第4节 离子交换软化
第4节离子交换软化
一、阳离子交换树脂特性
分强酸和弱酸。
强酸主要有RNa 和RH。
1．RNa
2RNa + Ca2 +--- R2Ca + 2Na+
2RNa + Mg2+ --- R2Mg + 2Na+
特点：去除碳酸盐和非碳酸盐硬度，总含盐量（阳离子总重量）有所变化，但碱度不变。
2．RH
碳酸盐硬度，生成CO2、H2O―――同时碱度也去除了。
非碳酸盐硬度，生成H2SO4，HCl ――出水酸性
对于Na+, RH + NaCl ---RNa +HCl --- 产生钠型树脂，但不起软化作用
出水水质变化见图21－14。
※开始时出水呈酸性。
※Na＋开始泄漏时，出水酸度急剧下降。
※之后，RH交换转变为RNa型运行模式，对Ca和Mg仍有交换能力。
出水Na离子逐渐超过原水中的浓度，呈碱性。
※然后硬度离子开始泄漏
出水中离子泄漏的顺序为：H＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋
失效点控制：脱碱，以Na泄漏为准
软化，以硬度离子泄漏为准。
由于电离较弱，只能去除碳酸盐硬度
2RCOOH + Ca(HCO3)2 ----- (RCOO)2Ca + 2H2O +CO2↑
但交换容量大（活性基团多），比强酸型高一倍。
再生容易。
二、离子交换软化系统
1．RNa 系统
原水碱度低（因为RNa不能去除碱度），不要求降低碱度的情况。
可采用一级或二级串联。
2．脱碱软化系统
1〕H
A原：进水碱度
A混：混合水中的残留碱度
S：进水中SO42－、Cl－含量之和, 当量浓度
Q H：进RH水量，Q N：进RNa水量
※第一种情况：RH以Na＋泄漏为准
经RH产生的强酸量S Q H
经RNa后的碱度A原Q N =A原(Q-Q H)
混合水中的剩余碱度Q A混
物料平衡:
A原(Q-Q H) – S Q H＝A混Q
Q H＝(A原－A混)/（A原＋S）×Q
Q N＝（A混＋S）/（A原＋S）×Q
※第二种情况：RH以硬度离子的泄漏为准。
此时，RH只是用来去除水中的硬度，因此，在一个运行周期的出水中Na+的平均含量和原水中的Na+含量相同，RH出水酸度的平均值和原水中的非碳酸盐硬度相当，而不是和原水中的强酸根含量相当。
则RH产生的酸度＝非碳酸盐硬度HF
同样推出：
Q H＝（A原－A混）/（A原＋HF）×Q
Q N＝（A混＋HF）/（A原＋HF）×Q
但应注意RH 出水在一个周期内是不均匀的？在任何时间都保证不出现酸性水很难。
2）H －Na 串联系统
水量分配公式与并联时的相同。
这种型式可以降低RNa 的负荷。
H-Na 并列:适用于碱度高的原水。
因为只有一部分水过RNa 。
投资省 H-Na 串联适用于硬度高的原水，出水水质能保证。
运行安全可靠。
CO 2产生量：1mmol/L 的HCO 3- 产生44mg CO 2/L
三、固定床离子交换软化设备 1．离子交换装置的分类
固定床：单床、双层床、混合床 连续床：移动床和流动床
2．固定床的工作过程 饱和曲线
任意时刻树脂层存在三个区 ※饱和区（失效区） ※交换区（交换带）：工作层 ※未交换区
从交换带来讲，要经历两个阶段：1）首先是形成阶段，2〕下移阶段 为保证一定的水质：
应有一个保护层≥交换带高度
交换带的影响因素：水流速度、树脂大小、原水水质
3．工作交换容量
在给定工作条件下的实际交换能力。
