离子交换的原则

最后一次更新在星期二,2023年5月02|氮去除

离子交换过程中离子固体表面的离子交换类似的收费解决方案与固体的接触。

离子交换可用于去除不良离子废水。阳离子交换(正离子)为氢或钠,和阴离子(负离子氢氧化)和氯离子。

氢的阳离子交换周期可以通过以下反应,说明使用,在这个例子中,钙离子的去除,这是一个离子(Ca2 +和Mg2 +),导致水的硬度:

H2R + Ca2 + < = >汽车+ 2 h + (9.1)

R代表一个阳离子交换树脂。

的阴离子交换同样可以说明了以下反应:

S042 + R (OH) 2 = S04R + 20 h”(9.2)

当所有的交换网站已经取代钙或硫酸盐离子树脂必须再生。可以再生阳离子交换剂通过浓溶液氯化钠或强酸的床上,而阴离子交换剂,氢氧化形式在这种情况下,必须被氢氧根离子的溶液,如氢氧化钠。

离子交换是已知的发生与一些天然的固体,如土壤、腐殖质、金属矿产和粘土。

粘土,在某些情况下其他天然材料,可用于软化饮用水。上下文中的吸附、氧化铝的能力做一个表面离子交换应该提到。斜发沸石天然粘土矿物,可以用来浪费水处理它有一个高选择性的去除铵离子;参见5.8节。

合成离子交换树脂由一个网络的高分子量化合物离子官能团均附呈。分子交联的三维矩阵和交联的程度决定了树脂的内部孔隙结构。由于离子必须扩散的树脂、离子大于给定的大小可以通过选择排除在交互依赖于交联的程度。然而,肌肉组织矩阵的性质也决定了离子选择性离子,从而平衡常数交换过程。阳离子交换剂含有磺酸R-S03-H -羧基等基团,R-COOH -酚醛R-OH膦,R-P03H2 (R代表矩阵)。可以区分强烈酸性阳离子交换机源自强酸、如H2S04,来自弱酸和弱酸性的,比如H2C03。还可以确定pk值对阳离子交换剂以同样的方式酸一般。因此:

R-S03H = R-SCV + H + [H +] * [R-S031

阴离子交换树脂含伯胺等官能团,R-NH2,二级胺,R-R1NH,叔胺R-R1-R2N组和季铵组R-RiR2R3N +哦”。

可以看出,阴离子交换剂可以分为弱基本和强碱性离子交换剂来自季铵化合物。

还可以引入离子组到天然材料。这是通过使用纤维素作为一个矩阵,因为这种材料的高孔隙度甚至可以消除高分子量离子如蛋白质和多肽。

阳离子交换树脂的制备,使用碳氢化合物分子作为一个矩阵,是由聚合苯乙烯和甲基丙烯酸等有机分子。交联的程度是由苯乙烯二乙烯基苯的量添加到聚合。这可以说明了图9.1所示的例子。

: 图9.1。聚合苯乙烯和vinylbenzene形式与程度的交联聚苯乙烯。

特点是,交换发生在化学等价的基础上。离子交换剂的能力因此通常表示为等价物每升床体积。

当离子交换过程是用来降低硬度,能力也可以表示为千克每立方米的碳酸钙床体积。自交换发生在一个等价的基础上,基于能力可以找到离子去除的数量或数量的离子释放。同样,所需再生剂的量可以计算的能力。然而,树脂和再生过程可以利用效率为100%。

图9.2。插图的喜好一个特定离子的离子交换树脂。在溶液中选择性系数在50%可以从图中找到82/18 = 4.6。

%的解决方案

图9.2。插图的喜好一个特定离子的离子交换树脂。在溶液中选择性系数在50%可以从图中找到82/18 = 4.6。

图9.2说明了偏好特定离子的离子交换树脂。树脂的比例绘制与百分比的解决方案。

选择系数,出租车,实际上并不是常数,而是依赖于实验条件。选择性系数50%的解决方案经常使用= - 50%。

如果我们不使用浓度和活动,它将涉及,monocharged离子:CB = CA

树脂进行离子交换的的选择性取决于离子电荷和离子的大小。离子交换树脂一般喜欢反离子价高。因此,对于一系列典型的阴离子废水处理一个期望的兴趣选择性的顺序如下:

P043 - > S042 - > CI”。

类似的一系列阳离子:

但这是在情况下的内部孔隙结构树脂不排除从提到的离子反应。有机离子往往太大渗透矩阵的离子交换,产生影响,当然,更加明显,当树脂被认为有一个高度的交联。大多数种类的水和废水包含几种类型的离子除了那些必须清除它自然是一个很大的优势有树脂具有高选择性的离子在离子交换过程中被删除。

树脂利用率定义为离子去除量的比值在实际治疗离子的总量,可以去除100%的效率;这是理论的能力。再生效率是离子的数量从树脂中删除的数量相比,离子存在于再生剂的体积。弱碱树脂有很大潜力消除某些有机化合物从水中,但效率是高度依赖于pH值。

似乎合理的假设的吸附发生自由氨基之间的氢键的形成-羟基树脂和团体的有机物质。随着pH值降低,所以氨基酸组转换为酸性形式,吸附能力显著降低。

之间的交换反应在溶液中离子和离子与树脂矩阵通常是可逆的。交流可以被视为一个简单的化学反应。阳离子交换方程是:

一个+ + n (R) B + = nB + + (R > + (9.5)

的离子交换反应是有选择性的,所以离子附着在固定树脂矩阵会偏爱一个抗衡离子。因此不同的反离子树脂的浓度会有所不同从相应的浓度定量的解决方案。

根据质量作用定律,反应的平衡关系(9.5)会给:

aA * aRBn aB和aA离子的活动B +和+解决方案和相应的套利基金和aRA树脂B的活动形式,分别。注意,使用的活动,这意味着活动系数计算,如7.1节所示。

斜发沸石,如上所述的粘土矿物可以吸收铵离子具有高选择性。这个过程用于去除铵的市政废水在美国,质量好的斜发沸石。斜发沸石能力低于合成离子交换剂,但其高选择性为去除铵铵证明它的使用。最优质的斜发沸石的容量为1 eqv。或者稍微每升。这意味着1升的离子交换材料可以删除14 g - n铵废水,提供所有的能力被铵离子。市政废水中含有大约28 g (2 eqv。)每立方米,这意味着1立方米的离子交换材料可以治疗500立方米废水(代表500床卷)。然而,实际容量大大减少- 150 - 250床卷——由于其他离子的存在被离子交换材料,虽然选择性高,其他离子铵废水。浓度的钠、钾和钙离子可能是几个eqv。每升,而只有2 meqv。每升的铵离子。

斜发沸石不如合成抗酸或碱离子交换剂。良好的洗脱是通过使用氢氧化钠,但随着材料由氢氧化钠溶解非常稀释解决方案应该用于洗脱材料的损失降到最低。和氯化钠的混合物石灰是也建议选择洗脱的解决方案。

流量通过离子交换柱通常是小斜发沸石比合成材料树脂对20 - -10 m / h m / h。

洗脱液可以恢复了空气剥离如7.6节中所述。离子交换剂上的预浓缩使这个过程有吸引力——污泥的问题是减少和化学品的成本大大减少。关于复苏的这种方法为进一步的细节,请参阅约根森(1973和1975)。

含氮化合物的另一种离子交换剂选择性是上述纤维素离子交换剂。它有一个大约1 eqv的能力。/ 1,其中至少有50%是高度选择性的蛋白质和其它高分子氮有机物。它使这个离子交换剂具有吸引力的应用工业废料水与高浓度的蛋白质和复苏的蛋白质是可取的。

的组合化学沉淀和离子交换发展替代mechanical-biological-chemical治疗方法。这种植物的流程图见图9.3。化学沉淀废水处理后在两个离子交换剂(然而,这可能是在一个混合床列)。第一个离子交换剂去除蛋白质和减少BOD5纤维素基。氮浓度在这里通常从总N 30毫克/升到总减少N 15 - 20 mg / l由于纤维素基高选择性的离子交换剂为有机氮的化合物。第二列可以是斜发沸石和/或活性氧化铝。植物利用这一过程自1973年以来一直运行在瑞典,给结果比得上甚至比一般应用3步治疗(见表9.1)。