第6章 离子交换

1、第第 一节一节 离子交换基本知识离子交换基本知识第第 三节三节 离子交换软化离子交换软化第第 四节四节 离子交换除盐离子交换除盐第第 二节二节 离子交换的工艺离子交换的工艺第第 五节五节 离子交换在废水处理中的应用离子交换在废水处理中的应用第第 一节一节 离子交换基本知识离子交换基本知识 实质：不溶性离子化合物实质：不溶性离子化合物( (离子交换剂离子交换剂) )上的可交上的可交换离子与溶液中的其他同性离子的交换反应换离子与溶液中的其他同性离子的交换反应，是一种是一种特殊的吸附过程。特殊的吸附过程。 离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：HRMMRH交换交

2、换树脂树脂交换交换离子离子饱和饱和树脂树脂 离子交换的离子交换的特点特点:它主要吸附水中以它主要吸附水中以离子态离子态存存在的物质，并进行在的物质，并进行等当量等当量的离子交换。的离子交换。煤磨碎后经浓硫煤磨碎后经浓硫酸处理得到酸处理得到二、离子交换树脂二、离子交换树脂 以强酸性阳离子交换树脂为例：以强酸性阳离子交换树脂为例： 表示表示R-SO3-H+： R-母体母体 -SO3-H+-活性基团活性基团 -SO3-固定离子固定离子 H+-交换离子交换离子 有时可以直接简写为有时可以直接简写为RSO3H。树脂类型树脂类型 活性基团的不同活性基团的不同 强酸阳离子：强酸阳离子：RSORSO3 3H

3、H 弱酸阳离子：弱酸阳离子：RCOOHRCOOH 强碱阴离子：强碱阴离子：RNOH RNOH 季胺季胺 弱碱阴离子：弱碱阴离子： RNHOH RNHOH 叔胺叔胺 R RNHNH2 2OH OH 仲胺仲胺 R RNHNH3 3OH OH 伯胺伯胺微孔形状：微孔形状：凝胶型树脂、大孔型树脂、多孔型等等。凝胶型树脂、大孔型树脂、多孔型等等。（1 1）密度：）密度：对于一定含水率得湿树脂而对于一定含水率得湿树脂而言。表示方法由两种：言。表示方法由两种：真密度真密度（又称湿（又称湿真密度）；真密度）；视密度视密度（湿视密度）（湿视密度） 2.离子交换树脂主要性能离子交换树脂主要性能不包括不包括颗粒之颗

4、粒之间的空间的空隙体积隙体积包括颗包括颗粒之间粒之间的空隙的空隙体积体积)/)/mlgmlg（树脂堆积体积树脂堆积体积湿树脂质量湿树脂质量湿视密度湿视密度（积积树脂颗粒本身所占的体树脂颗粒本身所占的体湿树脂质量湿树脂质量湿密度湿密度= = =（2 2）交换容量：）交换容量：表示树脂交换能力大小。单位是表示树脂交换能力大小。单位是mol/kgmol/kg（干树脂）或（干树脂）或mol/Lmol/L（湿树脂）。（湿树脂）。分为全交换容量和工作交换容量两种分为全交换容量和工作交换容量两种 全交换容量：全交换容量：是指一定量的树脂所具有的活性基团或可交是指一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的的总

5、数。换离子的的总数。 工作交换容量：工作交换容量：是指树脂在给定工作条件下实际的交换能是指树脂在给定工作条件下实际的交换能力。实际的交换容量只有总交换容量的力。实际的交换容量只有总交换容量的60%70%60%70%。重点重点重点重点（3 3）选择性：）选择性：对水中某种离子优先交换的性能对水中某种离子优先交换的性能 离子交换速度除了与溶液中离子交换速度除了与溶液中交换离子的种类交换离子的种类、树脂上活树脂上活性基团的性能性基团的性能有关外，还受有关外，还受温度温度和和交换离子的浓度交换离子的浓度等的影等的影响。水处理中，多为低浓度、水温变化也大，在这种情况响。水处理中，多为低浓度、水温变化也大

6、，在这种情况下，选择性有以下规律为：下，选择性有以下规律为： 离子电荷离子电荷愈多，愈易被交换；愈多，愈易被交换； 同价离子，同价离子，原子序数原子序数愈大，愈易被交换：愈大，愈易被交换： Th Th4+4+ Fe Fe3+3+AlAl3+3+CaCa2+2+MgMg2+2+KK+ +=NH=NH4 4+ + Na Na+ +LiLi+ + PO PO4 43-3- SO SO4 42-2-NONO3 3- -BrBr- - Cl Cl- -FF- - HCO HCO3 3- -HSiOHSiO3 3- - H H和和OHOH的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强的交换选择性与树脂交换基团酸、

