水頂壓法等；一是采用再生液向下流，水流向上的方式，應(yīng)用較為成功的有浮動(dòng)床法。 固定床離子交換設(shè)備（2）固定床軟化設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算物料衡算： )(0CCQTFhq（11-15）式中：F離子交換器截面積，m2； h樹(shù)脂層高，m； q樹(shù)脂工作交換容量，mmol/L； Q軟化水水量，m3/h；T軟化工作時(shí)間，即從軟化開(kāi)始到出現(xiàn)硬度泄漏的

21、時(shí)間，h； C0原水硬度，mmol/L C出水硬度，mmol/L固定床離子交換設(shè)備 圖表示陽(yáng)離子交換器軟化水剩余硬度與出水量的關(guān)系曲線。出水量到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，硬度開(kāi)始泄漏，b點(diǎn)稱為硬度泄漏點(diǎn)。如交換反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，則軟化水剩余硬度很快上升，直至接近原水硬度。此時(shí)，交換器的交換能力幾乎全部耗盡。圖中面積abedca表示在給定條件下交換器總的交換能力，面積abdca為交換器的工作交換能力。后者除以樹(shù)脂體積即等于樹(shù)脂工作交換容量。 連續(xù)床離子交換設(shè)備固定床的基本缺陷： 樹(shù)脂不能邊失效，邊再生，造成交換器內(nèi)樹(shù)指積壓，利用率低，交換器容積利用不充分； 樹(shù)脂層中樹(shù)脂交換能力使用不勻，上層飽和程度高，下層低。連續(xù)

22、式的特點(diǎn):樹(shù)脂不固定在交換器內(nèi)，而是處于連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)中， 交換與再生長(zhǎng)則在不同塔內(nèi)進(jìn)行。樹(shù)脂的用量比固定床減少1/31/2，設(shè)備單位容積的產(chǎn)水量還可提高。連續(xù)式離子交換至分移動(dòng)床和流動(dòng)床兩種。 水的離子交換除鹽一、陰離子交換樹(shù)脂的工作特性 二、離子交換除鹽系統(tǒng) 陰離子交換樹(shù)脂的交換特性1、強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂的工作特性 2、弱堿性陰樹(shù)脂的工作特性 強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂的工作特性強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂（ROH）可以和經(jīng)H離子交換的出水中各種陰離子進(jìn)行交換，發(fā)生如下反應(yīng)： ROH + H2SO4 RHSO4 + H2O (11-16) 2 ROH + H2SO4 RSO4 + 2H2O (11-17) ROH + HCl

23、RCl + H2O (11-18) ROH + H2CO3 RHCO3 + H2O (11-19) 弱堿性陰樹(shù)脂的工作特性弱堿性陰樹(shù)脂只能與水中的強(qiáng)酸陰離子起反應(yīng)，而不能吸附水中的弱酸陰離子。不僅如此，即使是強(qiáng)酸陰離子，也只有以酸的形式存在時(shí)，才能被弱堿性陰樹(shù)脂所交換，發(fā)生如下反應(yīng)：R-NH3OH + HCl R-NH3Cl + H2O (11-20)2 R-NH3OH + H2SO4 (R-NH3)2SO4 + 2H2O (11-21) 根據(jù)交換離子的選擇性，對(duì)弱堿性而言，OH-的交換勢(shì)最大，故用弱堿性樹(shù)脂交換陰離子，應(yīng)嚴(yán)格控制水的pH值，應(yīng)小于9。 離子交換除鹽系統(tǒng) 離子交換除鹽系統(tǒng)是由H

24、型陽(yáng)離子和OH型陰離子交換裝置串聯(lián)而成；也可將兩種樹(shù)脂混裝于同一交換裝置中；或分層填放在同一交換裝置中，均能達(dá)到除鹽的目的。 1、復(fù)床除鹽系統(tǒng) 2、混合床除鹽 復(fù)床除鹽系統(tǒng) 復(fù)床是指陽(yáng)、印離子交換器串聯(lián)使用，常用的復(fù)床除鹽系統(tǒng)有下述兩種。 （1）強(qiáng)酸-脫氣-強(qiáng)堿系統(tǒng)（如圖11-1-9所示 ）（2）強(qiáng)酸-脫氣-弱堿-強(qiáng)堿系統(tǒng)（見(jiàn)圖11-1-10 ）混合床除鹽 陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂裝填在同一個(gè)交換器內(nèi)，再生時(shí)使之分層再生，使用時(shí)先將其均勻混合，這種陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂混合一起的離子交換裝置成為混合床。由于混合床內(nèi)陰、陽(yáng)樹(shù)脂緊密交替接觸，好像有許多陽(yáng)床和陰床串聯(lián)在一起，構(gòu)成無(wú)數(shù)微型復(fù)床，反復(fù)進(jìn)行多次脫鹽

