离子交换树脂与水污染控制

1、离子交换树脂离子交换树脂与水污染控制与水污染控制 徐有娣徐有娣 SA15008167 SA15008167 生命科学院生命科学院 2016.5.30 2016.5.30目录目录一一.离子交换树脂离子交换树脂二二.水污染控制水污染控制三三.离子交换树脂与水污染控制离子交换树脂与水污染控制一一.离子交换树脂离子交换树脂1.离子交换树脂的定义离子交换树脂的定义 2离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类3离子交换树脂的交换原理离子交换树脂的交换原理4离子交换树脂离子交换树脂离子交换速度离子交换速度5离子交换树脂离子交换树脂离子交换设计离子交换设计 第一节第一节 离子交换树脂离子交换树脂 固体球形颗粒，多

2、孔网状固体球形颗粒，多孔网状结构；不溶于水；具有离子交换结构；不溶于水；具有离子交换特性的有机高分子聚电解质。特性的有机高分子聚电解质。一、离子交换树脂定义一、离子交换树脂定义 (一) 组成 离子交离子交换树脂换树脂母体母体(骨架骨架)活性基团活性基团固固 定定 离离 子子可交换离子可交换离子苯乙烯苯乙烯( (单体单体) )+ +二乙烯苯二乙烯苯( (交联剂交联剂) )母体母体共聚共聚H2SO4功功能能基基反反应应R SO3 H固定离子固定离子 可交换离子可交换离子母体母体离子交换树脂基体的组成离子交换树脂基体的组成 离子交换树脂的基体，制造原料主要有离子交换树脂的基体，制造原料主要有苯乙烯苯

3、乙烯和和丙烯丙烯酸酸( (酯酯) )两大类。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。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离子交离子交换树脂换树脂凝胶型凝胶型等孔型等孔型孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。大孔型大孔型离子交离子交换树脂换树

4、脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂 RNH3OH强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂 R NOH弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂 RCOOH强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂 RSO3H3 离子交换树脂的工作原理离子交换树脂的工作原理树脂在离子交换过程中树脂在离子交换过程中发生的化学反应发生的化学反应3 3 离子交换原理离子交换原理3.1离子交换反应离子交换反应 b(RA)a+aBb+ a(RB)b+bAa+ 特点：特点： 符合质量作用定律符合质量作用定律; 等当量进行的同性离子的互换反应等当量进行的同性离子的互

5、换反应; 具有饱和性具有饱和性; 树脂母体和固定离子不发生变化。树脂母体和固定离子不发生变化。3.2、离子交换平衡、离子交换平衡 b(RA)a+aBb+ a(RB)b+bAa+/)()()()(KBARABRabbabaab/KBfARfAfBRfabBbaaRbaAabBR有：有：式中：式中：f 为为活度活度系数。系数。3.3、离子交换选择性、离子交换选择性/KBfARfAfBRfabBbaaRbaAabBR平衡吸着率平衡吸着率baabbaabABKARBR设：fR-B/fR-A=C； f A/fB=1选择性系数选择性系数 K/C=K baabbaabABKARBRABKARBRa=b=1Q

6、 为树脂的全交换容量；为树脂的全交换容量；q 为为B 在离子交换树脂上平衡交换量；在离子交换树脂上平衡交换量；C0、C 为水中为水中B离子的初始和平衡浓度。离子的初始和平衡浓度。0011CCCCKQqQqqQC0C200.2K=150 影响离子交换的选择性影响离子交换的选择性 1 在常温、稀溶液中在常温、稀溶液中n离子价数越高，与固定离子的静电引力越大，越优先交换。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- n同价离子原子序数越大，与固定离子的静电引力越大；稀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。土元素相反。

7、 2 在高浓度的溶液中在高浓度的溶液中 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。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结构和性质n 树脂的交联度：交联度越高，选择性增加树脂的交联度：交联度越高，选择性增加n 强酸强酸(碱碱)、弱酸碱树脂的交换、弱酸碱树脂的交换 4 溶液的温度和溶液的温度和pHn温度升高，温度升高，K值增大，离子和固定基团交换势增大。值增大，离子和固定基团交换势增