P1：再生完毕，软化开始前树脂层中残存的硬度离子所占的百分数P3：软化结束时，树脂层中交换不到的部分所占的百分数。
P2：工作交换容量
P1＋P2＋P3＝100
影响因素：再生程度、软化时的流速、原水水质
4．树脂再生
固定床再分为顺流再生和逆流再生两种。
逆流再生：降低再生剂用量；出水质量提高、工作交换容量提高。
RNa型：用NaCl再生
RH型：用HCl 或H2SO4再生。
离子交换软化实验
离子交换软化实验
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流量L/h
蠕动泵流量图 14 13 12 11 10
9 8 7 6 5 4 3 2
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 转速rpm
蠕动泵转速—流量图
3、先打开5、7阀门，然后 慢慢打开6阀门使水流出，直
到Na型床中的液面高出树脂
层15cm为止，关闭所有阀门。
第6页，此课件共12页哦来自1清水池进气口
7 2
4
Na
型 中排口
3
5
6
放空口
8
出水口
离子交换软化实验
四、实验方法与操作
4、打开1、2、5、6阀门，将 蠕动泵进水口投入NaCl池， 转速调到20rpm，使8～10% 的NaCl溶液流过Na型床，进行 Na型床再生。20分钟后停止 进水，保持阀门开闭不变。
进气口
7
Na
1 3
进水口
离子交换（软化）装置图
型 中排口
5 6
放空口
8
出水口
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离子交换软化实验
四、实验方法与操作
1、熟悉实验装置，
理清所有管路，了 解每个阀门的作用。 确定所有阀门为全 闭。测定原水温度、 pH值及电导率。
1
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进气口
7 2
4
Na
型 中排口
6
放空口
8
出水口
离子交换软化实验
五、实验数据记录与处理
1、把实验所测数据填入下表
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离子交换软化实验
五、实验数据记录与处理
离子交换软化实验报告
离⼦交换软化实验报告1实验⽬的(1)熟悉顺流再⽣固定床运⾏操作过程；(2)加深对钠离⼦交换基本理论的理解。
2实验原理当含有钙离⼦或镁离⼦是造成⽔硬度的主为成分。
当含有钙离⼦或镁离⼦的⽔通过装有阳离⼦交换树脂的交换器时，⽔中的Ca2+及Mg2+便与树脂中的可交换离⼦（钠型树脂中的Na+,氢型树脂中的H+）交换，使⽔中的Ca2+和Mg2+含量降低或基本上全部去除，这个过程叫做离⼦交换树脂对⽔的软化。
钠离⼦交换⽤⾷盐（NaCl）再⽣，氢离⼦交换⽤盐酸或硫酸再⽣。
基本反应式如下:（1）钠离⼦交换软化再⽣（2）氢离⼦交换交换再⽣钠离⼦交换的最⼤优点是不出酸性⽔，但不能脱碱；氢离⼦交换能去除碱度，但出酸性⽔。
本实验采⽤钠离⼦交换。
3实验内容3.1实验设备与试剂表3-1 实验中所⽤试剂及说明仪器（试剂）数量或说明软化装置 1 套100 mL量筒 1 个秒表 1 块2000 mm钢卷尺 1 个测硬度所需⽤品若⼲⾷盐1000 g3.2实验装置实验装置如图3-1所⽰。
