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离子交换树脂与水污染控制 徐有娣SA15008167生命科学院2016 5 30 目录 一 离子交换树脂 二 水污染控制 三 离子交换树脂与水污染控制 一 离子交换树脂 1 离子交换树脂的定义 2离子交换树脂的分类 3离子交换树脂的交换原理 4离子交换树脂离子交换速度 5离子交换树脂离子交换设计 第一节离子交换树脂 固体球形颗粒 多孔网状结构 不溶于水 具有离子交换特性的有机高分子聚电解质 一 离子交换树脂定义 一 组成 离子交换树脂基体的组成 离子交换树脂的基体 制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸 酯 两大类 苯乙烯系树脂是先使用的 丙烯酸系树脂则用得较后 强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂 弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂 2 树脂分类按选择性 按结构 3离子交换树脂的工作原理 树脂在离子交换过程中发生的化学反应 3离子交换原理 3 1离子交换反应 b R A a aBb a R B b bAa 特点 符合质量作用定律 等当量进行的同性离子的互换反应 具有饱和性 树脂母体和固定离子不发生变化 3 2 离子交换平衡 b R A a aBb a R B b bAa 有 式中 f为活度系数 3 3 离子交换选择性 平衡吸着率 选择性系数K C K 影响离子交换的选择性1在常温 稀溶液中离子价数越高 与固定离子的静电引力越大 越优先交换 Cr3 Ca2 Na PO43 SO42 Cl 同价离子原子序数越大 与固定离子的静电引力越大 稀土元素相反 2在高浓度的溶液中由于离子的水化作用不充分 水合离子的半径接近离子半径 原子序数越大 离子半径增大 离子表面电荷密度相对减小 与固定离子的静电引力越小 3树脂的结构和性质树脂的交联度 交联度越高 选择性增加强酸 碱 弱酸碱树脂的交换4溶液的温度和pH温度升高 K值增大 离子和固定基团交换势增大 pH值 影响某些离子的存在状态 Cr2O72 OH 2CrO42 H 影响弱酸 碱树脂固定基团的电离 4离子交换树脂离子交换速度 树脂颗粒 水膜 B B 1 2 3 A 4 5 6 A 外扩散 薄膜扩散 内扩散 4 1交换过程 4 2 1液膜扩散离子浓度溶液离子浓度低 树脂交换容量大时 液膜扩散受阻 溶液离子浓度过高 树脂易发生收缩现象 内扩散受阻 水流速度水流速度增加 水膜变薄 液膜扩散加快 树脂颗粒的大小树脂颗粒小 比表面积增加 利于液膜扩散 4 2影响交换速度的因素 离子电荷离子电荷越大 扩散系数越小 不利于液膜扩散 树脂交联度交联度越低 树脂网孔越大 有利于离子的内扩散 离子的水化度离子水化程度大 水合离子半径越大 不利于离子的内扩散 水溶液的温度提高水温同时加快液膜扩散和颗粒内扩散 4 2 2树脂颗粒内扩散 5 离子交换树脂离子交换设计 一 根据废水水质和处理要求 选择离子交换剂 二 选择合适的再生剂 估算其用量 三 根据去除对象确定工艺流程及工艺参数 1工艺流程的确定2主要工艺参数交换速度15 35m h 反冲速度15m h再生剂流速10 15m h再生效率 80 四 离子交换柱尺寸确定1离子交换柱高度HH H1 H2 H3H1 树脂层高度 H2 树脂层以上高度 膨胀率40 80 H3 底部配水区高度 0 4m 2交换柱内径D式中 Q 处理水量 D 3m n 并联台数 u 交换速度 五 树脂用量确定TQ C0 C nE工f H1V n n f H1式中 T 有效工作时间 Q 水量 C0 C 进 出水浓度 E工 工作交换容量 f 交换柱截面积 V 树脂体积 n 备用台数 一 水污染控制 1 水污染定义 2污染分类 3水污染 主要特征 4中国水污染现状 5近几年我国重大水污染事件 1 水污染定义 水污染 即水体因某种物质的介入 而导致其化学 物理 生物或者放射性等方面特征的改变 从而影响水的有效利用 危害人体健康或者破坏生态环境 造成水质恶化的现象 