第八章離子交換第一節(jié)離子交換劑第二節(jié)離子交換基本原理第三節(jié)離子交換工藝第四節(jié)離子交換設(shè)備及計(jì)算第1頁，共25頁。第一節(jié)離子交換劑離子交換劑的分類、組成及結(jié)構(gòu)1、分類按母體材質(zhì)分為：無機(jī)和有機(jī)兩大類。按其他分類第2頁，共25頁。2、組成和結(jié)構(gòu)離子交換樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為不溶性樹脂母體和活性基團(tuán)兩部分。樹脂母體為有機(jī)化化合物和交聯(lián)劑組成的高分子共聚物。交聯(lián)劑的作用是使樹脂母體形成主體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)劑與單體的重量比的百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度?；钚曰鶊F(tuán)由起交換作用的離子和與樹脂母體聯(lián)結(jié)的固定離子組成。第3頁，共25頁。離子交換樹脂的命名和型號(hào)1、命名2、型號(hào)離子交換產(chǎn)品的型號(hào)以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類，第二位數(shù)字代表骨架的差異，第三位數(shù)字為順序號(hào)用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異。第4頁，共25頁。A——交換器截面積，m2；底部排水裝置：收集出水和分配反洗水式（8-4）適用于各種離子之間的交換。若以qB/q0為縱坐標(biāo)，以cB/c0為橫坐標(biāo)，作圖可得某一K值下的等價(jià)離子交換理論等溫平衡線。交聯(lián)劑的作用是使樹脂母體形成主體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。一般交換反應(yīng)的平衡關(guān)系固定床離于交換器包括筒體、進(jìn)水裝置、排水裝置，再生液分布裝置及體外有關(guān)管道和閥門，如圖所示。2mm有效粒徑（d10）0.高,而且能保證出水質(zhì)量；固定床離子交換器的缺點(diǎn)：樹脂不能邊飽和邊再生，樹脂層厚度比交換區(qū)厚度大得多；D——交換器的直徑，m，其值—般小于3m。一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)多極復(fù)床除鹽系統(tǒng)離子交換過程：

①離子從溶液主體向顆粒表面擴(kuò)散，穿過顆粒表面液膜。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三個(gè)過程。第四節(jié)離子交換設(shè)備及計(jì)算離子交換樹脂的性能物理性能1．外觀常用凝膠型離子交換樹脂為透明或半透明的珠體，大孔樹脂為乳白色或不透明珠體。優(yōu)良的樹脂圓球率高，無裂紋，顏色均勻，無雜質(zhì)。2．粒度一般樹脂粒徑0.3～1.2mm有效粒徑（d10）0.36～0.61，均一系數(shù)（d40/d90）為1.22～1.66，均一系數(shù)的含義是篩上體積為40％的篩孔孔徑與篩上體積為90％的篩孔孔徑之比。第5頁，共25頁。不變色D——交換器的直徑，m，其值—般小于3m。圖8-4為用2％NaOH對(duì)交換了Cr6+的強(qiáng)堿性樹脂的再生情況。離子交換樹脂的命名和型號(hào)固定床離于交換器包括筒體、進(jìn)水裝置、排水裝置，再生液分布裝置及體外有關(guān)管道和閥門，如圖所示。樹脂的交換和再生均按等當(dāng)量進(jìn)行。若以qB/q0為縱坐標(biāo)，以cB/c0為橫坐標(biāo)，作圖可得某一K值下的等價(jià)離子交換理論等溫平衡線。排水時(shí)樹脂層下降(稱為落床)，由塔底排出部分已飽和的樹脂，同時(shí)浮球閥自動(dòng)打開，放入等量已再生好的樹脂。加1O％CuSO4(其中含1％H2SO4)5mL，搖1min，放5min交換過程中的攪拌或流速提高，使液膜變薄，能加快液膜擴(kuò)散，但不影響內(nèi)孔擴(kuò)散。多級(jí)陰陽離子交換系統(tǒng)樹脂宜在0～40℃下存放，通常強(qiáng)性樹脂以鹽型保存，弱酸樹脂以氫型保存，弱堿樹脂以游離胺型保存。③目的離子和活性基團(tuán)中的可交換離子發(fā)生交換反應(yīng)。3．密度第6頁，共25頁。4．含水率樹脂的含水率以每克樹脂（在水中充分膨脹）所含水分的百分比（約50%），樹脂的含水率相應(yīng)地反映了樹脂網(wǎng)架中的孔隙率。5．溶脹性干樹脂+水→濕樹脂體積脹大絕對(duì)溶脹度

