第13章離子交換

離子交換法是一種借助于離子交換劑上的離子和水中的離子進行交換反應(yīng)而除去水中有害離子的方法。工業(yè)用水處理——制取軟水和純水工業(yè)廢水處理——回收貴重金屬離子采用離子交換法，具有去除率高，可濃縮回收有用物質(zhì)，設(shè)備簡單，操作控制容易等優(yōu)點。缺點是對預(yù)處理要求較高，應(yīng)用范圍受離子交換劑的限制等。13.1水的軟化和除鹽

一、水中主要的溶解雜質(zhì)1、總含鹽量水中所含各種溶解性礦物鹽類的總量稱為總含鹽量，也稱總礦化度?？偤}量=∑陽離子+∑陰離子2、硬度水中硬度是由于能與肥皂作用生成沉淀或與水中某些陰離子化合生成水垢的兩價金屬離子的存在而產(chǎn)生的。重要的致硬金屬離子是鈣離子和鎂離子。3、堿度天然水中所有能與強酸發(fā)生中和作用的物質(zhì)所接受的“物質(zhì)的兩”的總和稱為水的堿度。引起堿度的重要的物質(zhì)有：CO32-（碳酸鹽硬度）、HCO32-（重碳酸鹽硬度）

、OH-（氫氧化物硬度）許多工業(yè)用水對水的硬度、堿度和含鹽量有一定要求。降低水中Ca2+、Mg2+離子含量叫軟化。降低水中含鹽量的處理叫除鹽。13.1水的軟化和除鹽

二、軟化的基本方法加熱軟化法藥劑軟化法離子交換法三、除鹽的基本方法蒸餾法、電滲析法、反滲透法、離子交換法等13.2離子交換法

離子交換的實質(zhì)是不溶性離子化合物（離子交換劑）上的可交換離子與溶液中的其他同性離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過程，是一種可逆的化學(xué)吸附。

RH+M+RM+H+

交換樹脂交換離子飽和樹脂一、離子交換劑1、離子交換樹脂的組成和結(jié)構(gòu)交換樹脂樹脂本體（母體）活性基團有機化合物交聯(lián)劑固定離子活動離子高分子共聚物

根據(jù)組成母體的單體材料不同，樹脂分為苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系等。制備離子交換樹脂的方法有兩種：（1）先聚合單體有機物，然后再聚合物上接入活性基團。該法制備離子交換樹脂可以靈活選擇活性基團，不受單體性質(zhì)限制，且易于控制交聯(lián)度。

磺酸型陽離子交換樹脂將白球氯甲基化和胺化，得到陰離子交換樹脂。將白球用硫酸磺化，得到陰離子交換樹脂。13.2離子交換法13.2離子交換法

（2）直接聚合有機電解質(zhì)該法制備的樹脂質(zhì)量均勻。如甲基丙烯酸和二乙烯苯共聚而成羧酸型弱酸性陽樹脂。13.2離子交換法

根據(jù)交換樹脂活性基團的酸堿性及其強弱，分為交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂強酸型陽離子交換樹脂RSO3H弱酸型陽離子交換樹脂RCOOH強堿型陰離子交換樹脂RNOH弱堿型陰離子交換樹脂RNHOHRNH2OHRNH3OH交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂氫型鈉型氯型氫氧型鹽型13.2離子交換法

13.2離子交換法

2、離子交換樹脂的性能A、物理性能（1）密度濕真密度=濕樹脂重/濕樹脂顆粒體積（g/mL）濕真密度是樹脂在水中充分溶解后的質(zhì)量與真體積（不包括顆?？紫扼w積）之比。其值一般為10.4~1.3g/mL。一般陽樹脂>陰樹脂，強型的>弱型的。對交換器反洗強度的確定、混合床樹脂的選擇等具有重要意義。濕視密度=濕樹脂重/濕樹脂堆積體積（g/mL）濕視密度是樹脂在水中溶解后的質(zhì)量與堆積體積之比。此值一般為0.60~0.85g/mL。在設(shè)計交換器時，用它來計算樹脂的用量。（2）含水率含水率=溶脹水重/（干樹脂重+溶脹水重）含水率是指在水中充分溶脹的濕樹脂所含溶脹水重占濕樹脂重的百分數(shù)。樹脂的含水率取決于樹脂的交聯(lián)度、交換基團的類型和數(shù)量等。其值一般在50%左右。13.2離子交換法

