水中离子的去除

离子交换的实质是不溶性离子化合物（离子交换剂）上的交换离子
与溶液中的其他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。 1.2.3.1 离子交换树脂 1.2.3.1.1 树脂结构
固体球形颗粒，多孔网状结构； 不溶于水；具有离子交换特性的有 机高分子聚电解质。
离子交 换树脂
母体(骨架) 活性基团
✓ 机械絮凝池：利用机械设备进行搅拌，单格接近于CSTR性反应 器，分格越多，效果越好，但分格越多，造价和维修费用越高。
✓ 其他絮凝池：包括穿孔流絮凝池，网格和栅条絮凝池等
（三）澄清设备 泥渣悬浮型
悬浮澄清池：水流自下而上，经过悬浮泥渣层， 杂质被截留，进入浓缩室外排；适用于小水量处 理。
脉冲澄清池：利用脉冲发生器使流速发生变化， 使悬浮层不断收缩和膨胀。
1.2.1.2 化学沉淀 1.2.1.2.1 去除原理及过程
化学沉淀法利用沉淀反应使水中金属离子或无机离子以沉淀物 的形式沉淀下来，已达到去除的目的。根据所用沉淀剂的不同可 分为石灰法、氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、钡盐沉淀法等。 原理：
AnBm —— nAm+ + mBn- Ksp = [Am+]n[Bn-]m 对于某一物质AnBm ，水中[Am+]n[Bn-]m的值大于该物质的Ksp时， 即会沉淀。
1.2.1.2.3
去除对象：水中重金属离子和可沉淀的无机盐离子 适用范围：适用于常量离子的去除，对于石灰法、氢氧化物法和 硫化物法，适用于金属离子浓度较高的情况。
✓石灰法：采用CaO作为沉淀剂，价格便宜，但产泥量大。 ✓氢氧化物沉淀法：成本低，对水质污染小，但沉淀效果受pH影 响较大，pH较难控制。 ✓硫化物沉淀法：去除效果相对氢氧化物较好，但处理费用高， 硫离子会改变污水水质，常需投加混凝剂以加强效果。 ✓钡盐沉淀法：该法主要用于处理含六价铬的废水，对控制要求 较高，钡离子有毒性，需要对残钡处理。
干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。
➢密度 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。（树脂分层参数）
湿视密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度。（用于计算装填量）
➢交联度：交联度为树脂交联剂质量占树脂总质量的百分比，一般为
7%~10%。 交联度越高，孔隙度越低，密度
泥渣循环型
机械搅拌澄清池：利用机械搅拌，集混合、 絮凝、分离设备于一体综合复杂体，应用最 广泛，缓冲能力强。
水力循环澄清池：利用水力循环集混合、 絮凝、分离设备于一体，缓冲能力较机械 搅拌式弱，结构简单。
（三）澄清设备
（三）澄清设备
（三）澄清设备
1.2.2 吸附法
1.2.2.1 物理吸附
水中离子与 气体的去除
小组成员： 赵娟 陈然然 吴俊康 李传扬
汇 报 人：吴俊康
主要内容
1、水中离子的去除 2、水中气体的去除
3、工程实例
1 水中离子的去除
1.1 离子的类型、性质、危害
1.1.1 离子类型
➢ 重金属：Pb、Cd、Cu、Cr、Hg、Zn、Ni等 ➢ 无机盐离子： Cl-、SO42-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-等
物理沉淀法主要通过混凝沉淀的方法，选择适当的混凝剂 与重金属离子发生电性中和、吸附架桥、网捕、卷扫等作用， 使胶体离子与水分离，加快沉降，从而实现固液分离。 ➢ 电中和作用 ➢ 吸附架桥作用 ➢ 卷捕网扫作用
➢ 压缩双电层和DLVO理论
1.2.1.1.2 去除对象及使用范围
去除对象：胶体状的重金属离子和悬浮物 适用范围：一般用于化学沉淀的后续处理，作为化学沉淀的辅助 作用，提高絮体密实性，适用于常量金属浓度的情况。
1.2.2.3 生物吸附
吸附离子的微生物主要包括真菌、藻类和细菌等。吸附 工艺具有成本低、原料丰富、吸附量大、吸附迅速、无害、 无毒、无二次污染、选择性好等优点。对于利用微生物吸附， 国内外都有很多研究，但国内大多处于实验室研究阶段。生 物吸附法稳定性较差，受环境条件影响大。
1.2.3 离子交换法（IE）
1.2.1.2.2 适用范围及各自特点
去除对象：水中重金属离子和可沉淀的无机盐离子 适用范围：适用于常量离子的去除，对于石灰法、氢氧化物法和 硫化物法，适用于金属离子浓度较高的情况。
✓石灰法：采用CaO作为沉淀剂，价格便宜，但产泥量大。 ✓氢氧化物沉淀法：成本低，对水质污染小，但沉淀效果受pH影 响较大，pH较难控制。 ✓硫化物沉淀法：去除效果相对氢氧化物较好，但处理费用高， 硫离子会改变污水水质，常需投加混凝剂以加强效果。 ✓钡盐沉淀法：该法主要用于处理含六价铬的废水，对控制要求 较高，钡离子有毒性，需要对残钡处理。
同样，这些参数需根据原水水质通过小试实验确定。
1.2.1.3 反应器 1.2.1.3.1 反应器类型
物理沉淀过程所用反应器主要包括混合设备和絮凝池。化学沉 淀过程反应器与絮凝池大体相同。同时，还有一种将絮凝和沉淀 合为一体的澄清池。 （一）混合设备 ✓水泵混合：药剂在泵取水口投加混合 ✓管式混合：药剂在水泵加压水管中投加 ✓机械混合：药剂在池内机械搅拌后投加
物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间 作用力所引起，物理吸附可以发生在任何固体表面上。被吸附 分子的热运动会产生解吸现象，因不发生化学作用，所以低温 时就能进行。
1.2.2.2 化学吸附
由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩 余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子 间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键的吸附作用。
1.2.3.2 离子交换原理及影响因素
1.2.3.2.1 交换机理
① A+自溶液中扩散到树脂表 面
② A+从树脂表面进入树脂内 部的活性中心
③ A+与RB在活性中心上发 生复分解反应
④ 解吸附离子B+自树脂内部 扩散至树脂表面
⑤ B+离子从树脂表面扩散到 溶液中
交换速度的控制步骤是扩散 速度，不同的分离体系可能 由内部扩散或外部扩散控制.
