离子交换工艺原理和设计
离子交换
离子交换设备离子交换设备简介：在纯水制作的工艺上，传统的离子交换工艺主要体现在工业纯水和超纯水的制水设备上使用到的一种流程，很多的工业水处理中运用到的离子交换，比如精细化工行业、电子电镀行业、线路板制作行业，电子、显示屏制作行业等等，离子交换设备在操作过程中比较简单，再生环节容易，离子交换设备主要在树脂的使用需要良好的选型，树脂的型号的规格决定水中的好坏和使用周期，以下是离子交换设备的一些介绍：1、离子交换是一种传统的、工艺成熟的脱盐处理设备，其原理是在一定条件下，依靠离子交换剂（树脂）所具有的某种离子和预处理水中同电性的离子相互交换而达到软化、除碱、除盐等功能。
用于深度脱盐处理，产水电阻率动态可达到18MΩ·cm。
2、离子交换设备阴阳离子的基本原理：采用离子交换方法，将把水中阳、阴离子去除。
以氯化钠（NaCl）代表水中无机盐类，水质除盐的基本反应式：阳离子交换柱方程：阳离子交换树脂具有酸性基团。
在水溶液中酸性基团可以电离生成H+。
每种交换树脂可以含有一种或数种离子基团，按照离子基团的电离难易程度可把交换树脂分为强性和弱性。
阳离子交换树脂分为强酸性和弱酸性.R-H+Na+=R–Na+H+阴离子交换柱方程：阴离子交换树脂含有碱性基团他们在水溶液中电离并与阴离子进行交换。
阴离子交换树脂按照离子基团的电离难易程度分为强碱性及弱碱性。
R–OH+Cl-=R–Cl-+OH-3、阳、阴离子交换柱串联以后称为复合床，其总的反应式： R-H+R-OH+NaCl=R-Na+R-Cl+H2O由上面所描述得出，水中的NaCl已分别被树脂上的H+和OH-所取代，而反应生成物为H2O，达到了去除水中盐的作用。
4、混合离子交换柱（混床）：将阳、阴床尚未交换的剩余盐类进一步除去，由于通过混合离子交换后进入水中的H+和OH-立即生成电离度很低（H2O），几乎不存在阳床或阴床交换时产生的逆交换现象，使交换反应进行得十分彻底，因而混合床的出水水质优于阳、阴离子交换柱串联组成的复床所能达到的水质，能制取纯度相当高的成品水。
离子交换膜原理
离子交换膜原理
离子交换膜是一种特殊的薄膜，被广泛应用于水处理和化学工艺中。
它的主要作用是通过交换离子的方式，将溶液中的不需要的离子去除，同时将需要的离子捕获并集中。
离子交换膜的原理基于离子在溶液中具有电荷的性质。
膜的材料通常是由聚合物构成的，其中含有吸附离子的功能基团。
这些功能基团可以与水中的离子发生反应，并使离子与膜的表面或内部发生物理或化学结合。
通过这种结合，膜可以选择性地去除或捕获特定的离子。
当溶液通过离子交换膜时，离子会与膜上的功能基团发生交换。
膜上的功能基团会将带有相反电荷的离子吸附并保持在膜的表面或内部。
与此同时，膜会释放出与被吸附离子相同电荷的离子，以维持电中性。
这个过程会持续进行，直到溶液中的所有被交换离子都被固定在膜的表面或内部。
通过离子交换膜，我们可以实现离子的选择性分离和富集。
例如，在水处理中，膜可以去除溶液中的污染物离子，如重金属离子、阴离子和阳离子。
在化学工艺中，膜可以用于分离反应体系中的特定离子，从而提高反应的选择性和纯度。
需要注意的是，离子交换膜的选择应基于其对目标离子的选择性。
不同的膜材料和功能基团会对不同离子表现出不同的亲和性。
因此，在设计离子交换膜系统时，需要综合考虑溶液组成、离子浓度和处理需求。
总而言之，离子交换膜通过吸附和释放离子的机制实现离子的选择性分离和富集。
它在水处理和化学工艺中具有重要的应用价值，可以帮助我们净化水源和提高化学反应的效率和选择性。
离子交换法的工作原理及软水器的工作过程
离子交换法的工作原理及软水器的工作过程离子交换树脂是一种聚合物，带有相应的功能基团。
一般情况下，常规的钠离子交换树脂带有大量的钠离子。
当水中的钙镁离子含量高时，离子交换树脂可以释放出钠离子，功能基团与钙镁离子结合，这样水中的钙镁离子含量降低，水的硬度下降。
硬水就变为软水，这是软化水设备的工作过程。
当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后，树脂的软化能力下降，可以用氯化钠溶液流过树脂，此时溶液中的钠离子含量高，功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合，这样树脂就恢复了交换能力，这个过程叫作“再生”。
由于实际工作的需要，软化水设备的标准工作流程主要包括：工作(有时叫做产水，下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。
不同软化水设备的所有工序非常接近，只是由于实际工艺的不同或控制的需要，可能会有一些附加的流程。
任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中，全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。
反洗：工作一段时间后的设备，会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物，把这些污物除去后，离子交换树脂才能完全曝露出来，再生的效果才能得到保证。
