第十一章离子交换.ppt

第十一章离子交换IonExchange 第一节概述 一 离子交换法离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换的一种特殊吸附现象 与其它吸附过程相比 主要吸附水中离子态物质 交换剂上的离子和水中离子进行 等当量 的交换 第一节概述 二 发展 1805年英国科学家发现了土壤中Ca2 和NH4 的交换现象 1876年Lemberg揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系 1935年人工合成了离子交换树脂 1940年应用于工业生产 1951年我国开始合成树脂 第一节概述 一 给水处理硬水软化 脱盐 纯水 高纯水的制备 二 废水处理废水中金属离子 Zn2 Cu2 Cr6 Cr3 三 工业生产产品的提纯 三 应用 第一节概述 1去除率高 净化效果好 2可做到污染物的回收利用 3对废水的预处理要求较高 4树脂再生液需要进一步处置 四 特点 第二节离子交换树脂 固体球形颗粒 多孔网状结构 不溶于水 具有离子交换特性的有机高分子聚电解质 一 离子交换树脂 一 组成 第二节离子交换树脂 二 树脂分类按选择性 按结构 二 树脂的特性 第二节离子交换树脂 一 外观形状 透明或半透明的球状珠体 颜色 白 浅黄 赤褐色 二 含水率树脂孔隙内所含的水分 一般在40 69 与树脂的胶联度有关 交联度低 空隙率高 含水率高 三 密度干真密度 干燥状态下 树脂材料本身具有的密度 湿真密度 在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度 表观密度 树脂在水中充分溶胀后的堆积密度 视密度 单位均为mg L 第二节离子交换树脂 四 交联度交联度为树脂合成时交联剂的用量 一般为7 10 交联度越高 孔隙度越低 密度越大 对半径较大的离子和水合离子扩散速度越低 交换量越小 在水中浸泡 形变小 较稳定 五 溶胀性吸水后体积增大的现象 溶胀程度用溶胀率表示 溶胀的原因水扩散到树脂交联网孔发生溶胀 活性基团离解形成水合离子 影响因素树脂交联度 交联度越大 溶胀率越低 活性基团 离解程度越大 溶胀率越大 可交换离子 水合半径越大 溶胀率越高 第二节离子交换树脂 第二节离子交换树脂 六 交换容量单位体积湿树脂 容量表示法 或单位重量干树脂 重量表示法 可发生交换的活性基团数量 容量表示法EV mmol ml mol l 重量表示法EW mmol g mol kg EV EW 湿比重 1 含水率 全交换容量 单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数 工作交换容量 在动态工作条件下 当出水水质达到交换终点时 树脂层达到的平均交换容量 第二节离子交换树脂 三 树脂的选择 根据处理对象选择对应类型的树脂 注意离子在水中的存在状态 如Cr6 在废水中的存在形式为CrO42 或Cr2O72 第三节离子交换原理 一 离子交换反应 b R A a aBb a R B b bAa 特点 符合质量作用定律 等当量进行的同性离子的互换反应 具有饱和性 树脂母体和固定离子不发生变化 第三节离子交换原理 二 离子交换平衡 b R A a aBb a R B b bAa 有 式中 f为活度系数 三 离子交换选择性 平衡吸着率 选择性系数K C K 第三节离子交换原理 第三节离子交换原理 影响离子交换的选择性1在常温 稀溶液中离子价数越高 与固定离子的静电引力越大 越优先交换 Cr3 Ca2 Na PO43 SO42 Cl 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 2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 第三节离子交换原理 3树脂的结构和性质树脂的交联度 交联度越高 选择性增加强酸 碱 弱酸碱树脂的交换4溶液的温度和pH温度升高 K值增大 离子和固定基团交换势增大 pH值 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 第三节离子交换原理 树脂颗粒 水膜 B B 1 2 3 A 4 5 6 A 外扩散 薄膜扩散 内扩散 三 交换动力学简述 一 交换过程 第三节离子交换原理 二 影响交换速度的因素1薄膜扩散离子浓度溶液离子浓度低 树脂交换容量大时 薄膜扩散受阻 