2014年环保工程师《基础知识》精选复习资料:离子交换的基本原理

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    离子交换的基本原理

　　水处理中主要采用离子交换树脂和磺化煤用于离子交换。其中离子交换树脂应用广泛，种类多，而磺化煤为兼有强酸型和弱酸型交换基团的阳离子交换剂。

　　离子交换树脂按结构特征，分为：凝胶型、大孔型和等孔型;

　　按树脂母体种类，分为：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

　　按其交换基团性质，分为：强酸型、弱酸型、强碱型和弱碱型。

　　⑴离子交换树脂的构造

　　是由空间网状结构骨架(即母体)与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分子化合物。活性基团遇水电离，分成两部分：固定部分，仍与骨架牢固结合，不能自由移动，构成所谓固定离子，活动部分，能在一定范围内自由移动，并与其周围溶液中的其他同性离子进行交换反应，称为可交换离子。

　　⑵基本性能

　　①外观

　　呈透明或半透明球形，颜色有乳白色、淡黄色、黄色、褐色、棕褐色等，

　　②交联度

　　指交联剂占树脂原料总重量的百分数。对树脂的许多性能例如交换容量、含水率、溶胀性、机械强度等有决定性影响，一般水处理中树脂的交联度为7%～10%.

　　③含水率

　　指每克湿树脂所含水分的百分率，一般为50%，交联度越大，孔隙越小，含水率越少。

　　④溶胀性

　　指干树脂用水浸泡而体积变大的现象。一般来说，交联度越小，活性基团越容易电离，可交换离子的水合离子半径越大，则溶胀度越大;树脂周围溶液电解质浓度越高，树脂溶胀率就越小。

　　在生产中应尽量保证离子交换器有长的工作周期，减少再生次数，以延长树脂的使用寿命。

　　⑤密度

　　分为干真密度、湿真密度和湿视密度

　　⑥交换容量

　　是树脂最重要的性能，是设计离子交换过程装置时所必须的数据，定量地表示树脂交换能力的大小。分为全交换容量和工作交换容量。

　　⑦有效ph范围

　　由于树脂的交换基团分为强酸强碱和弱酸弱碱，所以水的ph值对其电离会产生影响，影响其工作交换容量。弱碱只能在酸性溶液中以及弱酸在碱性溶液中有较高的交换能力。

　　⑧选择性

　　即离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能。除与树脂类型有关外，还与水中湿度和离子浓度有关。

　　⑨离子交换平衡

　　离子交换反应是可逆反应，服从质量作用定律和当量定律。经过一定时间，离子交换体系中固态的树脂相和溶液相之间的离子交换反应达到平衡，其平衡常数也称为离子交换选择系数。降低反应生成物的浓度有利于交换反应的进行。

　　⑩离子交换速率

　　主要受离子交换过程中离子扩散过程的影响。

　　其他性能：如溶解性、机械强度和耐冷热性等。离子交换树脂理论上不溶于水，机械强度用年损耗百分数表示，一般要求小于3%～7%/年。另外，温度对树脂机械强度和交换能力有影响。温度低则树脂的机械强度下降，阳离子比阴离子耐热性能好，盐型比酸碱型耐热好。

　　⑶树脂层离子交换过程

　　以离子交换柱中装填钠型树脂，从上而下通以含有一定浓度钙离子的硬水为例，以交换柱的深度为横坐标，以树脂的饱和度为纵坐标，可绘得某一时刻的饱和度曲线。就整个交换过程而言，树脂层的变化可分为三个阶段。

　　生物净化过程

　　生物净化是指在微生物的作用下，有机污染物逐渐分解、氧化使其含量逐渐降低的过程。进入水体的有机污染物的净化，主要有赖于生物化学过程。在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水体向净化的方向转变。造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。生物降解是指在微生物作用下，有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程。

　　生物降解分为好氧生物降解和厌氧生物降解。前者是指在溶解氧(氧分子)存在的条件下，由好氧微生物完成的生物化学反应;后者是指在氧气不足或无氧气的情况下，由厌氧微生物完成的生物化学反应。有的微生物既能在有氧条件下进行生物化学反应，也能在无氧或缺氧条件下进行生物化学反应，称为兼性微生物。

　　从反应的结果看，好氧生物降解与厌氧生物降解的区别是，前者的产物是稳定的无机物(如CO2、H2O等)，后者的产物则不完全是上述稳定的无机物，而是还包括甲烷、乙酸等有机物和NH3等氧化不彻底的无机物。

　　在未受污染的水体中，水中都有一定浓度的溶解氧。但是，当水体受到有机物的污染后，水体中的微生物就会大量繁殖起来。由于好氧微生物比厌氧微生物生长快，所以好氧微生物首先发展壮大。

　　当好氧微生物发展到一定数量，它们消耗水中溶解氧的速率有可能超过空气中的氧气向水中溶解的速率(称为复氧速率)。一旦如此，水中的溶解氧浓度就开始迅速下降，直到浓度降到接近零，使水体呈现无氧或缺氧状态。在缺氧或无氧状态下，好氧微生物的生长受到抑制，而厌氧微生物则大量繁殖起来，继承了大部分的自净工作。

　　实际上，当一个水体受到较严重的有机污染时，水中的溶解氧是随水的深度变化的，表层水体的溶解氧较高，越往深处溶解氧越低，直至厌氧状态。因此，好氧微生物集中在水体的上部，阻止了从空气中补充进来的溶解氧向下层的传递，从而维持下层水体的厌氧状态，使得厌氧微生物集中在水体的底部。