图 3-1 离⼦树脂交换装置1—软化柱；2—阳离⼦交换树脂；3—转⼦流量计；4—软化⽔箱；5—定量投再⽣液瓶；6—反洗进⽔管；7—反洗排⽔管；8—清洗排⽔管；9—排⽓管3.3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；⽤100 mL吸管移取三份⽔样，分别加 5mL NH3-NH4Cl缓冲溶液，2~3滴铬⿊T 指⽰剂，⽤ EDTA 标准溶液滴定，溶液由酒红⾊变为纯蓝⾊即为终点。
(3)将交换柱内树脂反洗数分钟，反洗流速采⽤15 m/h，以去除树脂层的⽓泡；(4)软化：运⾏流速采⽤15 m/h，每隔10 min测⼀次⽔硬度，测两次并进⾏⽐较；(5)改变运⾏流速：流速分别取20、25、30 m/h，每个流速下运⾏5 min，测出⽔硬度；(6)反洗：冲洗⽔⽤⾃来⽔，反洗结束将⽔放到⽔⾯⾼于树脂表⾯10 cm左右。
离子交换软化法
如何实现再生？
2
交交 换
换器
1
器
3 排 水
5 排 水
4 6
开启阀2、5 ，其它阀关闭 Nhomakorabea原水
2.运行操作
盐液
(3) 正洗
正洗的目的是清 除残余的再生液 和再生时的生成 物。
如何实现正洗？
2
交交 换
换器
1
器
3 排 水
5 排 水
4 6
开启阀1、5，其它阀关闭
原水
全自动钠离子交换软水系统选择：
第一步: 系统参数数据分析 第二步: 系统方案选择
预处理系统, 软化处理系统, 水质监测系统, 出水硬度调节 系统, 供水系统五大部分组成 第三步: 软化交换器计算 1. 交换器直径 2. 交换器高度 3. 反洗流量孔板 4. 射流器 5. 盐箱注水量 6. 盐箱注水孔板 7. 树脂型号及配置量 第四部: 确定系统方案
常见水处理的方法：
加药水处理 水 处 理
化学水处理
预处理 去除水中的悬浮物及胶体物质
软化处理 去除水中的碱度
沉淀软化 离子交换软化
综合处理或降碱处理 去除硬度、降低碱度
除盐处理 去除水中的各种盐类
除氧处理 去除水中溶解的氧气
一、离子交换软化法基本原理及离子交换剂
1、离子交换剂 能用自己的阳离子把水中的钙和镁离子置换出来的物质 叫做离子交换剂。 常用为合成树脂：NaR、HR、NH4R。 2、离子交换软化法基本原理 交换剂上的阳离子置换水中的Ca2+和Mg2+，使硬水变成 了软水。
全自动钠离子交换软水系统技术参数： 1. 原水硬度: 一级钠:< 8mmol/L 二级钠: ≥ 8mmol/L 2. 出水硬度: 蒸汽锅炉标准≤ 0.03mmol/L 或根据用户要求, 分别 满足不同用途的需求 3. 水质要求:
第四节 离子交换层析(第二章)
1、原理
生物大分子如蛋白质、核酸等多价电解质有不 同的分子大小及电荷排列方式。离子交换剂是通 过化学键合的方法向惰性支持物上连接可解离的 化学基团后的产物。可人为选择性地使其带有正 电荷或负电荷。当在一定pH下净电荷为负的蛋白 质分子可通过静电键结合到带正电荷的离子交换 剂(称为阴离子交换剂)上；反之，称为阳离子交 换剂。 大分子依其与离子交换剂亲和力的不同， 而在以不同牢度被吸附于离子交换剂，通过改变 离子强度或(和)pH使大分子再从离子交换剂上先 后被洗脱下来。
最高分辨率，细 颗粒，小制备量 (g/run, mg/run).
高分辨率，中等颗 粒度(30-40 m)。 可以扩大制备量。 一般分辨率，较大 制备量，较大颗 粒度(60-90 m)。 低分辨率，快速大 容量，大颗粒度 (90-200 m)
最高分辨率，细 颗粒，小制备量 (g/run, mg/run).
