离子交换树脂与离子交换原理

1、第一节 离子交换剂离子交换剂的分类、组成及结构离子交换剂的分类、组成及结构1 1、分类、分类v按母体材质分为：无机和有机两大类。按母体材质分为：无机和有机两大类。v按其他分类按其他分类2 2、组成和结构、组成和结构 离子交换树脂的化学结构可分为不溶性树脂母体和活性基离子交换树脂的化学结构可分为不溶性树脂母体和活性基团两部分。树脂母体为有机化化合物和交联剂组成的高分子共团两部分。树脂母体为有机化化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂的作用是使树脂母体形成主体的网状结构。交联聚物。交联剂的作用是使树脂母体形成主体的网状结构。交联剂与单体的重量比的百分数称为交联度。活性基团由起交换作剂与单体的重量

2、比的百分数称为交联度。活性基团由起交换作用的离子和与树脂母体联结的固定离子组成。用的离子和与树脂母体联结的固定离子组成。离子交换树脂的命名和型号离子交换树脂的命名和型号 1 1、命名、命名 2 2、型号、型号 离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。离子交换树脂的性能离子交换树脂的性能物理性能物理性能1 1外观外观 常用凝胶型离子交换树脂为透明或半透明的珠体

3、，大孔常用凝胶型离子交换树脂为透明或半透明的珠体，大孔树脂为乳白色或不透明珠体。优良的树脂圆球率高，无裂纹，树脂为乳白色或不透明珠体。优良的树脂圆球率高，无裂纹，颜色均匀，无杂质。颜色均匀，无杂质。 2 2粒度粒度 一般树脂粒径一般树脂粒径0.30.31.2mm1.2mm有效粒径（有效粒径（d d1010）0.360.360.610.61，均一系数（均一系数（d d4040/d/d9090）为）为1.221.221.661.66，均一系数的含义是筛上，均一系数的含义是筛上体积为体积为4040的筛孔孔径与筛上体积为的筛孔孔径与筛上体积为9090的筛孔孔径之比。的筛孔孔径之比。3 3密度密度 4

4、4含水率含水率 树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约百分比（约50%50%），树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的），树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率。孔隙率。 5 5溶胀性溶胀性 干树脂干树脂+ +水水湿树脂湿树脂 体积胀大体积胀大 绝对溶胀度绝对溶胀度 6. 6. 机械强度机械强度 7. 7. 耐热性耐热性 8. 8. 孔结构孔结构 化学性能化学性能 1.1.再生：离子交换反应的可逆性交换的逆反应。再生：离子交换反应的可逆性交换的逆反应。 2.2.酸碱性：树脂在水中电离出酸碱性：树脂在水中电离出H H+ +

5、和和OHOH- -, ,表现出酸碱性。树表现出酸碱性。树 脂的酸碱性受脂的酸碱性受pHpH值影响，各种树脂在使用时都有适当值影响，各种树脂在使用时都有适当 的的pHpH值范围。值范围。 3.3.选择性：树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为选择性：树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为 选择性，选择性大小用选择性系数来表征。选择性，选择性大小用选择性系数来表征。 4.4.交换容量：表示树脂的交换能力。通常用交换容量：表示树脂的交换能力。通常用E EV V（mmol/mlmmol/ml 湿树脂）表示，也可用湿树脂）表示，也可用E EW W（mmol/gmmol/g干树脂）表示。干树脂）表示。 E

6、 EV VE EW W（1-1-含水量）含水量）湿视视密度湿视视密度离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别v树脂选择树脂选择 选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换工艺以及选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换工艺以及投资和运行费用等因素。投资和运行费用等因素。 v树脂保存树脂保存 树脂宜在树脂宜在0 04040下存放，通常强性树脂以盐型保存，弱酸下存放，通常强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存。树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存。 v树脂使用树脂使用 树脂在使用前应进行适当的预处理，以除去杂质。最好分别树脂在使用前应

7、进行适当的预处理，以除去杂质。最好分别用水、用水、5 5HClHCl、2 24 4NaOHNaOH反复浸泡清洗两次，每次反复浸泡清洗两次，每次4 48h8h。表表8-2 8-2 未知树脂的鉴别未知树脂的鉴别操作操作取未知树脂样品取未知树脂样品2mL2mL，置于，置于30mL30mL试管中试管中 操作操作加加1 1N N HCl15mLHCl15mL，摇，摇1-2min1-2min，重复，重复2-32-3次次 操作操作水洗水洗2 23 3次次 操作操作加加1O1OCuSO4(CuSO4(其中含其中含1 1H2SO4)5mLH2SO4)5mL，摇，摇1min1min，放，放5min 5min 检查