25、，因而出水純度很高。 混合床除鹽混合床的缺點(diǎn)是再生時(shí)陰、陽(yáng)樹(shù)脂難以徹底分層，另外對(duì)有機(jī)物污染很敏感。因此，為了防止有機(jī)物污染對(duì)陰樹(shù)脂的影響，在水進(jìn)入混合床之前應(yīng)進(jìn)行必要的預(yù)處理。 除了上述介紹的兩種離子交換除鹽系統(tǒng)外，還有氫精處理器、雙層床離子交換裝置等。 離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用主要去除對(duì)象：銅、鎳、鎘、鉻、鋅、汞、金、銀、鉑、磷酸、硝酸、氨、有機(jī)物、放射性物質(zhì)等。 下面以離子交換法處理含鉻廢水為例說(shuō)明其在廢水處理中的應(yīng)用。 離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用雙陰柱全酸性全飽和流程處理含鉻廢水1、目的：實(shí)現(xiàn)鉻的回收及漂洗水的循環(huán)回用 2、處理流程（見(jiàn)圖11-1-11） 含鉻電鍍廢水：主要含有C

26、rO42- 和Cr2O72- ，少量Cr3+以及其它離子離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用 廢水先經(jīng)陽(yáng)柱，除去陽(yáng)離子(Fe3+、Cr3+、Ca2+、Mg2+等)，并使廢水的pH下降至5以下，此時(shí)鉻大部分以Cr2O72- 的形式存在。然后廢水進(jìn)入陰柱，根據(jù)交換選擇性Cr2O72-CrO42-SO42-Cl-，隨著交換的進(jìn)行，陰柱中順序出現(xiàn)Cl-、SO42-、CrO42-的泄漏，為了保證陰柱全部為Cr2O72-飽和，在陰柱后面接另一陰柱。當(dāng)柱全部為鉻飽和時(shí)柱開(kāi)始再生，可獲得純度較高的鉻酸。此流程稱為雙陰柱全酸性全飽和流程，出水純度較高。離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用陽(yáng)柱采用HCl或H2SO4再生。陰柱采用

27、NaOH再生(只再生Cr6+飽和的柱，根據(jù)出水水質(zhì)的要求)為了回收H2Cr2O7，可將再生陰樹(shù)脂獲得的再生洗脫液，經(jīng)H型陽(yáng)柱：4RH + 2Na2CrO4 4RNa + H2Cr2O7 + H2O （11-22） 離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用3、樹(shù)脂的選擇含鉻廢水pH6，含強(qiáng)氧化劑H2CrO4和H2Cr2O7，應(yīng)選擇具有較高抗氧化能力和高機(jī)械強(qiáng)度的陽(yáng)、陰樹(shù)脂。陽(yáng)柱強(qiáng)酸型H樹(shù)脂。陰柱弱堿型樹(shù)脂，抗氧化能力較強(qiáng)(強(qiáng)堿型容量大，但易被氧化分解)。 離子交換法在廢水處理中的應(yīng)用4、預(yù)處理和防腐柱鋼制，不能用橡膠襯里。管道、閥門(mén)硬聚氯乙烯。泵耐酸泵。二、離子交換法在廢水處理中的某些應(yīng)用 （見(jiàn)表11-1）

28、 吸附8.2.1 吸附及其類型 8.2.2 吸附等溫線 8.2.3 吸附速度 8.2.4 影響吸附的因素 8.2.5 常用吸附劑 8.2.6 吸附操作方式與設(shè)計(jì) 8.2.7 吸附劑的再生 8.2.8 吸附在水處理中的應(yīng)用 吸附及其類型一、吸附的定義 二、吸附的原因 三、吸附的種類 四、吸附的特征 吸附的定義 在相界面上，物質(zhì)的濃度自動(dòng)發(fā)生積累和濃集的現(xiàn)象稱為吸附，它可以發(fā)生在不同的相界面上。廢水處理中，主要利用固體物質(zhì)對(duì)液相中污染物質(zhì)的吸附作用。吸附法(工藝)：利用多孔性的固體物質(zhì)，使廢水中一種或多種污染物吸附于固體表面而得到去除。吸附劑具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)。 吸附質(zhì)(廢水中)被吸附的

