离子交换

借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换，以达到提取或去除溶液中某些离子的目的，是一种属于传质分离过程的单元操作。离子交换是可逆的等当量交换反应。

离子交换树脂充夹在阴阳离子交换膜之间形成单个处理单元,并构成淡水室。离子交换速度随树脂交联度的增大而降低，随颗粒的减小而增大。离子交换是一种液固相反应过程，必然涉及物质在液相和固相中的扩散过程。EDI装置与混床离子交换设备属于水处理系统中的精处理设备,下面将两种设备在产水水质、投资量及运行成本方面进行比较,来说明EDI装置在水处理中应用的优越性。

介绍

早在1850年就发现了土壤吸收铵盐时的离子交换现象,但离子交换作为一种现代分离手段,是在20世纪40年代人工合成了离子交换树脂以后的事。离子交换操作的过程和设备，与吸附基本相同，但离子交换的选择性较高，更适用于高纯度的分离和净化。

目前离子交换主要用于水处理(软化和纯化)；溶液（如糖液）的精制和脱色；从矿物浸出液中提取铀和稀有金属；从发酵液中提取抗生素以及从工业废水中回收贵金属等。

原理

平衡

有两种理论可用于研究交换过程的选择性：

① 多相化学反应理论假定离子A1与A2之间有如下的交换反应：

式中Z1和Z2分别为离子A1和A2的化合价;A1和A2表示存在于溶液相中的离子；凴1和凴2表示存在于树脂相中的离子。以离子浓度C代替活度，依据质量作用定律,可得出离子交换平衡常数为： 式中C1、C2、叿1和叿2分别为A1、A2、凴1和凴2的离子浓度。此常数又称选择性系数。

②膜平衡理论　认为树脂表面相当于半透膜, 所交换的离子能自由通过；而连接在树脂骨架上的离子不能通过。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈尔公式：

式中R为摩尔气体常数;T为绝对温度；α1、α2、ā1和ā2分别为离子A1、A2、凴1和凴2的活度；π为渗透压;堸为位于树脂相的离子的偏摩尔体积。由上式可以看出，化合价较高、体积较小（即水化半径较小）的离子，将优先与树脂结合。因此，溶液中各种离子的化合价及体积相差越大，离子交换过程的选择性越高。

动力学

离子交换是一种液固相反应过程，必然涉及物质在液相和固相中的扩散过程。在常温下，交换反应的速度很快，不是控制因素。如果进行交换的离子在液相中的扩散速度较慢，称为外扩散控制，如果在固相中的扩散较慢，则称为内扩散控制。

早期的研究系从斐克定律（见分子扩散）出发，所导出的速率方程式只适用于同位素离子的交换。实际上，离子交换过程至少有两种离子反向扩散。如果它们的扩散速率不等，就会产生电场，此电场必对离子的扩散产生影响。考虑到此电场的影响，F.G.赫尔弗里希导出相应的速率方程为：

式中N为物质通量；D为扩散系数；F为法拉第常数；φ为电极电位。

设备

主要类型有：①搅拌槽（见传质设备），适用于处理粘稠液体。当单级交换达不到要求时，可用多级组成级联。②固定床离子交换器,也称离子交换柱,是用于离子交换的固定床传质设备，应用最广。③移动床离子交换器，是用于离子交换的移动床传质设备，由于技术上的困难尚未得到工业应用。

水处理中的应用

EDI的工作原理

EDI(Electro-de-ionization)是一种将离子交换技术、离子交换膜技术和离子电迁移技术(电渗析技术)相结合的纯水制造技术。该技术利用离子交换能深度脱盐来克服电渗析极化而脱盐不彻底,又利用电渗析极化而发生水电离产生H和OH离子实现树脂自再生来克服树脂失效后通过化学药剂再生的缺陷,是20世纪80年代以来逐渐兴起的新技术。经过十几年的发展,EDI技术已经在北美及欧洲占据了相当部分的超纯水市场。

EDI装置包括阴/阳离子交换膜、离子交换树脂、直流电源等设备。其中阴离子交换膜只允许阴离子透过,不允许阳离子通过,而阳离子交换膜只允许阳离子透过,不允许阴离子通过。离子交换树脂充夹在阴阳离子交换膜之间形成单个处理单元,并构成淡水室。单元与单元之间用网状物隔开,形成浓水室。在单元组两端的直流电源阴阳电极形成电场。来水水流流经淡水室,水中的阴阳离子在电场作用下通过阴阳离子交换膜被清除,进入浓水室。在离子交换膜之间充填的离子交换树脂大大地提高了离子被清除的速度。同时,水分子在电场作用下产生氢离子和氢氧根离子,这些离子对离子交换树脂进行连续再生,以使离子交换树脂保持最佳状态。EDI装置将给水分成三股独立的水流:纯水、浓水、和极水。纯水(90%-95%)为最终得到水,浓水(5%-10%)可以再循环处理,极水(1%)排放掉。图2表示了EDI的净水基本过程。