8、检查浅绿色浅绿色不变色不变色 操作操作加加5 5N N氨液氨液2mL2mL，摇，摇1min1min，水洗，水洗加加1 1N N NaOH15mLNaOH15mL摇摇1min1min，水洗，水洗，加酚酞，水洗加酚酞，水洗 检查检查深蓝深蓝颜色不变颜色不变红色红色不变色不变色 结果结果强酸性阳树脂强酸性阳树脂弱酸性阳树脂弱酸性阳树脂强碱性阴树脂强碱性阴树脂弱碱性阴树脂弱碱性阴树脂 第二节 离子交换基本原理v离子交换平衡离子交换平衡 ABABBAZZZZZZBARBBRAABRAARBK/ 离子交换反应公式离子交换反应公式 BAABABZBZBZBZBZZcqqqqccccqqK00000/1/1

9、0000/1/1/ccccKqqqqBBBBv离子交换速度离子交换速度 离子交换过程：离子交换过程： 离子从溶液主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面液膜。离子从溶液主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面液膜。 穿过液膜的离子继续在颗粒内交联网孔中扩散，直至达到穿过液膜的离子继续在颗粒内交联网孔中扩散，直至达到 某一活性基团位置。某一活性基团位置。 目的离子和活性基团中的可交换离子发生交换反应。目的离子和活性基团中的可交换离子发生交换反应。 被交换下来的离子沿着与目的离子运动相反的方向扩散，被交换下来的离子沿着与目的离子运动相反的方向扩散， 最后被主体水流带走。最后被主体水流带走。 上述几步中，交换反应速

10、率与扩散相比要快得多。因此总上述几步中，交换反应速率与扩散相比要快得多。因此总 交换速度由扩散过程控制。由交换速度由扩散过程控制。由FickFick定律，扩散速度可写成：定律，扩散速度可写成：/21ccDdtdq 影响离子交换扩散速度的因素影响离子交换扩散速度的因素 1.1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。 2.2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面积增大，使扩散速度越快。面积增大，使扩散速度越快。 3.3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，溶液离子浓度是影响扩散速度的

11、重要因素，浓度越大，扩散速度越快。扩散速度越快。 4.4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变薄，这些都有利于离子扩散。变薄，这些都有利于离子扩散。 5.5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快液膜扩散，但不影响内孔扩散。液膜扩散，但不影响内孔扩散。 6.6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩散速度越慢。散速度越慢。第三节 离子交换工艺v离子交换系统及应用离子交换系统及应用v离子交换过程离子交换过程 1. 1. 固定床离子交

12、换器间歇工作过程固定床离子交换器间歇工作过程 2. 2. 连续式离子交换器工作工程连续式离子交换器工作工程 v离子交换系统及应用离子交换系统及应用在实际应用当中需根据原水水质、出水要求、生产能力等来确定在实际应用当中需根据原水水质、出水要求、生产能力等来确定合适的离子交换工艺。合适的离子交换工艺。 1. 1. 在水的软化主要使用在水的软化主要使用 NaNa离子交换软化法离子交换软化法 H H离子交换软化法离子交换软化法 H HNaNa串联及并联串联及并联 2. 2. 在除盐中在除盐中 一级复床除盐系统一级复床除盐系统 多极复床除盐系统多极复床除盐系统 混合床除盐系统混合床除盐系统 3. 3.

13、在处理工业废水中在处理工业废水中 多级阴阳离子交换系统多级阴阳离子交换系统v离子交换过程离子交换过程v固定床离子交换器间歇工作过程固定床离子交换器间歇工作过程1. 1. 离子交换过程离子交换过程在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离子种类和浓度以及工作条件。子种类和浓度以及工作条件。 进水初期，进水中所用阳离子均交换出进水初期，进水中所用阳离子均交换出H H+ +，生成相当量的无机酸，出水，生成相当量的无机酸，出水酸度

14、保持定值。运行至酸度保持定值。运行至a a点时，点时，NaNa+ +首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当当NaNa+ +泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时, ,出水开始呈现碱性；出水开始呈现碱性；当当NaNa+ +增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度相增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度相等。至此，等。至此，H H离子交换结束，交换器开始进行离子交换结束，交换器开始进行NaNa+ +交换，稳定运行至交换，稳定运行至b b点之后，点之后，硬度离子开始穿透，出

15、水硬度离子开始穿透，出水NaNa+ +含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出水水NaNa+ +接近进水接近进水NaNa+ +，树脂层全部饱和。，树脂层全部饱和。离子交换柱工作过程离子交换柱工作过程(f) H(f) H型树脂与水中型树脂与水中CaCa2+2+、MgMg2+2+、NaNa+ +交换时水质变化交换时水质变化2. 2. 再生再生 通过树脂再生，一方面可恢复树胎的交换能力，另一方面通过树脂再生，一方面可恢复树胎的交换能力，另一方面可回收有用物质。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三个可回收有用物质。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三个过程。

