離子交換柱在廢水處理中的應(yīng)用

梁 博

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

離子交換是指水通過離子交換柱時，水中的陽離子和水中的陰離子與交換柱中的陽樹脂的H+離子和陰樹脂的OH-離子進(jìn)行交換，從而達(dá)到脫鹽的目的。

離子交換技術(shù)有相當(dāng)長的歷史，某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現(xiàn)代有機(jī)合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究制成了許多種性能優(yōu)良的離子交換樹脂，并開發(fā)了多種新的應(yīng)用方法，離子交換技術(shù)迅速發(fā)展，在許多行業(yè)特別是高新科技產(chǎn)業(yè)和科研領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1]。

1 離子交換樹脂

離子交換樹脂是一種在交聯(lián)聚合物結(jié)構(gòu)中含有離子交換基團(tuán)的功能高分子材料。離子交換樹脂不溶于酸、堿溶液及各種有機(jī)溶劑，結(jié)構(gòu)上屬于既不溶解、也不熔融的多孔性固體高分子物質(zhì)。

1.1 離子交換柱

離子交換柱也稱混床，是針對離子交換技術(shù)所設(shè)計的設(shè)備。所謂的離子交換柱，就是把一定比例的陽、陰離子交換樹脂混合裝填于同一交換裝置中，對流體中的離子進(jìn)行交換、脫除。

1.2 陰陽床

陰陽離子交換床也就是復(fù)床，它是由陽、陰離子交換器串聯(lián)使用，達(dá)到水的除鹽的目的。

1.3 混合床

混床是將陰陽離子交換樹脂按一定混合比例裝填在同一個離子交換器內(nèi)，由于混合離子交換后進(jìn)入水中的H 離子與OH 離子立即生成電離度很低的水分子，可以使交換反應(yīng)進(jìn)行得十分徹底?；齑惨话阍O(shè)置于一級復(fù)床之后，對水質(zhì)的進(jìn)一步純化處理。當(dāng)水質(zhì)要求不高時，也可以單獨使用。

1.4 有機(jī)玻璃離子交換器

有機(jī)玻璃離子交換裝置耐腐蝕、無色透明，適用于食品、醫(yī)藥、制糖及電子工業(yè)小規(guī)模純水制備。碳鋼襯膠離子交換裝置具有制水量大、強(qiáng)度高、成本低等特點，適用于大型鍋爐軟化水及大規(guī)模純水制備。

1.5 鈉離子交換器

將含有的Ca2+、Mg2+離子的水，通過鈉離子交換樹脂層之后，水中Ca2+、Mg2+即與樹脂中的Na+則等被排入水中，從而使硬水得到軟化。

2 離子交換柱在廢水處理中的應(yīng)用

2.1 處理含汞廢水

含汞廢水是危害最大的工業(yè)廢水之一,離子交換樹脂法適用于處理濃度低而排放量大、含有毒金屬的廢水。配合硫化鈉明礬化學(xué)凝聚沉淀法作為二級處理,對低濃度含汞廢水可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。浙江省洞山縣銅山制藥廠原先采用硫化鈉明礬化學(xué)凝聚沉淀法處理紅汞生產(chǎn)中產(chǎn)生的含汞廢水。由于含汞廢水成分復(fù)雜,存在多種形態(tài)的汞化合物(有機(jī)汞、無機(jī)汞)、金屬汞以及其他有機(jī)物和離子，對酸化pH 值和硫化鈉量不易控制,會使硫化汞形成整合物溶解，處理后廢水中汞濃度仍達(dá)0.05mg/L～0.5mg/L，很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。為了探索技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的治理途徑，葉一芳[1]等通過多次實驗，并選用了離子交換樹脂法。經(jīng)過近兩年來的運行表明:

（1）用樹脂交換法除汞作為化學(xué)法的二級處理系統(tǒng),能保證達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，且能實現(xiàn)封閉循環(huán)、連續(xù)穩(wěn)定的運行，排放的廢水可作為冷卻水加以回用。

（2）提高了生產(chǎn)能力，單位產(chǎn)品的成本降低，節(jié)約了治理費用。

（3）應(yīng)用樹脂交換法還能對廢水起到脫色作用，處理的水清晰透明。失效后的樹脂不再回收，作為汞廢渣回收汞，防止了二次污染。因此，應(yīng)用離子交換法處理低濃度含汞廢水，有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 處理含銅廢水