反洗过程就是水从树脂的底部洗入，从顶部流出，这样可以把顶部拦截下来的污物冲走。
这个过程一般需要5-15分钟左右。
吸盐(再生)：即将盐水注入树脂罐体的过程，传统设备是采用盐泵将盐水注入，全自动的设备是采用专用的内置喷射器将盐水吸入(只要进水有一定的压力即可)。
在实际工作过程中，盐水以较慢的速度流过树脂的再生效果比单纯用盐水浸泡树脂的效果好，所以软化水设备都是采用盐水慢速流过树脂的方法再生，这个过程一般需要30分钟左右，实际时间受用盐量的影响。
慢冲洗(置换)：在用盐水流过树脂以后，用原水以同样的流速慢慢将树脂中的盐全部冲洗干净的过程叫慢冲洗，由于这个冲洗过程中仍有大量的功能基团上的钙镁离子被钠离子交换，根据实际经验，这个过程中是再生的主要过程，所以很多人将这个过程称作置换。
离子交换法处理含铬废水
离子交换法处理含铬废水重铬酸钠、铬酸酐等铬盐类产品是广泛应用于电镀、颜料、制革、医药、冶金及化工等行业的重要化工原料。
在国民经济建设中占有十分重要的地位。
但是在生产铬盐产品的过程中，产生的大量含铬废水，如不妥善处理，任意排放，将会污染江河水源及环境。
当水中六价铬的到一定程度时，对人类、畜牧、鱼类、农作物等均有害。
因此，消除含铬废水的污染，对保护环境，造福人民和发展经济都具有很大的意义。
目前，国内外对含铬废水的处理，一般采用的方法有硫酸亚铁—石灰法、钡盐法、二氧化硫法，亚硫酸钠法，电解法和离子交换法等。
其中除离子交换法外，均要产生大量含有三价铬的污水（三价铬也是有毒物质）。
既难于处理，且对铬的资源不能进行回收和利用。
现采用大孔型ZGA451弱碱性阴离子交换树脂处理含铬废水，不仅处理的水质较好，符合国家排放标准，而且还能回收利用大量铬的化合物。
这种大孔型离子交换树脂系新型的离子交换树脂。
与普通凝胶型离子交换树脂相比，具有更强的抗污染能力,更广泛的适应性和高交换容量。
而且机械强度好，有弹性，不易被具有氧化性的离子所破坏，也不易因膨胀收缩而破坏结构，网孔不容易受有机物污染和高效吸附与再生洗脱容易等优点。
一、树脂主要物化性能ZGA451大孔弱碱性阴离子交换树脂主要性能指标名称 指标外观 乳白色至淡黄色不透明球状颗粒功能基团 -N(CH3)2·H2O出厂型式 游离胺型含水量 % 48～58质量全交换容量 mmol/g(干)≥4.80体积全交换容量 mmol/ml ≥1.4湿真密度 g/ml 1.03～1.06湿视密度 g/ml 0.65～0.72渗磨圆球率 % ≥90范围粒度 % 常规型(0.315～1.25mm) ≥95 温度 ℃ ～80PH值 1～9膨胀率 % ≤25二、基本原理及工艺流程1.基本原理离子交换法处理含铬废水，是利用离子交换树脂的活性基团的交换作用吸附废水中的铬酸根(CrO42-)和重铬酸根(Cr2O72-)离子，去除有害的Cr6+离子，待树脂吸附饱和后，用氢氧化钠和氯化钠组成的再生剂进行再生，以达到回收铬化合物的目的。
氯碱工业中离子交换膜法工艺流程
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第五章离子交换分离法(共60张PPT)
3、受有机物污染严重的树脂可以采用次氯酸钠溶液处理。
分子聚合物．其中应用最为广泛的是离子交换树脂。 如：国产 #401型是属于氨羧基［－N〔CH2COOH〕2］
图中以波形线条代表树脂的骨架，活性基团 磺酸基〔—SO3H〕。
§5.1 概述
§5.2 离子交换剂
§5.3 离子交换别离法的根本原理
§5.4 离子交换别离法的根本操作技术
§5.5 应用
§5.1 概述
一、离子交换别离法：
利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换反响进 行别离的方法。
二、 特点 优点：别离效率高，设备简单，操作不复杂，树
脂又具有再生能力，可反复使用，应用广泛。 缺点：别离周期长，耗时过多。
三、开展史
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。
§5.2 离 子 交 换 剂
离子交换剂 具有离子交换能力的所有物质，通常指固体
3、离子交换树脂对离子的亲和力规律：
1.强酸性阳离子交换树脂对不同价的离子，电荷越高， 亲和力越大。 Fe3+ > Mg2+ > Na+
同电荷数离子水合离子半径小的亲和能力强 Ca2+ > Mg2+ > Be2+ K+ > Na+ > Li+
2. 弱酸性阳离子交换树脂：H+的亲和力比其他阳离子
离子交换
离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及 提取稀土元素和贵金属。
5）合成化学和石油化学工业
在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、 酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱， 同样可进行上述反应，且优点更多。如树脂可反复使用， 产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容 易控制等。