简言之凡是在人类活动影响下 水质变化朝着水质恶化方面发展的现象 统称为水污染 而不论其是否影响使用程度 只要一旦发生 即为污染 2污染分类 废水从不同角度有不同的分类方法 据不同来源分为生活废水和工业废水两大类 据污染物的化学类别又可分无机废水与有机废水 也有按工业部门或产生废水的生产工艺分类的 如焦化废水 冶金废水 制药废水 食品废水等 3水污染 主要特征 1 由于地表水和地下水在分布 蓄存 运移和环境上的差异 表现出不同的污染特征 地表水体污染可视性强 易出现 且循环周期短 易于净化且容易恢复 2 地下水污染相当隐蔽性 污染发生在孔隙介质之中 常常已遭相当程度的污染 但物理性质仍表现为无色 无味 即使人类饮用受害和有毒组分污染的地下水 其影响也是慢性而难于着察 3 地下水污染难以恢复性 地下水一旦遭受污染 无论程度如何 则难以得到恢复 这是其赋存于孔隙介质之中 流速缓慢 而孔隙介质对许多污染物质都有吸附作用 因而清除非常困难 即使切断污染源 靠地下水本身净化 少则需要十几年 几十年 多则上百年才有可能得到恢复 在我国 只有不到11 的人饮用符合我国卫生标准的水 而高达65 的人饮用浑浊 苦碱 含氟 含砷 工业污染 传染病的水 2亿人饮用自来水 7000万人饮用高氟水 3000万人饮用高硝酸盐水 5000万人饮用高氟化物水 1 1亿人饮用高硬度水 4中国水污染现状 水中的有害物质 有机物 重金属 微生物 1 2 3 三氯甲烷 四氯化碳 农药 氨氮等 铅 汞 锰 镉等 细菌 致病菌 世界卫生组织 威协人类健康的十大杀手 不洁饮水位列其中 2003 2013年重大水污染事件平均1700起 年 4 1 水污染形势依然严峻 监测的 条河流的 个断面中 一至三类 四五类和劣五类水质的断面比例分别为 和 七大水系中 只有珠江 长江总体水质良好 松花江为轻度污染 黄河 淮河为中度污染 辽河 海河为重度污染 我国河流污染相当严重 4 2 局部海域污染加剧 全国近岸海域一 二类海水比例为 比上年下降 个百分点 三类为 上升 个百分点 四类 劣四类为 上升 个百分点 四大海区近岸海域中 渤海为轻度污染 东海为重度污染 4 3 中国的主要湖泊富营养化问题突出 4 4 中国的地下水资源和水质东北 华北和西北地区地下水水位总体呈下降趋势 河北 河南的豫北地区和山东的西北地区的地下水位降落漏斗区已连成一片 形成包括北京和天津在内的华北平原地下水漏斗区 面积超过4万平方公里 东南 中南和西南地区地下水水位变化较为平衡 全国多数城市地下水受到一定程度的点状或面状污染 局部地区地下水部分水质指标超标 主要有矿化度 总硬度 硝酸盐 亚硝酸盐 氨氮 铁 锰 氯化物 硫酸盐 氟化物 pH值等 在污染程度上 北方城市重于南方城市 尤以华北地区污染较突出 5近几年我国重大水污染事件 5 1淮河水污染事件震惊中外1994年7月 淮河上游因突降暴雨而采取开闸泄洪的方式 将积蓄于上游一个冬春的2亿立方米水放下来 水经之处河水泛浊 河面上泡沫密布 顿时鱼虾丧失 下游一些地方的居民饮用了虽经自来水处理但未能达到饮用标准的河水后 出现恶心 腹泻 呕吐等症状 经取样检验证实 上游来水水质恶化 沿河各自来水厂被迫停止供水达54天之久 百万淮河民众饮水告急 5 2 2004沱江 3 02 特大水污染事故四川省的名字来源于它境内的四条河流 它们丰沛的水源 造就了四川这个天府之国 可是2004年2月到3月 这四条河流之一的沱江 却给天府之国带来了一场前所未有的生态灾难 当时 因为大量高浓度工业废水流进沱江 四川五个市区近百万老百姓顿时陷入了无水可用的困境 直接经济损失高达2 19亿元 5 32005北江镉污染事故北江是珠江三大支流之一 也是广东各市的重要饮用水源 2005年12月15日北江韶关段出现严重镉污染 高桥断面检测到镉浓度超标12倍多 韶关地处北江上游 一旦发生污染将直接影响下游城市数千万群众的饮水安全 经调查发现 此次北江韶关段镉污染事故 是由韶关冶炼厂在设备检修期间超标排放含镉废水所致 是一次由企业违法超标排污导致的严重环境污染事故 5 42005重庆綦河水污染因取水点被污染导致水厂停止供水 重庆綦江古南街道桥河片区近3万居民 从2005年1月3日起连续两天没有自来水喝 