[拼音]：feishui lizi jiaohuan chulifa

[外文]：ion-exchange treatment of wastewater

借助于离子交换剂中的交换离子同废水中的离子进行交换而除去废水中有害离子的方法。

人类对自然界中的某些离子交换现象早已有所认识。古希腊著作中已有关于使用粘土脱去水中矿物质的叙述。1850年有人发现了土壤中离子交换的现象，以后又有人发现泥土吸附地下水中的离子是可逆反应。

离子交换剂在工业上的应用，起初是用天然沸石制取软水，后来发展到制备合成沸石和磺化煤。在离子交换技术中最重要的进展，是1935年英国人B.A.亚当斯和E.L.霍姆斯发表了关于用苯酚和甲醛合成有机离子交换树脂的报告。1939年德国化学公司初次介绍了工业制造的离子交换树脂，其牌号是wofatit。1945年后，苯乙烯磺酸型强酸阳树脂以及强碱性和弱碱性阴树脂先后研究成功，这些都是凝胶型树脂。1962年性能更好的MR型大孔树脂问世。70年代发明了热再生树脂。离子交换技术在工业、农业、医药以及科学研究上的应用日益广泛。

离子交换技术在废水处理中的应用

第二次世界大战期间有人开始利用离子交换技术从摄影洗印废液中分离银。50年代又有人研究用离子交换法处理电镀废水。60年代出现的大孔树脂在交换容量、洗脱效率、耐污染性能、抗氧化能力以及机械强度等方面都优于凝胶型树脂。这种交换剂的制成促进了离子交换技术在废水处理中的发展，成为回收电镀废水中的贵金属离子的有效手段之一。

离子交换反应

任何离子交换反应都有三个特征：

（1）和其他化学反应一样服从当量定律，即以等当量进行交换；

（2）是一种可逆反应，遵循质量作用定律；

（3）交换剂具有选择性。交换剂上的交换离子先和交换势大的离子交换。在常温和低浓度时，阳离子价数愈高，交换势就愈大；同价离子则原子序数愈大，交换势愈大。强酸阳树脂的选择性顺序为：

Fe³⁺＞Al³⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞K⁺＞H⁺强碱阴树脂的选择性顺序为：

Cr₂O崼＞SO厈＞NO婣＞CrO厈＞Cl^-＞OH^-

当高浓度时，上述前后顺序退居次要地位，主要依浓度的大小排列顺序。

离子交换的选择性可由描述平衡状态的一种数值，即所谓选择系数K屧来表达。对于阳离子交换则为：

式中[R_nA]、[RB]分别为反应平衡时树脂中Aⁿ⁺和B⁺的克离子浓度;[Aⁿ⁺]、[B⁺]分别为反应平衡时溶液中Aⁿ⁺和B⁺的克离子浓度。选择系数K屧表示树脂中Aⁿ⁺和B⁺的比值同溶液中Aⁿ⁺和B⁺的比值相除的商数。它是一个无量纲数，其值决定于溶液的总浓度、离子组成和温度，同所选择的浓度单位无关。K屧大于1表示树脂优先选择Aⁿ⁺;K屧等于1表示树脂对Aⁿ⁺和B⁺的选择性是一样的；K屧=0，说明Aⁿ⁺根本不被树脂吸附。如对阳离子交换树脂而言，阴离子的选择系数等于0;反之，对阴离子交换树脂，阳离子的选择系数等于0。K屧小于1则表示树脂优先选择B⁺;K屧>>1或K屧<<1，Aⁿ⁺、B⁺两者最易分离;当K屧>>1，则交换达到平衡时树脂基本为[R_nA]。再生时欲使树脂基本恢复为[R·B]，唯一的办法是加大溶液中B⁺离子的浓度。离子交换平衡现象的热力学解释，可按唐南膜平衡模型来描述，这比用简单的质量作用定律来叙述更为完善。离子交换技术，就是利用离子交换的选择性、等当量交换和可逆反应来进行交换和再生的。

离子交换的过程：

（1）被处理水溶液中的离子迁移到附着在离子交换剂颗粒表面的液膜中；

（2）被处理水溶液中的离子通过液膜扩散（简称膜扩散）进入颗粒中；并在颗粒的孔道中扩散而到达离子交换剂的交换基团的部位上（简称颗粒内扩散）；

（3）被处理水溶液中的离子同离子交换剂的离子进行交换；

（4）离子交换剂中被交换下来的离子沿相反途径转移到被处理的水溶液中。其中离子交换反应一般认为是瞬间完成的，而离子交换过程的速度主要是由历时最长的膜扩散或颗粒内扩散所决定的。