脱液的离子强度和pH值，这样各种氨基酸将以不 同的速度被洗脱下来，可以进行分离鉴定。全自 动氨基酸分析仪就是采用这种原理制成。
3)分离纯化生物大分子物质 离子交换层析是依据物质的带电性质的不 同来进行分离纯化的，是分离纯化蛋白质等生物 大分子的一种重要手段。
由于生物样品的复杂性，一般很难只经过一次 离子交换层析就达到高纯度，往往要与其它分离 方法结合使用。 使用离子交换层析分离样品要充分利用其 按带电性质来分离的特性，只要选择合适的条件， 通过离子交换层析可以得到较满意的分离效果。
6）样品的浓缩、脱盐 离子交换层析得到的样品往往盐的质量分 数较高，而且体积较大，样品质量分数较低。所以 一般离子交换层析得到的样品要进行浓缩、脱盐处 理。
柱层析装置：
层析柱、部分收集器、磁力搅拌器、恒流泵、检测器
离子交换软化实验报告
1实验目的(1)熟悉顺流再生固定床运行操作过程；(2)加深对钠离子交换基本理论的理解。
2实验原理当含有钙离子或镁离子是造成水硬度的主为成分。
当含有钙离子或镁离子的水通过装有阳离子交换树脂的交换器时，水中的Ca2+及Mg2+便与树脂中的可交换离子（钠型树脂中的Na+,氢型树脂中的H+）交换，使水中的Ca2+和Mg2+含量降低或基本上全部去除，这个过程叫做离子交换树脂对水的软化。
钠离子交换用食盐（NaCl）再生，氢离子交换用盐酸或硫酸再生。
基本反应式如下:（1）钠离子交换软化再生（2）氢离子交换交换再生钠离子交换的最大优点是不出酸性水，但不能脱碱；氢离子交换能去除碱度，但出酸性水。
本实验采用钠离子交换。
3实验内容3.1实验设备与试剂表3-1 实验中所用试剂及说明仪器（试剂）数量或说明软化装置 1 套100 mL量筒 1 个秒表 1 块2000 mm钢卷尺 1 个测硬度所需用品若干食盐1000 g3.2实验装置实验装置如图3-1所示。
图3-1 离子树脂交换装置1—软化柱；2—阳离子交换树脂；3—转子流量计；4—软化水箱；5—定量投再生液瓶；6—反洗进水管；7—反洗排水管；8—清洗排水管；9—排气管3.3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；用100 mL吸管移取三份水样，分别加5mL NH3-NH4Cl缓冲溶液，2~3滴铬黑T 指示剂，用EDTA 标准溶液滴定，溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点。
(3)将交换柱内树脂反洗数分钟，反洗流速采用15 m/h，以去除树脂层的气泡；(4)软化：运行流速采用15 m/h，每隔10 min测一次水硬度，测两次并进行比较；(5)改变运行流速：流速分别取20、25、30 m/h，每个流速下运行5 min，测出水硬度；(6)反洗：冲洗水用自来水，反洗结束将水放到水面高于树脂表面10 cm左右。
(7)根据软化装置再生钠离子工作交换容量（mol/L），树脂体积（L），顺流再生钠离子交换NaCl 耗量（100~120g/mol）以及食盐NaCl 含量（海盐NaCl 含量≥80～93%），计算再生一次所需食盐量。
离子交换软化水实验
《离子交换软化实验》适用专业：环境工程学时：4一、实验目的（1）加深对离子交换树脂交换容量的理解（2）掌握测定离子交换树脂交换容量的方法（3）掌握离子交换柱的运行过程二、实验原理交换容量是交换树脂最重要的性能，它定量地表示数值交换能力的大小，树脂交换容量在理论上可以从树脂单元结构粗略地计算出来。
三、实验设备与试剂仪器：分析天平烘箱干燥器250ml三角烧瓶(2个) 10ml移液管(2支) 碱式滴定管离子交换软化装置离子除盐装置50ml量筒（2个）烧杯药品：阳离子交换树脂1mol/LHCl(1000ml) 1mol/LNaOH(1000ml)0.5mol/LNaCl(1000ml) 1%的酚酞乙醇四、实验步骤（1）阳离子交换树脂的预处理：取样品约10g用1mol/L盐酸及1mol/L NaOH轮流浸泡，即按酸-碱-酸-碱-酸的顺序浸泡5次，每次2 h，浸泡体积约为树脂体积的2~3倍，在酸碱互换时应用200ml无离子水进行洗涤，5次浸泡结束用无离子水洗涤至溶液呈中性。
