離子交換:傳質分離過程的單元操作-中文百科頻道

簡介

水溶液中的一些陽離子進入反離子層，而原來在反離子層中的陽離子進入水溶液，這種發生在反離子層與正常濃度處水溶液之間的同性離子交換被稱為離子交換作用。離子交換主要發生在擴散層與正常水溶液之間，由于黏土顆粒表面通常帶的是負電荷，故離子交換以陽離子交換為主，故又稱為陽離子交換。離子交換嚴格服從當量定律，即進入反離子層的陽離子與被置換出反離子層的陽離子的當量相等。

早在1850年就發現了土壤吸收铵鹽時的離子交換現象，但離子交換作為一種現代分離手段，是在20世紀40年代人工合成了離子交換樹脂以後的事。離子交換操作的過程和設備，與吸附基本相同，但離子交換的選擇性較高，更适用于高純度的分離和淨化。

作用

離子交換主要用于水處理(軟化和純化)；溶液（如糖液）的精制和脫色；從礦物浸出液中提取鈾和稀有金屬；從發酵液中提取抗生素以及從工業廢水中回收貴金屬等。

原理

平衡

有兩種理論可用于研究交換過程的選擇性：

①多相化學反應理論假定離子A1與A2之間有如下的交換反應：

式中Z1和Z2分别為離子A1和A2的化合價;A1和A2表示存在于溶液相中的離子；凴1和凴2表示存在于樹脂相中的離子。以離子濃度C代替活度，依據質量作用定律,可得出離子交換平衡常數為：式中C1、C2、叿1和叿2分别為A1、A2、凴1和凴2的離子濃度。此常數又稱選擇性系數。

②膜平衡理論認為樹脂表面相當于半透膜,所交換的離子能自由通過；而連接在樹脂骨架上的離子不能通過。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈爾公式：

式中R為摩爾氣體常數;T為絕對溫度；α1、α2、ā1和ā2分别為離子A1、A2、凴1和凴2的活度；π為滲透壓;堸為位于樹脂相的離子的偏摩爾體積。由上式可以看出，化合價較高、體積較小（即水化半徑較小）的離子，将優先與樹脂結合。因此，溶液中各種離子的化合價及體積相差越大，離子交換過程的選擇性越高。

動力學

離子交換是一種液固相反應過程，必然涉及物質在液相和固相中的擴散過程。在常溫下，交換反應的速度很快，不是控制因素。如果進行交換的離子在液相中的擴散速度較慢，稱為外擴散控制，如果在固相中的擴散較慢，則稱為内擴散控制。

早期的研究系從斐克定律（見分子擴散）出發，所導出的速率方程式隻适用于同位素離子的交換。實際上，離子交換過程至少有兩種離子反向擴散。如果它們的擴散速率不等，就會産生電場，此電場必對離子的擴散産生影響。

設備

主要類型

①攪拌槽，适用于處理粘稠液體。當單級交換達不到要求時，可用多級組成級聯。

②固定床離子交換器，也稱離子交換柱，是用于離子交換的固定床傳質設備，應用最廣。

③移動床離子交換器，是用于離子交換的移動床傳質設備，由于技術上的困難尚未得到工業應用。

水處理中的應用

EDI的工作原理

EDI(Electro-de-ionization)是一種将離子交換技術、離子交換膜技術和離子電遷移技術(電滲析技術)相結合的純水制造技術。該技術利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析極化而脫鹽不徹底，又利用電滲析極化而發生水電離産生H和OH離子實現樹脂自再生來克服樹脂失效後通過化學藥劑再生的缺陷，是20世紀80年代以來逐漸興起的新技術。經過十幾年的發展，EDI技術已經在北美及歐洲占據了相當部分的超純水市場。

EDI裝置包括陰/陽離子交換膜、離子交換樹脂、直流電源等設備。其中陰離子交換膜隻允許陰離子透過，不允許陽離子通過，而陽離子交換膜隻允許陽離子透過，不允許陰離子通過。離子交換樹脂充夾在陰陽離子交換膜之間形成單個處理單元，并構成淡水室。單元與單元之間用網狀物隔開，形成濃水室。在單元組兩端的直流電源陰陽電極形成電場。來水水流流經淡水室，水中的陰陽離子在電場作用下通過陰陽離子交換膜被清除，進入濃水室。在離子交換膜之間充填的離子交換樹脂大大地提高了離子被清除的速度。同時，水分子在電場作用下産生氫離子和氫氧根離子，這些離子對離子交換樹脂進行連續再生，以使離子交換樹脂保持最佳狀态。EDI裝置将給水分成三股獨立的水流：純水、濃水、和極水。純水(90%-95%)為最終得到水,濃水(5%-10%)可以再循環處理，極水(1%)排放掉。

EDI裝置屬于精處理水系統，一般多與反滲透(RO)配合使用，組成預處理、反滲透、EDI裝置的超純水處理系統，取代了傳統水處理工藝的混合離子交換設備。EDI裝置進水要求為電阻率為0.025-0.5MΩ·cm，反滲透裝置完全可以滿足要求。EDI裝置可生産電阻率高達15MΩ·cm以上的超純水。