8、大。npH值：值： 影响某些离子的存在状态，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。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树脂离子交换速度离子交换速度树脂颗粒水膜BB(1)(2)(3)(A)(4)(5)(6)A外外 扩扩 散散薄膜扩散薄膜扩散内内 扩扩 散散 4.1交换过程交换过程4.2.1 液膜扩散液膜扩散 离子浓度离子浓度 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。溶液离子浓度过高，树脂易发生收缩现象，内扩

9、散受阻。 水流速度水流速度 水流速度增加，水膜变薄，液膜扩散加快。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的大小 树脂颗粒小，比表面积增加，利于液膜扩散。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影响交换速度的因素 离子电荷离子电荷 离子电荷越大，扩散系数越小，不利于液膜扩散。离子电荷越大，扩散系数越小，不利于液膜扩散。 树脂交联度树脂交联度 交联度越低，树脂网孔越大，有利于离子的内扩散。交联度越低，树脂网孔越大，有利于离子的内扩散。 离子的水化度离子的水化度 离子水化程度大，水合离子半径越大，不利于离子离子水化程度大，水合离子半径越大，不利于离子的

10、内扩散。的内扩散。 水溶液的温度水溶液的温度提高水温同时加快液膜扩散和颗粒内扩散提高水温同时加快液膜扩散和颗粒内扩散4.2.2 树脂颗粒内扩散树脂颗粒内扩散5、离子交换树脂离子交换树脂离子交换设计离子交换设计 (一一) 根据废水水质和处理根据废水水质和处理 要求，选择离子交换剂。要求，选择离子交换剂。 (二二) 选择合适的再生剂，估算其用量。选择合适的再生剂，估算其用量。 (三三) 根据去除对象确定工艺流程及工艺参数。根据去除对象确定工艺流程及工艺参数。 1 工艺流程的确定工艺流程的确定 2 主要工艺参数主要工艺参数 交换速度交换速度 1535m/h； 反冲速度反冲速度 15m/h 再生剂流速

11、再生剂流速 1015m/h 再生效率再生效率 80% (四四) 离子交换柱尺寸确定离子交换柱尺寸确定 1 离子交换柱高度离子交换柱高度H H = H1+H2+H3 H1树脂层高度；树脂层高度； H2树脂层以上高度，膨胀率树脂层以上高度，膨胀率4080%； H3 底部配水区高度底部配水区高度(0.4m) 2 交换柱内径交换柱内径D 式中：式中：Q处理水量；处理水量； (D3m) n并联台数；并联台数； u 交换速度。交换速度。unQD4 (五五) 树脂用量确定树脂用量确定 TQ(C0C) = n E工工 f H1 V= ( n n) f H1 式中：式中： T 有效工作时间；有效工作时间； Q

12、水量；水量； C0、C 进、出水浓度；进、出水浓度； E工工工作交换容量；工作交换容量； f 交换柱截面积；交换柱截面积； V 树脂体积；树脂体积； n 备用台数。备用台数。 一一.水污染控制水污染控制1.水污染定义水污染定义2污染分类污染分类3水污染水污染 - 主要特征主要特征4中国水污染现状中国水污染现状5近几年我国重大水污染事件近几年我国重大水污染事件 1.水污染定义水污染定义 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

13、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污染分类污染分类n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水污染水污染 - 主要特征主要特征n1、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。n2、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

14、害和有毒组分污染的地下水，其影响也是慢性而难于着察。n3、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中国水污染现状中国水污染现状 三氯甲烷、四氯化

15、碳、农药、氨氮等 铅、汞、锰、镉等 细菌、致病菌 威协人类健康的十大杀手，不洁饮水位列其中。20032013年重大水污染事件平均1700起/年4.1、水污染形势依然严峻。、水污染形势依然严峻。n 监测的条河流的个断面中，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一至三类、四五类和劣五类水质的断面比例分别为分别为.、.和和.。n 七大水系中：七大水系中：n 只有珠江、长江总体水质良好；只有珠江、长江总体水质良好；n 松花江为轻度污染；松花江为轻度污染；n 黄河、淮河为中度污染；黄河、淮河为中度污染；n 辽河、海河为重度污染。辽河、海河为重度污染。n我国河流污染相当严重。我国河

