离子交换法及其应用.ppt

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 ： HRMMRH 交换 树脂 交换 离子 饱和 树脂 K R H M R M H 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 ABBA z B z A z A z B AzBRzBzARz CCDC z D z D z C z D CzDRzDzCRz 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 ）。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 ： R SO3 H，其中 R 为 树 脂本体， SO3 H 为 交 换 基 团 ， H是可交 换 离 子。 1.3 离子交 换剂 如 R NH2活性基团水合后形成含有可离解的 OH 离子： R NH2 H2O R NH3 OH OH 可以和 其它阴离子交换 离 子 交 换 树 脂 如 R SO3H ，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 阳 离子交 换树 脂 (cation resin) 阴 离子交 换树 脂 (anion resin) 1.3 离子交 换剂 离子交换树脂的有效 pH范围 树 脂 类 型 强酸性离子交 换树 脂 弱酸性离子交 换树 脂 强 碱 性离子交 换树 脂 弱 碱 性离子交 换树 脂 有效 pH 范 围 114 514 112 07 2. 交换容量 v 淡 黄 色球 状颗 粒； v 化 学稳 定性好，耐磨性好； v 在酸性、 碱 性和中性介 质 中都 可使用； v 交 换 反 应 速度快； v 无机、有机 阴 离子均可交 换 。 交 换 能力受酸度 的影 响较 大 1.3 离子交 换剂 1.4 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 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 反洗 废 水 反洗水 反洗 树 脂 原水 出水 失效 区 交 换区 未用 区 B,C0 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-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 R OH 代表处理的阴离 子交换树脂 交换反应过程如下： R OH + CN- RCN + OH- 2R OH + Zn(CN)42- R2Zn(CN)4 + 2OH- 2R OH + Cu(CN)32- R2Cu(CN)3 + 2OH- 4R OH + 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 + 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。 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