离子交换树脂在水处理中的应用

郭亚丽

（太原城市职业技术学院，山西 太原 030027）

离子交换树脂在水处理中的应用

郭亚丽

（太原城市职业技术学院，山西 太原 030027）

离子交换树脂的用途十分广泛，如工业领域中的分离、纯化、回收、催化，化学分析中的纯化、富集等都可用离子交换树脂。随着离子交换技术的不断发展，树脂在水处理领域的应用不断扩大，越来越显示出它的优越性，具有可深度净化、效率高及能达到综合回收等优点。

离子交换树脂；水处理；应用

水处理工艺中，离子交换树脂的用途十分广泛。在给水处理中，可用于水质软化和脱盐，制取软化水、纯水和超纯水；在废水处理中，可除去废水中的某些有害物质，回收有价值化学品、重金属和稀有元素；在化工、生物制药等方面，能有效地进行分离、浓缩、提纯等。

离子交换工艺具有可深度净化、效率高及可综合回收等优点。随着工业向高技术发展，对工业用水的水质也提出了更高纯度的要求，此外，环境废水的深度处理也变得更加必要，离子交换技术因而占有十分重要的地位。

一、原理

离子交换树脂的单元结构主要由三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基和功能基团所带的相反电荷的可交换离子。在水溶液中，连接在离子交换树脂固定不变的骨架上的功能基能离解出可交换离子，这些离子在较大范围内可以自由移动并能扩散到溶液中。同时，溶液中的同类型离子也能扩散到整个树脂多孔结构内部，这两种离子之间的浓度差推动它们互相交换，其浓度差越大，交换速度就越快；同时由于离子交换树脂上所带的一定的功能基对于各种离子的亲和力大小各不相同，所以在人为控制的条件下，功能基离解出来的可交换离子就可与溶液里的同类型离子发生交换。

阳离子交换过程可用下式表示：

阴离子交换过程可用下式表示：

式中R—树脂本体；A、C—树脂上可被交换的离子；B、D—溶液中的交换离子。

二、离子交换树脂的应用

1.盐溶液中有用元素的提取和回收

从盐类水溶液中提取有用元素，是利用离子交换树脂能从溶液中有选择性地吸附某种离子的特性。王敏用离子交换法处理铼含量为120mg/L的铜冶炼厂废液进行了试验研究，选用大孔强碱性树脂D296进行交换，研究发现，D296对铼有较好的吸附作用，经洗涤蒸馏后，可析出铼酸铵晶体产品。

金、铂和银都是价值极高和有重要用途的贵金属，用离子交换树脂从废液中回收这些贵重金属是很有价值的。这些金属在废液中总是以具有极高选择性效应的阴离子络合物存在如等，因此即使在含有痕量贵金属和高浓度盐类的废液中，也能用离子交换树脂将其回收。

2.水的软化

水中的Ca2+、Ma2+含量在0.4mmol/L以上时称为硬水。如果硬水中含有HCO3-时，则加热时会产生CaCO3和MgCO3沉淀，锅炉在使用这种水时在运行中会有结垢，造成危害。离子交换法软化水，是将水中的Ca2+、Mg2+除去，使水软化，因此实质是一种化学脱盐法。软化水系统一般以减少水中的钙镁离子的含量为主，有些软化系统中还可以去掉水中的碳酸盐，甚至还可以降低水中的阴阳离子的含量(即降低水中的含盐量)。

3.除盐水、纯水、高纯水的制备

纯水是随着工业对水质要求的日益严格而不断发展起来的。如半导体、集成电路的日趋微型化，工艺用水的纯度要求越来越高，目前纯水已经成为集成电路的基础材料之一。超纯水制备中离子交换树脂是最主要的纯化手段，是脱盐的关键。通过离子交换反应将原水中的所有的溶解性的盐类以及游离态的酸碱离子除去，可制取除盐水。

（1）离子交换除盐工艺

用离子交换树脂制取去离子水的工艺过程是使原水先通过强酸性阳离子交换树脂除去阳离子，再通过强碱性阴离子交换树脂去掉阴离子。选用何种除盐水系统和设备主要依据出水质量、系统产水量及进水水质情况。

（2）纯水、高纯水的制备

纯水或高纯水在工业部门、科研机构、尖端技术领域中有广泛的应用。高纯水除对水中残余无机盐的含量要求极严格以外，对水中的各种金属离子的含量、有机物的含量、微粒粒径、微生物的数量均有严格的指标；纯水系统的对象与高纯水的相同，超纯水系水质接近于理论值的纯水。

4.工业废水的处理

近年来，随着离子交换技术的不断发展，树脂在废水处理领域的应用不断扩大，越来越显示出它的优越性。由于废水排放标准日益严格，废水处理正向着离子交换方向发展。应用离子交换树脂进行工业废水处理，不仅树脂可以再生，而且操作简单、工艺条件成熟、流程短，目前在废水处理方面得到了大量应用。