EDI装置属于精处理水系统,一般多与反渗透(RO)配合使用,组成预处理、反渗透、EDI装置的超纯水处理系统,取代了传统水处理工艺的混合离子交换设备。EDI装置进水要求为电阻率为0.025-0.5MΩ·cm,反渗透装置完全可以满足要求。EDI装置可生产电阻率高达15MΩ·cm以上的超纯水。

EDI装置的特点

EDI装置不需要化学再生,可连续运行,进而不需要传统水处理工艺的混合离子交换设备再生所需的酸碱液,以及再生所排放的废水。其主要特点如下:

EDI的净水基本过程

·连续运行,产品水水质稳定

·容易实现全自动控制

·无须用酸碱再生

·不会因再生而停机

·节省了再生用水及再生污水处理设施

·产水率高(可达95%)

·无须酸碱储备和酸碱稀释运送设施

·占地面积小

·使用安全可靠,避免工人接触酸碱

·降低运行及维护成本

·设备单元模块化,可灵活的组合各种流量的净水设施

·安装简单、费用低廉

·设备初投资大

与混床设备比较

EDI装置与混床离子交换设备属于水处理系统中的精处理设备,下面将两种设备在产水水质、投资量及运行成本方面进行比较,来说明EDI装置在水处理中应用的优越性。

(1)产品水水质比较

EDI装置是一个连续净水过程,因此其产品水水质稳定,电阻率一般为15MΩ·cm,最高可达18MΩ·cm,达到超纯水的指标。混床离子交换设施的净水过程是间断式的,在刚刚被再生后,其产品水水质较高,而在下次再生之前,其产品水水质较差。

(2)投资量比较

与混床离子交换设施相比EDI装置投资量要高约20%左右,但从混床需要酸碱储存、酸碱添加和废水处理设施及后期维护、树脂更换来看,两者费用相差在10%左右。随着技术的提高与批量生产,EDI装置所需的投资量会大大的降低。另外,EDI装置设备小巧,所需厂房远远小于混床。

(3)运行成本比较

EDI装置运行费用包括电耗、水耗、药剂费及设备折旧等费用,省去了酸碱消耗、再生用水、废水处理和污水排放等费用。

在电耗方面,EDI装置约0.5kWh/t水,混床工艺约0.35kWh/t水,电耗的成本在电厂来说是比较经济的,可以用厂用电的价格核算。

在水耗方面,EDI装置产水率高,不用再生用水,因此在此方面运行费用低于混床。

至于药剂费和设备折旧费两者相差不大。

总的来说,在运行费用中,EDI装置吨水运行成本在2.4元左右,常规混床吨水运行成本在2.7元左右,高于EDI装置。因此,EDI装置多投资的费用在几年内完全可以回收。

EDI技术的应用

EDI技术在国外广泛的应用有十几年的时间,大多用于制药行业、微电子行业、发电工业和实验室。在表面清洗、表面涂装、电解工业和化工工业的应用也日趋广泛。在我国应用时间只有2-3年,主要用于医药和微电子工业的超纯水的处理,而在发电行业化学水处理系统中的应用刚刚兴起。

结论

EDI装置属于水精处理设备, 具有连续产水、水质高、易控制、占地少、不需酸碱、利于环保等优点, 具有广泛的应用前景。随着设备改进与技术完善以及针对不同行业进行优化, 初投资费用会大大降低。可以相信在不久的将来会完全取代传统的水处理工艺中的混合 。

与水的净化异同

控制氮含量的方法（4种）：生物硝化-反硝化（无机氮延时曝气氧化成硝酸盐，再厌氧反硝化转化成氮气）；折点氯化（二级出水投加氯，到残余的全部溶解性氯达到最低点，水中氨氮全部氧化）；选择性离子交换；氨的气提（二级出水pH提高到11以上，使铵离子转化为氨，对出水激烈曝气，以气体方式将氨从水中去除，再调节pH到合适值）。每种方法氮的去除率均可超过90%。