16、流污染相当严重。4.2、局部海域污染加剧。、局部海域污染加剧。n全国近岸海域一、二类海水比例为全国近岸海域一、二类海水比例为.，比上年下降，比上年下降.个百分点；三类为个百分点；三类为.，上升，上升.个百分点；四类、劣四个百分点；四类、劣四类为类为.，上升，上升.个百分点。个百分点。n四大海区近岸海域中，渤海为轻度污染，东海为重度污染。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湖泊富营养化问题突出 4.4、 中国的地下水资源和水质中国的地下水资源和水质东北东北、华北华北和西北西北地区地下水水位总体呈下降趋势。河北河北、河南河南的豫北地区和山东山东的西北

17、地区的地下水位降落漏斗区已连成一片，形成包括北京北京和天津天津在内的华北平原华北平原地下水漏斗区，面积超过4万平方公里。东南东南、中南中南和西南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、硝酸盐硝酸盐、亚硝酸盐亚硝酸盐、氨氮氨氮、铁铁、锰锰、氯化物氯化物、硫酸盐硫酸盐、氟化氟化物物、pH值值等。 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近几年我国重大水污染事件 n5.1 淮河水污染事件震惊中外淮河水污染事件震惊中外 1994年年7月月，淮河上游因突降暴雨而

18、采取开闸，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泄洪的方式，将积蓄于上游一个冬春的2亿立方米水亿立方米水放下来。水经之处河水泛浊，河面上泡沫密布，顿放下来。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、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质恶化，沿河各自来水厂被迫停止供水达54天之久，天之久，百万淮河民众饮水告急百万淮河

19、民众饮水告急。 5.2，2004 沱江沱江“302”特大水污染事故特大水污染事故 n 四川省的名字来源于它境内的四条河流。它们丰沛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。可是的水源，造就了四川这个天府之国。可是2004年年2月到月到3月月，这四条河流之一的沱江，却给天府之国带来了一，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，因为场前所未有的生态灾难。当时，因为大量高浓度工业废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，直接经济损失高达水可用的困境，直

20、接经济损失高达2.19亿元亿元。 5.3 2005 北江镉污染事故北江镉污染事故 北江是珠江三大支流之一，也是广东各市的重要北江是珠江三大支流之一，也是广东各市的重要饮用水源。饮用水源。2005年年12月月15日日北江北江韶关韶关段出现严重镉段出现严重镉污染，高桥断面检测到镉浓度超标污染，高桥断面检测到镉浓度超标12倍多。韶关地倍多。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，是由污染事故，是由韶关冶炼厂在设备检修期间超标排放韶关冶炼厂在设

21、备检修期间超标排放含镉废水含镉废水所致，是一次由企业违法超标排污导致的严所致，是一次由企业违法超标排污导致的严重环境污染事故。重环境污染事故。n 5.4 2005 重庆綦河水污染重庆綦河水污染 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南街道桥河片区近3万万居民，从居民，从2005年年1月月3日起日起连续连续两天没有自来水喝两天没有自来水喝。 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华强化肥有限公司排除的废水所污染。綦江县有关部。綦江县有关部门立即在綦河水域的桥

22、河段上游和下游开闸放水，加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。停止生产并整改。 n5.5、2005 松花江重大水污染事件松花江重大水污染事件 2005年年11月月13日日，中石油，中石油吉林石化公司吉林石化公司双苯厂苯胺车间双苯厂苯胺车间发生爆炸事故。事故产生的约发生爆炸事故。事故产生的约100吨苯、苯胺和硝基苯吨苯、苯胺和硝基苯等有机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，于尔滨市政

23、府随即决定，于11月月23日零时起关闭松花江哈尔滨日零时起关闭松花江哈尔滨段取水口停止向市区供水，段取水口停止向市区供水，哈尔滨全城停水四天哈尔滨全城停水四天, 哈尔滨市的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。各大超市无一例外地出现了抢购饮用水的场面。n 中共中央办公厅、国务院办公厅在中共中央办公厅、国务院办公厅在12月月2日发布的通报中日发布的通报中称：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，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

