城市廢水中氯及硫酸根等離子的處理

1 廢水中陰陽離子的去除方法

一般廢水中都存在氯離子、硫酸根離子等有害物質，對廢水進行處理一方面可以減少污染物排放，另一方面能節約有限的水資源。我們常見的水中陰陽離子去除方法有化學氧化還原法、化學沉淀法以及離子交換法等，其中化學氧化還原法是將廢水中呈溶解狀態的無機物和有機物，通過化學反應被氧化或還原為微毒、無毒的物質，或者轉化成容易與水分離的狀態，從而達到處理的目的；化學沉淀法就是向廢水中投加一定的化學藥劑，使之與水的某些溶解物質發生直接的化學反應，形成難溶的固體物，然后進行固液分離，從而除去水中污染物的一種方法；離子交換法是用離子交換劑上的離子和水中離子進行可逆化學反應而除去水中有害離子的方法。離子交換法可用來軟化水質、脫去鹽水及制得純水等。在離子交換法中，是把離子交換樹脂看作一種具有彈性的凝膠，它能吸收水分而溶脹。溶脹后的離子交換樹脂的顆粒內部可以看作是一滴濃的電解質溶液。樹脂顆粒和外部溶液之間的界面可以看作是一種半透膜，膜的一邊是樹脂相，另一邊為外部溶液。樹脂內活潑基團上電離出來的離子和外部溶液中離子一樣，可以通過半透膜往來擴散；樹脂網狀結構骨架上的固定離子不能擴散。

2 離子交換理論

離子交換的基本理論有離子交換反應、離子交換平衡及離子交換速度等。離子交換過程一般可分為5 步：第一步，交聯網孔外的擴散；第二步，交聯網孔內的擴散；第三步，離子交換；第四步，交聯網孔內的擴散；第五步，交聯網孔外的擴散。其中第一步和第五步稱為液膜擴散步驟，第二步和第四步稱為樹脂顆粒

內擴散步驟或稱孔道擴散步驟；第三步稱為交換反應步驟，其反應速度快，可瞬間完成。

3 離子交換樹脂

3.1 離子交換樹脂的組成

離子交換樹脂主要由單體、交聯劑、交聯基團等組成。

3.2 離子交換樹脂的內部結構

離子交換樹脂的內部主要由高分子骨架、離子交換基團及孔等構成。其中：高分子骨架由交聯的高分子聚合物組成；離子交換基團是連接在高分子骨架上，并且帶有可交換的離子的離子型官能團或者是帶有極性的非離子型官能團；孔無處不在，無論是干態離子交換樹脂還是濕態離子交換樹脂，都存在高分子結構中的孔。

3.3 離子交換樹脂的性質

3.3.1 物理性能

外觀：離子交換樹脂多為透明或半透明的珠體，大孔的樹脂為乳白色或不透明珠體。

粒度：樹脂粒度對交換速度、水流阻力和反洗有很大影響。

粒度大，交換速度慢，交換容量低；粒度小，水流阻力大。因此，粒度大小要適當分布，要合理。

密度：樹脂密度是設計交換柱、確定反沖洗強度的重要指標，也是影響樹脂分層的主要因素。

3.3.2 化學性能

離子交換反應的可逆性：交換的逆反應即為再生。

酸堿性：H 型陽樹脂和OH 型陰樹脂在水中電離出H 和OH，表現出酸堿性。根據活性基團在水中理解能力的大小，樹脂的酸堿性也有強弱之分。各種樹脂在使用時都有適當的pH 值范圍。

選擇性：優先選擇性是決定離子交換法處理效率的一個重要因素。

3.4 離子交換樹脂的選擇

選擇樹脂時應綜合考慮原水水質、處理要求、交換工藝等因素：第一，應選擇交換容量大的樹脂，單位設備體積交換的離子多，一個交換周期的制水量大。第二，要根據需處理的水中要去除離子的性質來選擇樹脂。當處理無機陽離子或有機堿性物質時，宜選用陽樹脂；分離無機陰離子或有機酸性物質時，宜采用陰樹脂。第三，要考慮原水中雜質成分，若需處理水中有機物較多或要去除的離子半徑大，則宜選用交聯網孔較大的樹脂。第四，要根據交換工藝來選樹脂。如若選用雙室床工藝則宜選用強弱樹脂組合，因為弱樹脂容易再生，并且對再生劑的質量要求比較低，能利用強樹脂再生后的再生液來再生弱樹脂。

3.5 離子交換工藝

離子交換操作可分為靜態法和動態法兩類。動態法效率比靜態法高得多，生產中廣為應用，如連續工作床（見圖1）等。

3.6 水中離子檢測方法

3.6.1 硫酸鹽檢測

（1）硫酸鋇重量法：適用于水中硫酸鹽質量濃度為10 mg/L以上的原水。原理是硫酸鹽和氯化鋇在強酸性溶液中生成白色硫酸鋇沉淀，灼燒至恒重后，根據硫酸鋇的準確重量計算硫酸鹽含量。

（2）硫酸鋇比濁法：適用于水中硫酸鹽質量濃度低于40 mg/L的原水。原理是水中硫酸鹽和鋇離子生成細微的硫酸鋇結晶，使水溶液渾濁，其混濁程度和水中硫酸鹽含量是正比關系。

3.6.2 氯化物檢測

（1）硝酸銀滴定法：適用于水中氯化物質量濃度為10 mg/L以上的原水。原理是硝酸銀與氯化物作用生成氯化銀沉淀，當多余的硝酸銀存在時則與鉻酸鉀指示劑反應生成紅色鉻酸銀沉淀，指示反應達到終點。