工業(yè)排放廢水如有色冶煉、電鍍、化工、印染等行業(yè)的廢水中常含有銅。利用離子交換樹脂可以有效地除去廢水中的Cu2+，以達(dá)到高度凈化,并有利于資源的再生。張劍波等[2]選用多種大孔強(qiáng)酸型離子交換樹脂用于吸附濃集含有機(jī)物廢水中的銅離子。通過測定各種樹脂對銅離子的去除率、不同銅離子濃度和溶液pH 值對去除率的影響，以及各樹脂再生性能的比較,表明"爭光"樹脂、"強(qiáng)酸1 號"樹脂與PK208 樹脂有最為突出的性能，效果明顯優(yōu)于其它幾種樹脂;其離子交換性能穩(wěn)定，有良好的再生性。同時,對Cu2+的吸附去除能力完全可達(dá)到要求，凈化后的水中Cu2+濃度低于0.1mg/L，可用于含銅廢水的凈化處理。

2.3 處理含鉬廢水

上世紀(jì)60年代末期就有關(guān)于采用離子交換法從工業(yè)廢水中回收鉬的報導(dǎo)。迄今為止，離子交換法仍然是治理含鉬廢水的最主要方法。張建國在研究低價鉬酸聚合物的201×7 強(qiáng)堿陰離子交換樹脂上的吸附機(jī)理后指出：低價鉬酸聚合物與樹脂的交換速度較鉬酸鹽慢得多。究其原因，認(rèn)為低價鉬酸聚合物主要以六聚合物與樹脂交換,而鉬酸鹽以四聚合物被吸附。且凝膠型樹脂的孔徑很小，故低價鉬酸聚合物在樹脂中的擴(kuò)散阻力較大，導(dǎo)致交換速度較低。盡管低價鉬酸聚合物在樹脂上的吸附速度較慢，但鉬鹽占據(jù)著樹脂上的交換位置，與樹脂鍵合得更牢固,比吸附有鉬酸鹽的樹脂更難解吸。只有用氧化劑(如1mol/L HNO3)氧化后才能較快地解吸。由于在酸性條件下，Mo(VI)易被還原劑還原為低價鉬,而低價鉬酸聚合物不僅不易與樹脂進(jìn)行交換，而且洗脫也比較麻煩。因此，應(yīng)先除去待處理的含鉬廢水中的還原劑，其pH 值最好調(diào)整到大于7。

趙桂榮等[3]研究了201×7 強(qiáng)堿陰離子交換樹脂在純鉬酸溶液中吸附鉬的機(jī)理。研究結(jié)果表明，201×7 強(qiáng)堿陰離子樹脂吸附鉬的過程是一個離子交換過程,吸附在樹脂上的鉬占有樹脂的交換基團(tuán)。當(dāng)含鉬溶液的pH>6.1 時，鉬在溶液中主要以MoO4廣泛存在，并與氯型樹脂進(jìn)行交換，當(dāng)pH<3.5 時，鉬主要以Mo8O26和更高聚合度的聚鉬酸鹽離子存在，并與樹脂進(jìn)行交換。即使是高價鉬酸聚合物，在pH<3 的條件下，樹脂吸附鉬的量和速度都大大降低[2]。

2.4 其它

除上述之外，離子交換樹脂還在含鋅、含鈾、含鎘廢水等含有重金屬離子廢水分離和提純金屬方面有著廣泛的用途。劉寶敏等應(yīng)用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂去除焦化廢水中的氨氮，系統(tǒng)考察了強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂對高濃度焦化廢水中氨氮的吸附行為。實驗表明,強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂對高濃度焦化廢水中氨氮具有吸附平衡快、吸附能力強(qiáng)的特點;應(yīng)用樹脂脫除焦化廢水中氨氮，廢水流速在0.139mL/s～1.667mL/s 范圍時，對廢水中氨氮吸附量和吸附率沒有明顯影響。樹脂失效后，經(jīng)再生可反復(fù)使用。