7、碱性的强弱有关。弱有关。 对于强酸阳树脂：对于强酸阳树脂：H H+ +LiLi+ +；对于弱酸阳树脂：对于弱酸阳树脂：H H+ +FeFe3+3+。 对于强碱阳树脂：对于强碱阳树脂：OHOH- -FF- -；对于弱碱阳树脂：对于弱碱阳树脂：OHOH- - SOSO4 42-2-第 二节 离子交换的工艺按运行方式不同：按运行方式不同： 离子交换工艺的操作程序离子交换工艺的操作程序： （1 1）交换：）交换： （2 2）反洗：）反洗：在离子交换树脂失效后，逆向通入冲洗在离子交换树脂失效后，逆向通入冲洗水，冲洗水可用自来水或废再生液。水，冲洗水可用自来水或废再生液。 目的：目的： 松动树脂层，松动树

8、脂层， 清洗树脂层内的杂物。清洗树脂层内的杂物。 反洗流速约反洗流速约15m/h15m/h，历时，历时15min15min。 （3 3）再生：）再生：再生是借助高浓度的再生液流过树脂层再生是借助高浓度的再生液流过树脂层, ,，把已吸附的离子置换出来。把已吸附的离子置换出来。 目的：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。 重点重点再生剂的选择再生剂的选择 l强酸性阳离子交换树脂可用强酸性阳离子交换树脂可用HClHCl（4 4-6-6）或）或H H2 2SOSO4 4（2 2）等强酸及）等强酸及NaClNaCl（5 5-10-10）等再生。）等再生。l弱酸性

9、阳离子树脂可以用弱酸性阳离子树脂可以用HClHCl、H H2 2SOSO4 4等再生。等再生。 l强碱性阴离子交换树脂可用强碱性阴离子交换树脂可用NaOHNaOH等强碱及等强碱及NaClNaCl再生再生l弱碱性阴离子树脂可以用弱碱性阴离子树脂可以用NaOHNaOH、NaNa2 2COCO3 3、NaHCONaHCO3 3等再生。等再生。 （4 4）清洗：）清洗：用水正洗，水流方向与交换时一样，清洗水最用水正洗，水流方向与交换时一样，清洗水最好用交换处理后的净水、除盐水。好用交换处理后的净水、除盐水。 目的目的：将树脂层内残留的再生液清洗掉。：将树脂层内残留的再生液清洗掉。 清洗水量一般为树脂体

10、积的清洗水量一般为树脂体积的4 41313倍。倍。 工艺过程：工艺过程： 第第 三节三节 离子交换软化离子交换软化重点重点一、阳离子交换树脂特点：特点：(1)(1)去除碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度，去除碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度， (2) (2)碱度不变碱度不变 (3) (3)总含盐量有所变化，再生剂为食盐总含盐量有所变化，再生剂为食盐 适用范围：适用范围：原水碱度低。原水碱度低。 1. 1. 钠钠型离子型离子交换法交换法 重点重点特点：特点：（1 1）去除了碳酸盐硬度，生成）去除了碳酸盐硬度，生成COCO2 2、H H2 2O O，同时碱度也去除了。，同时碱度也去除了。（2 2）去除非碳酸盐硬度，

11、生成）去除非碳酸盐硬度，生成H H2 2SOSO4 4，HClHCl，出水酸性，出水酸性（3 3）用盐酸（）用盐酸（HClHCl）或硫酸（）或硫酸（H H2 2SOSO4 4）再生。）再生。 由于氢离子交换出水经常为酸性，运行时一般总是和钠离由于氢离子交换出水经常为酸性，运行时一般总是和钠离子交换联合使用，或与其他措施（如加碱中和）相结合子交换联合使用，或与其他措施（如加碱中和）相结合 2. 2. 氢型离子氢型离子交换法交换法 重点重点强酸性强酸性H-NaH-Na离子交换软化和脱碱联合水离子交换软化和脱碱联合水处理系统的原理处理系统的原理3. H3. HNaNa离子交换脱碱软化法离子交换脱碱软