溶液离子浓度过高 树脂易发生收缩现象 内扩散受阻 水流速度水流速度增加 水膜变薄 薄膜扩散加快 树脂颗粒的大小树脂颗粒小 比表面积增加 利于薄膜扩散 第三节离子交换原理 2内扩散离子电荷离子电荷越大 扩散系数越小 不利于内扩散 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 离子的水化度离子水化程度大 水合离子半径越大 不利于离子的内扩散 第四节离子交换原理 第四节离子交换工艺及设备 二 动态交换 一 装置类型固定床系统单床 复床 混合床移动床和流化床 一 离子交换操作方式静态交换动态交换 第四节离子交换工艺及设备 二 工艺流程及操作过程工艺流程 运行过程 去除阳离子 阴离子 第四节离子交换工艺及设备 三 树脂层离子交换规律 分层失效原理 一 废水中只有一种离子B 第四节离子交换工艺及设备 二 废水中有几种离子B1 B2 B3 且交换能力B1 B2 B3 离子交换可对废水中不同离子进行分离 第四节离子交换工艺及设备 二 再生原理 b R A a aBb a R B b bAa 第四节离子交换工艺及设备 二 影响再生的因素 再生剂再生剂的种类H型阳树脂 再生剂HCl或H2SO4 HCl优于H2SO4 OH型阴树脂 再生剂Na2CO3或NaOH 再生剂的浓度HCl5 10 NaOH10 12 4 8 再生剂用量1 2 3 0倍树脂体积 第四节离子交换工艺及设备 再生方式顺流再生优点 工艺简单 操作方便 可靠 缺点 有重复交换现象 再生剂用量高 工作交换容量低 再生方式逆顺流再生优点 避免重复交换 再生剂用量少 树脂底层再生干净 工作交换容量较高 缺点 设备较复杂 要求控制技术高 第四节离子交换工艺及设备 四 离子交换设计 一 根据废水水质和处理要求 选择离子交换剂 二 选择合适的再生剂 估算其用量 三 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2主要工艺参数交换速度15 35m h 反冲速度15m h再生剂流速10 15m h再生效率 80 第四节离子交换工艺及设备 四 离子交换柱尺寸确定1离子交换柱高度HH H1 H2 H3H1 树脂层高度 H2 树脂层以上高度 膨胀率40 80 H3 底部配水区高度 0 4m 2交换柱内径D式中 Q 处理水量 D 3m n 并联台数 u 交换速度 第四节离子交换工艺及设备 五 树脂用量确定TQ C0 C nE工f H1V n n f H1式中 T 有效工作时间 Q 水量 C0 C 进 出水浓度 E工 工作交换容量 f 交换柱截面积 V 树脂体积 n 备用台数 第四节离子交换工艺及设备 第五节应用 二水的软化和除盐 一 水质软化1Na离子交换软化系统2R Na Ca HCO3 2 R2 Ca 2NaHCO32R Na CaSO4 R2 Ca Na2SO42R Na MgCl2 R2 Mg 2NaCl2 第五节应用 2强酸性H离子交换脱碱软化系统2R H Ca HCO3 2 R2 Ca 2CO2 2H2O2R H CaCl2 R2 Ca 2HCl2R H NaCl R Na 2HCl生成的CO2用CO2去除装置去除 HCl加碱中和 第五节应用 二 水的除盐 工艺流程 强酸RH 脱除CO2 强碱ROH 第五节应用 三离子交换处理工业废水 一 处理废水注意的问题预处理悬浮物或油类浓度大于5 10mg L时 采用过滤或吸附法 有机污染和重金属污染采用大孔树脂 再生时适当加入氧化剂 选用高浓度再生剂 pH值不同性质树脂使用 废水中污染物的存在状态 水温提高离子内扩散和薄膜扩散速度 过高可引起树脂降解 第五节应用 二 离子交换处理电镀含铬废水1废水的来源及水质特征镀件酸洗清洗镀槽清洗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20 150mg L 存在形式Cr2O72 和CrO42 金属离子Cr3 Fe3 等 阴离子有SO42 Cl 等 pH4 6 2工艺流程及原理 第五节应用 3再生阳柱Rn Cr Fe nH nRH Cr3 Fe3 阴柱Rn Cr2O7 CrO4 SO4 Cl nOH nROH Cr2O72 CrO42 SO42 Cl 3铬回收饱和后阴柱再生液为Na2CrO4设一阳离子交换柱 2RH Na2CrO4 H2CrO4 2RNa 习题 1 什么是树脂的交换容量 影响树脂工作交换容量的因素有哪些 2 离子交换速度有什么实际意义 影响离子交换速度的