离子交换剂

有无机和有机质两类。前者如天然物质海绿砂或合成沸石；后者如磺化煤和树脂。

交换剂由两部分组成，一是不参加交换过程的惰性物母体，如树脂的母体是由高分子物质交联而成的三维空间网络骨架；一是联结在骨架上的活性基团（带电官能团）。母体本身是电中性的。活性基团包括可离解为同母体紧密结合的惰性离子和带异号电荷的可交换离子。可交换离子为阳离子(活性基团为酸性基)时，称阳离子交换树脂；可交换离子为阴离子(活性基团为碱性基)时，称阴离子交换树脂。阳、阴离子交换树脂又可根据它们的酸碱性反应基的强度分为强酸性和弱酸性，强碱性和弱碱性等。强酸性阳离子交换树脂可用 R—SO₃H表示，R为母体，—SO₃H为活性基团。后者在溶液中可离解为惰性离子R—SO婣和可交换离子H⁺。弱碱性阳树脂可用R—COOH表示。强碱性季胺型阴树脂可用R匵NOH表示，弱碱性叔胺、 仲胺、 伯胺型阴树脂分别用R呏NHOH、R=NH₂OH、R—NH₃OH表示，R代表母体，其他部分代表活性基团。

离子交换的运行方式

有静态运行和动态运行两种。静态运行是在处理水中加入适量的树脂进行混合，直至交换反应达到平衡状态。这种运行除非树脂对所需去除的同性离子有很高的选择性，否则由于反应的可逆性只能利用树脂交换容量的一部分。为了减弱交换时的逆反应，离子交换操作大都以动态运行，即置交换剂于圆柱形床中，废水连续通过床内交换。离子交换设备有固定床、移动床、流动床等型式。固定床是在离子交换一周期的四个过程（交换、反洗、再生、淋洗）中，树脂均固定在床内。移动床则是在交换过程中将部分饱和树脂移出床外再生，同时将再生的树脂送回床内使用。流动床则是树脂处于流动状态下完成上述四个过程。移动床称半连续装置，流动床则称全连续装置。

床内只有一种阳树脂（或阴树脂）的称为阳床（或阴床），床内装有阳、阴两种树脂的称为混合床。如床内装有一种强型和一种弱型阳树脂或阴树脂的则称为双层床。混合床可同时去除废水中的阳、阴离子，相当于无数个阳床、阴床串联，因而可制取高纯水。采用双层床进行离子交换时废水先通过弱型树脂，后通过强型树脂，再生时则相反。

离子交换的再生方式主要有顺流再生和逆流再生。前者，再生和交换过程中的流向相同；后者，再生和交换过程中的流向相反。逆流再生由于再生时新鲜度高的再生剂首先同饱和度小的树脂接触，新鲜度低的再生剂同饱和度大的树脂接触，这样可充分利用再生剂，再生效果较好。

近年还出现了电再生和热再生工艺。电再生是在电渗析器淡水隔室内填充阳、阴树脂，利用极化产生的H⁺及OH^-，使阳、阴树脂同时得到再生的一种技术。热再生是以极易再生的弱酸或弱碱树脂对温度作用的敏感性为依据：温度低(25℃)时有利于交换，温度高时(85℃)由于水中[H⁺]、[OH^-]离子浓度增高而有利再生，因此，可以只调整水温而不用再生剂。

在废水处理中应用离子交换，可以回收有用物质，如以含铬废水为例。含铬废水首先经过H型阳树脂交换，去掉废水中的阳离子Cr³⁺、Fe³⁺等：

水中Cr⁶⁺在酸性条件下主要以H₂Cr₂O₇形式存在，通过OH型阴树脂交换：

废水经阳、阴树脂交换后，铬被吸附在树脂上，废水得到净化。当阳树脂失效后可用酸再生，使树脂恢复原型：

同样，阴树脂失效后可用碱再生：

(R呏NH)₂Cr₂O₇+4NaOH匑

2R呏NHOH+2Na₂CrO₄+H₂O得到的Na₂CrO₄可再通过H型阳床交换脱钠：

4R—SO₃H+2Na₂CrO₄匑

4R—SO₃Na+H₂Cr₂O₇+H₂O

因阴树脂对Cr₂O崼的选择性最大，这样在阴床交换达到平衡时，树脂基本为(R匵N)₂Cr₂O₇型，故所得铬酸浓度和纯度很高，可回用于生产。树脂在脱钠后变为Na型，可用酸再生转型：

R—SO₃Na+HCl匑R—SO₃H+NaCl

应用上述原理可处理其他各种金属表面加工产生的废水，如含金、镍、镉、铜的废水等。此外，从原子核反应器、医院和实验室废水中回收和去除放射性物质，也可应用离子交换法。

离子交换法处理废水具有广阔的前景，近年来进展很快。当前研究的主要方向，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；二是使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。