（2）测阳离子交换树脂的交换树脂固体含量（%）：称取双份1.0000 g的样品，将其中一份放入105~1100C的烘箱中约2h，烘干至恒重后放入氯化钙干燥器中冷却至室温，称重，记录干燥后的树脂质量固体含量=干燥后的树脂质量╳100/样品质量（3）阳离子交换树脂交换容量的测定，将一份1.0000 g的样品置于250mL的三角瓶中，投加0.5mol/LNaCl溶液摇动5min，放置2h后加入1%的酚酞指示剂3滴，用标准0.1000mol/LNaOH溶液进行滴定，至呈微红色15s不退，即为终点，记录NaOH标准溶液的物质的量浓度及用量。
表1 阳离子交换树脂交换容量测定记录五、实验结果整理（1）根据实验测定数据计算树脂固体含量（2）根据实验测定数据计算树脂交换容量六、离子软化（除盐）实验设计（自行设计部分）（1）目的：加深对离子交换（除盐）基本理论的理解，熟悉固定床运行操作过程。
离子交换软化实验报告
1实验目的(1)熟悉顺流再生固定床运行操作过程；(2)加深对钠离子交换基本理论的理解。
2实验原理当含有钙离子或镁离子是造成水硬度的主为成分。
当含有钙离子或镁离子的水通过装有阳离子交换树脂的交换器时，水中的Ca2+及Mg2+便与树脂中的可交换离子（钠型树脂中的Na+,氢型树脂中的H+）交换，使水中的Ca2+和Mg2+含量降低或基本上全部去除，这个过程叫做离子交换树脂对水的软化。
钠离子交换用食盐（NaCl）再生，氢离子交换用盐酸或硫酸再生。
基本反应式如下:（1）钠离子交换软化再生（2）氢离子交换交换再生钠离子交换的最大优点是不出酸性水，但不能脱碱；氢离子交换能去除碱度，但出酸性水。
本实验采用钠离子交换。
3实验内容3.1实验设备与试剂表3-1 实验中所用试剂及说明仪器（试剂）数量或说明软化装置 1 套100 mL量筒 1 个秒表 1 块2000 mm钢卷尺 1 个测硬度所需用品若干食盐1000 g3.2实验装置实验装置如图3-1所示。
图3-1 离子树脂交换装置1—软化柱；2—阳离子交换树脂；3—转子流量计；4—软化水箱；5—定量投再生液瓶；6—反洗进水管；7—反洗排水管；8—清洗排水管；9—排气管3.3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；用100 mL吸管移取三份水样，分别加5mL NH3-NH4Cl缓冲溶液，2~3滴铬黑T 指示剂，用EDTA 标准溶液滴定，溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点。
(3)将交换柱内树脂反洗数分钟，反洗流速采用15 m/h，以去除树脂层的气泡；(4)软化：运行流速采用15 m/h，每隔10 min测一次水硬度，测两次并进行比较；(5)改变运行流速：流速分别取20、25、30 m/h，每个流速下运行5 min，测出水硬度；(6)反洗：冲洗水用自来水，反洗结束将水放到水面高于树脂表面10 cm左右。
(7)根据软化装置再生钠离子工作交换容量（mol/L），树脂体积（L），顺流再生钠离子交换NaCl 耗量（100~120g/mol）以及食盐NaCl 含量（海盐NaCl 含量≥80～93%），计算再生一次所需食盐量。
离子交换软化实验报告
离子交换软化实验报告一、实验目的1.了解离子交换的基本原理；2.学习使用离子交换树脂软化水；3.探究影响离子交换效果的因素。
二、实验原理离子交换是一种通过树脂中阳离子与阴离子之间的置换反应，从而实现水中离子的去除的方法。
在本实验中，我们采用强酸树脂交换过程中的逆反应，即将树脂置于硫酸溶液中，将树脂中吸附的阳离子释放出来，实现软化水的效果。
三、实验步骤1.取一定量的强酸树脂样品，用蒸馏水反复洗涤至中性；2.将树脂装入离子交换柱中，接好取样装置；3.取一定量的硫酸溶液，放入离子交换柱中，开始进行交换过程；4.收集交换后的溶液，测定水中钙、镁离子的浓度；5.根据测定结果计算软化率。
四、实验结果经过离子交换处理后，我们测得水中钙、镁离子的浓度分别为0.02mol/L和0.005mol/L，软化率为80%。