（2）硝酸汞滴定法：只可測水中氯化物質量濃度低于10 mg/L的原水。原理是硝酸汞與水中氯化物生成離解度極小的氯化汞，當滴定到達終點時，過量的硝酸汞即與二苯卡巴腙生成紫色絡合物。

4 廢水中氯及硫酸根等離子的處理設計

4.1 設計要求

處理水中陰陽總離子數2 500 mmol/t，其中總陰離子數為600 mmol/t，其余全為陽離子即1 900 mmol/t，pH 值為中性；處理水量200 m3/h；處理后水中陰陽總離子數為500 mmol/t。圖1 連續工作床原理

4.2 選用參數

根據水中離子含量及處理要求筆者選擇以下樹脂：001×7 凝膠型強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，含水量為45％～53％，濕視密度為0.77 g/mL～0.87 g/mL，全交換容量為4.3 mmol/g，適用pH值范圍0～14；201×7 凝膠型強堿性季銨I 型苯乙烯系陰離子交換樹脂，含水量為42％～48％，濕視密度為0.66 g/mL～0.75 g/mL，全交換容量為3.2 mmol/g，適用pH 值范圍為0～14。

4.3 設計方案

工作交換容量一般為全交換容量的60％～70％，取陽離子工作交換容量為1 100 mol/m3、陰離子工作交換容量為860 mol/m3；離子交換柱內液體流速一般為20 m/h～30 m/h，取20 m/h；周期取10 天共240 h。假設并聯5 組設備，每組中3 臺陽離子交換柱、2 臺陰離子交換柱，共5 臺交換柱。

（1）已知條件：Q＝200 m3/h；C0＝2.5 mol/m3；C＝0.5 mol/m3；C 陰＝0.6 mol/m3；C 陽＝1.9 mol/m3,v＝20 m/h；T＝240 h；E 陰＝860 mol/m3；E陽＝1 100 mol/m3。

（2）離子交換設備參數：第一，設備總面積F。F ＝Q/v，因為5臺設備并聯使用，因此一組設備總產水量Q1＝Q/5＝40 m3/h；F＝Q1/v＝40/20＝2 m2。第二，1 臺設備工作面積f。f＝F/n，因為一組中同時工作的為

2 臺陽離子柱和1 臺陰離子柱共3 臺，即：n＝3，則f＝F/n＝2/3＝0.67m2。

第三，設備直徑D。

第四，1 臺設備1 個周期離子交換量Ec。Ec＝Q′C′T，進水中要去除的陰陽離子總量C′＝C0－C＝2.5－0.5＝2 mol/m3。1 組中1 臺陽離子柱的產水量為Q2＝Q1/3；1 臺陰離子柱的產水量為Q3＝Q1/2；1臺陽離子柱交換容量為E＝（40/3）×2×240＝6 400 mol，1 臺陰離子柱交換容量為E′＝（40/2）×2×240＝9 600 mol。

第五，1 臺設備裝填樹脂量VR。VR＝Ec/E0。1 臺設備裝填陽離子樹脂量V 陽＝E/E 陽＝6 400/1 100＝5.82 m3；裝填陰離子樹脂量V陰＝E′/E陰＝900/860＝11.16 m3。第六，交換柱內樹脂層裝填高度hR。hR＝VR/f。1 臺設備陽離子樹脂高度h 陽＝V 陽/f＝5.82/0.67＝8.7 m；陰離子樹脂高度h 陰＝V 陰/f＝11.16/0.67＝16.66 m。

首先核算去除水中陽離子所需樹脂量V。V＝C 陽TQ1/E 陽＝（1.9×40×240）/1 100＝16.6（m3）。因為V＜3V 陽，所以選用3 個陽離子交換柱符合要求。

其次核算去除水中陰離子所需樹脂量V′。V′＝C 陰TQ1/E陰＝（0.6×40×240）/860＝6.7（m3）。因為V′＜2 V 陰，所以選用2 個陰離子交換柱符合要求。

第七，1 臺交換柱的主體高度H。H ＝（1.8～2.0）hR。H 陽＝1.8h 陽＝1.8 ×8.7＝15.66（m），H 陰＝1.8h 陰＝1.8×16.66 ＝29.9（m）。因此，處理原水的離子交換器要求：D＝0.924 m、H 陽＝15.66 m、H 陰＝29.9 m。

因為2V 陽＞V′、V 陰＞V′符合要求使用陰陽離子交換柱，同樣高H 陰＝H 陽＝15.66 m，則V 陽＝V 陰＝5.82 m，h 陽＝h 陰＝ 8.7 m 可以達到要求，因此本次設計的離子交換器為：D＝1 m、H＝16 m 的罐體。

4.4 廢水處理的流程及原理

廢水處理的流程見圖2，廢水處理的原理見圖3。

4.5 結果討論

根據上面計算結果知：1 臺陰離子交換柱內的交換樹脂的體積遠大于去除水中陰離子所需樹脂的體積，即V 陰＝ 11.16 m3＞ V′＝6.7 m3。又因為陰離子交換柱柱體過高，所以去其高度與陽離子交換柱柱體高度相同，即H＝15.66 m。樹脂核算為2×5.82 m3＝11.64 m3＞6.7 m3 符合要求，每組可以用兩個同等高度的陰離子交換柱。即每個工作組里有5 個H＝15.66 m、D＝0.924 m 的離子交換柱。

4.6 結論

本次設計采用的是并聯5 組，每組中有5 個取H＝16 m、D＝1m 的離子交換柱，其中3 個陽離子交換柱，2 個陰離子交換柱；水中陰陽總離子數2 500 mmol/t，其中總陰離子數為600 mmol/t，陽離子1 900 mmol/t，pH 值為中性；對水量是200 m3/h 的原水進行處理，達到處理后水中陰陽總離子數為500 mmol/t 的要求。