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1、离子交换树脂,离子交换树脂概述离子交换法是指某些材料遇水时，能将本身具有的离子与水中带同类电荷的离子进行交换的方法，这些材料称为离子交换剂。在离子交换技术被应用的初期，采用的只是天然的和无机质的交换剂，目前普遍应用于水处理中的离子交换剂是合成的离子交换树脂。,1,t课件,交换树脂的组成,离子交换树脂是由以下三部分组成：1单体。单体是聚合成高分子化合物的低分子有机物。它是树脂的主要成分，又称母体。2交联剂。交联剂是固定树脂形状和增强树脂机械强度的成分。常用的交联剂是二乙烯苯。3交换集团是由连接在单体上的具有活性离子的基团。它是通过磺化反应引入磺酸基SO3H,通过胺化引入氨基，如季氨基N+（CH3
2、)3,2,t课件,离子交换树脂的结构,骨架,活性基团,酚醛树脂,聚乙烯树脂,交联剂,酸性基团,碱性基团,SO3H,N+R3,特殊基团,3,t课件,离子交换树脂的分类,1按活性基团的性质分类根据离子交换树脂所带活性基团的性质，可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。按活性基团上H+和OH-电离的强弱程度，又可以分为强酸性阳离子交换和弱酸性阳离子交换树脂，强碱性阴离子树脂和弱碱性阴离子交换树脂，此外按活性基团的性质还可分为螯合性、两性以及氧化还原树脂。,4,t课件,强酸性阳离子树脂这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如S
3、O3，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个 离子交换树脂反应使树脂中的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均能离解和产生离子交换作用。弱酸性阳离子树脂这类树脂含弱酸性基团，如羧基COOH，能在水中离解出H+ 而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，如R-COO（R为碳氢基团），能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH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（如pH514）起作用。这类树脂亦是用酸进行再生（比强酸性树脂较易再生）。,5,t课件,强碱性阴离子树脂这类树脂含有强碱性基团，如季胺基（亦
4、称四级胺基）NR3OH(R为碳氢基团），能在水中离解出OH而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。 这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱（如NaOH）进行再生。弱碱性阴离子树脂这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基（亦称一级胺基）-NH2、仲胺基（二级胺基）-NHR、或叔胺基（三级胺基）-NR2，它们在水中能离解出OH而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液 离子交换树脂中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件（如pH19）下工作。它可用Na2CO3、NH4OH进
5、行再生。,6,t课件,2按离子交换树脂的孔型分类（1）凝胶型树脂。这种树脂是由苯乙烯和二乙烯苯混合物在引发剂存在下进行悬浮聚合得到的具有交联网状结构的聚合物，因为这种聚合物呈透明或半透明的凝胶结构，所以称为凝胶型树脂。凝胶型树脂的网孔通常很小，平均孔径约12nm，且大小不一。在干态下，这种网孔并不存在，当浸入水中呈湿态时，它们才能显示出来。因为凝胶型树脂孔径小，不利于离子运动，直径较大的分子通过时，容易堵塞网孔，再生时也不易洗脱下来，所以凝胶型树脂易受到有机物污染。（2）大孔型树脂。这类树脂的制备方法与凝胶型树脂的不同不同点在于制备大孔结构高分子聚合物骨架时加入了致孔剂，待聚合反应完成后，再将
6、致孔剂抽提出来，这样便留下了永久性网孔,7,t课件,大孔型树脂的特点是在整个树脂内部无论干或湿、收缩或膨胀都存在比凝胶型树脂更大更多的孔（孔径一般在20100nm)，因此比表面积大，所以它具有抗有机物污染的能力，被截留在网孔中的有机物容易在再生过程中洗脱下来。大孔型树脂占据一定的空间，离子交换基团含量相对减少，所以交换容量比凝胶型树脂低一些。（3）按单体种类分类按合成树脂的交联度种类不同，离子交换树脂还可以分为苯乙烯系，丙烯酸系等。此外，还有酚醛系、环氧系、乙烯吡啶系和尿醛系等，但未在水处理领域中应用。,8,t课件,离子交换树脂的命名方法,离子交换树脂产品的型号是根据国家标准GB1631197
