第10章其他分离过程

第一节 离子交换
选择性系数亦可用离子摩尔分数来表示。
c0 [ A ] [ B ] cB [ B ] q0 [ R A ] [ R B ] qB [ R B ]
（10.1.18）
式中：c0—溶液中两种交换离子的总浓度，kmol/m3； cB —溶液中B+离子的总浓度， kmol/m3； q0—树脂全交换容量，kmol/m3； qB —树脂中B+离子浓度， kmol/m3。
R(COOH )2 Ca( HCO3 )2 R(COO)2 Ca 2H2CO（10.1.10） 3 R NH2OH NH4Cl R NH2Cl NH4OH
（10.1.11）
第一节 离子交换
（2）强酸或弱碱的中和反应
RCOOH NaOH RCOONa H2O
（10.1.12）
R NH2OH NH4Cl R NH2Cl NH4OH （10.1.13）
（3）复分解反应
R(COONa)2 CaCl2 R(COO)2 Ca 2 NaCl （10.1.14） R NH2Cl NaNO3 R NH2 NO3 NaCl
（10.1.24）
dq dt —单位时间单位体积树脂的离子交换量，kmol/m3 ； D 0 —总的扩散系数，m2/s； —与粒度均匀程度有关的系数； c1，cr —分别表示同一种离子在溶液相和树脂相中的浓度，
p
r0
r
kmol/m3 ； —树脂颗粒的孔隙率； —树脂颗粒的粒径，m —扩散距离，m
第一节 离子交换
判断离子交换过程是由液膜扩散还是颗粒内扩散控制，可采用 Helfferich准数（He）或Vermeulen准数（Ve）进行确定。
1.Helfferich准数（He）
根据液膜扩散控制与颗粒内扩散控制两种模型得到的半交换 周期，即交换率达到一半时所需要的时间之比，得到：
q0 Dr b1 He (5 2 A / B ) c0 r0 D1
第一节 离子交换
（3）复分解反应
R(SO3 Na)2 CaCl2 RSO3Ca 2NaCl
R( NCl ) Na2 SO4 R( N )2 SO4 2NaCl
（10.1.8） （10.1.9）
3.弱型树脂的交换反应 弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂 （1）非中性盐的分解反应
第一节 离子交换 二、离子交换基本原理
（一）离子交换反应 1.可逆反应 固态树脂和溶液接触的界面发生可逆离子交换。 含Ca2＋的硬水通过RNa型树脂：
2RNa Ca2 R2Ca 2Na
（10.1.1）
食盐水使树脂再生：
R2Ca 2Na1 2RNa Ca2
（10.1.2）
技术的世纪，膜技术将扮演重要角色
第三节 膜分离
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业
上得到应用
30年代 微滤 40年代 透析 50年代 电渗析 60年代 反渗透 70年代 超滤 80年代 纳滤 90年代 渗透汽化
第三节 膜分离
一、膜分离概述
（一）膜分离过程的分类 根据推动力的不同：
（10.1.22）
Pe—皮克来准数，定义式为
ur0 Pe 3(1 b ) D1
（10.1.23）
Ve<0.3，为颗粒内扩散控制；
Ve>3.0，为液膜扩散控制； 0.3<Ve<3.0，为两种因素皆起作用的中间状态。
第一节 离子交换
（二）离子交换速度的表达式
dq dt D0 (c1 cr )(1 p ) r0 r
B A
第一节 离子交换 三、离子交换速度
（一）离子交换速度的控制步骤 ①边界水膜内的迁移 ②交联网孔内的扩散 ③离子交换 ④交联网内的扩散 ⑤边界水膜内的迁移 其中① ⑤称为液膜扩散步骤，或称为外扩散；②和④ห้องสมุดไป่ตู้树脂颗粒内扩散，或称为孔道扩散步骤； ③称为交换反应 步骤。 离子交换速度实际上是由液膜扩散或者孔道扩散步骤控制。
式中： R A ，R B —树脂相中的离子浓度，kmol/m3；
A ， B
—溶液中的离子浓度，kmol/m3；
平衡常数亦称为离子交换树脂的选择性系数，表示离子 交换树脂对溶液中B+的亲和程度和离子交换反应的进行 方向。如果选择性系数大于1，说明树脂对B+ 的亲和力 大于对A+的亲和力，离子交换反应向右进行。
2 2
yB (1 xB ) 2 c0 2 yB (1 xB )2 c0 xB (1 yB ) 2 q0 xB (1 yB ) q0 （10.1.20）
K
B A
q0 c0
：表观选择性系数，无量纲。
第一节 离子交换
可以看出，该系数随 K 和q0 值的增大或c0值的减小而增 大，该系数大于1时，有利于B+优先交换到树脂相；反之， 则有利于再生反应。
反应式可写为：
2 RNa Ca 2 R2Ca 2 Na 再生
交换
（10.1.3）
第一节 离子交换
2.强型树脂的交换反应 强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂 （1）中性盐分解反应
RSO3 H NaCl RSO3 Na HCl
第一节 离子交换
（6）选择性
树脂选择性是指离子交换树脂对不同离子亲和力强弱
的反应。
影响离子交换树脂选择性的因素： 离子的水化半径：离子在水溶液中通常发生水化作用， 离子在水溶液中的实际大小以水化半径来表征。水化半径 越小的离子越易被交换。 离子的化合价：离子的化合价越高，其与树脂的亲和 力越强，越易被树脂交换。
第一节 离子交换
本节思考题
(1)离子交换在环境工程领域有哪些应用。
(2)离子交换剂的分类有哪些。 (3)离子交换树脂的结构特点是什么。 (4)影响离子交换树脂选择性的因素有哪些。 (5)离子交换反应有哪些主要类型。
第一节 离子交换
本节思考题
(6)离子交换过程有哪些主要步骤，可能的控制步
骤是什么。 (7)如何判断离子交换速度的控制步骤。 (8)哪些主要因素影响离子交换速度。
（10.1.16）
第一节 离子交换
当离子交换达到平衡时，平衡常数为
B A
K
R B A R B R A B B
R A A
（10.1.17）
2R A B
B B A A B B A A 2 2

