离子交换

离子交换是一个过程,一个特定物种的离子在溶液中被离子取代不同物种的类似指控但附加到一个不溶性树脂。从本质上讲,离子交换是一个吸附的过程,也可以认为是一个可逆的化学反应。常见的应用阳离子的离子交换水软化(删除“硬度”离子,如钙离子和Mg2 +)和硝酸盐去除先进的废水处理操作。这些离子交换树脂天然无机沸石或综合生产有机树脂。今天使用的有机合成树脂主要类型,因为他们的特征可以根据特定的应用程序。

有机离子交换树脂由一个有机或无机网络结构和官能团,可以交换手机相似的离子电荷的离子周围的介质。每个树脂有不同数量的移动离子的网站设置的单位交流的最大数量树脂。离子交换树脂被称为阳离子如果他们积极的离子和阴离子交换交换负离子。阳离子交换树脂然而,酸性官能团如磺酸吗阴离子交换树脂通常由官能团的性质分类强酸、弱酸、强碱、弱碱。酸性或碱性字符的强度取决于程度的ion-ization官能团,类似于可溶酸或碱的情况。因此,与磺酸树脂组将作为一个强大的阳离子交换树脂。

离子交换反应化学计量和可逆的,以这种方式他们是类似于其他解决方案阶段反应的例子(方程3.38):

MgSO4 b + Ca (OH) 2毫克(OH) 2 + CaSO4

在这个反应中,镁离子的硫酸镁(MgSO4)交换钙离子的氢氧化钙Ca (OH) 2分子。同样,与氢离子树脂可用于交换这些镁离子的离子交换的解决方案。反应可以编写如下方程(3.39):

2 (R-SO3H) + MgSO4 b 2 (R-SO3) 2毫克+硫酸

R表示有机树脂和SO3的一部分的固定部分离子活性基团。两个树脂网站所需的镁离子+ 2价(Mg + 2)。

如前所述,离子交换反应是可逆的。程度的反应向右收益将取决于树脂偏好或镁离子选择性较其对氢离子的偏好。树脂的选择性对于一个给定的测量离子的选择性系数,K,在其最简单的形式的下列反应方程式(3.40):

表示为:K = (B +的浓度在树脂/ A +的浓度在树脂)X (A +的浓度在解决方案/ B +集中解决方案)。

选择性系数表达的相对分布的离子在树脂+表单包含B +离子是放置在一个解决方案。表3.1显示了选择性的强酸和强碱离子交换树脂对各种离子的化合物。应该指出,选择性系数不是常数而是随溶液条件的变化。它提供一种确定会发生什么当各种离子。如表格3.1所示,强酸树脂有偏爱在氢镁。尽管这种偏好,树脂可以转换回氢形成的浓溶液接触硫酸(H2SO4)方程(3.41):

(R-SO4) 2毫克+硫酸b 2 (R-SO3H) + MgSO4

这一步被称为再生。一般来说,更高的偏好特定离子树脂展品,交换效率越大的树脂去除离子的解决方案的能力。

表3.1。选择性离子交换树脂的离子的减少偏好(资料来源:韦伯,1972)。

强酸阳离子换热器	强碱阴离子交换剂
钡	碘化
钙	硝酸
铜	亚硫酸氢
锌	氯
镁	氰化物
钾	碳酸氢
氨	氢氧化
钠	氟化
氢	硫酸

然而,更高的偏好特定离子将导致增加了再生消费的化学物质。

离子交换树脂分为阳离子交换器,带正电的离子移动用于交换,和阴离子交换剂,其可交换离子带负电。阴离子和阳离子树脂都是由相同的基本有机聚合物。他们得组不同烃网络。这个功能组决定了树脂的化学行为。树脂可以大致分为强或弱酸性阳离子交换剂或强或弱碱阴离子交换剂。

强酸阳离子树脂

强酸树脂的得名是由于它们的化学行为类似于强酸。高度电离的树脂酸(R-SO3H)和盐(R-SO3Na)形式。他们可以转化为相应的金属盐的酸反应方程(3.42):

