离子交换软化与除盐
离子交换除盐
a
b
图3.7.2 交换器中离子分布情况 (a)开始进水时 (b)交换器失效时
图3.7.3 强酸H型阳离子交 换 器典型出水曲线
7、阴离子交换器
阴离子交换实质上是阴树脂中的OH与酸性水(经过阳离子交换
Hale Waihona Puke 及除碳)中的负离子进行交换。所以在强碱性阴离子交换器内发生的
反应为：
1/2H2SO4 HNO3 1/2H2CO3 HCl 1/2H2SiO3 1/2SO4 NO3 +ROH→ R 1/2CO3 CI HSiO3
+ (CH3)3 N →
CI
CH CI 氯球 2
三甲基胺
CH2N (CH3)3
苯乙烯季胺盐阴树脂
2 离子交换树脂的命名
离子交换树脂产品型号是根据国家标准 GBl631—79《离子交 换树脂产品分类、命名及型号》而制定的。 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基团）名称、基本 名称依次排列组成。基本名称为离子交换树脂。大孔型树脂在全名称
1/2Ca2+ 1/2Mg2+ + Na+ 1/2 SO42NO3- + RH → CI HCO3
-
1/2 Ca R 1/2 Mg Na
1/2 H2SO4 HNO3 HCI 1/2 H2CO3
阳离子交换器的出水是酸性水。但当交换器运行失效时，其出水中就会有其 它阳离子的泄漏，而在诸多的阳离子中，首先漏出的阳离子是Na+，故习惯 上称之为漏钠。当出水中的Na+超过一个给定的极限值时，阳离子交换器被 判失效，需停运再生后才能投入运行。 为什么阳交换器失效时，首先发生漏钠，而不是漏Ca2+或Mg2+离子？这是因为 水中各种阳离子与树脂中H+发生交换反应时，因树脂对各种阳离子的吸收有 选择性，故被树脂吸收的离子在交换器内有分层现象，根据树脂对被吸收离 子的选择性顺序，最上层是最易被吸收的 Ca2+，次层以Mg2+为主，下层就是Na+。 当交换器不断进水，随离子交换的不断进行，由于水中的Ca2+比Mg2+、 Na+与树脂的亲合力更大，更易被树脂吸收，所以水中的Ca2+离子可和已吸 收了Mg2+的树脂进行交换反应，使Ca型树脂层向下扩展，而被置换下来的 Mg2+一起与Na+型树脂发生交换，使Mg2+型树脂层下移而Na+的交换区域也逐 渐下移。在运行过程中，这三层不同型态的交换剂的高度在不断地向下扩展， 如图3.7.2所示。 阳床整个制水周期(运行开始到交换器失效这段时间)中电导率、钠离子浓度、 酸度变化可用图3.7.3表示。 开始通水正洗时随水的不断通入，水质越来越好。因而电导率、酸度、钠离 子快速下降（a点前）。在ab为稳定制水过程，b点后树脂开始失效。此时水 中钠增加，氢离子减少而氢氧根增加，使酸度下降，电导率下降。
第三章离子交换树脂
3.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。 湿视密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密 度) 。 单位均为mg/L. 4.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。
二. 离子交换树脂的分类
3.1.3 强碱性阴树脂
有两种强碱性树脂：功能基团为 三甲胺基称为强碱Ⅰ型 二甲基-β-羟基-乙基胺为强碱II型 水溶液中 R ≡ N＋OH－(Cl－)
-
I型的碱性比II型强，但再生较困难，II型树脂的稳定性较差。 和强酸性树脂一样，强碱性树脂使用的pH范围没有限制
1/2H2SO4 1/2SO4 HNO3 NO3 1/2H2CO3 +ROH→ R 1/2CO3 + 2H2O HCl CI 1/2H2SiO3 HSiO3
发展史
1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换 现象；
1876年Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学 计量关系； 1935年人工合成了离子交换树脂；
1940年应用于工业生产；
1951年我国开始合成树脂。
2、离子交换树脂的定义
2.1离子交换树脂的定义