29、物質(zhì)。 吸附的原因由表面張力與表面能的變化引起，具體可參見(jiàn)物理化學(xué)中表面化學(xué)部分。 吸附的種類根據(jù)吸附力不同可分為：物理吸附：分子間力(范德華引力)吸附化學(xué)吸附：化學(xué)鍵力交換吸附：靜電引力吸附的實(shí)質(zhì)：表面現(xiàn)象，減小界面能的一種方式 物質(zhì)吸附于固體表面之后，減小表面張力，使界面上的分子受力趨于均衡，故是自動(dòng)發(fā)生的。 吸附的特征1、物理吸附吸附時(shí)表面能降低、放熱；可在低溫下進(jìn)行不需要活化能選擇性不強(qiáng)，吸引力隨分子量增大而增大，可以吸附多種吸附質(zhì)；易于解吸(吸附的逆過(guò)程)分子的熱運(yùn)動(dòng)；可形成單層或多層吸附。 吸附的特征2、化學(xué)吸附吸附熱大，需在高溫下進(jìn)行；具有選擇性；化學(xué)鍵力大時(shí)，吸附不可逆；只能形

30、成單分子吸附層。 吸附的特征3、交換吸附吸附質(zhì)的離子由于靜電引力聚集到吸附劑表面帶電點(diǎn)，同時(shí)吸附劑也放出等當(dāng)量離子。離子帶電荷多，吸附強(qiáng)；電荷相同，水化半徑小，吸附力強(qiáng)。 三種吸附作用往往相伴發(fā)生，水處理中的吸附大部分是綜合作用的結(jié)果。 吸附等溫線 由于吸附是一種表面化學(xué)過(guò)程，因此研究吸附可從兩方面進(jìn)行：化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速度。 吸附等溫線實(shí)際上表達(dá)了吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的平衡濃度表達(dá)式。一、吸附平衡 二、吸附劑的吸附量 三、吸附等溫線 吸附平衡 吸附速度=解吸速度 如果吸附是可逆的，存在吸附和解吸兩個(gè)過(guò)程。當(dāng)吸附質(zhì)在吸附劑表面達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附質(zhì)在溶液中的濃度和吸附劑表面的濃度都不再改變，此

31、時(shí)溶液中的吸附質(zhì)濃度稱為平衡濃度。 吸附劑的吸附量 吸附劑吸附能力的大小用吸附量表示：?jiǎn)挝恢亓康奈絼┪降奈劫|(zhì)的重量。吸附量q（g/g）按下式計(jì)算： MCCVq)(0（11-23）式中： V水的體積，L； C0原水中吸附質(zhì)濃度，g/L；C平衡水中的殘余吸附質(zhì)濃度，g/L； M活性炭投加量，g 吸附等溫線 溫度一定的條件下，V、C0一定時(shí)，改變投炭量，吸附的平衡濃度和吸附量均發(fā)生相應(yīng)改變。其規(guī)律如圖所示。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上可得一近似直線（如圖）。 表示吸附等溫線的方程為等溫吸附式，常用兩種1、Freundlich等溫吸附公式 2、Langmuir等溫吸附公式 Freundlich等溫吸附公式根據(jù)

32、圖11-2-2可知： CnKqlglglg（11-24）nKCq （11-25）式中：K，n常數(shù)Freundlich等溫吸附公式是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式 Langmuir等溫吸附公式 根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)，通過(guò)一些假設(shè)而推導(dǎo)的單分子層吸附公式如下： aCabCq1(11-26)式中：a，b常數(shù) bCabq1111線性化：(11-27)如圖所示 吸附速度 吸附速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位重量的吸附劑所吸附的物質(zhì)的量。水中多孔吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附過(guò)程分三個(gè)階段：顆粒外部擴(kuò)散(膜擴(kuò)散)階段吸附質(zhì)通過(guò)液膜內(nèi)部擴(kuò)散階段吸附質(zhì)向細(xì)孔深處擴(kuò)散吸附反應(yīng)階段吸附質(zhì)被吸附于細(xì)孔表面上第三階段一般進(jìn)行很快，故吸附受前兩階段擴(kuò)散速度控制。

