第十一章离子交换

1、companylogo第第 十十 一一 章章离离 子子 交交 换换 ion exchange第一节第一节 概述概述一、离子交换法一、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。种特殊吸附现象。 与其它吸附过程相比：与其它吸附过程相比： 主要吸附水中离子态物质；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交换剂上的离子和水中离子进行“等当量等当量”的交的交换。换。第一节第一节 概述概述二、发展二、发展18051805年英国科学家发现了土壤中年英国科学家发现了土壤中caca2+2+和和nhnh4 4+ +的交换的交换现象

2、；现象；18761876年年lemberg lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系；计量关系；19351935年人工合成了离子交换树脂；年人工合成了离子交换树脂；19401940年应用于工业生产；年应用于工业生产；19511951年我国开始合成树脂。年我国开始合成树脂。第一节第一节 概述概述 (一一) 给水处理给水处理 硬水软化、脱盐。硬水软化、脱盐。 纯水、高纯水的制备。纯水、高纯水的制备。 (二二) 废水处理废水处理 废水中金属离子废水中金属离子：zn2+、cu2+、cr6+ 、cr3+ (三三) 工业生产工业生产 产品的提纯产品的提纯 三、应用三

3、、应用第一节第一节 概述概述 1 去除率高，净化效果好；去除率高，净化效果好； 2 可做到污染物的回收利用；可做到污染物的回收利用； 3 对废水的预处理要求较高；对废水的预处理要求较高； 4 树脂再生液需要进一步处置树脂再生液需要进一步处置。四、特点四、特点第二节第二节 离子交换树脂离子交换树脂 固体球形颗粒，多孔网状固体球形颗粒，多孔网状结构；不溶于水；具有离子交换结构；不溶于水；具有离子交换特性的有机高分子聚电解质。特性的有机高分子聚电解质。一、离子交换树脂一、离子交换树脂 (一) 组成 离子交离子交换树脂换树脂母体母体(骨架骨架)活性基团活性基团固固 定定 离离 子子可交换离子可交换离子

4、苯乙烯苯乙烯( (单体单体) )+ +二乙烯苯二乙烯苯( (交联剂交联剂) )母体母体共聚共聚h2so4功功能能基基反反应应r so3 h固定离子固定离子 可交换离子可交换离子母体母体第二节第二节 离子交换树脂离子交换树脂 (二) 树脂分类按选择性按结构离子交离子交换树脂换树脂凝胶型凝胶型等孔型等孔型孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。大孔型大孔型离子交离子交换树脂换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子

5、交换树脂阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂 rnh3oh强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂 r noh弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂 rcooh强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂 rso3h二、树脂的特性二、树脂的特性第二节第二节 离子交换树脂离子交换树脂 (一) 外观u 形状：透明或半透明的球状珠体。形状：透明或半透明的球状珠体。u 颜色：白、浅黄、赤褐色。颜色：白、浅黄、赤褐色。 (二) 含水率 树脂孔隙内所含的水分，一般在树脂孔隙内所含的水分，一般在40%69%。u与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，含

6、水率高。含水率高。 (三) 密度u 干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。u 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。u 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密视密度度) 。 单位均为单位均为mg/l.第二节第二节 离子交换树脂离子交换树脂 (四) 交联度 交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%10%。u 交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的离子和水

7、合离子扩散速度越低，交换量越小。离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。u 在水中浸泡，形变小，较稳定。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：吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：u溶胀的原因溶胀的原因 水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；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。活性基团离解形成水合离子。u 影响因素影响因素 树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。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；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。可交换离子：水合

8、半径越大，溶胀率越高。%100前前后溶胀率vvv第二节第二节 离子交换树脂离子交换树脂第二节第二节 离子交换树脂离子交换树脂 (六) 交换容量 单位体积湿树脂单位体积湿树脂(容量表示法容量表示法)或单位重量干树脂或单位重量干树脂(重量表示重量表示法法)可发生交换的活性基团数量。可发生交换的活性基团数量。 容量表示法容量表示法 ev ：mmol/ml、mol/l。 重量表示法重量表示法 ew ：mmol/g、mol/kg。 ev = ew 湿比重湿比重(1-含水率含水率) 全交换容量：全交换容量： 单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数。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：工作

9、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。达到的平均交换容量。第二节第二节 离子交换树脂离子交换树脂三、树脂的选择三、树脂的选择 根据处理对象选择对应类型的树脂。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，如注意离子在水中的存在状态，如cr6+ 在废水中的在废水中的存在形式为存在形式为 cro42- 或或 cr2o72-。 第三节第三节 离子交换原理离子交换原理一、离子交换反应一、离子交换反应 b(ra)a+abb+ a(rb)b+baa+ 特点：特点： 符合质量作用定律符合质量作用定律;

