深入解析离子交换法：原理、交换剂及分类

深入解析离子交换法：原理、交换剂及分类

1、离子交换的原理是什么？

离子交换是通过交换器本身携带的可自由移动的离子与被处理溶液中的离子之间的离子扩散来实现的。离子交换的驱动力是离子之间的浓度差和交换器上功能基团对离子的亲和力。这是离子交换的基本原理。

离子交换剂是实现交换功能的最基本物质，按其物质性质可分为无机离子交换剂和有机离子交换剂，又可分为天然离子交换剂和人工离子交换剂。天然离子交换剂有粘土、沸石、褐煤等，人工合成的天然离子交换剂有凝胶树脂、大孔树脂、吸附树脂、氧化还原树脂、螯合树脂等。按其交换容量可分为强碱性树脂、弱碱性树脂、强酸性树脂、弱酸性树脂等类型。离子交换树脂其实是一种不溶性聚合物电解质，由具有网状结构的高分子固体和附着在基质上的许多活性基团组成。

2、离子交换在废水处理中有哪些应用？

在废水处理中，离子交换可用于除去废水中的某些有害物质，回收有价值的化学品、重金属和稀有元素，或实现水资源的再利用。主要用于处理电镀废水，如镀铬废水、镀镍废水、镀镉废水、镀金废水、镀银废水、镀锌废水、镀铜废水及含氰化物废水等，回收胶片印刷废水中的银、CD-2、CD-3等贵重化学品，也可用于其它含铬废水、含镍废水、含汞废水、放射性废水的处理。

每升含铬几十至几百毫克的电镀废水，先经过滤除去悬浮物，再经阳离子交换器除去金属离子，再进入阴离子交换器除去Cr2O7-和Cr2O4-。出水六价铬含量小于0.5mg/L，也可作为清洗水循环使用。阴树脂经12%NaOH再生后，再生液含铬可达17g/L。H型阳离子交换器将再生液转化为铬酸，再经蒸发浓缩7～8次后返回电镀槽回用。

第一个阳离子交换器在处理电镀废水中有两个作用，一是除去金属离子和杂质，减少对阴树脂的污染，因为重金属能催化树脂的氧化分解；二是降低pH值，使六价离子以Cr2O7-的形式存在，因为阴树脂Cr2O7-的选择性大于Cr2O4-和其它阴离子的选择性，交换一个Cr2O7-可除去两个Cr6+，而交换一个Cr2O4-只能除去一个Cr6+。由于Cr2O7-是强氧化剂，容易对树脂造成氧化损伤，所以要选择化学稳定性好的强碱性树脂。

3、离子交换的常用设备有哪些？

一套完整的离子交换系统由预处理、离子交换、树脂再生及电控仪表等组成，其中离子交换单元是系统的核心。离子交换法常用的设备和装置实际上都是以离子交换单元的形式存在的。根据离子交换柱的结构、用途和操作方式，离子交换单元装置可分为固定床离子交换系统和连续离子交换系统两大类。

固定床离子交换系统是指树脂的交换过程和再生过程是在同一设备中、不同时刻进行的，即当树脂进行再生时，离子交换程序必须停止运行。固定床可分为：1.单床或多床型，只装填一种树脂；2.复合床型，其中装填阳树脂的离子交换柱与装填阴树脂的离子交换柱串联而成；3.浮动床型，其中树脂层借助水流的力而上浮；4.双床型，其中在逆流再生固定床内按一定比例装填强、弱树脂（密度小、粒度细的弱树脂在上层，密度大、粒度粗的弱树脂在下层）。

连续离子交换系统是指交换和再生过程在不同的设备中同时进行，即交换过程可以连续进行。连续离子交换系统可分为流化床和移动床。流化床中的树脂在设备中连续循环，失效的树脂在流动过程中经过再生和清洗后恢复其交换能力。移动床是设备中的树脂星周期性地移动，失效的树脂在移动过程中经过再生和清洗后恢复其交换能力，然后定期补充到交换塔顶部的设备。

4、离子交换法操作管理中应注意什么？

（1）悬浮物及油脂：由于废水中的SS会堵塞树脂孔道，油脂会包裹树脂颗粒，影响离子交换的正常进行，因此必须对来水进行充分的预处理，降低悬浮物及油脂含量。预处理可采用过滤、气浮、澄清等方法。

（2）有机物：有些高分子有机物与树脂活性基团的固定离子有很强的结合力，一旦结合则很难再生，从而影响树脂的再生速度和交换容量。例如当废水中含有高分子有机酸时，高分子有机酸与强碱性季铵基团的结合力很强，很难洗脱。处理含有此类物质的废水时，可以选择交联度较低的树脂，或对废水进行预处理，将水中的高分子有机物除去。

（3）高价金属离子：Fe3+、Cr3+、Al3+等高价金属离子易被树脂吸附，再生时不易洗脱，造成树脂中毒，降低树脂的交换容量。树脂高铁中毒后，颜色会变深。此时可用高浓度酸中浸泡较长时间进行再生。

（4）pH值：强酸或强碱离子交换树脂的活性基团具有较强的电离能力，交换容量与废水的pH值基本无关。但弱酸树脂和弱碱树脂则需要分别在碱性条件和酸性条件下才能发挥较大的交换容量。因此，针对不同的酸碱性废水应选用不同的交换树脂；对于所选用的交换树脂，可根据废水中离子的性质和树脂的特点来调节废水的pH值。

（5）水温：在一定范围内，提高水温可加速离子交换过程，但当水温超过树脂允许工作温度范围时，会导致树脂交换基团的分解和破坏。若要处理的废水温度过高，必须进行降温。

（6）氧化剂：CL2、O2、Cr2O7-等强氧化剂能引起树脂的氧化分解，导致活性基团的交换能力丧失和树脂固体基质变脆，影响树脂的正常使用。因此，在处理含强氧化剂的废水时，必须选用化学稳定性好、交联度高的树脂，或加入适量的还原剂来消除氧化剂的影响。

（7）电解质：电解质浓度较高时，交换树脂会因渗透压的作用而破裂。处理含盐浓度较高的废水时，应选用交联度较高的树脂。