第六节  离子交换法   

离子交换法是水处理中软化和除盐的主要方法之一。在废水处理中，主要用于去除废水中的金属离子。离子交换的实质是不溶性离子化合物(离子交换剂)上的可交换离子与溶液中的其它同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆性化学吸附。

一、离子交换剂

水处理中用的离子交换剂有磺化煤和离子交换树脂。磺化煤利用天然煤为原料，经浓硫酸磺化处理后制成，但交换容量低，机械强度差，化学稳定性较差，已逐渐为离子交换树脂所取代。

离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由树脂本体(又称母体或骨架)和活性基团两个部分组成。生产离子交换剂的树脂母体最常见的是苯乙烯的聚合物，是线性结构的高分子有机化合物。在原料中，常加上一定数量的二乙烯苯做交联剂，使线状聚合物之间相互交联，成立体网状结构。树脂的外形呈球状颗粒，粒径为：0．6～1．2mm(大粒径树脂)，0．3～0．6皿(中粒径树脂)，或0．02—0．1mm(小粒径树脂)。树脂本身不是离子化合物，并无离子交换能力，需经适当处理加上活性基团后，才具有离子交换能力。活性基团由固定离子和活动离子组成。固定离子固定在树脂的网状骨架上，活动离子(或称交换离子)则依靠静电引力与固定离子结合在一起，二者电性相反电荷相等。

离子交换树脂按树脂的类型和孔结构的不同可分为：凝胶型树脂、大孔型树脂、多孔凝胶型树脂、巨孔型(MR型)树脂和高巨孔型(超MR型)树脂等。

离子交换树脂按活性基团的不同可分为：含有酸性基团的阴离子交换树脂，含有碱性基团的阳离子交换树脂，含有胺羧基团等的螯合树脂，含有氧化还原基团的氧化还原树脂及两性树脂等。其中，阳、阴离子交换树脂按照活性基团电离的强弱程度，又分为强酸性(离子性基团为一SO₃H)、弱酸性(离子性基团为一COOH)、强碱性(离子性基团为三NOH)和弱碱性(离子性基团有一NH₃OH、二NH₂OH、一NHOH)树脂。

二、离子交换树脂的选用

目前，我国生产的离子交换树脂的品种很多，价格差别很大。而废水的成份复杂，要求处理的程度各异，因此，合理地选择离子交换树脂，在生产和经济上都有重大意义。严格地讲，对于不同的废水，应通过一定的实验以确定合适的离子交换树脂牌号和采用的流程。

1．离子交换树脂的有效pH值范围

由于交换树脂的活性基团分为强酸、弱酸、强碱和弱碱性，水的pH值势必给予影响。强酸、强碱性交换树脂的活性基团电离能力强，其交换能力基本上与pH值无关。弱酸性交换树脂在水的pH值低时不电离或仅部分电离，因此只能在碱性溶液中才有较高的交换能力；弱碱性交换树脂则在水的pH值高时不电离或仅部分电离，只能在酸性溶液中才有较高的交换能力。

2．交换容量

交换容量是离子交换树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力的大小。交换容量的单位是mol／ke(干树脂)或mol／L(湿树脂)。交换容量又可区分为全交换容量与工作交换容量。前者指一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量，后者指树脂在给定工作条件下实际的交换能力。

树脂的全交换容量可由滴定法测定。同时，在理论上也可以从树脂的单元结构式粗略地计算出来。

3．交联度

树脂合成时采用的交联剂(如二乙烯苯)的用量，影响树脂分子的交联度。交联度对树脂的许多性能具有决定性的影响。交联度较高的树脂，孔隙度较低，密度较大，离子扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较小，浸泡在水中时，水化度较低，形变较小，也就比较稳定，不易碎裂。水处理中使用的离子交换树脂，交联度为7％～10％。

4．交换势

前已述及，离子交换是可逆反应，可利用化学中的质量作用定律解释离子交换平衡规律。对同一种交换树脂RH讲，交换反应的平衡常数K值随交换离子M⁺而异，K值愈大，表明交换离子愈容易取代树脂上的可交换离子，也就表明交换离子与树脂之间的亲和力愈大，通常说这种离子的交换势很大；反之，K值愈小，通常就说交换势很小。

当含有多种离子的废水同离子交换树脂接触时，交换势大的离子必然最先同树脂上的离子进行交换。我们可做一简单的试验，把含有铝、钙、钠等离子的水溶液缓慢地流过一个阳离子交换树脂床(见图17—3)。如果在交换床的不同深度处采样化验，则将发现上层的水样中已经没有铝离子，中层的水样中只有钠离子，下层的水样中三种离子基本上都没有了，已全部为离子交换树脂中的氢离子所替代。这个现象表明离子交换树脂对交换离子有“选择”性，先交换交换势大的离子，后交换交换势小的离子。这里还有一个交换量问题，不同离子的交换量往往也同它们的交换势有关。此外，离子的大小有时也影响交换势。

关于不同离子的交换势大小的解释有多种理论，但是，由于影响的因素还不很清楚，因此关于离子交换势的规律还得依靠实践，下面介绍的一些规律可供参考。

①离子的交换势，除同它本身和离子交换树脂的化学性质有关外，温度和浓度的影响很大。

②在常温和低浓度水溶液中，阳离子的原子价愈高，它的交换势愈大。例如：按交换势排列有：Th⁴⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Na⁺    

③在常温和低浓度水溶液中，同价阳离子的交换势大致上是原子序数愈高，交换势愈大；但是稀土元素情况正好相反。

④氢离子对阳离子交换树脂的交换势，决定于树脂的性质。对强酸性阳离子交换树脂，氢离子的交换势介于钠离子和锂离子之间，但是，对弱酸性阳离子交换树脂，氢离子具有最强的交换势，居于交换序列的首位。

⑤在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子交换树脂讲，酸根(阴离子)的交换序列如下：SO₄^2->CrO₄^2->柠檬酸根^3->酒石酸根^2->NO₃^->AsO₄^3->PO₄^3->MoO₄^2->醋酸根^—、I^—、Br^—>Cl^->F^-。但弱碱性阴离子交换树脂对碳酸根和硫离子的交换能力很弱，对硅酸、苯酚、硼酸和氰酸等弱酸不起反应。

⑥对强碱性阴离子交换树脂讲，离子的交换势随树脂的性质而异，没有一般性的规律。

⑦氢氧基对阴离子交换树脂的交换势决定于树脂类型。对弱碱性阴离子交换树脂，氢氧基居于交换序列的首位；对强碱性阴离子交换树脂，则介于氯离子和氟离子之间。

⑧离子量高的有机离子和金属络合离子的交换势特别大。

⑨大孔型树脂具有很强的吸附性能，往往可以吸附废水中的非离子型杂质。例如，弱碱性阴离子交换树脂能吸附废水中的氯苯酚。

三、离子交换的工艺和设备

离子交换装置，按照进行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类。在废水处理中，单层固定床离子交换装置是最常用、最基本的一种型式。

四、离子交换法在废水处理中的应用

1、电镀含铬废水的处理

2、含汞废水的处理