10、 等当量进行的同性离子的互换反应等当量进行的同性离子的互换反应; 具有饱和性具有饱和性; 树脂母体和固定离子不发生变化。树脂母体和固定离子不发生变化。第三节第三节 离子交换原理离子交换原理二、离子交换平衡二、离子交换平衡 b(ra)a+abb+ a(rb)b+baa+/)()()()(kbarabrabbabaab/kbfarfafbrfabbbaarbaaabbr有：有：式中：式中：f 为为活度活度系数。系数。三、离子交换选择性三、离子交换选择性/kbfarfafbrfabbbaarbaaabbr平衡吸着率平衡吸着率baabbaababkarbr设：fr-b/fr-a=c； f a/fb=1

11、选择性系数选择性系数 k/c=k 第三节第三节 离子交换原理离子交换原理baabbaababkarbrabkarbra=b=1q 为树脂的全交换容量；为树脂的全交换容量；q 为为b 在离子交换树脂上平衡交换量；在离子交换树脂上平衡交换量；c0、c 为水中为水中b离子的初始和平衡浓度。离子的初始和平衡浓度。0011cccckqqqqqqc0c200.2k=150第三节第三节 离子交换原理离子交换原理 影响离子交换的选择性影响离子交换的选择性 1 在常温、稀溶液中在常温、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。离子价数越高，与固定离子的静电引力越大，越优先交换。 cr3+ca

12、2+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。土元素相反。 2 在高浓度的溶液中在高浓度的溶液中 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。减小，与固定离子的静电引力越小。第三节第三节 离子交换原理离子交换原理 3 树脂的结构和性质树脂的结构和性质 树脂的交联度：交联度越高，选择性增加树脂的交联度：

13、交联度越高，选择性增加 强酸强酸(碱碱)、弱酸碱树脂的交换、弱酸碱树脂的交换 4 溶液的温度和溶液的温度和ph 温度升高，温度升高，k值增大，离子和固定基团交换势增大。值增大，离子和固定基团交换势增大。 ph值：值： 影响某些离子的存在状态，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。影响弱酸、碱树脂固定基团的电离。第三节第三节 离子交换原理离子交换原理树脂颗粒水膜bb(1)(2)(3)(a)(4)(5)(6)a外外 扩扩 散散薄膜扩散薄膜扩散内内 扩扩 散散三、交换动力学简述三、交换动力学简述 (一一) 交换过程交换过程第三节第三节

14、 离子交换原理离子交换原理 (二二) 影响交换速度的因素影响交换速度的因素 1 薄膜扩散薄膜扩散 离子浓度离子浓度 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。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 水流速度增加，水膜变薄，薄膜扩散加快。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的大小 树脂颗粒小，比表面积增加，利于薄膜扩散。树脂颗粒小，比表面积增加，利于薄膜扩散。第三节第三节 离子交换原理离子交换原理 2 内扩散内扩散 离子电荷离子电荷 离

15、子电荷越大，扩散系数越小，不利于内扩散。离子电荷越大，扩散系数越小，不利于内扩散。 树脂交联度树脂交联度 交联度越低，树脂网孔越大，有利于离子的内扩散。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，不利于离子的内离子水化程度大，水合离子半径越大，不利于离子的内扩散。扩散。 第四节第四节 离子交换原理离子交换原理第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备二、动态交换二、动态交换 (一一) 装置类型装置类型 固定床系统固定床系统 单床、复床单床、复床 、混合床、混合床 移动床和流化床移动床和流化床一、离子交换操作方式一、离子交换

16、操作方式 静态交换静态交换 动态交换动态交换第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备 (二) 工艺流程及操作过程 工艺流程工艺流程 运行过程运行过程废水预处理交换离子交换离子排放去除影响交换的杂质去除影响交换的杂质:悬浮物、油类、胶悬浮物、油类、胶 体体吸附、过滤吸附、过滤去除阳离子、阴离子去除阳离子、阴离子反洗再生再生交换正洗正洗第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备三、树脂层离子交换规律三、树脂层离子交换规律分层失效原理分层失效原理 (一) 废水中只有一种离子b+ab0tc0abacec保护层交换带进水（c0）出水第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备 (

17、二) 废水中有几种离子b1+、 b2+、 b3+ 且交换能力且交换能力 b1+ b2+ b3+ 离子交换可对废水中不同离子进行分离。离子交换可对废水中不同离子进行分离。进水(b1、b2、b3)出水b2ab1b2b3b3第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备三、树脂的再生三、树脂的再生 (一一) 再生的目的再生的目的 恢复树脂的交换能力恢复树脂的交换能力 回收有用物质回收有用物质 (二二) 再生原理再生原理baabbaababkarbr b(ra)a+abb+ a(rb)b+baa+第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备 (二二) 影响再生的因素影响再生的因素 再生剂再生