2
- 2 R2 B
2 2
2A

（10.1.19）
其离子交换的选择性系数为
K K K K R B A R B A 2 2 R A B R A 2 B 2 2 q0 yB (1 xB ) 2 c0 q0 yB (1 xB )2 c0 c0 xB (1 yB ) 2 q0 c0 xB (1 yB ) q0
R NOH NaCl R NCl NaOH
（10.1.4） （10.1.5）
（2）中和反应
RSO3 H NaOH RSO3 Na H2O
R NOH HCl R NCl H2O
（10.1.6） （10.1.7）
（1）按物理结构：可分为凝胶型、大孔型和等孔型。
（2）按合成单体：可分为苯乙烯系、酚醛系和丙烯系等。
（3）按活性基团性质：阳离子交换树脂、阴离子交换树脂等。
第一节 离子交换
（二）离子交换树脂的结构 离子交换树脂是具有特殊网状结构的高分子化合物， 由空间网状结构骨架（即母体）和附着在骨架上的许多活性 基团所构成。 活性基团遇水电离，分成：固定部分和活动部分
第十章 其他分离过程
第十章 其他分离过程
本章主要内容
第一节 离子交换
第二节 萃取 第三节 膜分离
第一节 离子交换
本节的主要内容
一、离子交换剂概述
二、离子交换基本原理 三、离子交换速度
第一节 离子交换
一、离子交换剂概述
（一）离子交换剂的分类 一般将具有离子交换功能的物质称为离子交换剂。离 子交换剂可以是任何物质，包括有机离子交换剂（天然的和 合成的）和无机离子交换剂（如沸石等）。 离子交换树脂分类方法多种：
则：xB＝cB/c0，yB＝qB/q0
第一节 离子交换
B K A

R B A R B R A B B
R A A
式（10.1.17）变为
第一节 离子交换
（三）离子交换速度的影响因素
（1）离子性质：化合价越高，其孔道扩散速度越慢；水合半 径越大，扩散速度越慢。 （2）树脂的交联度：交联度大，离子在树脂网孔内的扩散慢 （3）树脂的粒径：粒径小整体交换速度快，但颗粒太小，会 增加树脂层阻力，且反洗树脂容易流失。 （4）水中离子浓度：浓度高，其在水膜中的扩散很快，离子 交换速度受孔道扩散控制。反之，为液膜扩散控制。 （5）溶液温度：温度升高有利于提高离子交换速度。 （6）流速或搅拌速度：增加树脂表面水流流速或增加搅拌速 度，在一定程度上可提高液膜扩散速度，但增加到一定程 度以后，其影响变小。
第一节 离子交换
（三）离子交换树脂的物理化学性质
（1）交联度 交联度是指交联剂的用量（用质量分数表示） （2）粒度 离子交换树脂通常为球形 （3）密度 真密度和视密度 （4）溶胀性 （5）交换容量 全交换容量：指单位质量（或体积）的树脂中可以交 换的化学基团的总数，亦称理论交换容量。 工作交换容量：指树脂在给定工作条件下实际可利用 的交换能力。