33、 吸附速度 外部擴(kuò)散：與膜兩邊濃度和膜表面積(即吸附劑外表面積)成正比，與溶液攪動(dòng)程度有關(guān)。增加溶液與吸附劑的相對(duì)速度，可使液膜變薄，提高外擴(kuò)速度。內(nèi)部擴(kuò)散：比較復(fù)雜，與微孔大小、構(gòu)造、吸附質(zhì)顆粒大小、吸附劑顆粒大小有關(guān)。吸附劑顆粒小，對(duì)提高吸附速度有利。 影響吸附的因素一、吸附劑的性質(zhì) 二、吸附質(zhì)的性質(zhì) 三、pH值 四、溫度 五、接觸時(shí)間 六、生物協(xié)同作用 吸附劑的性質(zhì)1、孔的大小 活性炭是以含炭物質(zhì)經(jīng)高溫炭化和活化而成，活化時(shí)造成內(nèi)部孔隙十分發(fā)達(dá)。一般孔徑100埃為大孔?；钚蕴康奈搅恐饕晌⒖字?，因微孔的表面積占總表面積的95%以上。 吸附劑的性質(zhì)2、比表面積活性炭的比表面積一般500

34、1700m2/g。炭的粒徑越小，或微孔越發(fā)達(dá)，則比表面積越大，吸附量就越大。3、炭的表面化學(xué)性質(zhì)活化時(shí)能使炭的表面產(chǎn)生微弱極性，有利于產(chǎn)生離子交換吸附或絡(luò)合反應(yīng)，提高處理效果。要求吸附容量大，速度快，機(jī)械強(qiáng)度好。 吸附質(zhì)的性質(zhì) 能使液體表面張力降低越多的吸附質(zhì)，越易被吸附；吸附質(zhì)濃度的影響可由吸附等溫線看出。吸附質(zhì)的溶解度、表面自由能、分子大小和不飽和程度、極性等均對(duì)吸附有影響。 pH值 溶液的pH值影響溶質(zhì)在水中的存在狀態(tài)(分子、離子、絡(luò)合物)和溶解度，也影響炭的表面電荷特性，活性炭在酸性溶液中吸附性能好，pH9時(shí)不易吸附。 溫度 吸附是放熱反應(yīng)，因此溫度升高，吸附量減少。 接觸時(shí)間 受吸附

35、速度影響，應(yīng)結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮。吸附時(shí)應(yīng)保證一定的接觸時(shí)間，以使吸附接近平衡。接觸時(shí)間為： vhQWt（11-28）式中：W炭層容積，m3；Q流量，m3/h； h炭層高度，m； v空塔過(guò)濾速度，m/h 生物協(xié)同作用 活性炭使用一定時(shí)間后，其表面會(huì)繁殖微生物，參與對(duì)有機(jī)物的去除。目前，有人利用生物活性炭處理低濃度有機(jī)廢水，取得了較好的效果。 有利參與有機(jī)物的分解、去除。 不利增加水頭損失，產(chǎn)生厭氧狀態(tài)。 常用吸附劑廣義上，一切固體表面都具有吸附作用。實(shí)際上，只有多孔物質(zhì)和尺度很小的物質(zhì)因?yàn)橛芯薮蟮谋砻娣e，才有明顯的吸附能力。廢水中處理中常用的吸附劑：活性炭，磺化煤、活化煤、沸石、活性粘土、

36、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等，以活性炭應(yīng)用最廣。 常用吸附劑 活性炭：用含炭為主的原料(木材、煤)，經(jīng)高溫炭化和活化而制成的疏水性吸附劑， 外觀黑色、有粉狀和粒狀、棒狀等?；钚蕴烤Ц耖g有許多不同形狀和大小的細(xì)孔，吸附作用主要發(fā)生的細(xì)孔表面，比表面積5001700m2/g。吸附量與比表面積、細(xì)孔構(gòu)造和分布、表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 吸附操作方式與設(shè)計(jì)一、操作方式 二、設(shè)計(jì) 操作方式 廢水進(jìn)行吸附前，應(yīng)先經(jīng)預(yù)處理去除懸浮物、油類等雜質(zhì)，避免堵塞吸附劑的孔隙。 吸附操作分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)操作方式。靜態(tài)為間歇式，很少用(小流量，間歇排放)；動(dòng)態(tài)操作為連續(xù)式，有固定床、移動(dòng)床和流動(dòng)床三種。 操作方式1、固定床水連續(xù)

37、進(jìn)入和流出，經(jīng)床層吸附雜質(zhì)可得到清潔的出水。為充分發(fā)揮炭床的最大吸附作用，常采用多塔串聯(lián)運(yùn)行。2、移動(dòng)床水由下部進(jìn)入上部排出，底層飽和的炭定期由下部排出，經(jīng)再生的炭由塔頂補(bǔ)充，可節(jié)省占地面積。3、流動(dòng)床（流化床） 利用進(jìn)水動(dòng)力使炭粒之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，呈流化態(tài)懸浮，利于炭水的充分接觸。 設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)步驟（1）根據(jù)靜態(tài)吸附試驗(yàn)得出不同炭的吸附的等溫線，從而選擇炭型，并按式11-23計(jì)算用炭量；（2）由動(dòng)態(tài)吸附柱試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)參數(shù)炭柱形式、串聯(lián)級(jí)數(shù)、炭的使用周期、通水倍數(shù)(m3水/Kg炭)、最佳空塔速度；接觸時(shí)間、炭柱容量、用炭量、再生設(shè)備容量；每米炭層水頭損失、反沖洗頻率、強(qiáng)度等。 設(shè)計(jì)2、動(dòng)態(tài)吸附