18、剂u再生剂的种类再生剂的种类 h型阳树脂：再生剂型阳树脂：再生剂hcl 或或h2so4，hcl 优于优于h2so4。 oh型阴树脂：再生剂型阴树脂：再生剂na2co3或或naoh。u 再生剂的浓度再生剂的浓度 hcl 510% naoh 1012%、48%u再生剂用量再生剂用量 1.23.0倍树脂体积。倍树脂体积。第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备 再生方式再生方式u 顺流再生顺流再生 优点：优点： 工艺简单；工艺简单； 操作方便、可靠。操作方便、可靠。 缺点：缺点： 有重复交换现象，再生有重复交换现象，再生剂用量高；剂用量高； 工作交换容量低。工作交换容量低。顺流再生ab再生

19、液再生剂（a）ab进水出水 再生方式再生方式u 逆顺流再生逆顺流再生 优点：优点： 避免重复交换；再生剂用量少。避免重复交换；再生剂用量少。 树脂底层再生干净，工作树脂底层再生干净，工作 交换容量较高。交换容量较高。 缺点：缺点： 设备较复杂。设备较复杂。 要求控制技术高。要求控制技术高。 ba逆流再生再生液再生剂（a）第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备四、离子交换设计四、离子交换设计 (一一) 根据废水水质和处理根据废水水质和处理 要求，选择离子交换剂。要求，选择离子交换剂。 (二二) 选择合适的再生剂，估算其用量。选择合适的再生剂，估算其用量。 (三三) 根据去除对象确定工

20、艺流程及工艺参数。根据去除对象确定工艺流程及工艺参数。 1 工艺流程的确定工艺流程的确定 2 主要工艺参数主要工艺参数 交换速度交换速度 1535m/h； 反冲速度反冲速度 15m/h 再生剂流速再生剂流速 1015m/h 再生效率再生效率 80%第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备 (四四) 离子交换柱尺寸确定离子交换柱尺寸确定 1 离子交换柱高度离子交换柱高度h h = h1+h2+h3 h1树脂层高度；树脂层高度； h2树脂层以上高度，膨胀率树脂层以上高度，膨胀率4080%； h3 底部配水区高度底部配水区高度(0.4m) 2 交换柱内径交换柱内径d 式中：式中：q处理水量

21、；处理水量； (d3m) n并联台数；并联台数； u 交换速度。交换速度。unqd4第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备 (五五) 树脂用量确定树脂用量确定 tq(c0c) = n e工工 f h1 v= ( n n) f h1 式中：式中： t 有效工作时间；有效工作时间； q 水量；水量； c0、c 进、出水浓度；进、出水浓度； e工工工作交换容量；工作交换容量； f 交换柱截面积；交换柱截面积； v 树脂体积；树脂体积； n 备用台数。备用台数。 第四节第四节 离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备第五节第五节 应用应用二二 水的软化和除盐水的软化和除盐 (一一) 水质软化水

22、质软化 1 na离子交换软化系统离子交换软化系统 2 rna+ca (hco3)2=r2ca+ 2nahco3 2rna+caso4= r2ca + na2so4 2 rna+mgcl2 = r2mg + 2nacl2第五节第五节 应用应用 2 强酸性强酸性h离子交换脱碱软化系统离子交换脱碱软化系统 2 rh+ca (hco3)2= r2ca+ 2co2+2h2o 2 rh+cacl2 = r2ca + 2hcl 2 rh+nacl = rna + 2hcl 生成的生成的co2用用co2去除装置去除装置去除，去除，hcl加碱中和。加碱中和。第五节第五节 应用应用 (二二) 水的除盐水的除盐 工

23、艺流程：工艺流程： 强酸强酸rh+脱除脱除co2+强碱强碱roh第五节第五节 应用应用三三 离子交换处理工业废水离子交换处理工业废水 (一一) 处理废水注意的问题处理废水注意的问题u 预处理预处理 悬浮物或油类浓度大于悬浮物或油类浓度大于510mg/l时，时，采用过滤或吸附法。采用过滤或吸附法。u 有机污染和重金属污染有机污染和重金属污染 采用大孔树脂；再生时采用大孔树脂；再生时适当加入氧化剂；选用高浓度再生剂。适当加入氧化剂；选用高浓度再生剂。u ph值值 不同性质树脂使用；废水中污染物的存在不同性质树脂使用；废水中污染物的存在状态。状态。u 水温水温 提高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可提

24、高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可引起树脂降解。引起树脂降解。 第五节第五节 应用应用 (二二) 离子交换处理电镀含铬废水离子交换处理电镀含铬废水 1 废水的来源及水质特征废水的来源及水质特征 镀件镀件 酸洗酸洗 清洗清洗 镀槽镀槽 清洗清洗 成品成品 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20150mg/l，存在形式cr2o72-和cro42-。 金属离子cr3+、 fe3+等；阴离子有so42- 、cl-等； ph46。 2 工艺流程及原理工艺流程及原理 废水过滤排放阳柱阴柱作作 用用去除悬浮物、油类。去除悬浮物、油类。作作 用用nrh(cr3+、 fe3+ ) = rn (cr、fe ) nh+ 改善水质