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1、离子交换法及其应用,目 录,离子交换法简介 离子交换法在废水处理中的应用 离子交换技术的应用前景,1.1 离子交换法发展历程,70 年代中后期 ，“闭路循环工序化”发展,即逆流漂洗-离子交换-蒸发浓缩的组合工艺 到了20 世纪80 年代, 国内也出现了类似工艺 ，我国树脂法处理含铬废水始于20 世纪70 年代。 1974 年, 大孔苯乙烯叔胺型弱碱性阴离子交换树脂研制成功, 被当时认为是电镀含铬废水处理技术的一大突破。 工业上采用离子交换树脂处理含锌废水也比较成熟 离子交换树脂处理贵金属废水的经济效益显著，国内已有厂家成功地用“丙酮-盐酸-水”混合液进行树脂洗脱并回收金,离子交换法是利用离子交
2、换剂和溶液中的离子发生交换反应进行分离的方法,主要以离子交换树脂为载体的 。 实质：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，通常是可逆化学吸附,1.2 离子交换法原理,1.2 离子交换法原理,在平衡状态下，离子交换剂及溶液中的反应物浓度符合下列关系式：,离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：,K 值的大小能定量地反映离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。,1.2 离子交换基本理论,(1)离子交换过程 离子交换过程可以看作是固相的离子交换树脂与液相（废水）电解质之间的化学置换反应。,其中： R和 R 代表阳、阴交换树脂的本体,
3、1.3 离子交换剂,目前在水处理中广泛使用的离子交换剂是离子交换树脂，它具有交换容量高；球形颗粒，水流阻力小，交换速度快；机械强度和化学稳定性都较好. 离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，它由不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团上带有相反电荷的可交换离子三部分构成。,苯乙烯系阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 阳离子交换树脂,离子树脂三维空间立体结构,树脂的网络骨架,一部分是不溶性的树脂本体(resin matrix)。树脂本体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂的作用是使树脂本体形成立体的网状结构。 另一部分是具有活性的交换基团（也叫活性基团）。
4、交换基团(functional group)由起交换作用的离子和与树脂本体联结的离子组成。 如磺酸型阳离子交换树脂的组成为：RSO3H，其中R为树脂本体，SO3H为交换基团，H是可交换离子。,1.3 离子交换剂,如RNH2活性基团水合后形成含有可离解的OH离子： RNH2H2O RNH3OH OH 可以和其它阴离子交换,离子交换树脂,如RSO3H，酸性基团上的H可以电离，能与其他阳离子进行等当量的离子交换,阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的,阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的,1.3 离子交换剂,离子交换树脂的有效pH范围,2. 交换容量,交换能力受酸度的影响较大,1.3 离子交换剂,1.4
5、离子交换反应的过程,过程通常分为五个阶段:,（a）交换离子从溶液中扩散到树脂颗粒表面（穿过颗粒表面的液膜）； （b）交换离子在树脂颗粒内部扩散（即交联网孔中，直至达到某一活性基团位置； （c）交换离子与结合在树脂活性基团上的可交换离子发生交换反应； （d）被交换下来的离子在树脂颗粒内部扩散； （e）被交换下来的离子在溶液中扩散。 交换反应速度比扩散速度快的多，总的交换速度由扩散过程控制。,1.4 离子交换反应的过程,离子交换的总速度取决于扩散速度,1.5 离子交换树脂的再生,离子交换与再生反应是一个可逆反应，树脂再生就是使离子交换反应逆向进行，以恢复树脂的离子交换性能。 一般用适当浓度的酸或碱
6、进行洗涤可恢复到原状态而重复使用。阳离子交换树脂可用稀硫酸、稀盐酸淋洗；阴离子交换树脂可用氢氧化钠溶液处理再生。,2 离子交换树脂处理重金属废水,2 离子交换法处理重金属废水,离子交换树脂法具有交换、选择、吸附和催化等功能。近年来，使离子交换树脂在废水处理领域的应用不断扩大，越来越显示出它的优越性。 应用离子交换树脂进行工业废水处理，不仅树脂可以再生，而且操作简单、工艺条件成熟、流程短，目前在废水处理方面得到了大量应用。,离子交换方式可分为静态交换与动态交换两种。 静态交换是将废水与交换剂同置于一耐腐蚀的容器内，使它们充分接触（可进行不断搅拌）直至交换反应达到平衡状态。此法适用于平衡良好的交换