38、柱的工作過(guò)程與計(jì)算 動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程可用穿透曲線（圖）來(lái)表示。以出水吸附質(zhì)濃度為縱坐標(biāo)，出水量(或出流時(shí)間)為橫坐標(biāo)作圖，可得到穿透曲線。 設(shè)計(jì) 當(dāng)廢水進(jìn)入炭柱后，首先由炭層上部發(fā)生吸附作用。隨著廢水的進(jìn)入，吸附區(qū)逐漸下移，當(dāng)出水中吸附質(zhì)濃度達(dá)到出水要求時(shí)，吸附達(dá)到終點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)對(duì)炭柱進(jìn)行再生。圖中炭層上部為飽和區(qū)，發(fā)生吸附的為吸附帶，下部為未吸附區(qū)。當(dāng)出水濃度達(dá)到允許的濃度Ca時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為穿透點(diǎn)a；出水濃度達(dá)到進(jìn)水濃度的9095%時(shí)表明吸附能力耗竭，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為吸附終點(diǎn)b。從a到b這段時(shí)間t內(nèi)，吸附帶所移動(dòng)的距離為吸附帶的長(zhǎng)度。 設(shè)計(jì) 吸附容量的通水倍數(shù)：?jiǎn)挝恢亓康奶靠商幚淼乃?。若采用單柱吸附，則

39、處理水量為Va，通水倍數(shù)為Va/M；若采用多柱串聯(lián)，則每柱可處理水量增加到Vb，通水倍數(shù)為增加為Vb/M。到達(dá)吸附終點(diǎn)時(shí)，去除的溶質(zhì)總量相當(dāng)于穿透曲線與過(guò)C0點(diǎn)的水平線之間的面積，可用圖解積分求出： dVCCbV00）（去除的總量（11-29）設(shè)計(jì)若為多柱串聯(lián)，則串聯(lián)級(jí)數(shù)為： abVVn （11-30）通水倍數(shù)裝炭量QT（11-31）吸附劑的再生 在吸附劑本身結(jié)構(gòu)不發(fā)生或極少發(fā)生變化的情況下，將吸附質(zhì)從吸附劑表面去除，以便恢復(fù)吸附劑的吸附能力的過(guò)程稱為吸附劑的再生。再生方法有加熱再生法、蒸汽法、溶劑法、臭氧氧化法和生物法等。 吸附在水處理中的應(yīng)用 給水處理：過(guò)濾之后，去除微量有害物質(zhì)的臭味，脫

40、氯廢水處理：深度處理，微量污染物。去除難以生物降解或化學(xué)氧化的少量有害物質(zhì)，去色、殺蟲(chóng)劑，洗滌劑及金屬離子。與其它水處理技術(shù)聯(lián)合使用：臭氧活性炭飲用水去除有機(jī)物，印染廢水脫色投炭活性污泥法(PACT)生物活性炭法膜分離法概述8.3.1 擴(kuò)散滲析法 8.3.2 電滲析 8.3.3 反滲透 8.3.4 超濾 概述 凡是使溶液中一種或幾種成分不能透過(guò)，而其它成分能透過(guò)的膜都叫著半透膜。膜分離法就是用一種特殊的半透膜將溶液隔開(kāi)，使溶液中的某種溶質(zhì)或溶劑（水）滲透出來(lái)，從而達(dá)到分離溶質(zhì)的目的。半透膜最大的特點(diǎn)是選擇透過(guò)性。 概述 根據(jù)采用的膜的種類不同和分離的推動(dòng)力不同，膜分離法可區(qū)別如下： 分離過(guò)程推動(dòng)力膜用途擴(kuò)散滲析濃度差滲析膜分離溶質(zhì)，回收酸、堿等電滲析電位差離子交換膜分離離子，用于回收酸、堿，苦咸水淡化反滲透壓力差反滲透膜分離小分子溶質(zhì)，用于海水淡化、去除無(wú)機(jī)離子或有機(jī)物超濾壓力差超過(guò)濾膜截留分子量大于500的大分子，去除粘土、植物質(zhì)、