12、化法 重点重点第 四节 离子交换除盐 需求：需求：1. 复合床复合床除盐除盐2.2.混合床混合床除盐除盐 当原水通过型离子当原水通过型离子交换柱时，水中所有金属交换柱时，水中所有金属离子离子M M+ +被被+ +交换去除，交换去除，+ +与水中的阴离子结合成相与水中的阴离子结合成相应的酸，其出水呈酸性，应的酸，其出水呈酸性，其中与其中与HCOHCO3 3- -结合生成的结合生成的COCO2 2与原有的二氧化碳在除碳与原有的二氧化碳在除碳器中被脱除。器中被脱除。1. 1. 复合床复合床除盐原理除盐原理 水水再再进入进入OHOH阴离子阴离子交换交换柱时，水中的各类酸根被柱时，水中的各类酸根被OHO

13、H交换除去，从而将水中溶解盐类全部除去制得交换除去，从而将水中溶解盐类全部除去制得除除盐水。盐水。复合床复合床混合床混合床 原水通过交换柱时，金属阳离子和阴离子分别被阳树原水通过交换柱时，金属阳离子和阴离子分别被阳树脂和阴树脂交换，得到了脱盐水。由于一般强碱阴树脂脂和阴树脂交换，得到了脱盐水。由于一般强碱阴树脂的交换容量约为阳树脂的一半，所以都按阴树脂：阳树的交换容量约为阳树脂的一半，所以都按阴树脂：阳树脂脂2121的比例混合。的比例混合。混合床再生混合床再生需要先将阳、阴树脂分层，再移出阳（或阴）需要先将阳、阴树脂分层，再移出阳（或阴）树脂，分别完成再生后在填充于同一个交换柱中。树脂，分别完

14、成再生后在填充于同一个交换柱中。由于阴树脂的密度较阳树脂的要小，由于阴树脂的密度较阳树脂的要小，反洗分层后阴反洗分层后阴树脂在上，阳树脂在下树脂在上，阳树脂在下。. . 混合床混合床除盐原理除盐原理第五节第五节 离子交换在废水处理中的应用离子交换在废水处理中的应用一、一、 离子交换处理工业废水的特点离子交换处理工业废水的特点二、二、 应用应用一、 离子交换处理工业废水的特点 1.1.水质复杂水质复杂：含各种悬浮物、油类和有机物（进行预处理）：含各种悬浮物、油类和有机物（进行预处理） 2.2.高价金属离子：高价金属离子：导致中毒，用高浓度酸浸泡导致中毒，用高浓度酸浸泡 3.pH3.pH值：值：影

15、响某些杂质在废水中的存在状态，影响树脂交换影响某些杂质在废水中的存在状态，影响树脂交换基团的离解。基团的离解。 4.4.水温：水温：水温高，可加速离子交换的扩散，但会破坏树脂，水温高，可加速离子交换的扩散，但会破坏树脂，应恰当降温。应恰当降温。 5.5.氧化剂：氧化剂：可采用交联度大的树脂或加入恰当的还原剂。可采用交联度大的树脂或加入恰当的还原剂。 6.6.有机污染：有机污染：可采用大孔型树脂可采用大孔型树脂 7.7.再生：再生：要考虑回收有用物质。要考虑回收有用物质。 例如：处理含铬废水例如：处理含铬废水 六价铬：铬酸根六价铬：铬酸根CrOCrO4 42-2-和重铬酸根和重铬酸根CrCr2

16、2O O7 72-2-，两种的比例与两种的比例与pHpH有关。酸性条件下，主要是有关。酸性条件下，主要是CrCr2 2O O7 72-2- 三价铬：三价铬：CrCr3+3+ 阳树脂去除三价铬：阳树脂去除三价铬： 3RH + Cr 3RH + Cr3+3+ -R -R3 3Cr + 3HCr + 3H+ + 阴树脂去除六价铬：阴树脂去除六价铬： 2ROH + CrO 2ROH + CrO4 42-2- -R -R2 2CrOCrO4 4 + 2OH + 2OH- - 2ROH + Cr 2ROH + Cr2 2O O7 72-2- - R - R2 2CrCr2 2O O7 7 +2OH +2OH- - 二、二、 应用应用 失效后再生：失效后再生： R R3 3Cr + 3HCl -3RH + CrClCr + 3HCl -3RH + CrCl3 3 R R2 2CrOCrO4 4 + 2NaOH -2ROH +Na + 2NaOH -2ROH +Na2 2CrOCrO4 4 R R