离子交换柱在废水处理中的应用

梁 博

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

离子交换是指水通过离子交换柱时，水中的阳离子和水中的阴离子与交换柱中的阳树脂的H+离子和阴树脂的OH-离子进行交换，从而达到脱盐的目的。

离子交换技术有相当长的历史，某些天然物质如泡沸石和用煤经过磺化制得的磺化煤都可用作离子交换剂。但是，随着现代有机合成工业技术的迅速发展，研究制成了许多种性能优良的离子交换树脂，并开发了多种新的应用方法，离子交换技术迅速发展，在许多行业特别是高新科技产业和科研领域中广泛应用[1]。

1 离子交换树脂

离子交换树脂是一种在交联聚合物结构中含有离子交换基团的功能高分子材料。离子交换树脂不溶于酸、碱溶液及各种有机溶剂，结构上属于既不溶解、也不熔融的多孔性固体高分子物质。

1.1 离子交换柱

离子交换柱也称混床，是针对离子交换技术所设计的设备。所谓的离子交换柱，就是把一定比例的阳、阴离子交换树脂混合装填于同一交换装置中，对流体中的离子进行交换、脱除。

1.2 阴阳床

阴阳离子交换床也就是复床，它是由阳、阴离子交换器串联使用，达到水的除盐的目的。

1.3 混合床

混床是将阴阳离子交换树脂按一定混合比例装填在同一个离子交换器内，由于混合离子交换后进入水中的H 离子与OH 离子立即生成电离度很低的水分子，可以使交换反应进行得十分彻底。混床一般设置于一级复床之后，对水质的进一步纯化处理。当水质要求不高时，也可以单独使用。

1.4 有机玻璃离子交换器

有机玻璃离子交换装置耐腐蚀、无色透明，适用于食品、医药、制糖及电子工业小规模纯水制备。碳钢衬胶离子交换装置具有制水量大、强度高、成本低等特点，适用于大型锅炉软化水及大规模纯水制备。

1.5 钠离子交换器

将含有的Ca2+、Mg2+离子的水，通过钠离子交换树脂层之后，水中Ca2+、Mg2+即与树脂中的Na+则等被排入水中，从而使硬水得到软化。

2 离子交换柱在废水处理中的应用

2.1 处理含汞废水

含汞废水是危害最大的工业废水之一,离子交换树脂法适用于处理浓度低而排放量大、含有毒金属的废水。配合硫化钠明矾化学凝聚沉淀法作为二级处理,对低浓度含汞废水可达到排放标准。浙江省洞山县铜山制药厂原先采用硫化钠明矾化学凝聚沉淀法处理红汞生产中产生的含汞废水。由于含汞废水成分复杂,存在多种形态的汞化合物(有机汞、无机汞)、金属汞以及其他有机物和离子，对酸化pH 值和硫化钠量不易控制,会使硫化汞形成整合物溶解，处理后废水中汞浓度仍达0.05mg/L～0.5mg/L，很难达到排放标准。为了探索技术上先进、经济上合理的治理途径，叶一芳[1]等通过多次实验，并选用了离子交换树脂法。经过近两年来的运行表明:

（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。

2.2 处理含铜废水

工业排放废水如有色冶炼、电镀、化工、印染等行业的废水中常含有铜。利用离子交换树脂可以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。张剑波等[2]选用多种大孔强酸型离子交换树脂用于吸附浓集含有机物废水中的铜离子。通过测定各种树脂对铜离子的去除率、不同铜离子浓度和溶液pH 值对去除率的影响，以及各树脂再生性能的比较,表明"争光"树脂、"强酸1 号"树脂与PK208 树脂有最为突出的性能，效果明显优于其它几种树脂;其离子交换性能稳定，有良好的再生性。同时,对Cu2+的吸附去除能力完全可达到要求，净化后的水中Cu2+浓度低于0.1mg/L，可用于含铜废水的净化处理。

2.3 处理含钼废水

上世纪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。尽管低价钼酸聚合物在树脂上的吸附速度较慢，但钼盐占据着树脂上的交换位置，与树脂键合得更牢固,比吸附有钼酸盐的树脂更难解吸。只有用氧化剂(如1mol/L HNO3)氧化后才能较快地解吸。由于在酸性条件下，Mo(VI)易被还原剂还原为低价钼,而低价钼酸聚合物不仅不易与树脂进行交换，而且洗脱也比较麻烦。因此，应先除去待处理的含钼废水中的还原剂，其pH 值最好调整到大于7。

赵桂荣等[3]研究了201×7 强碱阴离子交换树脂在纯钼酸溶液中吸附钼的机理。研究结果表明，201×7 强碱阴离子树脂吸附钼的过程是一个离子交换过程,吸附在树脂上的钼占有树脂的交换基团。当含钼溶液的pH>6.1 时，钼在溶液中主要以MoO4广泛存在，并与氯型树脂进行交换，当pH<3.5 时，钼主要以Mo8O26和更高聚合度的聚钼酸盐离子存在，并与树脂进行交换。即使是高价钼酸聚合物，在pH<3 的条件下，树脂吸附钼的量和速度都大大降低[2]。