7、9离子交换树脂产品分类、命名及型号制定的。1名称离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架名称、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前加“大孔”两字。分类属酸性的在基本名称前加“阳”字，属碱性的在基本名称前加“阴”字。,9,t课件,2型号 离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品分类，第二位数字代表骨架组成，第三位数字为顺序号，用来区别活性基团或交联剂的差异。代号数字的见下表。凡属大孔型树脂，在树脂前加“大”字的汉语拼音首字母“D”；凡属于凝胶型树脂在型号前不加任何字母，交联度可在型号后用“x”符号连接阿拉伯数字表示。,10,t课件,11,t课件,离
8、于交换树脂型号图解如下：,12,t课件,离子交换树脂的性能,一物理性能外观 树脂是一种透明或半透明的物质，因其组成不同，颜色各异，如苯乙烯树脂呈黄色，也有呈黑色和赤褐色的，但对性能影响不大。一般情况下，原料杂质多或交联剂多，树脂的颜色稍深（但树脂在运行过程中，因为各种原因有时颜色也会变化）。树脂外形呈球状，要求圆球率达到90%以上。 粒度 树脂颗粒的大小将影响交换速度、压力损失、反洗效果等。颗粒大小不能相差太大。用于水处理的离子交换树脂的颗粒以0.31.2mm目为宜。粒度的表示方法以有效粒径和不均匀系数来表示。密度 关系到水处理工艺和树脂装填量。密度的表示方法有：干真密度（一般1.6g/cm3
9、左右）、湿真密度（一般1.041.30g/cm3之间）、湿视密度（一般在0.600.80g/cm3之间）。含水率 树脂的含水率越大，表示孔隙率越大，交联度越小。溶胀率 树脂浸水之后要溶胀，它与交联度、活性基团、交换容量、水中电解质密度、可交换离子的性质等有关。树脂在交换与再生过程中会发生胀缩现象，多次胀缩树脂易碎裂。耐磨性 反映树脂的机械强度。它应保证每年树脂耗量不超过7%。溶解性 树脂内含有低聚合物要逐渐溶解，在树脂使用过程中也会发生胶溶。耐热性 阳树脂耐温100左右，强碱性阴树脂可耐60，弱碱性阴树脂可耐温80。但在低于或等于0时，易结冰而破碎。导电性 干树脂不导电，湿树脂可电导。,13,
10、t课件,二、化学性能离子交换树脂的化学性质有：离子交换、催化、络盐形成等。其中用于电厂水处理的，主要是利用它的离子交换性质。所以，这里仅介绍离子交换反应的可逆性、选择性和表示交换能力大小的交换容量。（一）离子交换反应的可逆性。当离子交换树脂遇到水中的离子时，能发生离子交换反应。反应结果，树脂的骨架不变，只是树脂中交换基团上能解离的离子与水中带同种电荷的离子发生交换。例如，用8%左右的食盐水，通过RH树脂后，出水中的H+浓度增加，Na+浓度减小。这说明食盐水通过RH树脂时，树脂中的H+进入水中，食盐水中的Na+交换到树脂上。这一反应为：RH+NaClRNa+HCl或RH+Na+RNa+H+如果用
11、4%左右的盐酸通过已经变成RNa的树脂后，出水中的Na+浓度增加，H+浓度减小。说明树脂中的Na+进入水中，而盐酸中的H+交换到树脂上。这一反应为：RNa+HClRH+NaCl或RNa+H+RH+Na+对照两个反应我们知道：离子交换反应是可逆的。这种可逆反应，可用可逆反应式表示：RH+NaCl RNa+HCl或RH+Na+ RNa+H+,14,t课件,（二）离子交换反应的选择性。这种选择性是指树脂对水中某种离子所显示的优先交换或吸着的性能。同种交换剂对水中不同离子选择性的大小，与水中离子的水合半径以及水中离子所带电荷大小有关；不同种的交换剂由于交换基团不同，对同种离子选择性大小也不一样。下面介
12、绍四种交换剂对离子选择性的顺序：1强酸性阳离子交换剂，对水中阳离子选择顺序：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+H+2. 弱酸性阳离子交换剂，对水中阳离子的选择顺序：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+从上述选择顺序来看，强酸性阳离子交换剂对H+的吸着力不强；而弱酸性阳离子交换剂则容易吸着H+。所以，实际应用中，用酸再生弱酸性阳离子交换剂比再生强酸性阳离子交换剂要容易得多。,15,t课件,3. 强碱性阴离子交换剂，对水中阴离子的选择顺序：SO42-NO3-Cl-OH-HCO3-HSiO3- 4. 弱碱性阴离子交换剂，对水中阴离子的选择顺序： OH- SO42- NO3- Cl-
