离子交换-特种废水处理的物理化学处理

• 离子交换法可用来去除废水中不希望有的阴离子和阳离子。
1. 离子交换树脂的选择性
   废水处理中使用的离子交换剂分无机离子交换剂和有机离子交换剂两大类。无机离子交换剂有天然沸石和合成沸石等。有机离子交换树脂的种类繁多，主要有强酸阳离子交换树脂、弱酸阳离子交换树脂、强碱阴离子交换树脂、弱碱阴离子交换树脂、螯合树脂和有机吸附树脂等。其中，螯合树脂是为了吸附水中微量金属而研制的，有机物吸附树脂的交换容量比普通的离子交换树脂小，但它对有机物有较高的吸附能力。由于在废水处理中有机离子交换树脂比无机离子交换剂采用的较为广泛，故只介绍有机离子交换树脂在废水处理中的应用。
   采用离子交换法处理废水时必须考虑树脂的选择性。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(又称选择性)的大小。在常温下，低浓度时，各种树脂对各种离子亲和力的大小可归纳如下几个规律。
   (1)强酸阳树脂的选择性顺序为：
   Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca3+>Mg2+>K+ =NH4+>Na+>Li+
   (2)弱酸阳树脂的选择性顺序为：
   H+>Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>Li+
   (3)强碱阴树脂的选择性顺序为：
   Cr2O72+>SO42->CrO42->N03->Cl->OH->F->HCO3->HSiO3-
   (4)弱碱阴树脂的选择性顺序为：
   OH->Cr2O72+>SO42->CrO42->NO3->Cl->HCO3-
   (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树脂相似，但比弱酸树脂对重金属的选择性高。螯合树脂通常为Na型、树脂内金属离子与树脂的活性基团相鳌合。典型的螯合树脂为亚氨基醋酸型，它与金属反应如下：
   
   式中 Me2+ --重金属离子。
   亚氨基醋酸型螯合树脂的选择性顺序为：
   Hg>Cu>Ni>Mn>Ca>Mg>Na
   位于顺序前列的离子可以取代位于顺序后列的离子。
   应该指出的是，上面介绍的选择性顺序均指常温低浓度而言。在高温高浓度时，处于顺序后列的离子可以取代位于顺序前列的离子，这是树脂再生的依据之一。
2. 废水水质对离子交换树脂交换能力的影响
   (1)悬浮物和油脂。废水中的悬浮物会堵塞树脂孔隙，油脂会包住树脂颗粒，它们都会使交换能力下降，因此这些物质含量较多时应进行预处理。预处理方法有沉淀、过滤、吸附等。
   (2)有机物。废水中某些高分子有机物与树脂活性基团的固定离子结合力很强，一旦结合就很难再生，结果降低树脂的再生率和交换能力。例如高分子有机酸与强碱性季胺基团的结合力就很大，难于洗脱。为了减少树脂的有机污染。可选用低交联度的树脂或者废水进行交换处理前的预处理。
   (3)高价金属离子。废水中Fe3+、Al3+、Cr3+等高价金属离子可能导致树脂中毒。当树脂受铁离子中毒时，会使树脂的颜色变深。从前述阳树脂的选择性可看出，高价金属离子易为树脂吸附，再生时难于把它洗脱下来，结果会降低树脂的交换能力。为了恢复树脂的交换能力，可用高浓度酸液长时间浸泡。
   (4)pH。离子交换树脂是由网状结构的高分子固体与附在母体上许多活性基团构成的不溶性高分子电解质构成。强酸和强碱树脂的活性基团的电离能力很强，交换能力基本上与pH无关，但弱酸树脂在低pH时不电离或部分电离，因此在碱性条件下，才能得到较大的交换能力。弱碱性树脂在酸性溶液中才能得到较大的交换能力。鳌合树脂对金属的结合与pH有很大关系，对每种金属都有适宜的pH。
   另外，有的杂质在废水中存在的状态与pH有关。例如含铬度水中，Cr2O72-与CrO42-两种离子的比例与pH有关。用阴离子树脂去除废水中的六价铬，其交换能力在酸性条件下比在碱性条件下高，因为同样交换一个二价阴离子Cr2O72-比CrO42-多一个铬。
   (5)水温。水温高虽可加速离子交换的扩散，但各种离子交换树脂都有一定的允许使用温度范围。如国产732号阳树脂允许使用温度小于110℃，而717号阴树脂小于60℃。水温超过允许温度时，会使树脂交换基团被分解破坏，从而降低树脂的交换能力，所以温度太高时，应进行降温处理。
   (6)氧化剂。废水中如果含有氧化剂(如Cl2、O2、H2Cr2O7等)时，会使树脂氧化分解。强碱阴树脂容易被氧化剂氧化，使交换基团变成非碱性物质，可能完全丧失交换能力。氧化作用也会影响交换树脂的母体，使树脂加速老化，结果交换能力下降。为了减轻氧化剂对树脂的影响，可选用交联度大的树脂或加入适当的还原剂。
   另外，用离子交换树脂处理高浓度电解质废水时，由于渗透压的作用也会使树脂发生破碎现象，处理这种废水，一般可选交联度大的树脂。
• 离子交换法的设备
  采用离子交换法处理含铬废水、含镍废水、含铜废水及含金废水在电镀行业得到广泛应用。废水处理应用中离子交换处理设备为离子交换柱。
1. 一般规定
   采用离子交换法处理某一种清洗废水时，不应混入其他镀种或地面散水等废水。当离子交换树脂的洗脱回收液要求回用于镀槽时，则虽属同一镀种，但镀液配方不同的清洗废水也不应混入。进入离子交换柱的电镀清洗废水的悬浮物含量不应超过15mg/L，当超过时应进行预处理。清洗废水的调节池和循环水池的设置，可根据电镀生产情况、废水处理流程和现场条件等具体情况确定。其有效容积可按2-4h平均废水量计算。
2. 离子交换柱的计算
   (1)单柱体积
   V=Q/u*1000
   式中V--阴(阳)离子交换树脂单柱体积，L；
   Q--废水设计流量，m3/L；
   u--空间流速，L/[L(R)·h]。
   (2)空间流速
   u=E/CoT*1000
   式中E--树脂饱和工作交换容量，g/L(R)；
   G--废水中金属离子浓度，mg/L；
   T--树脂饱和工作周期，h。
   (3)流速
   v=uH
   式中H--树脂层高度，m。
   (4)交换柱直径
   D=2√Q/πv
   式中D--交换柱直径，m。
   3.废水通过树脂层的阻力损失
   废水通过树脂层的阻力损失按表确定。

   废水通过树脂层的阻力计算公式

   废水性质	适用的树脂型号	采用公式	备注
   含铬废水	710,370,732，小白球	△p=7vuH/d2cp	△p--树脂层的水头损失，m； u--废水通过树脂层的流速，m/h； H--树脂层高度，m； dcp--树脂的平均直径，mm； v--水最低温度是的运动黏度系数，cm2/s
   含镍废水	732(Ni型)	△p=7vuH/d2cp
   	110(Ni型)	△p=9vuH/d2cp
   含铜废水	732(Cu型)	△p=7vuH/d2cp
   	110(Cu型)	△p=9vuH/d2cp

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