6.機(jī)械強(qiáng)度7.耐熱性8.孔結(jié)構(gòu)第7頁，共25頁。

化學(xué)性能1.再生：離子交換反應(yīng)的可逆性交換的逆反應(yīng)。2.酸堿性：樹脂在水中電離出H+和OH-,表現(xiàn)出酸堿性。樹脂的酸堿性受pH值影響，各種樹脂在使用時(shí)都有適當(dāng)?shù)膒H值范圍。3.選擇性：樹脂對(duì)水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為選擇性，選擇性大小用選擇性系數(shù)來表征。4.交換容量：表示樹脂的交換能力。通常用EV（mmol/ml濕樹脂）表示，也可用EW（mmol/g干樹脂）表示。EV＝EW×（1-含水量）×濕視視密度第8頁，共25頁。離子交換樹脂的選擇、保存、使用和鑒別樹脂選擇選擇樹脂時(shí)應(yīng)綜合考慮原水水質(zhì)、處理要求、交換工藝以及投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素。樹脂保存樹脂宜在0～40℃下存放，通常強(qiáng)性樹脂以鹽型保存，弱酸樹脂以氫型保存，弱堿樹脂以游離胺型保存。樹脂使用樹脂在使用前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以除去雜質(zhì)。最好分別用水、5％HCl、2％～4％NaOH反復(fù)浸泡清洗兩次，每次4～8h。第9頁，共25頁。表8-2未知樹脂的鑒別操作①取未知樹脂樣品2mL，置于30mL試管中操作②加1NHCl15mL，搖1--2min，重復(fù)2--3次操作③水洗2～3次操作④加1O％CuSO4(其中含1％H2SO4)5mL，搖1min，放5min檢查淺綠色不變色操作⑤加5N氨液2mL，搖1min，水洗加1NNaOH15mL搖1min，水洗，加酚酞，水洗檢查深藍(lán)顏色不變紅色不變色結(jié)果強(qiáng)酸性陽樹脂弱酸性陽樹脂強(qiáng)堿性陰樹脂弱堿性陰樹脂第10頁，共25頁。第二節(jié)離子交換基本原理離子交換平衡

一般交換反應(yīng)的平衡關(guān)系

(8—1)

離子交換反應(yīng)公式

(8—2)第11頁，共25頁。

式（8-4）適用于各種離子之間的交換。當(dāng)ZA=ZB=1時(shí),上式簡化為：(8—5)式中qB/q0稱為樹脂的失效度;cB/c0為溶液中離子殘留率。若以qB/q0為縱坐標(biāo)，以cB/c0為橫坐標(biāo)，作圖可得某一K值下的等價(jià)離子交換理論等溫平衡線。第12頁，共25頁。離子交換速度離子交換過程：

①離子從溶液主體向顆粒表面擴(kuò)散，穿過顆粒表面液膜。

②穿過液膜的離子繼續(xù)在顆粒內(nèi)交聯(lián)網(wǎng)孔中擴(kuò)散，直至達(dá)到某一活性基團(tuán)位置。

③目的離子和活性基團(tuán)中的可交換離子發(fā)生交換反應(yīng)。

④被交換下來的離子沿著與目的離子運(yùn)動(dòng)相反的方向擴(kuò)散，最后被主體水流帶走。上述幾步中，交換反應(yīng)速率與擴(kuò)散相比要快得多。因此總交換速度由擴(kuò)散過程控制。由Fick定律，擴(kuò)散速度可寫成：第13頁，共25頁。第14頁，共25頁。影響離子交換擴(kuò)散速度的因素

1.樹脂的交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，則內(nèi)擴(kuò)散越慢。2.樹脂顆粒越小，由于內(nèi)擴(kuò)散距離縮短和液膜擴(kuò)散的表面積增大，使擴(kuò)散速度越快。3.溶液離子濃度是影響擴(kuò)散速度的重要因素，濃度越大，擴(kuò)散速度越快。4.提高水溫能使離子的動(dòng)能增加，水的粘度減小，液膜變薄，這些都有利于離子擴(kuò)散。5.交換過程中的攪拌或流速提高，使液膜變薄，能加快液膜擴(kuò)散，但不影響內(nèi)孔擴(kuò)散。6.被交換離子的電荷數(shù)和水合離子的半徑越大，內(nèi)孔擴(kuò)散速度越慢。第15頁，共25頁。第三節(jié)離子交換工藝離子交換系統(tǒng)及應(yīng)用離子交換過程1.固定床離子交換器間歇工作過程2.連續(xù)式離子交換器工作工程第16頁，共25頁。離子交換系統(tǒng)及應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需根據(jù)原水水質(zhì)、出水要求、生產(chǎn)能力等來確定合適的離子交換工藝。1.在水的軟化主要使用Na＋離子交換軟化法H＋離子交換軟化法H－Na串聯(lián)及并聯(lián)2.在除鹽中一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)多極復(fù)床除鹽系統(tǒng)混合床除鹽系統(tǒng)3.在處理工業(yè)廢水中多級(jí)陰陽離子交換系統(tǒng)第17頁，共25頁。離子交換過程固定床離子交換器間歇工作過程1.離子交換過程在床層穿透以前，樹脂分屬于飽和區(qū)、交換區(qū)和未用區(qū)，真正工作的只有交換區(qū)內(nèi)樹脂交換區(qū)的厚度取決于所用的樹脂、離子種類和濃度以及工作條件。

