離子交換

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借助於固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進行交換,以達到提取或去除溶液中某些離子的目的,是一種屬於傳質分離過程的單元操作。離子交換是可逆的等當量交換反應

介紹

  早在1850年就發現了土壤吸收銨鹽時的離子交換現象,但離子交換作為一種現代分離手段,是在20世紀40年代人工合成了離子交換樹脂以後的事。離子交換操作的過程和設備,與吸附基本相同,但離子交換的選擇性較高,更適用於高純度的分離和凈化。   目前,離子交換主要用於水處理(軟化和純化);溶液(如糖液)的精製脫色;從礦物浸出液中提取鈾和稀有金屬;從發酵液中提取抗生素以及從工業廢水中回收貴金屬等。[1]

平衡

  有兩種理論可用於研究交換過程的選擇性:   ① 多相化學反應理論 假定離子A1與A2之間有如下的交換反應:

離子交換

  式中Z1和Z2分別為離子A1和A2的化合價;A1和A2表示存在於溶液相中的離子;凴1和凴2表示存在於樹脂相中的離子。以離子濃度C代替活度,依據質量作用定律,可得出離子交換平衡常數為: 式中C1、C2、叿1和叿2分別為A1、A2、凴1和凴2的離子濃度。此常數又稱選擇性係數。   ②膜平衡理論 認為樹脂表面相當於半透膜, 所交換的離子能自由通過;而連接在樹脂骨架上的離子不能通過。按照F.G.唐南膜平衡原理,可得出格雷戈爾公式:

離子交換

  式中R為摩爾氣體常數;T為絕對溫度;α1、α2、ā1和ā2分別為離子A1、A2、凴1和凴2的活度;π滲透壓;堸為位於樹脂相的離子的偏摩爾體積。由上式可以看出,化合價較高、體積較小(即水化半徑較小)的離子,將優先與樹脂結合。因此,溶液中各種離子的化合價及體積相差越大,離子交換過程的選擇性越高。

動力學

  離子交換是一種液固相反應過程,必然涉及物質在液相和固相中的擴散過程。在常溫下,交換反應的速度很快,不是控制因素。如果進行交換的離子在液相中的擴散速度較慢,稱為外擴散控制,如果在固相中的擴散較慢,則稱為內擴散控制。   早期的研究系從斐克定律(見分子擴散)出發,所導出的速率方程式只適用於同位素離子的交換。實際上,離子交換過程至少有兩種離子反向擴散。如果它們的擴散速率不等,就會產生電場,此電場必對離子的擴散產生影響。考慮到此電場的影響,F.G.赫爾弗里希導出相應的速率方程為:

離子交換

  式中N為物質通量;D擴散係數F為法拉第常數;φ為電極電位。

設備

  主要類型有:①攪拌槽(見傳質設備),適用於處理粘稠液體。當單級交換達不到要求時,可用多級組成級聯。②固定床離子交換器,也稱離子交換柱,是用於離子交換的固定床傳質設備,應用最廣。③移動床離子交換器,是用於離子交換的移動床傳質設備,由於技術上的困難尚未得到工業應用。

EDI技術在水處理系統中的應用

EDI的基本工作原理

  EDI(Electro-de-ionization)是一種將離子交換技術、離子交換膜技術和離子電遷移技術(電滲析技術)相結合的純水製造技術。該技術利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析極化而脫鹽不徹底,又利用電滲析極化而發生水電離產生H和OH離子實現樹脂自再生來克服樹脂失效后通過化學藥劑再生的缺陷,是20世紀80年代以來逐漸興起的新技術。經過十幾年的發展,EDI技術已經在北美及歐洲佔據了相當部分的超純水市場。   EDI裝置包括陰/陽離子交換膜、離子交換樹脂、直流電源等設備。其中陰離子交換膜只允許陰離子透過,不允許陽離子通過,而陽離子交換膜只允許陽離子透過,不允許陰離子通過。離子交換樹脂充夾在陰陽離子交換膜之間形成單個處理單元,並構成淡水室。單元與單元之間用網狀物隔開,形成濃水室。在單元組兩端的直流電源陰陽電極形成電場。來水水流流經淡水室,水中的陰陽離子在電場作用下通過陰陽離子交換膜被清除,XX濃水室。在離子交換膜之間充填的離子交換樹脂大大地提高了離子被清除的速度。同時,水分子在電場作用下產生氫離子氫氧根離子,這些離子對離子交換樹脂進行連續再生,以使離子交換樹脂保持最佳狀態。EDI裝置將給水分成三股獨立的水流:純水、濃水、和極水。純水(90%-95%)為最終得到水,濃水(5%-10%)可以再循環處理,極水(1%)排放掉。圖2表示了EDI的凈水基本過程。   EDI裝置屬於精處理水系統,一般多與反滲透(RO)配合使用,組成預處理、反滲透、EDI裝置的超純水處理系統,取代了傳統水處理工藝的混合離子交換設備。EDI裝置進水要求為電阻率為0.025-0.5MΩ·cm,反滲透裝置完全可以滿足要求。EDI裝置可生產電阻率高達15MΩ·cm以上的超純水。