离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维 网状高分子材料，其外形一般为颗粒状。 不溶于水和一般的酸、碱，也不溶于普通的有机 溶剂，如乙醇、丙酮和烃类溶剂。 常见的离子交换树脂的粒径为0.3～1.2mm。
骨架：接有功能基团，本身是惰性 固定离子：连接在骨架上，可与相 反离子结合 活性离子：与功能基团所带电荷相 反的可移动的离子 待交换离子：在吸附阶段可与活 性离子交换，与骨架上的功能基 团结合
离子交换法制盐的原理
离子交换法制盐的原理离子交换法制盐的原理是以离子交换树脂作为载体，通过交换树脂上吸附的钠离子（Na+）与水中的其他阳离子（如钙离子Ca2+、镁离子Mg2+等）进行交换，从而达到去除盐分的目的。
离子交换法制盐的过程主要分为两个步骤：吸附和再生。
首先，离子交换树脂会吸附水中的阳离子。
这是因为树脂上存在一种具有离子交换功能的功能基团，常见的功能基团有强酸型树脂上的-So3H和强碱型树脂上的-Quaternary Ammonium。
这些功能基团会与水中的阳离子发生离子交换，即树脂上的功能基团释放出树脂基团，并吸附水中的阳离子。
接下来，在一定时间的操作后，当吸附在树脂上的钠离子达到饱和状态，需要进行再生。
再生是指用高浓度盐水或其他一定浓度的酸、碱溶液将吸附在树脂上的其他阳离子释放出来，从而可以继续进行吸附过程。
再生的方法有多种，常见的有酸再生法和碱再生法。
酸再生法是将稀盐酸或稀硫酸溶液通过吸附塔循环冲洗离子交换树脂，将树脂上吸附的阳离子释放掉，使树脂恢复到原来的活性状态。
碱再生法则是将稀盐酸或稀硫酸溶液通过吸附塔循环冲洗离子交换树脂，将树脂上吸附的钙、镁等阳离子释放掉。
离子交换树脂具有选择性吸附的特点，可以根据需要选择不同类型的树脂。
强酸型树脂对钠离子选择性较弱，适用于中性至碱性条件下的水处理，比如软化水处理、除盐等；而强碱型树脂对钠离子选择性较强，适用于除碱处理等。
离子交换法制盐具有一定的优点，如操作简单、工艺成熟、可实现连续生产等。
然而，也存在一些问题。
首先，离子交换法制盐对水质要求较高，水中的杂质、有机质等会影响树脂的吸附效果，需要进行前处理。
其次，再生过程中产生大量废液，对环境造成一定污染。
总之，离子交换法制盐是一种重要的除盐方法，可以有效去除水中的盐分。
通过选择合适的树脂类型、合理控制再生条件，可以实现高效、稳定地制取纯净水和获得高纯度的盐产品。
为什么离子交换法软化和除盐水处理前要除去过量的余氯-采用什么方法
为什么离子交换法软化和除盐水处理前要除去过量
的余氯？采用什么方法？
软化和除盐水处理所用的离子交换树脂是高分子的有机化合物，如果被氧化，就会破坏树脂的交联键，从而使树脂发生化学降解而降低交换能力。
预处理时所加的氯是强氧化剂，因此，必须在除盐水处理的阳离子交换塔进水前（或是炭滤器的出水）将过量余氯去除。
但是，如果阳离子交换塔的进水余氯被除净，虽然树脂被氧化可以得到控制，可是这时的水质失去了持续杀菌能力，容易受到污染，又有可能在阳离子交换树脂的进水表层滋长微生物，使树脂受到有机物的侵害，权衡得失，还需保持一定的余氯量。
一般保持余氯为0.02～
0.1mg/L。
去除余氯的方法大都采用活性炭吸附法。
水中的游离余氯（HClO、ClO-）进入活性炭装置后，与活性炭C活发生化学反应：
这是一种表面化学反应，余氯被C活表面吸附进行分解，生成的O 将C活氧化，生成炭的氧化物C活O，余氯被还原为Cl-而除去。
为此，活性炭过滤必须设在阳离子交换塔前面。
离子交换除盐课件
4-4离子交换设备
• 阴（阳）离子交换床主体 结构图：
• • • • • • • • 1）进水装置（布水器） 均匀分布进水，收集反洗水。 2）中排装置 均匀排出再生液，防止树脂 乱层，流失。 3）出水装置 均匀收集处理好的水，均匀 分布反洗水。 4）压脂层 截留水中的悬浮物质，防止 树脂在逆流再生过程中乱层。
• •
• • • •
4.3影响再生效果的因素
• 1 再生剂 • 2 再生方式 • 3 再生剂的用量
再生剂用量不足,树脂的再生度低,交换容量小,制水周期缩短,自 耗水量增大.再生剂用量越多,树脂的再生程度越高,再生交换容 量越接近于全交换容量.但当再生剂的比耗增大到约4 倍理论量 后,再生程度不会再有明显提高.再生剂的利用率越来越低.所以 采用过高的的再生剂的比耗是不经济的.
