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1、离子交换树脂与离子交换原理,第一节 离子交换剂第二节 离子交换基本原理第三节 离子交换工艺第四节 离子交换设备及计算,第一节 离子交换剂,离子交换剂的分类、组成及结构1、分类按母体材质分为：无机和有机两大类。按其他分类,2、组成和结构,离子交换树脂的化学结构可分为不溶性树脂母体和活性基团两部分。树脂母体为有机化化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂的作用是使树脂母体形成主体的网状结构。交联剂与单体的重量比的百分数称为交联度。活性基团由起交换作用的离子和与树脂母体联结的固定离子组成。,离子交换树脂的命名和型号,1、命名 2、型号 离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品的分类
2、，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。,离子交换树脂的性能,物理性能1外观 常用凝胶型离子交换树脂为透明或半透明的珠体，大孔树脂为乳白色或不透明珠体。优良的树脂圆球率高，无裂纹，颜色均匀，无杂质。2粒度 一般树脂粒径0.31.2mm有效粒径（d10）0.360.61，均一系数（d40/d90）为1.221.66，均一系数的含义是筛上体积为40的筛孔孔径与筛上体积为90的筛孔孔径之比。,3密度,4含水率 树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约50%），树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率。5溶胀性 干树脂+水湿树脂 体积胀大 绝对
3、溶胀度 6.机械强度 7.耐热性 8.孔结构,化学性能 1.再生：离子交换反应的可逆性交换的逆反应。2.酸碱性：树脂在水中电离出H+和OH-,表现出酸碱性。树 脂的酸碱性受pH值影响，各种树脂在使用时都有适当 的pH值范围。3.选择性：树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为 选择性，选择性大小用选择性系数来表征。4.交换容量：表示树脂的交换能力。通常用EV（mmol/ml 湿树脂）表示，也可用EW（mmol/g干树脂）表示。EVEW（1-含水量）湿视视密度,离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别,树脂选择 选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换工艺以及投资和运行费用等因素。树脂保存 树脂宜
4、在040下存放，通常强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存。树脂使用 树脂在使用前应进行适当的预处理，以除去杂质。最好分别用水、5HCl、24NaOH反复浸泡清洗两次，每次48h。,表8-2 未知树脂的鉴别,第二节 离子交换基本原理,离子交换平衡,一般交换反应的平衡关系,(81),离子交换反应公式,(82),式（8-4）适用于各种离子之间的交换。当ZA=ZB=1时,上式简化为：,(85),式中qB/q0称为树脂的失效度;cB/c0为溶液中离子残留率。若以qB/q0为纵坐标，以cB/c0为横坐标，作图可得某一K值下的等价离子交换理论等温平衡线。,离子交换速度,离子交换过程
5、：离子从溶液主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面液膜。穿过液膜的离子继续在颗粒内交联网孔中扩散，直至达到 某一活性基团位置。目的离子和活性基团中的可交换离子发生交换反应。被交换下来的离子沿着与目的离子运动相反的方向扩散，最后被主体水流带走。上述几步中，交换反应速率与扩散相比要快得多。因此总 交换速度由扩散过程控制。由Fick定律，扩散速度可写成：,影响离子交换扩散速度的因素 1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面积增大，使扩散速度越快。3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，扩散速度越快。4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘
6、度减小，液膜变薄，这些都有利于离子扩散。5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快液膜扩散，但不影响内孔扩散。6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩散速度越慢。,第三节 离子交换工艺,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 Na离子交换软化法 H离子交换软化法 HNa串联及并联 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,离子交换过程固
7、定床离子交换器间歇工作过程,1.离子交换过程,在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离子种类和浓度以及工作条件。,进水初期，进水中所用阳离子均交换出H+，生成相当量的无机酸，出水酸度保持定值。运行至a点时，Na+首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当Na+泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性；当Na+增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度相等。至此，H离子交换结束，交换器开始进行Na+交换，稳定运行至b点之后，硬度离子开始穿透，出水Na+含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出
8、水Na+接近进水Na+，树脂层全部饱和。,离子交换柱工作过程,(f)H型树脂与水中Ca2+、Mg2+、Na+交换时水质变化,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 树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可
9、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。,3)再生方式 顺流再生 特点：设备简单，操作方便，工作可靠；再生剂用量多，再生效率低，出水水质较差。逆流再生 特点：再生剂耗量少(比顺流法少40左右)，再生效率 高,而且能保证出水质量；设备较复杂，操作控制较严格。,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2NaOH对交换了Cr6+的强碱性树脂的再生情况。,连续式离子交换器工作过程,固定床离子交换器的缺点：树脂不能边饱和边再生，树脂层厚度比交换区厚度大得多；再生和冲洗时必须停止交换
10、。为了克服上述缺陷，发展了连续式离子交换设备，包括移动床和流动床。,右图为三塔式移动床，由交换塔、再生塔和清洗塔组成。运行时，原水由交换塔下部逆流而上，把整个树脂层承托起来并与之交换离子。一段时间后，当出水离子开始穿透时，停止进水，并由塔下排水。排水时树脂层下降(称为落床)，由塔底排出部分已饱和的树脂，同时浮球阀自动打开，放入等量已再生好的树脂。,第四节 离子交换设备及计算,离子交换设备 工业离于交换设备主要有固定床、移动床和流动床，目前使用最广泛的是固定床。固定床离于交换器包括筒体、进水装置、排水装置，再生液分布装置及体外有关管道和阀门，如图所示。,1.筒体：支撑作用 2.进水装置：分配进水
11、和收集反洗用水 3.底部排水装置：收集出水和分配反洗水,设计计算 离子交换器的设计包括选择离子交换树脂，确定工艺系统，计算交换器尺寸大小、再生计算、阻力核算等。交换器直径可由交换离子的物料衡算式计算：,由此可推得，,式中 Q废水流量，m3/h；c0进水中交换离子浓度，eq/m3；T两次再生间隔时间，h；n交换器个数，一般应不少于2个；qW交换剂时工作交换容量，eq/m3；H交换剂床层高，m；A交换器截面积，m2；D交换器的直径，m，其值般小于3m。,高度的确定 交换器筒体的高度包括树脂层高、底部排水区高和上部水垫层高三部分。树脂层高通常可选用1.52.5m。塔径越大，层高越高，一般层高不得低于0.7m。树脂层上部水垫层的高度主要取决于反冲洗时的膨胀高度相保证配水的均匀性。底部排水区高度与排水装置的型式有关，一般取0.4m左右。根据计算得出的塔径和塔高选择合适尺寸的离子交换器，然后进行水力核算。,return,