五、实验讨论1.离子交换树脂的选择：本实验使用的是强酸树脂，这是因为强酸树脂具有良好的离子交换能力，可以高效去除水中的钙、镁离子。
2.硫酸浓度的选择：硫酸的浓度选择会影响离子交换的效果，浓度越高则交换反应越充分。
根据实验经验，我们选择了适中的硫酸浓度，以保证良好的离子交换效果。
3.软化率的计算：软化率可以通过测定水中钙、镁离子的浓度来计算得出，软化率越高说明水中钙、镁离子的去除效果越好。
六、实验结论通过本实验，我们成功地使用离子交换树脂软化了水样。
经过离子交换处理后，水中钙、镁离子的浓度明显下降，软化率达到了80%。
实验结果表明离子交换树脂是一种高效去除水中离子的方法。
七、实验总结通过本实验，我们深入了解了离子交换的基本原理，并学会了使用离子交换树脂软化水。
实验中我们还发现，离子交换树脂的选择和硫酸溶液的浓度都会影响离子交换效果。
在今后的实践中，我们可以根据具体情况选择不同的离子交换树脂和调整交换条件，以实现更好的软化效果。
以上是本次离子交换软化实验的报告。
PowerPoint演示文稿解读
（1）顺流再生固定床构造 进水管 排气管
出水管
进再生液管
排再生废液管
（2）逆流再生固定床构造
进排气口 进水管 上配水装置
中间 排液管 树脂层
压脂层 出水口 进再生液
下配水装置
钠离子交换器顺流、 逆流再生盐耗量和出水水质
盐耗量(g/mol) 出水硬度 （1/2Ca2+） μmol/L 顺流 逆流
锅炉的压力范围
名称 低压锅炉 中压锅炉 高压锅炉
压力范围 MPa
名称
压力范围 MPa
不大于 2.5 超高压锅 炉 30.～5.0 亚临界锅 炉 8.0～11.0 超临界锅 炉
12.0～15.0 16.0～20.0 大于 22.5
二. 水中常见溶解离子与离子关系
（1）水中常见溶解离子
阳离子： Ca2+、Mg2+ 、Na+（K+） 阴离子： HCO3-、SO42-、ClHSiO32- 、CO32-
一、离子交换树脂的结构
一、离子交换树脂的结构特点
Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+
可交换离子
Na+
Na+
Na+
孔道
离子交换树脂的型号
骨架代号 联接符
0 0 1 × 7
活性基团代号 顺序号 交联度
强酸性苯乙烯型树脂 交联度7%
离子交换树脂的类型
离子交换树脂性能
1.交联度
顺流
逆流
节约 （ %） 20.8 19.7 40
逆流 盐比耗 1.5 1.5 1.3
A厂 109.5 86.7 B厂 109.6 C厂 124 88 74.6
水处理工程：第7章离子交换
本节思考题
(1) Na型树脂和H型树脂的交换特性有何不同？ (2) 请画出基本的离子交换软化系统和脱碱软化系统， 并简述系统原理。
41
第4节 离子交换除盐
一、阴离子树脂特性 二、复床除盐 三、混合床除盐
42
一、阴离子树脂特性
阴树脂是在粒状高分子化合物母体的最后处理阶段导 入各种胺基（NH3中的氢原子被烃基取代）而成的。 1. 强碱性阴离子树脂 氨（NH3)水解生成NH4OH, 其中的四个氢原子为四个烃基取代
1第7章离子交换ionexchange2第11节软化与除盐概述第22节离子交换原理第33节离子交换软化第44节离子交换除盐第55节离子交换器第66节离子交换处理工业废水本章内容3第1节软化与除盐概述一水中常见溶解离子二硬度表示方法三水的纯度表示方法四软化和除盐基本方法4离子
第7章 离子交换 （Ion exchange）
q / q0 1 − q / q0
=
K
B+ A+
1
c −
/ c0 c / c0
q0：树脂全交换容量，mmol/L； q：树脂中B+离子浓度, mmol/L；
c0：溶液中两种交换离子的总浓度，mmol/L； c：溶液中B+离子浓度，mmol/L
19
二、离子交换平衡
二价对一价的离子交换反应通式：
2R-A+ + B2+ R2-B2+ +2A+
软化，以硬度离子泄漏为准
31
一、阳离子树脂特性
3. 弱酸型RCOOH （目前应用广的主要是丙烯酸型）
... CH CH2 CH CH2 ...
COOH
... CH CH2 CH CH2 ...