再生剂的单耗.是指恢复交换剂1摩尔的交换容量,所消耗 再生剂的克数.用食盐再生时称为盐耗,用盐酸再生称 为酸耗. 符号W. W= G/(Cj-Cc)V g/moL G-再生一次所用纯再生剂的质量 Cj-进水离子浓度 Cc-出水离子浓度 比耗.是指恢复树脂1摩尔的交换容量,实际用纯再生剂的 量与理论量之比.也即再生剂用量为树脂工作交换容量 理论量的倍数.符号R R = W/M M-再生剂的摩尔质量g/moL 再生剂的比耗总是大于1.
4-2. 离子交换器的再生步骤
• • • • • • • • • 无顶压逆流再生操作 1小反洗 大反洗(一般连续运行10-20周期进行一次) 清除树脂上层沉积的悬浮物,破碎树脂颗粒.反洗排出水中不应含有效树脂颗 粒,反洗至水质澄清为止. 2.放水 让树脂借助重力自然沉降,使树脂表面平坦. 3.进再生液 用较高浓度的再生剂对失效树脂进行还原.(大反洗周期再生剂用量加倍) 要求控制进口、出口阀门流量平衡,不允许排出液流量大于进再生液的流量. 以免再生液发生偏流.严格控制进再生液的百分浓度.采用现场取样打比重,或 在线浓度计进行分析.控制进再生液时间不能低于30分钟.(不包括小型钠离 子自动交换器) 4.置换(逆洗) 停止进再生液,但保持进水流量不便,继续进水15-30分钟.让交换器内再生液 继续进行交换反应, 5.小正洗 冲洗树脂上层残留再生液 6.大正洗 加大进水与排水流量,将残余的再生液和反应产物排出交换器. 正洗至出水硬度合格.(钠型树脂硬度小于0.03毫摩尔⁄ 每升.氢型树脂不含 硬度)
环境工程学(王玉恒)重点-第2章 第2(2)节 离子交换和吸附
※再生方法包括：加热再生法、药剂再生法、
化学氧化法、生物法。常采用前两种方法。
25
（一）吸附剂
1. 活性炭
※
分为低温（<200℃）和高温（炭 化：300~700 ℃；活化：700~1000 ℃ ）加热再生。 前者适用于吸附了高浓度的简单 低分子有机物（如某些碳氢化合物和 芳香族有机物）的活性炭再生；可直 接在吸附塔内进行。 后者适用于水处理后粒状活性炭 的再生，分脱水、干燥、炭化、活化( 再生炉中进行）和冷却5步。再生系统 有脱水装置、再生炉、活性炭输送系 统等组成； 高温加热再生特点：吸附性能恢 复率高（95%以上），再生时间短； 再生设备造价高，能耗大，需严格控 26 制运行条件。
比表面积：可达500-1700m2/g
吸附量除与比表面积有关外，还于细孔的形状和 分布有关。 细孔的形状：圆桶形，圆锥形，瓶形，平板形， 毛细管形等，有效半径为1-10000 nm。
20
（一）吸附剂 （2）活性碳的构造
根据杜必宁的分类，细孔分为（※）：
A、 小孔（微孔）：孔径在2nm以下，其表面积占总表面 积的95%以上，吸附量主要由小孔支配。
加热再生法
再 生 方 法
※
药剂再生法
化学氧化法 生物法
（一）吸附剂
1. 活性炭
※ 分无机药剂和有机溶剂再生法； 前者利用无机酸碱溶液（硫酸、 盐酸、氢氧化钠等）使污染物脱附； 后者利用有机溶剂（苯、丙酮、 甲醇等）萃取吸附的有机物；
加热再生法
再 生 方 法
※
药剂再生法
可直接在吸附塔内进行；
化学氧化法 生物法
（4）活性碳的特点（补充）
A、具有良好的吸附性能和化学稳定性
B、抗腐蚀性能好
水中溶解物质去除与处理方法
上大量采用的是粒状活性炭。 • 活性炭主要成分除碳外，还含有少量的氧、氢、
硫等元素，以及水分、灰分。
• 活性炭的吸附中心点 • 具有良好的吸附性能和稳定化学性质，可以耐
强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用， 不易破碎。
• 再生：即交换反应的逆过程。使具有较高 浓度的再生液流过树脂，将先前吸附的离 子置换出来，从而使树脂的交换能力得到 恢复。再生液的浓度对树脂的再生程度有 较大影响。
• 清洗：洗涤残留的再生液和再生时可能出 现的反应产物 。
三、 吸附法
1、吸附的基本理论
• 吸附是指利用多孔性固体物质吸附废水中某种 或几种污染物，以回收或去除某些污染物，使 废水得到净化的方法。
• 具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂。 而废水中被吸附的物质称为吸附质。
• 吸附是一种界面现象，发生在两个相的界面上。 • 根据吸附剂与吸附质之间作用力不同，可分为
物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种类型。
1）物理吸附的特点
• 吸附剂和吸附质之间通过分子间力作用所发生 的吸附为物理吸附，没有选择性。
3、吸附剂
工业吸附剂必须满足下列要求: （a）吸附能力强； （b）吸附选择性好； （c）吸附平衡浓度低； （d）容易再生和再利用； （e）机械强度好； （f）化学性质稳定； （g）来源广； （h）价格低。
一般工业吸附剂 难于同时满足这 八个方面的要求， 应根据不同的场
合选用.
