6第三章第5节离子交换法

1、第五节 离子交换法3.5.1离子交换法的定义离子交换法是一种借助于离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换反应而除去水中有害离子的方法。3.5.2 离子交换的基本原理阳离子交换树脂大都含有磺酸基（so3h）、羧基（cooh）或苯酚基（c6h4oh）等酸性基团，其中的h+能与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂，其结构式可简单表示为rso3h，式中r代表树脂母体，其交换原理为: 2r 2rsoso3 3h hcaca2 2 （r rsoso3 3）2ca2ca2h2h阴离子交换树脂含有季胺基-n（ch3）3oh、胺基（nh2）或亚胺基

2、（nrh）等碱性基团。它们在水中能生成oh-离子，可与各种阴离子起交换作用，其交换原理为 r rn n（chch3 3）3 3ohohclcl- - r rn n（chch3 3）3 3clclohoh- -1、离子交换：指固体离子交换剂与液体之间的界面上发生的离子交换过程。2、是一种特殊的吸附过程。3、离子交换剂是由分子骨架和交换基团所组成，交换基团在溶液中能电离出能自由移动的可交换离子，可与溶液中相应的其他同类型离子进行离子交换交换反应。4、离子交换反应为平衡可逆反应，反向进行时称为再生反应。3.5.3离子交换动力学离子交换过程分五个阶段：电解质离子由溶液扩散到离子交换剂表面。（膜扩散过程

3、）电解质离子通过离子交换剂和溶液的界面或膜扩散到离子交换剂的结构内部。（孔道扩散过程）被交换离子与交换剂上可交换离子进行离子交换反应。交换后的离子从交换剂内部向外扩散。（孔道扩散过程）交换后的离子扩散到溶液中。（膜扩散过程）3.5.4离子交换剂一、离子交换剂的分类、组成和结构1、根据母体材料不同，可分为： 无机离子交换剂：天然沸石、合成沸石。 有机离子交换剂：磺化煤、离子交换树脂、离子交换纤维等2、根据功能基团化学性质的不同，可分为： 强碱型：cl型、oh型（不受ph值影响） 阴离子交换剂： 弱碱型：（在酸性溶液中有较高的交换容量） 强酸型：h+型、na+型（不受ph值影响） 阳离子交换剂：

4、弱酸型：h+型、na+型（在碱性溶液中有较 高的交换容量） 两性离子交换剂： 螯合型离子交换剂：二、离子交换树脂1、离子交换树脂的分类p 按离子交换树脂物理结构的不同，离子交换树脂分为：a.凝胶型树脂：30埃以下，孔径极小，它只通过直径很小的离子;直径较大的分子通过时容易堵塞孔道而影响树脂的交换能力。b.大孔型树脂：孔径从几十到上万埃，可以使直径较大的分子通行无阻，所以用它去除水中高分子有机物具有良好的效果。缺点：离子交换基团含量相应减少，交换能力比凝胶型树脂低；大孔型树脂的吸附能力强，与交换的离子结合较牢固，不容易充分恢复其交换能力。c.载体型树脂：以球形硅胶或玻璃球等非活性材料作为载体，把

5、它作为中心核，在其表面覆盖离子交换树脂薄层，从而得到载体型离子交换树脂。 p 离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.11mm，依其交换能力特征可分：a. 强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基（so3h），此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。b. 弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（cooh基），此离子交换树脂仅可交换部分阳离子；c. 强碱型阴离子交换树脂：主要是含有较强的反应基，如季胺基n+(ch3)3，在氢氧形式下，n+(ch3)3oh-中的氢氧离子可以迅速释出，以进行交换，强碱型阴离子交换树脂可以和所有的阴离子进行交换去除。d. 弱碱型阴离子交换树脂：

6、具有较弱的反应基如氨基，仅能去除强酸中的阴离子如so42-，cl或no3，对于hco3，co32或sio42则无法去除 2、离子交换树脂的组成 不溶性树脂母体：有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。 活性基团：由起交换作用的离子与树脂母体联结的固定离子组成。交联度：交联剂与单体的重量比。3、离子交换树脂的物理性能 外观： 颜色。离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，依其组成的不同，呈现的颜色也各异，苯乙烯系均呈黄色，其他也有黑色及赤褐色的。 形状。离子交换树脂一般均呈球形。树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率，称为圆球率。对于交换柱水处理工艺来说，圆球率愈大愈好，它一般应达90%以上。 粒度：树