24、损失负有责任。为此，对这起事件造成的损失负有责任。为此，解振华向党中央、国解振华向党中央、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，这一请求获得党中央、国务院批准。央、国务院批准。 n5.6 2006 白洋淀死鱼事件白洋淀死鱼事件 2006年年2月和月和3月月份，素有份，素有“华北明珠华北明珠”美誉的华北地区最大淡水湖泊美誉的华北地区最大淡水湖泊白洋淀白洋淀，相继发，相继发生大面积死鱼事件。生大面积死鱼事件。n 调查结果显示，水体污染较重，水中溶解调查结果显示，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氧过低，造成鱼类窒息

25、是此次死鱼事件的主要原因。这次事件造成原因。这次事件造成任丘市所属任丘市所属96万亩水域万亩水域全部污染，水色发黑，有臭味，网箱中养殖鱼全部污染，水色发黑，有臭味，网箱中养殖鱼类全部死亡类全部死亡，淀中漂浮着大量死亡的野生鱼类，淀中漂浮着大量死亡的野生鱼类，部分水草发黑枯死。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，洛洛阳涧河阳涧河遭到污染，河水变成血红色。浙江省嘉兴市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，重庆市巫重庆市巫山县山县小三峡，河面漂浮着大量浪渣，

26、过往船只小心通过，清漂人员紧张清漂三三.离子交换树脂与水污染控制离子交换树脂与水污染控制1.离子交换树脂的应用离子交换树脂的应用2离子交换处理工业废水离子交换处理工业废水 3参考文献参考文献1.1.离子交换树脂的应用离子交换树脂的应用离子交换树脂主要应用于以下行业：离子交换树脂主要应用于以下行业：v制药行业用水：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。制药用纯化水、针剂、片剂、生化制品、设备清洗等。v化工行业工艺用水：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。化工产品制造用水、化妆品用水、化工循环水化肥用水等。v实验室用纯水：实验室用纯水：

27、 实验室检验用软化水、纯水、高纯水等。实验室检验用软化水、纯水、高纯水等。v电子工业用超纯水：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。集成电路、硅晶片、显示管、电极箔等电子元器件冲洗水。v电力行业锅炉补给水：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。火力发电厂锅炉、厂矿中低压锅炉动力系统。v食品工业用水：食品工业用水： 饮用纯净水、饮料、啤酒、白酒、保健品等。饮用纯净水、饮料、啤酒、白酒、保健品等。v海水苦咸水淡化：海水苦咸水淡化： 海岛、舰船、海上钻井平台、苦咸水地区。海岛、舰船、海上钻井平台、苦咸水地区。v生活饮用水：生活饮用水： 住宅小

28、区分质供水、集团（家用）型纯水机、软水机等。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离子交换处理工业废水 (一一) 处理废水注意的问题处理废水注意的问题u 预处理预处理 悬浮物或油类浓度大于悬浮物或油类浓度大于510mg/L时，时，采用过滤或吸附法。采用过滤或吸附法。u 有机污染和重金属污染有机污染和重金属污染 采用大孔树脂；再生时采用大孔树脂；再生时适当加入氧化剂；选用高浓度再生剂。适当加入氧化剂；选用高浓度再生剂。u pH值值 不同性质树脂使用；废水中污染物的存在不同性质树脂使用；废水中污染物的存在状态。状态。u 水温水温 提高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可提高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可引起树脂降解。引起树脂降解。 (二二) 离子交换处理电镀含铬废水离子交换处理电镀含铬废水 1 废水的来源及水质特征废水的来源及水质特征 镀件镀件 酸洗酸洗 清洗清洗 镀槽镀槽 清洗清洗 成品成品 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20150mg/L，存在形式Cr2O72-和CrO42-。 金属离子Cr3+、 Fe3+等；阴离子有SO42- 、Cl-等； pH46。 2 工艺流程及原理工艺流程及原理 废水过滤排放阳柱阴柱作作 用用去除悬