（1）活性炭
• 活性炭是一种非极性吸附剂。 • 是由含炭为主的物质为原料，经高 指吸附质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表 面的带电点上，并置换出原先固定在这些带电点上 的其他离子。
【3】第二章 水的物理化学处理方法(3)
除盐
H＋型阳离子交换柱 OH－型阳离子交换柱
6、离子交换法在处理工业废水中的应用
离子交换法近年来被广泛地应用于回收工业废 水中的有用物质和去除有毒物质。
【1】处理含铬废水 含铬废水是一种常见的废水，主要含有以 CrO42-和 Cr2O72-形态存在的六价铬以及少量的以Cr3+形态存在的 三价铬。经预处理后，可用阳树脂去除三价铬离子和其 他阳离子，用阴树脂去除六价铬离子，并可回收铬酸， 实现废水在生产中的循环使用。
再生剂的选择
• 强酸性阳离子交换树脂可用HCl或H2SO4等强酸及
NaCl、Na2SO4等再生。
• 弱酸性阳离子树脂可以用HCl、H2SO4等再生。
• 强碱性阴离子交换树脂可用NaOH等类强碱及NaCl
再生，
• 弱碱性阴离子树脂可以用NaOH、Na2CO3、
NaHCO3等再生。
5、离子交换法在给水处理中的应用
环 境 工 程 学
第二章 水的物理化学处理方法
水中的杂质：ห้องสมุดไป่ตู้
粗大颗粒物质：格栅、筛网、沉砂 按颗粒的大小 悬浮物质和胶体物质：沉淀、混凝 溶解性物质
第二章 水的物理化学处理方法
第三节 水中溶解物质的去除
一、水的软化和除盐
二、离子交换法
三、吸附法
四、膜分离技术
第三节 水中溶解物质的去除
天然水体 阳离子 阴离子 溶解气体 Ca2+、Mg2+、Na+、K+ CO32-、HCO3- 、SO42-、ClO2、CO2
3、水质对树脂交换能力的影响
1）悬浮物和油脂
• 废水中的悬浮物会堵塞树脂孔隙，油脂会包住树 脂颗粒，都会使交换能力下降。因此当这些物质 含量较多时，应进行预处理。预处理的方法有过 滤、吸附等。
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离子交换软化和除盐实验
一、 实验目的
① 加深离子交换基本理论的理解。
② 了解离子交换软化设备的操作方法。
③ 熟悉离子交换过程。
④ 进一步熟悉水的硬度、碱度和pH 值的测定方法。
二、实验原理
离子交换是目前常用软化与除盐的方法。
离子交换树脂是一种不溶于水的固体颗粒状物质，它能够从电解质溶液中把本身所含的另外一种带有相同电性符合的离子与其等量的置换出来，按照所交换的种类，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。
阳离子交换树脂是以钠离子（Na +型）或氢离子型（H +型）置换溶液中的阳离子从而将其去除掉。
置换反应为：
钠型 NaOR+M 2+⇔MR+2Na + 氢型 H 2R+M 2+⇔MR+2H + 反应式中R 表示树脂，M 2+表示阳离子。
阴离子交换树脂是以羟基（OH -）离子置换溶液中的阴离子，从而将其去除掉，置换反应式为：
R(OH)+A 2-⇔RA+2OH -
反应式中R 表示树脂；A 2-表示阴离子。
离子交换吸附能力，在其他条件相同时，交换能力大小顺序如下：阳离子交换顺序（强酸性阳树脂）Fe 3+>Al 3+>Ca 2+>Mg 2+>K +>H +>Na +>H +>Li +。
阴离子交换顺序（强碱性阴树脂）为：草酸离子>柠檬酸离
子>-34PO >-24SO >Cl ->-
3NO 。