7、脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。颗粒大，交换速度就慢；颗粒小，水通过树脂层的压力损失就大。如果各个颗粒的大小相差很大，则对水处理的工艺过程是不利的。这首先是因为小颗粒堵塞了大颗粒间的孔隙，水流不匀和阻力增大；其次，在反洗时流速过大会冲走小颗粒树脂，而流速过小，又不能松动大颗粒。用于水处理的树脂颗粒粒径一般为0.1mm。 密度 ：（1）干真密度：即在干燥状态下树脂本身的密度 ；（2）湿真密度：是指树脂在水中经过充分膨胀后，树脂颗粒的密度： （3）湿视密度. 是指树脂在水中充分膨胀后的堆积密度，湿视密度用来计算交换器中装载时所需湿树脂的质量。 含水率：指在水中充分膨胀的湿树脂中所含水分

8、的百分数。树脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交联度愈小。 溶胀性：当将干的离子交换树脂浸入水中时,其体积常常要变大,这种现象称为溶胀。一般，强酸性阳离子交换树脂由na转变成h型，强碱性阴离子交换树脂由cl型转变成oh型，其体积均增加约5%。由于离子交换树脂具有这样的性能，因而在其交换和再生的过程中会发生胀缩现象，多次的胀缩就容易促使树脂颗粒碎裂。 机械强度：树脂应具备足够的强度，保证每年树脂的损耗量不超过3%-7%。 耐热性：通常控制树脂的贮藏和使用温度在540oc。 孔结构：树脂的交换容量、交换速度等性能均与孔结构有关。4、离子交换树脂的化学性能 离子交换反应的可逆性 离子交换反应是可逆

9、的，例如当以有硬度的水通过h型离子交换树脂时，其反就如下式： 2rh ca2 r2ca 2h当反应进行到失效后，为了恢复离子交换树脂的交换能力，就可以利用离子交换反应的可逆性，用硫酸或盐酸溶液通过此失效的离子交换树脂，以恢复其交换能力，其反应如下： r2ca 2h 2rh ca2这两种反应，实质上就是可逆反应式化学平衡的移动。当水中ca2和h型离子交换树脂多时，反应正向进行，反之，则逆向进行。 2rh ca2 r2ca 2h 离子交换反应的可逆性，是离子交换树脂可以反复使用的重要性质。 酸、碱性 h 型阳离子交换树脂和oh型阴离子交换树脂的性能与电解质酸、碱相同，在水中有电离出h和oh的能力。

10、因此，根据此能力的大小可以有强弱之分。 强酸性h 型（或强碱性oh型）交换树脂在水中电离出h（或oh-）的能力较大，所以它很容易和水中其他各种阳离子（或阴离子）进行交换反应，故强酸性阳离子（或强碱性阴离子）树脂的交换能力不受溶液ph值影响； 弱酸性h 型（或弱碱性oh型）交换树脂在水中电离出的h （或oh-）能力较小，故只能在碱性（或酸性）溶液中才有较高的交换能力。 选择性 离子交换树脂吸着各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸着，但吸着后要把它置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。选择性会影响到离子交换树脂的交换和再生过程。 影

11、响离子交换树脂选择性的因素很多，例如交换离子的种类、树脂的本质、溶液的浓度等。离子交换的选择性实际上是离子交换平衡的一种表现。选择规律：一般情况，离子交换树脂优先交换那些化合价数高的一般情况，离子交换树脂优先交换那些化合价数高的离子，在同价离子中优先交换原子序数大的离子。离子，在同价离子中优先交换原子序数大的离子。如：强酸性阳离子交换树脂：fe3+ al3+ ca2+ mg2+ k+ na+ h+弱酸性阳离子交换树脂： h+ fe3+ al3+ ca2+ mg2+ k+ na+强碱性阴离子交换树脂： so42- no3- cl- oh- f- hco3- hsio3- 弱碱性阴离子交换树脂： oh- so42- no3- cl- hco3- hsio3- 交换容量：离子交换树脂的交换容量表示其可交换离子量的多少。（1）总交换容量：此指标表示离子交换树脂中所有活性基团的总量，即将树脂中所有活性基团全部再生成某种可交换的离子，然后测定其全部交换下来的量。对于同一种离子交换树脂来说，它是常数。市售的商品树脂所标的交换容量是总交换容量。 （2）工作交换容量：指在给定的条件下树脂的实际交换容量。（3）再生交换容量 三、离子交换纤维（略）四、离子交换速率1、交换速率（即动力学反应速度）：指离子交换反应达到平衡的快慢。2、交换速率主要取决于液固两相间的扩散传