离子交换

四、离子交换一、离子交换介绍离子交换是五、六十年代发展起来的水处理工艺，我国也有近六十多年的应用历史，其工艺原理是十分成熟的，运行实践是丰富的，国家有成熟的工艺设计标准和出水水质标准。

离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。

1.1离子交换树脂离子交换树脂是离子交换树脂是带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。

通常是球形颗粒物。

离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。

在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。

按交换基团性质的不同，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。

离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。

同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。

从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。

阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。

也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。

不论是哪一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。

再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。

离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基因）名称、基本名称组成。

孔隙结构分凝胶型和大孔型两种，凡具有物理孔结构的称大孔型树脂，在全名称前加“大孔”。

分类属酸性的应在名称前加“阳”，分类属碱性的，在名称前加“阴”。

如：大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂。

离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。

树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。

首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类，它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换。

阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类（或再分出中强酸和中强碱性类）。

强酸性阳离子树脂：这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。

树脂离解后，本体所含的负电基团，如SO3－，能吸附结合溶液中的其他阳离子。

这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。

强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。

树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使用。

如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸附的阳离子，再与H+结合而恢复原来的组成。

弱酸性阳离子树脂：这类树脂含弱酸性基团，如羧基－COOH，能在水中离解出H+ 而呈酸性。

树脂离解后余下的负电基团，如R-COO－（R为碳氢基团），能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。

这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中（如pH5～14）起作用。

这类树脂亦是用酸进行再生（比强酸性树脂较易再生）。

强碱性阴离子树脂：这类树脂含有强碱性基团，如季胺基（亦称四级胺基）－NR3OH（R为碳氢基团），能在水中离解出OH－而呈强碱性。

这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。

这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。

它用强碱（如NaOH）进行再生。

弱碱性阴离子树脂：这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基（亦称一级胺基）-NH2、仲胺基（二级胺基）-NHR、或叔胺基（三级胺基）-NR2，它们在水中能离解出OH－而呈弱碱性。

这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。

这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。

它只能在中性或酸性条件（如pH1～9）下工作。

它可用Na2CO3、NH4OH进行再生。

离子树脂的转型：以上是树脂的四种基本类型。

在实际使用上，常将这些树脂转变为其他离子型式运行，以适应各种需要。

例如常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂再使用。

工作时钠型树脂放出Na+与溶液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附，除去这些离子。

反应时没有放出H+，可避免溶液pH下降和由此产生的副作用（如蔗糖转化和设备腐蚀等）。

这种树脂以钠型运行使用后，可用盐水再生（不用强酸）。

又如阴离子树脂可转变为氯型再使用，工作时放出Cl－而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。

氯型树脂也可转变为碳酸氢型（HCO3－）运行。

强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然有这些树脂的其他典型性能，如离解性强和工作的pH范围宽广等。

1.2离子交换器离子交换分离常在柱式设备中进行。

由于操作方法的不同离子交换法又可分为淋洗法和排代法等。

将离子交换剂装入交换柱中，含被分离物质的溶液由柱顶加入，使之在交换柱顶端发生交换吸附，然后用一种溶液（淋洗剂或排代剂）连续流过交换柱，使被分离离子在柱中实现多次离子交换吸附和解吸，最后达到不同离子间的分离。

离子交换器时用于降低水中的硬度，生水由上而下通过交换器进行软化，水中含有的钙、镁、阳离子与水中交换剂的钠离子等互相交换，生水被软化成为极少的钙、镁、盐的水（称为软水），可用于锅炉给水及一些工业用水。

软化器即离子交换器，分为：钠离子交换器、阴阳床、混合床等种类。

离子交换柱(器)外壳一般采用硬聚氯乙烯(PVC)、硬聚氯乙烯复合玻璃钢(PVC-FRP)、有机玻璃(PMMA)、有机玻璃复合透明玻璃钢(PMMA-FRP)、钢衬胶(JR)、不锈钢衬胶等材质。

动软化器即为钠离子交换器，主要用于锅炉、热电站、化工、轻工、纺织、医药、生物、电子、原子能及纯水处理的前道处理。

阴阳离子交换床：也就是复床，它是由阳、阴离子交换器串联使用，达到水的除盐的目的。

混合床：是把阴阳离子交换树脂按一定混合比例装填在同一个离子交换器内，因为混合离子交换后进入水中的H离子与OH离子立即生成电离度很低的水分子，能使交换反应进行得十分彻底。