❖ 电荷数 电荷数越高，作用力越大，选择性强。
❖ 螯合树脂对离子的亲和力决定于树脂上螯合基团的性质。
➢ 选择规律
对于强酸性阳离子交换树脂，离子价数越高，与固定离子的静电引力 越大，越优先交换。当离子价态相同时．亲和力随着水合离子半径减小而 增大。
如：
Li+＜H+＜Na+＜NH4+＜K+＜Rb+＜Cs+＜Ag+＜Tl+ Mg2+＜Zn2+＜Co2+＜Cu2+＜Cd2+＜Ni2+＜Ca2+＜Sr2+＜Pb2+＜Ba2
在水中浸泡，形变小，较稳定。
1.2.3.1.2 树脂性质 ➢ 溶胀性
树脂吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：
溶胀率
V后 V前 V前
100%
影响因素：
✓ 树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。
✓ 活性基团：离解程度越大，溶胀率越大；
✓ 可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。
➢ 交换容量
按结构
离子交 换树脂
凝胶型 大孔型 等孔型
孔径5nm、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。
孔径为20—100nm，溶胀度小，交换速度高，抗污 能力强。 孔大、均匀，抗有机污染能力强。
1.2.3.1.2 树脂性质
➢粒度
有效粒径：指筛分树脂时，而90%体积的树脂颗粒保留的筛孔直径。
均一系数：能通过60%体积树脂的筛孔直径与能通过10%体积的树 脂的筛孔直径之比。均一系数越接近1，表明树脂颗粒越均匀。
同时无机盐离子的存在，可能会对废水性质产生影响， 或在废水处理过程中对工艺产生一定的影响，或导致设备 的结垢或腐蚀。同时，某些工业用水对无机盐离子的限值 要求较严，因此，需对水中无机盐进行适当处理。
1.2 水中离子的去除方法
1.2.1 沉淀法（P）
1.2.1.1 物理沉淀 1.2.1.1.1 去除原理及过程
单位体积湿树脂或单位重量干树脂可发生交换的活性基团数量。
✓ 全交换容量：单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数。
✓ 工作交换容量：在动态工作条件下，当出水水质达到交换终点时，树脂层达
的平均交换容量。
容量表示法 EV ：mmol/mL、mol/L
重量表示法 EW ：mmol/g、mol/kg
E = E ×[湿比重×(1-含水率)]
1.2.1.2.3 影响因素
pH：pH是整个化学沉淀过程中最主要的影响因素，特别是氢氧化 物法，pH会影响金属离子形态，过低，会沉淀不了离子；过高， 可能会使沉淀的离子反溶。 沉淀剂及其投加量：沉淀剂的影响，主要包括沉淀效果和对环境 的影响，沉淀效果取决于沉淀物本身的性质（Ksp）和投加量，投 加不足，会不能沉淀；投加过高，可能会导致其他化学反应，或 对环境造成影响。 其他因素：包括温度、搅拌、接触反应时间等。
固定离子 可交换离子
苯乙烯(单体) +
二乙烯苯(交联剂)
共聚
母体
功 能 H2SO4 基 反 应
R —SO3 H
母体 固定离子 可交换离子
1.2.3.1.2 树脂分类 按选择性
离子交 换树脂
阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
强酸性阳离子交换树脂 R—SO3H 弱酸性阳离子交换树脂 R—COOH 强碱性阴离子交换树脂 R NOH 弱碱性阴离子交换树脂 R—NH3OH
1.2.3.3 离子交换运行与再生
1.2.3.3.1 离子交换运行过程
1.2.3.3 离子交换运行
1.2.3.3.1 离子交换运行过程
由工作（有时叫做产水）、反洗、吸盐（再生）、慢冲洗（置 换）、快冲洗五个过程。