7、反应。 动态交换是指废水与树脂发生相对移动，它又有塔式(column)（柱式）与连续式之分。在离子交换系统中多采用柱式交换法。,离子交换吸附,2.1离子交换工艺过程示意图,出水中开始有B漏出，此时树脂层穿透。继续，C达C0时，全塔树脂交换饱和。,1 漂洗槽 2 漂洗水池 3 微孔滤管 4 泵 5，8 阳离子交换树脂 6 阴离子交换树脂 7 贮槽 9 蒸发器 10 电镀槽,2.1离子交换树脂回收铬酸,21,2.1离子交换树脂回收铬酸,电镀的工艺过程,废水池,过滤器 除去悬浮物,阳离子交换柱，除去Cr3+、Fe3+、Cu2+、离子，同时降低废水pH值,阴离子交换柱，除去Cr2O72-和CrO42-
8、离子,再生液，含Na2Cr2O7和Na2CrO4,阳离子交换柱，生成H2Cr2O7和H2CrO4,蒸发器，使铬酸浓缩，达到要求的浓度后回用,阳离子交换器5的作用：除去金属离子及杂质，减少对阴离子树脂的污染（重金属离子对树脂氧化分解起催化作用）；降低废水pH值，使Cr6+以Cr2O72-存在。,2.2含氰废水的处理,氰化水中多种金属氰化络合物对阴离子交换树脂有很强的亲和力 ,用 ROH 代表处理的阴离子交换树脂 交换反应过程如下： ROH + CN- RCN + OH- 2ROH + Zn(CN)42-R2Zn(CN)4 + 2OH- 2ROH + Cu(CN)32-R2Cu(CN)3 + 2O
9、H- 4ROH + Fe(CN)64-R4Fe(CN)6 + 4OH-,处理流程如下：,2.2 含氰废水的处理,2.2 含氰废水的处理,Pb(CN)42-、 Ni(CN)42-、 Au(CN)2-、 Ag(CN)2-等吸附与上述类似。 在强碱性阴离子交换树脂上,含氰废水中几种阴离子的吸附能力为：Zn(CN)42- Cu(CN)32-SCN-CN-SO42- 再选取合适的酸度和解吸剂，将其分别解吸，就可达到回收的目的，大大降低含氰废水的危害。,2.3.废水中金属的提取,应用于金属加工工业方面有3个优点， 第一，可回收金属； 第二，所用设备不大，可大大地减少废物体积； 第三，回收的水可再利用。,镀
10、铜废水,其中主要含Cu(NH3)42+络合离子，呈强碱性 ,须在酸性条件下使其转化为铜离子，才可被阳柱交换。在PH=45时，发生反应 . RCOOH + Cu2+ + NH3 + NH4OH = (RCOO)2Cu + 2H+ +NH3 +NH4OH 由于EDTA体系镀铜已成为取代剧毒的氰化镀铜及焦磷酸盐镀铜的新工艺 ,带来大量的Cu-EDTA络合废水,废水再经阴离子交换树脂，发生以下反应： 4RCl + Y4- R4Y + 4Cl- 3RCl + HY3- R3HY +3Cl- 2RCl +CuY2- R2CuY + 2Cl- 2R2CuY + Y4- R4Y + 2CuY2- 3R2CuY
11、 + 2HY3- 2R3HY + 3CuY2- 再通过10%的NaCl再生，即可实现Cu和游离EDTA的富集分离。,2.4电镀业中镀铜废水的处理,流程图 ,可如下表示:,2.4电镀业中镀铜废水的处理,2.5 汽车触媒中贵金属的处理,主要含有Pt、Pd、Rh,3 离子交换法应用前景,当前离子交换法研究的主要方向 一是合成适用于处理各种废水的树脂，以获得交换容量大、洗脱率高、洗脱峰集中、抗污染能力强的树脂； 二是是离子交换设备小型化、系列化、并向生产装置连续化、操作自动化发展，以降低投资、减少用地，简化管理。,3.1 离子交换法的优缺点,离子交换法优点: 离子的去除效率高，设备较简单，操作容易控制
12、。 目前在应用中存在的问题: 应用范围还受到离子交换剂品种、产量、成本的限制，对废水的预处理要求较高，另外，离子交换剂的再生及再生液的处理有时也是一个难以解决的问题。,目前在应用中存在的问题： 一次投资高，操作要求严 管理必须跟得上 有的还存在再生废水问题、树脂中毒和老化问题等 但是应当说，有的问题已有相应的解决办法 例如: 排水有机物和氨氮的含量,必须经过深度处理，可用活性碳吸附大部分有机物和氨氮中的大部分有机胺，再用大孔离子交换树脂吸附剩余有机物和氨氮中的剩余有机胺和无机胺是切实可行的办法,3.1离子交换法的优缺点,从目前掌握的离子交换法应用的实践以及当前技术发展考虑，离子交换树脂法处理废水的发展方向在于 : 选择并开发具有高选择性、易于解吸、耐磨率高、不易污染的新型功能树脂或复合树脂 在选择离子交换树脂时，应考虑各种树脂的优点及适用范围，必要时采用几种树脂的组合处理 开发智能化的集成设备以控制离子交换树脂法的吸附、解吸及再生过程,3.2 离子交换法的应用前景,Thank you for your attention!,