经卫生和环保部门勘测 河水是被綦河上游重庆华强化肥有限公司排除的废水所污染 綦江县有关部门立即在綦河水域的桥河段上游和下游开闸放水 加速稀释受污染水体 并责成华强化肥有限公司硫酸厂停止生产并整改 5 5 2005松花江重大水污染事件2005年11月13日 中石油吉林石化公司双苯厂苯胺车间发生爆炸事故 事故产生的约100吨苯 苯胺和硝基苯等有机污染物流入松花江 因而导致松花江发生重大水污染事件 哈尔滨市政府随即决定 于11月23日零时起关闭松花江哈尔滨段取水口停止向市区供水 哈尔滨全城停水四天 哈尔滨市的各大超市无一例外地出现了抢购饮用水的场面 中共中央办公厅 国务院办公厅在12月2日发布的通报中称 松花江重大水污染发生后 环保总局作为国家环境保护主管部门 对事件重视不够 对可能产生的严重后果估计不足 对这起事件造成的损失负有责任 为此 解振华向党中央 国务院申请辞去国家环境保护总局局长职务 这一请求获得党中央 国务院批准 5 62006白洋淀死鱼事件2006年2月和3月份 素有 华北明珠 美誉的华北地区最大淡水湖泊白洋淀 相继发生大面积死鱼事件 调查结果显示 水体污染较重 水中溶解氧过低 造成鱼类窒息是此次死鱼事件的主要原因 这次事件造成任丘市所属9 6万亩水域全部污染 水色发黑 有臭味 网箱中养殖鱼类全部死亡 淀中漂浮着大量死亡的野生鱼类 部分水草发黑枯死 2012年10月8日 浙江绍兴市区皋埠镇岙底村乳白色的采石场 牛奶河 2011年12月13日 洛阳涧河遭到污染 河水变成血红色 浙江省嘉兴市区新嘉街道百步桥下河塘边 市民老张用扫帚拂去漂在水面上的绿萍后 下水洗澡 2012年7月6日 重庆市巫山县小三峡 河面漂浮着大量浪渣 过往船只小心通过 清漂人员紧张清漂 三 离子交换树脂与水污染控制 1 离子交换树脂的应用 2离子交换处理工业废水 3参考文献 1 离子交换树脂的应用 离子交换树脂主要应用于以下行业 制药行业用水 制药用纯化水 针剂 片剂 生化制品 设备清洗等 化工行业工艺用水 化工产品制造用水 化妆品用水 化工循环水化肥用水等 实验室用纯水 实验室检验用软化水 纯水 高纯水等 电子工业用超纯水 集成电路 硅晶片 显示管 电极箔等电子元器件冲洗水 电力行业锅炉补给水 火力发电厂锅炉 厂矿中低压锅炉动力系统 食品工业用水 饮用纯净水 饮料 啤酒 白酒 保健品等 海水苦咸水淡化 海岛 舰船 海上钻井平台 苦咸水地区 生活饮用水 住宅小区分质供水 集团 家用 型纯水机 软水机等 2 离子交换处理工业废水 一 处理废水注意的问题预处理悬浮物或油类浓度大于5 10mg L时 采用过滤或吸附法 有机污染和重金属污染采用大孔树脂 再生时适当加入氧化剂 选用高浓度再生剂 pH值不同性质树脂使用 废水中污染物的存在状态 水温提高离子内扩散和薄膜扩散速度 过高可引起树脂降解 二 离子交换处理电镀含铬废水1废水的来源及水质特征镀件酸洗清洗镀槽清洗成品废酸液酸性水废镀液含铬废水废电镀液 产生量少 浓度高 含铬废水 产生量多 浓度低 水质情况为 Cr6 浓度为20 150mg L 存在形式Cr2O72 和CrO42 金属离子Cr3 Fe3 等 阴离子有SO42 Cl 等 pH4 6 2工艺流程及原理 参考文献 1 YuB CongH YuanH LiuX JiaoM WangD Nano microstructuredionexchangeresinsandtheirapplications J JNanosciNanotechnol 2014Feb 14 2 1790 8 2 吕仪军 离子交换树脂应用进展 J 四川化工与腐蚀控制 1999 2 6 36 38 3 MAHarmer QSun SolidAcidCatalysisusingIon ExchaneResins J AppliedCatalysisA General 2001 221 1 2 45 62 4 PratNJ MeyerAD LangerT MontgomeryRK ParidaBK BatchinskyAI CapAP Low DoseHeparinAnticoagulationDuringExtracorporealLifeSupportforAcuteRespirator