2.4 其它

除上述之外，离子交换树脂还在含锌、含铀、含镉废水等含有重金属离子废水分离和提纯金属方面有着广泛的用途。刘宝敏等应用强酸性阳离子交换树脂去除焦化废水中的氨氮，系统考察了强酸性阳离子交换树脂对高浓度焦化废水中氨氮的吸附行为。实验表明,强酸性阳离子交换树脂对高浓度焦化废水中氨氮具有吸附平衡快、吸附能力强的特点;应用树脂脱除焦化废水中氨氮，废水流速在0.139mL/s～1.667mL/s 范围时，对废水中氨氮吸附量和吸附率没有明显影响。树脂失效后，经再生可反复使用。

3 离子交换柱在处理废水中存在的问题及解决方法

3.1 交换过程存在的问题

（1）过早的出现出水水质恶化

其原因：交换流速过高或过低，原水水质恶化，树脂偏斜，树脂有“中毒”的现象。

解决方法：通过流量计调整流速。

（2）再生后的设备才启用水质即恶化

原因：再生后对树脂没有清洗或清洗的不彻底，再生剂的浓度和用量严重不足，再生过程中，再生剂的分布均匀，有再生死角，设备操作。

解决方法：加强冲柱，对树脂进行彻底的清洗。

（3）树脂的流失

以滤网、滤帽的孔板为储水装置时，可能滤网、滤帽有破损的情况，或紧固虑网 的螺栓没有松动的现象。

解决方法：及时检查滤网、滤冒是否完好，如有问题及时修理。

（4）树脂床的偏斜

原因：进水装置分布不均匀，进水装置局部被堵塞，反洗不彻底，或反洗水偏斜。

（5）压表指针不稳定

原因：进水前交换器没有排气，进水管道存有空气。

解决方法：在进水前一定要进行排气。

3.2 反洗过程

（1）树脂流失

其原因：反洗强度过大、反洗空间太小。

解决方法：调整水的流速，慢慢冲洗。

（2）反洗效果不好

其原因：反洗强度不够，反洗进水偏流，有死角等。

3.3 再生过程

（1）再生剂的流量过低

其原因：再生剂泵故障，如喷射，可能是压力泵的压力不足，再生泵堵塞。

（2）再生剂偏斜

其原因：反洗不彻底，底部出水装置部分堵塞、石英级配不规则树脂层在再生过程中，顶部无水垫层。

（3）再生剂排出不畅

原因：反洗不彻底，树脂层表面堆积，泥垢过多，再生剂中泥沙过多，空气阀门没有开启。

解决方法：反洗之前应该进行反吹将树脂与泥垢分离，彻底进行清洗。

（4）树脂流失

其原因：中部排液装置被损。

3.4 树脂清洗存在的问题及现状

（1）清洗时间过长清洗质量过低

阴、阳床的树脂清洗均采用强、弱树脂共用一台清洗罐，这样就不可避免的出现强弱树脂混合的现象。造成混脂的原因是：树脂管路清洗不干净；V形花板坡度较小，部分树脂会积存在滤帽之间，难以清除。强弱树脂混合后，会造成以下不良后果：交换器出水质量下降；周期制水量减少；交换器提前失效；清洗管路时造 成大量的除盐水浪费等。因此，仅用一台清洗罐清洗两种树脂显然是不合理的。

（2）清洗效果差

其原因是底部排水装置被损，反洗强度过大，石英级配被打乱树脂的反洗托起高度不够，清洗效果很差。自用泵满出力运行90m3/h，树脂的托起高度还不能到达下窥视镜的位置，继续提高清洗水流量（最大130m3/h），也只能勉强达到下窥视的位置。由于树脂的整体托起高度距顶部滤帽还有1 米左右，这样只有极少数的破碎树脂能被清洗掉。而且清洗时间很长，一般也要4个小时以上，费时费水，效果还差[3]。

4 结论

离子交换树脂法处理废水是一种较为有效的处理方法，如一次性投资高，操作要求及管理严格，有的还存在再生问题、树脂的中毒和老化问题等。充分发挥离子交换法的回收功能，不仅能保护环境，而且在经济效益方面极有优势。因此，离子交换树脂在水处理领域具有广阔的发展空间。

[1]叶一芳. 应用离子交换树脂法处理低浓度含汞废水[J]. 环境污染与防治，1989，11(3)：34-35.

[2]张剑波，王维敬，祝乐. 离子交换树脂对有机废水中铜离子的吸附[J].水处理技术，2001，27(1)：29-32.

[3]赵桂荣，等. 季铵型树脂吸附钼机理研究[J]. 铀矿冶，1987，6(4):23.