（1）处理含汞废水

阳离子交换树脂，如001×7、SG-1等可用于处理以Hg2+形式存在的酸性废水，而对于碱性废水，可用弱酸树脂处理，如KB-4P-2对汞的交换容量最高达9mmol/g。强碱性阴离子交换树脂，如Amberlite、IRA400、Vionite、AT21、Dowel等对[HgCl4]2-的亲和力很强，被普遍应用于处理氯碱厂的含汞废水。

叶一芳等通过多次试验，选用了离子交换树脂法。经过近两年的运行表明：（1）用树脂交换法除汞作为化学法的二级处理系统，能保证达到排放标准，且能实现封闭循环、连续稳定的运行，排放的废水可作为冷却水加以回用；（2）提高了生产能力，单位产品的成本降低，节约了治理费用；（3）应用树脂交换法还能对废水起到脱色作用，处理的水清晰透明。失效后的树脂不再回收，作为汞废渣回收汞，防止了二次污染。因此，应用离子交换法处理低浓度含汞废水，有明显的社会效益和经济效益。

（2）处理含铜废水

较高浓度的铜对生物体有毒性，且排入水体的铜可通过食物链被生物大量富集，人体摄入过量铜会导致腹痛、呕吐、肝硬化等。离子交换树脂可有效地除去废水中的Cu2+，以达到高度净化，并有利于资源的再生。

阳离子交换树脂001×7处理以Cu2+形式存在的含铜废水，铜回收率达99%。对含Cu2+295mg/L，Zn2+3900mg/L，Fe3+3140mg/L,调节 pH 值后，用 Dualite A-30多胺环氧类弱酸树脂处理，净化效果良好。阴离子交换树脂，如 201×7、Amberlite IRA68、IRA-93 等已成为处理冶金、电镀等工业部门排出的铜络离子废水的主要材料。螯合树脂对Cu2+具有很强的螯合能力，因此，螯合树脂最适合于处理体系比较复杂、含铜量较低的含铜废水。

（3）处理含酚废水

酚是一种酸性物质，因此可用强碱性阴树脂处理含酚废水。树脂对酚吸附的好坏与酚液的浓度、pH值及所含杂质有关，酚浓度越大，树脂的吸附量越高；pH值以接近中性较好；酚液所含杂质不同吸附情况也不相同，中性盐的存在对吸附影响不大；此外，温度越高，树脂对酚的吸附量越低。用弱碱离子交换树脂处理含酚废水，设备简单，操作方便，树脂再生后可反复使用，成本低，处理效果好，是一种比较理想的处理方法。

张丽珍等通过试验考察了四种树脂处理含酚废水的性能，结果表明：溶液的pH值和浓度是影响树脂吸附酚的重要因素。溶液含酚浓度高，吸附好。吸附较佳的树脂pH值各不相同，在试验的四种离子交换树脂中，大孔树脂对酚的吸附量最高，解吸也最彻底，并且集中。主要因为大孔树脂本身是苯乙烯骨架，与苯酚的结构相似，具有较好的亲和能力，对酚的吸附最好，四种树脂中，大孔树脂最适合用于含酚废水的处理。

（4）处理含铬废水

铬在水中主要以三价和六价形式存在，其中Cr6+毒性很大，大约是Cr3+的100倍，若水中Cr6+含量大于0.1mg/L，就会对人体产生毒害作用。含量超标的含铬废水混入农业灌溉或水体养殖中，经食物摄入人体，将会引起癌症，而且对人体皮肤、黏膜有刺激性，严重威胁人类的健康。

吴克明等选用D370弱碱性阴离子交换树脂处理钢铁钝化含铬废水，通过静态试验考查了pH、振荡时间和离子交换树脂用量对吸附效果的影响，使用反应柱动态试验法研究了树脂的再生，得到了令人满意的结果。阴离子交换树脂处理钢铁钝化含铬废水时对Cr6+有很好的去除效果，在Cr6+为116mg/L，pH为3左右时，动态试验表明可实现Cr6+残余浓度符合国家标准。

（5）处理含钼废水

自20世纪60年代末期就有关于采用离子交换法从工业废水中回收钼的报导。迄今为止，离子交换法仍然是治理含钼废水的最主要方法。

张建国在研究低价钼酸聚合物的201×7强碱性阴离子交换树脂上的吸附机理后指出：低价钼酸聚合物与树脂的交换速度较钼酸盐慢得多。究其原因，认为低价钼酸聚合物主要以六聚合物与树脂交换，而钼酸盐以四聚合物被吸附。且凝胶型树脂的孔径很小，故低价钼酸聚合物在树脂中的扩散阻力较大，导致交换速度较低。

随着各种新型树脂的研制成功，离子交换技术在重金属工业废水处理方面有较好的应用前景。离子交换技术在治理重金属工业废水的同时，可实现金属的回收利用，具有较高的经济合理性，对增加可利用资源和改善环境质量具有十分重要的意义。但要扩大该技术在废水处理方面的应用领域，应提高树脂的强度和耐用性，使之连续使用较长时间。加强交换设备和树脂的规范化工作，为该技术的普及应用创造条件。

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