3 離子交換柱在處理廢水中存在的問題及解決方法

3.1 交換過程存在的問題

（1）過早的出現(xiàn)出水水質(zhì)惡化

其原因：交換流速過高或過低，原水水質(zhì)惡化，樹脂偏斜，樹脂有“中毒”的現(xiàn)象。

解決方法：通過流量計調(diào)整流速。

（2）再生后的設(shè)備才啟用水質(zhì)即惡化

原因：再生后對樹脂沒有清洗或清洗的不徹底，再生劑的濃度和用量嚴(yán)重不足，再生過程中，再生劑的分布均勻，有再生死角，設(shè)備操作。

解決方法：加強(qiáng)沖柱，對樹脂進(jìn)行徹底的清洗。

（3）樹脂的流失

以濾網(wǎng)、濾帽的孔板為儲水裝置時，可能濾網(wǎng)、濾帽有破損的情況，或緊固慮網(wǎng) 的螺栓沒有松動的現(xiàn)象。

解決方法：及時檢查濾網(wǎng)、濾冒是否完好，如有問題及時修理。

（4）樹脂床的偏斜

原因：進(jìn)水裝置分布不均勻，進(jìn)水裝置局部被堵塞，反洗不徹底，或反洗水偏斜。

（5）壓表指針不穩(wěn)定

原因：進(jìn)水前交換器沒有排氣，進(jìn)水管道存有空氣。

解決方法：在進(jìn)水前一定要進(jìn)行排氣。

3.2 反洗過程

（1）樹脂流失

其原因：反洗強(qiáng)度過大、反洗空間太小。

解決方法：調(diào)整水的流速，慢慢沖洗。

（2）反洗效果不好

其原因：反洗強(qiáng)度不夠，反洗進(jìn)水偏流，有死角等。

3.3 再生過程

（1）再生劑的流量過低

其原因：再生劑泵故障，如噴射，可能是壓力泵的壓力不足，再生泵堵塞。

（2）再生劑偏斜

其原因：反洗不徹底，底部出水裝置部分堵塞、石英級配不規(guī)則樹脂層在再生過程中，頂部無水墊層。

（3）再生劑排出不暢

原因：反洗不徹底，樹脂層表面堆積，泥垢過多，再生劑中泥沙過多，空氣閥門沒有開啟。

解決方法：反洗之前應(yīng)該進(jìn)行反吹將樹脂與泥垢分離，徹底進(jìn)行清洗。

（4）樹脂流失

其原因：中部排液裝置被損。

3.4 樹脂清洗存在的問題及現(xiàn)狀

（1）清洗時間過長清洗質(zhì)量過低

陰、陽床的樹脂清洗均采用強(qiáng)、弱樹脂共用一臺清洗罐，這樣就不可避免的出現(xiàn)強(qiáng)弱樹脂混合的現(xiàn)象。造成混脂的原因是：樹脂管路清洗不干凈；V形花板坡度較小，部分樹脂會積存在濾帽之間，難以清除。強(qiáng)弱樹脂混合后，會造成以下不良后果：交換器出水質(zhì)量下降；周期制水量減少；交換器提前失效；清洗管路時造 成大量的除鹽水浪費等。因此，僅用一臺清洗罐清洗兩種樹脂顯然是不合理的。

（2）清洗效果差

其原因是底部排水裝置被損，反洗強(qiáng)度過大，石英級配被打亂樹脂的反洗托起高度不夠，清洗效果很差。自用泵滿出力運行90m3/h，樹脂的托起高度還不能到達(dá)下窺視鏡的位置，繼續(xù)提高清洗水流量（最大130m3/h），也只能勉強(qiáng)達(dá)到下窺視的位置。由于樹脂的整體托起高度距頂部濾帽還有1 米左右，這樣只有極少數(shù)的破碎樹脂能被清洗掉。而且清洗時間很長，一般也要4個小時以上，費時費水，效果還差[3]。

4 結(jié)論

離子交換樹脂法處理廢水是一種較為有效的處理方法，如一次性投資高，操作要求及管理嚴(yán)格，有的還存在再生問題、樹脂的中毒和老化問題等。充分發(fā)揮離子交換法的回收功能，不僅能保護(hù)環(huán)境，而且在經(jīng)濟(jì)效益方面極有優(yōu)勢。因此，離子交換樹脂在水處理領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。

[1]葉一芳. 應(yīng)用離子交換樹脂法處理低濃度含汞廢水[J]. 環(huán)境污染與防治，1989，11(3)：34-35.

[2]張劍波，王維敬，祝樂. 離子交換樹脂對有機(jī)廢水中銅離子的吸附[J].水處理技術(shù)，2001，27(1)：29-32.

[3]趙桂榮，等. 季銨型樹脂吸附鉬機(jī)理研究[J]. 鈾礦冶，1987，6(4):23.