第18頁，共25頁。

進(jìn)水初期，進(jìn)水中所用陽離子均交換出H+，生成相當(dāng)量的無機(jī)酸，出水酸度保持定值。運(yùn)行至a點(diǎn)時(shí)，Na+首先穿透，且迅速增加，同時(shí)酸度降低，當(dāng)Na+泄漏量增大到與進(jìn)水中強(qiáng)酸陰離子含量總和相當(dāng)時(shí),出水開始呈現(xiàn)堿性；當(dāng)Na+增加到與進(jìn)水陽離子含量總和相等時(shí)，出水堿度也增加到與進(jìn)水堿度相等。至此，H離子交換結(jié)束，交換器開始進(jìn)行Na+交換，穩(wěn)定運(yùn)行至b點(diǎn)之后，硬度離子開始穿透，出水Na+含量開始下降，最后出水硬度接近進(jìn)水硬度，出水Na+接近進(jìn)水Na+，樹脂層全部飽和。離子交換柱工作過程(f)H型樹脂與水中Ca2+、Mg2+、Na+交換時(shí)水質(zhì)變化第19頁，共25頁。2.再生通過樹脂再生，一方面可恢復(fù)樹胎的交換能力，另一方面可回收有用物質(zhì)。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三個(gè)過程。有時(shí)再生后還需要對(duì)樹脂作轉(zhuǎn)型處理。影響再生效果和處理費(fèi)用的因素如下:1)再生劑種類強(qiáng)酸性陽樹脂用HCl或H2SO4等強(qiáng)酸及NaCl、Na2SO4再生；弱酸性陽樹脂用HCl、H2SO4再生；強(qiáng)堿性陰樹脂用NaOH等強(qiáng)堿及NaCl再生，弱堿性陰樹脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。2)再生劑用量樹脂的交換和再生均按等當(dāng)量進(jìn)行。理論上，再生劑可以恢復(fù)樹脂的交換容量，但實(shí)際上再生劑用量比理論值大得多。

第20頁，共25頁。3)再生方式①順流再生特點(diǎn)：⑴設(shè)備簡單，操作方便，工作可靠；⑵再生劑用量多，再生效率低，出水水質(zhì)較差。②逆流再生特點(diǎn)：⑴再生劑耗量少(比順流法少40％左右)，再生效率高,而且能保證出水質(zhì)量；⑵設(shè)備較復(fù)雜，操作控制較嚴(yán)格。實(shí)驗(yàn)證明，再生劑用量越多，再生效率越高。但當(dāng)再生劑用量增加到一定值后，再生效率隨再生劑用量增長不大。因此再生劑用量過高既不經(jīng)濟(jì)也無必要。圖8-4為用2％NaOH對(duì)交換了Cr6+的強(qiáng)堿性樹脂的再生情況。

第21頁，共25頁。連續(xù)式離子交換器工作過程固定床離子交換器的缺點(diǎn)：樹脂不能邊飽和邊再生，樹脂層厚度比交換區(qū)厚度大得多；再生和沖洗時(shí)必須停止交換。為了克服上述缺陷，發(fā)展了連續(xù)式離子交換設(shè)備，包括移動(dòng)床和流動(dòng)床。

右圖為三塔式移動(dòng)床，由交換塔、再生塔和清洗塔組成。運(yùn)行時(shí)，原水由交換塔下部逆流而上，把整個(gè)樹脂層承托起來并與之交換離子。一段時(shí)間后，當(dāng)出水離子開始穿透時(shí)，停止進(jìn)水，并由塔下排水。排水時(shí)樹脂層下降(稱為落床)，由塔底排出部分已飽和的樹脂，同時(shí)浮球閥自動(dòng)打開，放入等量已再生好的樹脂。第22頁，共25頁。第四節(jié)離子交換設(shè)備及計(jì)算

離子交換設(shè)備工業(yè)離于交換設(shè)備主要有固定床、移動(dòng)床和流動(dòng)床，目前使用最廣泛的是固定床。固定床離于交換器包括筒體、進(jìn)水裝置、排水裝置，再生液分布裝置及體外有關(guān)管道和閥門，如圖所示。

1.筒體：支撐作用2.進(jìn)水裝置：分配進(jìn)水和收集反洗用水3.底部排水裝置：收集出水和分配反洗水第23頁，共25頁。設(shè)計(jì)計(jì)算

離子交換器的設(shè)計(jì)包括選擇離子交換樹脂，確定工藝系統(tǒng)，計(jì)算交換器尺寸大小、再生計(jì)算、阻力核算等。交換器直徑可由交換離子的物料衡算式計(jì)算：由此可推得，

式中Q——廢水流量，m3/h；c0——進(jìn)水中交換離子濃度，eq/m3；T——兩次再生間隔時(shí)間，h；n——交換器個(gè)數(shù)，一般應(yīng)不少于2個(gè)；qW——交換劑時(shí)工作交換容量，eq/m3；H——交換劑床層高，m；A—