13、HCO3- 从阴离子交换剂的选择性来看，用碱再生弱碱性阴离子交换剂比再生强碱性阴离子交换剂容易。但是弱碱性阴离子交换剂吸着HSiO3-很弱甚至不吸着。因此，弱碱性阴离子交换剂用于除掉水中强酸根离子。（三）交换剂的交换容量。交换容量是离子交换剂的一项重要技术指标。它定量地表示出一种树脂能交换离子的多少。交换容量分为全交换容量和工作交换容量。1. 全交换容量。全交换容量是指离子交换剂能交换离子的总数量。这一指标表示交换剂所有交换基团上可交换离子的总量。同一种离子交换剂，它的全交换容量是一个常数，常用mmol/g来表示。2. 工作交换容量。工作交换容量就是在实际运行条件下，可利用的交换容量。在实际离
14、子交换过程中，可能利用的交换容量比全交换容量小得多，大约只有全交换容量的60-70%。某种树脂的工作交换容量大小和树脂的具体工作条件有关，如水的pH值、水中离子浓度、交换终点的控制标准、树脂层的高度和水的流速等条件，都影响树脂的工作交换容量。工作交换容量常用mol/m3来表示。,16,t课件,阳床内外部结构,顺流再生离子交换器的内部结构1-进水装置；2-再生液分配装置；3-树脂层；4-排水装置,17,t课件,图3-11 顺流再生离子交换器的外部结构,18,t课件,19,t课件,进水装置的作用是均匀分布进水于交换器的过水断面上。另一个作用是均匀收集反洗排水。压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机械杂
15、质；使进水通过压脂层均匀作用于树脂层表面；防止树脂在逆流再生中乱层。中间排液装置的作用：中间排液装置对逆流再生离子交换器运行效果有较大影响，其作用是均匀排出再生液，防止树脂乱层、流失外，还应有足够的强度，安装时应保证在交换器内呈水平状态，排水装置的作用是均匀收集处理好的水；另一个作用是均匀分配反洗进水。,20,t课件,图3-13 逆流再生离子交换器外部结构,21,t课件,阳床除盐原理,当水通过强酸性H型阳交换器时，水中所有的阳离子都被强酸性H型树脂吸收，活性基团上的H+被置换到水中，与水中的阴离子组合生 成酸。其反应式：强酸性阳离子交换树脂交换反应1/2Ca 1/2SO4 1/2Ca 1/2H
16、2SO4 1/2Mg NO3 + RH R 1/2Mg + HNO3 CI HCINa HCO3 Na 1/2H2CO3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。,22,t课件,阳床工作特性,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+、Na2+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M
17、g2+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。,23,t课件,强酸H型阳离子交 换 器典型出水曲线,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,24,t课件
18、,阳床的再生,无顶压逆流再生的操作步骤：1）小反洗。只对压脂层进行反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污染物。用水为该级交换器的进口水，流速树脂不乱层为宜，一直反洗至出水清澈为为止。2）放水。待树脂颗粒下沉后，放掉中间排液装置以上的水。3）进再生液。将再生液放入交换器内，严格控制其流速和浓度4）逆流再生。进完再生液，关闭再生液计量箱出口阀，按再生液的流速和流量继续用稀释再生液的除盐水进行冲洗，直至出水指标合格为止。关闭进水阀。5）小正洗。水从上部进入，控制适当的流速，洗去再生后压脂层中残留的再生废液和杂质。小正洗用水为运行时的进口水。 6）正洗。用水自上而下进行正洗，直到出水水质合格，即可投入运行。交换器经过多周期运行后，下部树脂层也会受到一定程度的污染，必须定期对整个树脂层进行大反洗，大反洗前先进行小反洗，在大反洗时流量应由小到大，逐步增大。从下步进水废液由上部的反洗排水阀排出。,25,t课件,逆流阳离子交换器再生,图3-14 逆流再生装置操作过程示意（a）小反洗；(b)放水；(c)顶压；(d)进再生液；(e)逆流清洗；(f)小正洗；(g)正洗,26,t课件,
