离子交换原理

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。
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 量过高既不经济也无必要。图8-4为用2％NaOH对交换了Cr6+的 强碱性树脂的再生情况。
式中：f 为活度系数。
三、离子交换选择性
fRB[R Bb ]a f A[ Aa ]b fRa[R Aa ]b fB[Bb ]a
K/
设：fR-B/fR-A=C； f A/fB=1
选择性平系衡数吸着K/率/C=K
[R Bb ]a
[Bb ]a
[R Aa ]b K [Aa ]b
[R Bb ]a
四、特点 1 去除率高，净化效果好； 2 可做到污染物的回收利用； 3 对废水的预处理要求较高； 4 树脂再生液需要进一步处置。
第一节 离子交换树脂及其性能
一、离子交换树脂
固体球形颗粒，多孔网状 结构；不溶于水；具有离子交换 特性的有机高分子聚电解质。
(一) 组成
离子交 换树脂
母体(骨架) 活性基团
离子交 换树脂
凝胶型 孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。 大孔型 孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。
等孔型 孔大、均匀，抗有机污染能力强。
离子交换树脂的命名
表 分类代号
代号 功能基
0
1
2
强酸性 弱酸性 强碱性
3 弱碱性
4 螯合性
5 两性
6 氧化还原
表 骨架代号
代号
0
1
2
3
4
5
6
✓ 弱碱性阴离子交换树脂OH- ﹥ SO42- ﹥ NO3- ﹥ Cl- ﹥ HCO3﹥ HSiO3-
三、树脂的选择
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Cr6+ 在废水中的 存在形式为 CrO42- 或 Cr2O72-。
第二节 离子交换原理
一、离子交换反应
⇌ b(R—A)a++aBb+
形状：透明或半透明的球状珠体。 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40%～69%。 与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高， 含水率高。
(三) 密度 干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密 度) 。 单位均为mg/L.
1 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。
Cr3+＞Ca2+＞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
土元素相反。
2 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 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。
❖ 选用（交换容量、原水水质、出水水质、水处理设 备的类型）
❖ 保管（新：保持树脂的水分、防止树脂受冻或受热 、防止树脂劣化；旧：树脂转型、湿法存放、防止 霉变）
❖ 新树脂投运前的预处理（阴阳树脂不同） ❖ 树脂的装填 ❖ 离子交换树脂的鉴别（阴阳、酸碱性强弱）
离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别
树脂颗粒的大小
树脂颗粒小，比表面积增加，利于液膜扩散。
2 树脂颗粒内扩散
离子电荷
离子电荷越大，扩散系数越小，不利于液膜扩散。
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。
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 的内扩散。
水溶液的温度
提高水温同时加快液膜扩散和颗粒内扩散
第三节 离子交换树脂的使用
法
第五节 离子交换工艺过程
❖ 离子交换系统及应用 ❖ 离子交换过程
1. 固定床离子交换器间歇工作过程 2. 连续式离子交换器工作工程
❖ 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
合适的离子交换工艺。
1. 在水的软化主要使用
Hale Waihona Puke Na＋离子交换软化法 H＋离子交换软化法
H－Na串联及并联
2. 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。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: 1) 再生剂种类
强酸性阳树脂用HCl或H2SO4等强酸及NaCl、Na2SO4再生； 弱酸性阳树脂用HCl、H2SO4再生； 强碱性阴树脂用NaOH等强碱及NaCl再生， 弱碱性阴树脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。 2) 再生剂用量
(四) 交联度
交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%~10%。 交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的 离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。 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：
溶胀率
V后 V前 V前
100%
溶胀的原因
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。 影响因素 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； 可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。
a(R—B)b++bAa+
特点：
▪ 符合质量作用定律;
▪ 等当量进行的同性离子的互换反应;
▪ 具有饱和性;
▪ 树脂母体和固定离子不发生变化。
二、离子交换平衡
⇌ b(R—A)a++aBb+ a(R—B)b++bAa+
有：
(R Bb )a ( Aa )b (R Aa )b (Bb )a
K/
fRB[R Bb ]a f A[ Aa ]b K / fRa[R Aa ]b fB[Bb ]a
不变色
加1N NaOH15mL摇1min，水洗 ，加酚酞，水洗
红色
不变色
强酸性阳树脂 弱酸性阳树脂 强碱性阴树脂 弱碱性阴树脂
第四节 离子交换树脂的变质、污染与复苏
❖ 变质
✓ 阳离子交换树脂的氧化 ✓ 强碱性阴树脂的降解
❖ 污染与复苏（铁、铝、钙、硅、油、有机物） 现象、原因、鉴别方法、树脂的复苏、防止污染的方
示法)可发生交换的活性基团数量。 容量表示法 EV ：mmol/ml、mol/l。 重量表示法 EW ：mmol/g、mol/kg。 EV = EW ×[湿比重×(1-含水率)] 全交换容量： 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： 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。
固定离子 可交换离子
苯乙烯(单体) +
二乙烯苯(交联剂)
共聚
母体
功 能 H2SO4 基 反 应
R —SO3 H
母体 固定离子 可交换离子
(二) 树脂分类 按选择性
离子交 换树脂
阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
按结构
强酸性阳离子交换树脂 R—SO3H 弱酸性阳离子交换树脂 R—COOH 强碱性阴离子交换树脂 R NOH 弱碱性阴离子交换树脂 R—NH3OH
树脂的再生
再生液与水流方向相同 1．顺流再生 特点：⑴ 上部再生程度高，下部差，越是下部越差
⑵ 再生剂耗量大，2～3倍理论值时，效果仍不理想 ⑶ 出水剩余硬度高 ⑷ 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低 ⑸ 适合于硬度较低的场合
2．逆流再生 特点：⑴ 再生效果好，耗量可降低20%以上
2. 在除盐中
一级复床除盐系统 多极复床除盐系统
混合床除盐系统 3. 在处理工业废水中
多级阴阳离子交换系统
碱度是指水中吸收质子的能力，水中 碱度的形成主要是由于重碳酸盐、碳 酸盐及氢氧化物的存在，硼酸盐、磷 酸盐和硅酸盐也会产生一些碱度。此 外还有有机碱等。
❖ 离子交换过程
❖ 固定床离子交换器间歇工作过程
3 树脂的结构和性质
▪ 树脂的交联度：交联度越高，选择性增加 ▪ 强酸(碱)、弱酸碱树脂的交换
4 溶液的温度和pH
▪ 温度升高，K值增大，离子和固定基团交换势增大。 ▪ pH值： 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。
四、离子交换速度
(一) 交换过程
外 扩 散 薄膜扩散 内 扩 散
B
(1)
(2)
(3)
B
(4) (A) (5)
(6)
A
树脂颗粒 水膜
(二) 影响交换速度的因素
1 液膜扩散 离子浓度
溶液离子浓度低，树脂交换容量大时，液膜扩散受阻。 溶液离子浓度过高，树脂易发生收缩现象，内扩散受阻。
水流速度
水流速度增加，水膜变薄，液膜扩散加快。
骨架类型 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯吡啶系 脲醛系 氯乙烯系
例如：001×7——(凝胶型)苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 。 110×4——(凝胶型)丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4。 D201——大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。
二、树脂的性能
物理性能
(一) 外观
3.2 离 子 交 换 Company
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Ion Exchange
概述
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 种特殊吸附现象。
与其它吸附过程相比： 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“等当量”的交 换。