混床一般设置一级复床之后，对水质进一步纯化处理。

当水质要求不高的时候，也可以单独使用。

钠离子交换器：即软化器是用于去除水中钙离子、镁离子，制取软化水的离子交换器。

组成水中硬度的钙、镁离子与软化器中的离子交换树脂进行交换，水中的钙、镁离子被钠离子交换，使水中不易形成碳酸盐垢及硫酸盐垢，从而获得软化水。

1.3离子交换原理常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。

硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。

软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。

离子交换法的关键在于选择合适的离子交换剂和吸附、淋洗的条件。

交换剂中交换基团的性质，交联度、粒度和交换容量的大小，对交换过程有重要影响。

往溶液中加入络合剂可提高离子交换法的选择性，以获得更加良好的分离效果。

2、沙生湿地离子交换器的运行说明2.1概述：沙生湿地的离子交换系统包括钠床和螯床。

2.2工艺流程：2.3.1钠离子交换器：设计单套钠床最大进水量为150m3/h，6用4备。

正常运行情况下1台钠床供水泵流量300m3/h对应2台钠床。

钠床为预吸附来水二价离子（Ca，Mg，Br，Sr），床体里装填钠型强酸型树脂，单床装填树脂量为17.5m3，保证钠床进水二价离子浓度在400mg/L以内（以CaCO3计），要求钠床产水二价离子含量小于去除率95%以上（以CaCO3计）。

若钠床进水量超过150m3/h，请立即调整流量在设计范围内。

在钠床进水管道设置投加还原剂，保证钠床进水ORP值在100mv 以内或余氯在0mg/L以内，也可保证下游反渗透装置不被氧化剂氧化。

操作人员需定期检测钠床进水的Fe3+，Fe2+含量(总铁含量＜0.1mg/L)，防止树脂铁中毒。

钠床运行pH值范围9-10。

当钠床运行一段时间，树脂会达到吸附饱和，需要进行再生，使用再生剂为8%的NaCl溶液。

钠床#套运行失效后，再生完全后，操作人员应记录钠床#套的投运时间，并每隔3hr连续取样并检测，观察到什么时候，产水二价离子浓度超过10ppm，这段时间为钠床的实际运行时间。

当钠床进出水压差超过2公斤时，请立即停运，并对钠床进行大反洗，松动树脂层。

并进行相应的倍量再生，再生剂浓度适当加大，最好在12%-14%。

正常运行中要关注树脂运行情况和严格控制进水铁含量，定期进行钠床树脂复苏。

操作规程：1.钠床充水：①打开进水阀（XV17A）②打开排气阀（XV26A）③启动给水泵（P08A），时间大约为5min，流量为150 m3/h。

2.钠床运行：①打开产水阀（XV18A），关闭排气阀（XV26A）②启动，运行时间为900min。

3.钠床小反洗：关闭给水泵（P08A），关闭还原剂计量泵（P49A），关闭进水阀（XV17A），打开反洗排水阀（XV22A），打开反洗水总进水阀（XV28B），打开小反洗进水阀（XV21A），启动反洗水泵（P10A），运行时间为15min，流量为60 m3/h。

4.钠床排水：关闭反洗水泵（P10A），关闭反洗排水阀（XV22A），关闭小反洗进水阀（XV21A），关闭反洗水总进水阀（XV28B），打开中排排水阀（XV25A），打开排气阀（XV26A），时间大约在5~10min，运行完关闭排气阀（XV26A）5.钠床再生阶段1：打开再生液总进水阀（XV85），打开进再生液阀（XV23A），启动再生水泵（P41A），调节流量为20 m3/h，再生液为8%的NaCL溶液，运行50min。

6.钠床再生阶段2：打开中间排水阀（XV24A），关闭中间排水阀（XV25A），运行时间为30min，流量为20 m3/h。

7.回用水置换：关闭再生水泵（P41A），启动树脂再生水泵（P16A），流量为20 m3/h，运行时间大约为60min，关闭P16A，关闭所有处于打开状态的阀门。

8.钠床充水：打开进水阀（XV17A），打开排气阀（XV21A），启动给水泵（P08A），运行时间大约为5min，流量为150 m3/h。

9.钠床小正洗：打开中间排水阀（XV25A），关排气阀（XV26A），运行6min，流量为150 m3/h。

10.钠床正洗：打开正洗排水阀1（XV19A），关闭中间排水阀（XV25A），运行时间6min，流量为150 m3/h，6min之后关闭给水泵（P08A），关闭进水阀（XV17A），关闭中间排水阀（XV25A）。