离子交换设备 —分类
按两相间接触方式可分为固定床、移动 床、流化床。
离子交换设备
—固定床离子交换
固定床是应用较为广泛的一类离子交换。能够 在一定量再生剂的条件下逆流再生获得较高的分散效 果。 结构：溶液分布装置、树脂支撑装置、 观察装置、 检 修装置、 进出料管、 树脂放出口、 溢流口
过程：通常被处理的料液从树脂的上方加入，经过分 布管均匀分布分布于整个树脂的横截面上。
pH一般没有限制。 再生：
过量强酸 应用：
提取、精制新霉素，卡那霉素，春雷霉素
苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂的结构
—CH2—∣CH—CH2—CH—CH2—C∣H—CH2—C∣H—
SO3- H+
SO3- H+
SO3- H+
—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—
SO3- H+
HC=CH2
膨胀度：树脂吸水后体积增大的程度
膨胀率：树脂转型时体积增大百分率 Φ ＝ (V2－V1 ) / V1 ％
（V1 膨胀前体积；V2 膨胀后体积）
交换容量
离子交换树脂的性能指标
一定数量的离子交换树脂所带有的可交换基
团的数量。
总交换容量：每克干树脂上活性功能团的总数
（3-6mM/g干）
工作交换容量：也叫实用交换容量，即在某一指
重庆大学生物工艺学_第17章 离子交换法
反应简式为： R-COOH
R-COO－ ＋H＋
这类树脂含有弱酸性基团，如羧基-COOH、酚羟基-OH，能在 水中离解出H+而呈弱酸性，R-COO－能与溶液中的其它阳离子吸 附结合，而产生阳离子交换作用。 这类树脂由于离解性较弱，在低pH值下，难以离解和进行离子 交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中发挥作用（R-COOH应 在pH>6的溶液中操作，R-OH应在>9的溶液中操作）。 这类树脂也是用酸进行再生。
离去并扩散. ３．淘析.
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2. 离子交换树脂分类
1）强酸性阳离子树脂
含有强酸性基团，如磺酸基－SO3H，能在溶液中离解H+而呈强酸性。
反应简式为：
R-SO3H
R-SO3－ ＋H＋
R-SO3－ ＋Na＋
R-SO3Na
树脂中的SO3－基团能吸附溶液中的其它阳离子，这两个反应，使树脂 中的H+与溶液中的阳离子互相交换。
强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中都能离解和产生离
子交换作用，因此使用时的pH没有限制。
以磷酸基－PO(OH)2和次磷酸基－PHO（OH）作为活性基团的树脂具有中等 强度的酸性。强酸性阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸附
的阳离子，再与H+结合而复原。
2）弱酸性阳离子树脂
2）交换速度方程
外部扩散控制
ln(1 F) K1t
K1—外扩散速度常数 F—时间为t时，树脂的饱和度
内部扩散控制
F 1 6
Din2 2t
1 e r02
2 n1 n2
K1
3D1
r0r0
r0为树脂颗粒半径
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离子交换工艺原理和设计
离子交换工艺是一种广泛应用于水处理和化学工业的技术。
它是通过将一种离子与另一种离子交换，从而改变水或化学物质的性质。
这种技术的原理是利用具有交换性质的离子树脂，将水中的杂质离子或化学物质中的特定离子去除或转化为其他离子。
离子交换工艺的设计和实施需要考虑许多因素，包括床层深度、流量、温度、pH值等。
离子交换工艺的原理是利用离子树脂吸附或释放离子的特性。
离子树脂是由具有交换性质的功能基团组成的高分子材料。
当水或化学物质通过离子树脂时，其中的离子会与树脂表面的功能基团发生交换反应。
例如，阳离子树脂上具有负电荷的功能基团可以吸附阳离子，而阴离子树脂上具有正电荷的功能基团可以吸附阴离子。
离子交换工艺可以用于水处理中去除硬度、铁、锰、氯等杂质离子，以及化学工业中分离和纯化有机物、无机物和生物分子。
它还可以用于制备高纯度水、医药原料和电子级材料等。
离子交换工艺的设计需要考虑床层深度、流量、温度、pH值
等因素。
床层深度是指离子交换柱内填充离子树脂的深度，它影响着反应速率和处理效果。
流量是指水或化学物质通过柱内的速率，它影响着反应时间和吸附容量。
温度可以影响反应速
率和选择性。
pH值可以影响功能基团的离子交换能力和选择性。
在实施离子交换工艺时，需要注意一些问题。
首先，选择合适的离子树脂类型和功能基团，以满足处理要求。
其次，控制流量和温度，以保证反应效果和稳定性。
最后，定期对离子树脂进行再生或更换，以保证处理效果和寿命。
总之，离子交换工艺是一种重要的水处理和化学工业技术，其原理是利用具有交换性质的离子树脂吸附或释放离子。
在设计和实施时需要考虑床层深度、流量、温度、pH值等因素，并注意选择合适的离子树脂类型和功能基团，控制流量和温度，定期进行再生或更换。