EDI裝置的特點:

  EDI裝置不需要化學再生,可連續運行,進而不需要傳統水處理工藝的混合離子交換設備再生所需的酸鹼液,以及再生所排放的廢水。其主要特點如下:   EDI的凈水基本過程   ·連續運行,產品水水質穩定   ·容易實現全自動控制   ·無須用酸鹼再生   ·不會因再生而停機   ·節省了再生用水及再生污水處理設施   ·產水率高(可達95%)   ·無須酸鹼儲備和酸鹼稀釋運送設施   ·佔地面積小   ·使用安全可靠,避免工人接觸酸鹼   ·降低運行及維護成本   ·設備單元模塊化,可靈活的組合各種流量的凈水設施   ·安裝簡單、費用低廉   ·設備初投資大

EDI裝置與混床離子交換設備比較

  EDI裝置與混床離子交換設備屬於水處理系統中的精處理設備,下面將兩種設備在產水水質、投資量及運行成本方面進行比較,來說明EDI裝置在水處理中應用的優越性。 (1)產品水水質比較   EDI裝置是一個連續凈水過程,因此其產品水水質穩定,電阻率一般為15MΩ·cm,最高可達18MΩ·cm,達到超純水的指標。混床離子交換設施的凈水過程是間斷式的,在剛剛被再生后,其產品水水質較高,而在下次再生之前,其產品水水質較差。   (2)投資量比較   與混床離子交換設施相比EDI裝置投資量要高約20%左右,但從混床需要酸鹼儲存、酸鹼添加和廢水處理設施及後期維護、樹脂更換來看,兩者費用相差在10%左右。隨著技術的提高與批量生產,EDI裝置所需的投資量會大大的降低。另外,EDI裝置設備小巧,所需廠房遠遠小於混床。   (3)運行成本比較   EDI裝置運行費用包括電耗、水耗、藥劑費及設備折舊等費用,省去了酸鹼消耗、再生用水、廢水處理和污水排放等費用。   在電耗方面,EDI裝置約0.5kWh/t水,混床工藝約0.35kWh/t水,電耗的成本在電廠來說是比較經濟的,可以用廠用電的價格核算。   在水耗方面,EDI裝置產水率高,不用再生用水,因此在此方面運行費用低於混床。   至於藥劑費和設備折舊費兩者相差不大。   總的來說,在運行費用中,EDI裝置噸水運行成本在2.4元左右,常規混床噸水運行成本在2.7元左右,高於EDI裝置。因此,EDI裝置多投資的費用在幾年內完全可以回收。

EDI技術的應用

  EDI技術在國外廣泛的應用有十幾年的時間,大多用於製藥行業、微電子行業、發電工業和實驗室。在表面清洗、表面塗裝、電解工業和化工工業的應用也日趨廣泛。在我國應用時間只有2-3年,主要用於醫藥和微電子工業的超純水的處理,而在發電行業化學水處理系統中的應用剛剛興起。

結論

  EDI裝置屬於水精處理設備, 具有連續產水、水質高、易控制、佔地少、不需酸鹼、利於環保等優點, 具有廣泛的應用前景。隨著設備改進與技術完善以及針對不同行業進行優化, 初投資費用會大大降低。可以相信在不久的將來會完全取代傳統的水處理工藝中的混合 。

離子交換反滲透


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