（3）溶脹性溶脹率=溶脹前后體積差/溶脹前體積

樹脂的交聯(lián)度越小，活性基團數(shù)量越多，越易離解，可交換離子水合半徑越大，其溶脹率越大。水中電解質(zhì)濃度越高，由于滲透壓增大，其溶脹率越小。根據(jù)可交換離子水合半徑的大小，對強型樹脂，其溶脹率大小順序為：H+>Na+>NH4+>K+>Ag+

OH->HCO3-≈

CO32->SO42->Cl-

因離子的水合半徑不同，在樹脂使用和轉(zhuǎn)型時常伴隨體積變化，即脹縮現(xiàn)象。（4）機械強度樹脂在使用中由于受到?jīng)_擊、碰撞、摩擦以及脹縮作用，會發(fā)生破碎。樹脂的機械強度應(yīng)保證每年損耗量不超過3%~7%。交聯(lián)度越大，溶脹率越小，機械強度越高。（5）耐熱性5~40℃（6）孔結(jié)構(gòu)孔徑，孔容，比表面積，交換容量13.2離子交換法

B、化學(xué)性能（1）酸堿性

強酸或強堿型樹脂在水中離解度大，受pH值的影響??；弱酸或弱堿性樹脂在水中離解度小，受pH值的影響大。（2）選擇性離子交換樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為離子交換選擇性。本質(zhì)上取決于交換離子與活性基團中固定離子的親合力。選擇性大小用選擇性系數(shù)來表征。若KAB>1，樹脂對B有選擇性

KAB<1，樹脂對A有選擇性

KAB=1，樹脂對任一離子均無選擇性13.2離子交換法

在常溫和稀溶液中，選擇性系數(shù)大小遵循下列規(guī)律：離子價數(shù)越高，選擇性越好。原子序數(shù)越大，即離子水合半徑約小，選擇性越好。

Fe3+>Al3+>Ca2+>…

>Na+>H+>Li+SO42+>NO3->Cl->OH->F->HCO3->HSiO3-（3）交換容量定量表示樹脂的交換容量體積表示法EV：單位體積濕樹脂的交換能力，mmol/ml濕樹脂重量表示法EW：單位重量干樹脂的交換能力，mmol/g干樹脂總交換容量：活性基團的總數(shù)工作交換容量：樹脂在給定的工作條件下實際所發(fā)揮的交換能力。一般是總交換容量的60%~70%。13.2離子交換法

二、離子交換平衡RA+B+RB+A+

q0c000q0—qBcBqBc0—cB對等價離子，有

KAB=qB(C0-cB)/(q0-qB)cB或qB/q0——樹脂的失效度cB/c0——溶液中離子殘留率13.2離子交換法

三、離子交換速度單位時間單位體積樹脂內(nèi)擴散的離子量為S——單位體積樹脂的表面積ф——樹脂顆粒有效直徑ε——孔隙率13.2離子交換法

三、離子交換速度影響離子交換擴散速度的因素：樹脂的交聯(lián)度——孔隙度——內(nèi)擴散樹脂顆?！獌?nèi)擴散距離和液膜擴散的表面積——擴散速度溶液離子濃度：c0>0.1M，整個交換速度偏向受內(nèi)孔擴散控制

C0<0.003M，過程偏向受膜擴散控制提高溫度和增強攪動都有利于離子擴散。

四、離子交換系統(tǒng)（一）離子交換軟化系統(tǒng)1、Na離子交換軟化系統(tǒng)Ca2+、Mg2+Na2+

系統(tǒng)堿度基本不變。一級Na離子交換一般可將水中硬度降低到0.5mmol/L，可作低壓鍋爐的補給水；二級Na離子交換可將水中硬度降低到0.005mmol/L，可作中、高壓鍋爐的補給水。

13.2離子交換法2、離子交換脫堿軟化系統(tǒng)采用H-Na離子器聯(lián)合處理工藝

部分原水經(jīng)過Na離子交換器，適合原水堿度比較高的場合。

13.2離子交換法

全部原水經(jīng)過Na離子交換器，適合原水硬度比較高的