实际上，天然水中及工业废水中都不会只含有一种离子，通常都含有多种阳离子和多种阴离子，交换过程也复杂的多。
就软化而言，含有多种阳离子和多种阴离子交换层时Cu 2+、Zn 2+、Ni 2+、Ca 2+、Mg 2+被吸附在树脂上，同时释放Na ，从而使水得到软化。
当树脂的交换容量耗尽时，交换柱流出水的硬度就会超过规定值，这一情况称为穿透。
此时，必须将树脂再生。
再生前，应对交换柱进行反冲洗，以除去固体沉积物。
阳离子交换柱再生方法是用盐溶液（）或用酸溶液（）流过交换柱；而阴离子交换柱再生方法是用氢氧化钠（）溶液或氢氧化铵（）溶液流过交换柱。
再生后，用纯水冲洗交换柱以除去残留的无效离子。
如既需要软化水的硬度又要降低水的碱性，则可将OH 型和Na 型离子交换柱串联使用。
利用阴阳树脂共同工作是目前制取纯水的基本方法之一。
阳树脂自身可交换的H 与水中阳离子交换，去除阳离子；阴树脂官能团中的OH 与水中阴离
子交换，同时去除水中的阴离子。
这样把两种交换柱串联起来，就能够有效地去除水中绝大部分离子，从而达到除盐的目的。
水中所含阴、阳离子多少能直接影响溶液的导电性能，经阴阳离子交换的水中离子的含量很少，在工业用水测定时，常常用水的导电率来表示离子交换的水质。
三、实验装置与仪器
（1）仪器
①离子软化与除盐实验装置
②电导仪。
（2）器皿
①量筒（100ml、10ml各1个）
②滴定管、架（50ml酸式、50ml碱式各2个）；
③烧杯（500ml、50ml各1个）
④三角烧瓶（250ml，2个）
⑤容量瓶（500ml、50ml）各1个
⑥移液管（50ml、25ml各1支）
⑦干燥皿（1个）
（3）试剂
①EDTA标准溶液（0.02mol/L）；
②铬黑T指示剂；
③pH=10缓冲溶液（NH）
④HCl标准溶液（0.1mol/L）；
⑤酚酞指示剂（1%）
⑥甲基橙指示剂（0.05%）
四、实验步骤
①熟悉实验装置，搞清楚每条管路、每个阀门的作用。
②测原水硬度，测量交换柱内径及树脂层高度。
③将交换柱内树脂反洗数分钟，反洗流速采用15m/h,以去除树脂层内的气泡。
④软化与除盐。
运行流速分别采用15m/h、20m/h、25m/h、30m/h，每隔5min取软化柱出水水样250ml，测其总硬度及pH值，同时取除盐柱出水水样250ml测其电导率及pH值。
测2次并进行比较。
⑤反洗。
冲洗水用自来水，反洗流速采用15m/h，反洗时间15min。
用软化柱出水反洗除盐柱，反洗流速采用10m/h，反洗时间15min。
反洗结束将水放到水面高于树脂表面10cm左右。
⑥再生。
配制再生液，采用流速3～5m/h,调节定量投药箱出水阀门开启度以控
制再生流速。
再生液用毕后将树脂在盐液中浸泡数分钟。
⑦清洗。
清洗流速采用15m/h,用软化柱出水反洗除盐柱，每5min测一次软化柱出水硬度，有时间还可测氯根，同时测出水电导率，直至出水水质合乎要求为止。
清洗时间约需50min。
⑧清洗完毕结束实验，交换柱内树脂应浸泡在水中。
⑨测水样总硬度、电导率、和pH值。
a．总硬度的测定参见分析化学有关内容。
b．电导率的测定参见电导仪说明书。
c．pH计的测定参见酸度计说明书。
以上所测数据分别记录与基本数据记录表和软化与除盐实验记录表中
基本数据记录表
软化与除盐实验记录
五、实验数据及结果整理
①绘制不同运行流速与出水硬度曲线。
② 绘制出水硬度关系曲线。
③ 绘制不同运行流速与出水电导率关系曲线。
④ 制除盐柱不同清洗历时与出水电导率关系曲线。
思考题
1如何提高出水水质？
2离子交换软化实验中pH值是怎样变化的？对电导率有什么影响？。