2 (R-SO3H) + MgCl2 b (R-SO3) 2毫克盐酸+ 2

氢和钠形式的强酸树脂高度分离和交换Na + H +很容易用于交换在整个pH值范围内。因此,强酸树脂的交换容量是独立的解决方案博士这些树脂用于氢形成完全消电离;它们用于软水的钠形式(除钙、镁)。疲惫后,树脂转换回氢形式(再生)接触强酸溶液,或可以转化为钠树脂形式与氯化钠的解决方案。盐酸(Hcl)再生会导致集中氯化镁(Mgcl2)解决方案。

弱酸性阳离子树脂

在弱酸树脂,得集团是羧酸(羧基)而不是磺酸集团(SO3H)用于强酸树脂。这些树脂的行为类似于弱弱的有机酸。

弱酸性树脂表现出更高的亲和力比强酸树脂为氢离子。这个特征允许再生酸氢形成显著低于需要强酸树脂。几乎完全再生可用stoichio-metric来完成大量的酸。弱酸树脂的离解度的解决方案博士的强烈影响因此,树脂的能力在一定程度上取决于溶液的pH值。

强碱阴离子树脂

树脂如强酸、强碱树脂高度电离,可以使用在整个pH值范围内。这些树脂用于氢氧化物(OH)对水的形式消电离。他们将与在溶液中阴离子反应,可以将一个酸溶液纯水方程(3.43):

再生用浓氢氧化钠(氢氧化钠)精疲力竭的树脂转化为氢氧化形式。

弱碱阴离子树脂

就像弱酸弱碱树脂树脂的电离度强烈影响博士因此,弱碱树脂表现出最低交换能力高于pH值为7.0。仅仅这些树脂吸附强酸:他们不能把盐。

评价树脂

树脂供应商通常提供详细的信息关于他们销售树脂的特性,作为一个典型的离子交换树脂所示从陶氏化学属性表(表3.2)。但是它仍然是合理的评估服务,任何改变树脂的树脂的能力。活性离子交换网站的潜在损失,减少由于交联及其它有害影响的长期服务,是特别关注的。树脂的共同属性,用于废水处理进行评估

•干重能力

•湿重能力

•湿体积容量

•含水量的百分比

表3.2。一个商业离子交换树脂属性表(由陶氏化学公司)。

商业名称	DOWEX®* 1 X。	DOWEX®50 WX。。。
	强碱性	强烈的酸
类型	阴离子交换剂	阳离子交换器
官能团	三甲基铵	磺酸
交联(% DVB)	2 - 8	2、4、8
离子形式出货	Cl -	Na +(分析纯)
		(H) -实际年级
航运密度(公斤/ l)	0.7	0.8
体积变化(%)	Cl -哦~ + 20%	Na + b H + ~ + 8%
有效的工作	0 - 14	0 - 14
范围(pH)
对离子选择性	我- > - > Br - > Cl -	Ag) + > c + > Rb + > K +
	>乙酸- >哦	李> Na + > > NH4 + +
	> F -	> Ba2 + > Sn2 + > Ca2 +
		> > Be2 Mg2 + +
总交流	1。3	1。9
能力(eq / l)	哦,马克斯。50°C	Na +马克斯。120°C
	(122°F)	(248°F)
热稳定性	Cl -形式max.150°C	马克斯·H +形式。80°C
	(302°F)	(176°F)
水分(%)	39 - 80	40 - 82

* DOWEX®是陶氏化学公司的注册商标。

* DOWEX®是陶氏化学公司的注册商标。

离子交换系统

为了设计一个离子交换系统从复杂的食品和去除离子农业wastew水,几个实验室规模的运行离子交换柱有必要开发系统设计标准。Eckenfelder(1989)建议实验的程序进行实验在实验室规模的离子交换柱:

1。用去离子水冲洗列10分钟50毫升/分钟的速度。

2。切换到waste-containing解决方案通过列在同一流量为去离子水。

3所示。测量解决方案的初始体积治疗。

4所示。开始治疗周期和开发突破曲线,直到离子浓度废水达到上限限制。

5。逆流床扩张25% 5 - 10分钟蒸馏水。

6。再生6毫升/分钟的流量使用浓度和体积推荐供应商,收集了再生剂的树脂和测量恢复离子。

7所示。列用蒸馏水冲洗。

几个实验的运行后,可以选择最佳操作条件的树脂利用率和再生剂的效率。

最实用的应用离子交换使用固定床列系统,即离子交换柱的基本组成部分。完成de-mineralization操作通常涉及废水首先通过床强酸树脂取代金属离子与氢离子(从而降低pH值),后跟一个弱碱性阴离子交换剂如3.18图所示原理图这两类型的安排。弱碱树脂优于强碱树脂

图3.18。一个示意图一个两阶段离子交换系统。

废水

图3.18。一个两阶段离子交换系统的原理图。

因为他们需要更少的再生剂的化学物质。之间的反应树脂在加热吸用形式和HCl将进行如下等式(3.44):

弱碱性树脂没有氢氧离子形式,与强碱树脂。因此,只需要中和吸收再生酸;它不需要提供氢氧根离子。更便宜的弱碱性试剂如氨(NH3)或碳酸钠可以使用。

离子交换剂系统用于污水处理都是基于这一过程被称为脱盐(唐宁等,1968),利用一个三步操作:

1。弱碱阴离子树脂碳酸氢盐形式,R - HCO3 (NH)

2。氢的弱酸阳离子形式,R-COOH

3所示。弱碱阴离子树脂的游离碱形式

脱盐过程的示意图见图3.19。

马* HCtfj HiO + HiCOj

图3.19。离子交换脱盐系统的原理图。

马* HCtfj HiO + HiCOj

图3.19。离子交换脱盐系统的原理图。

110年食品和农业废水利用率和治疗章的话

富含有机物食品和农业废水生物处理有其无可比拟的优势。然而,物理化学过程仍然是重要的治疗这种类型的废水流。第一,物理化学处理厂有小的脚印;这是重要的人口密集地区。第二,物理化学过程可以很容易地扩大,所需的例子中,如果后续使用生物方法治疗计划。第三,过程往往是快速相比,生物处理;他们可能包括作为整体的组成部分废水管理策略如果支流流混合市政或其他工业废水。最后,不能生物降解废水中的某些污染物,因此需要physicochem-ical过程移除它们。

物理化学过程的缺点是众所周知的:高运营和资本成本,相对温和的处理性能和较大的污泥体积。不是偶然的物理化学过程在实践中经常穿插生物处理过程达到最优的结果。物理化学过程的最终的选择对于一个给定的任务处理在很大程度上依赖于技术和经济事实的经过深思熟虑的考虑约束条件的处理要求和法规遵从性。

最具挑战性的方面之一处理过程设计分析和选择的过程以满足许可证或治疗回收要求。过程分析的方法论,导致过程选择包括几个评价步骤。这个很大程度上取决与项目评估废水的特点。然而,任何流程分析需要考虑几个重要因素:过程适用性,适用的流量范围和变化,反应动力学和反应器的选择、性能、治疗残差和气味,污泥处理、/聚合物化学物质和能源需求。一旦完成过程分析,过程选择或设计开始;几种方法的流程设计或选择可能considered-process选择基于实证关系从经验或文献和基于动力学分析或建模的流程设计。第一章提供了基本的工具来帮助选择过程。

进一步的阅读

韦伯,沃尔特·J。1972年,Jr .)。物理化学过程:水质量控制。纽约:约翰·威利和儿子。

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Eckenfelder w·韦斯利,凉亭,艾伦·R。罗斯,John a . 1996。化学氧化第四:技术的年代,体积,波卡拉顿,FL: CRC出版社。

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引用

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食品和农业废水利用率和治疗

肖恩·x刘

版权©2007年由布莱克威尔出版社出版

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