16、有时再生后还需要对树脂作转型处理。影响再生效果和过程。有时再生后还需要对树脂作转型处理。影响再生效果和处理费用的因素如下处理费用的因素如下: : 1) 1) 再生剂种类再生剂种类 强酸性阳树脂用强酸性阳树脂用HClHCl或或H H2 2SOSO4 4等强酸及等强酸及NaClNaCl、NaNa2 2SOSO4 4再生；再生； 弱酸性阳树脂用弱酸性阳树脂用HClHCl、H H2 2SOSO4 4再生；再生； 强碱性阴树脂用强碱性阴树脂用NaOHNaOH等强碱及等强碱及NaClNaCl再生，再生， 弱碱性阴树脂用弱碱性阴树脂用NaOHNaOH，NaNa2 2COCO3 3、NaHCONaHCO3 3

17、等再生。等再生。 2) 2) 再生剂用量再生剂用量 树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可以树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可以恢复树脂的交换容量，但实际上再生剂用量比理论值大得多。恢复树脂的交换容量，但实际上再生剂用量比理论值大得多。 3) 3) 再生方式再生方式 顺流再生顺流再生 特点：特点：设备简单，操作方便，工作可靠；设备简单，操作方便，工作可靠； 再生剂用量多，再生效率低，出水水质较差。再生剂用量多，再生效率低，出水水质较差。 逆流再生逆流再生 特点：特点：再生剂耗量少再生剂耗量少( (比顺流法少比顺流法少4040左右左右) )，再生效率，再生效率 高高, ,

18、而且能保证出水质量；而且能保证出水质量； 设备较复杂，操作控制较严格。设备较复杂，操作控制较严格。实验证明，再生剂用量越多，再生实验证明，再生剂用量越多，再生效率越高。但当再生剂用量增加到效率越高。但当再生剂用量增加到一定值后，再生效率随再生剂用量一定值后，再生效率随再生剂用量增长不大。因此再生剂用量过高既增长不大。因此再生剂用量过高既不经济也无必要。图不经济也无必要。图8-48-4为用为用2 2NaOHNaOH对交换了对交换了CrCr6+6+的强碱性树脂的的强碱性树脂的再生情况。再生情况。 v连续式离子交换器工作过程连续式离子交换器工作过程固定床离子交换器的缺点：固定床离子交换器的缺点：树脂

19、不能边饱和边再生，树树脂不能边饱和边再生，树脂层厚度比交换区厚度大得脂层厚度比交换区厚度大得多；再生和冲洗时必须停止多；再生和冲洗时必须停止交换。为了克服上述缺陷，交换。为了克服上述缺陷，发展了连续式离子交换设备，发展了连续式离子交换设备，包括移动床和流动床。包括移动床和流动床。 右图为三塔式移动床，由交换塔、再生塔和清洗塔组成。运行右图为三塔式移动床，由交换塔、再生塔和清洗塔组成。运行时，原水由交换塔下部逆流而上，把整个树脂层承托起来并与时，原水由交换塔下部逆流而上，把整个树脂层承托起来并与之交换离子。一段时间后，当出水离子开始穿透时，停止进水，之交换离子。一段时间后，当出水离子开始穿透时，

20、停止进水，并由塔下排水。排水时树脂层下降并由塔下排水。排水时树脂层下降( (称为落床称为落床) )，由塔底排出部，由塔底排出部分已饱和的树脂，同时浮球阀自动打开，放入等量已再生好的分已饱和的树脂，同时浮球阀自动打开，放入等量已再生好的树脂。树脂。第四节 离子交换设备及计算 离子交换设备离子交换设备 工业离于交换设备主要有工业离于交换设备主要有固定床、移动床和流动床，目固定床、移动床和流动床，目前使用最广泛的是固定床。固前使用最广泛的是固定床。固定床离于交换器包括筒体、进定床离于交换器包括筒体、进水装置、排水装置，再生液分水装置、排水装置，再生液分布装置及体外有关管道和阀门，布装置及体外有关管道和阀门，如图所示。如图所示。 1. 1.筒体：支撑作用筒体：支撑作用 2.2.进水装置：分配进水和收集反洗用水进水装置：分配进水和收集反洗用水 3.3.底部排水装置：收集出水和分配反洗水底部排水装置：收集出水和分配反洗水离子交换器的设计包括选择离子交换树脂，确定工艺系统，计离子交换器的设计包括选择离子交换树脂，确定工艺系统，计算交换器尺寸大小、再生计算、阻力核算等。交换器直径