第四章离子交换的基本知识

1、第四章第四章 离子交换的基本知识离子交换的基本知识离子交换离子交换n某些物质遇到溶液时，可将其本身具有的离子某些物质遇到溶液时，可将其本身具有的离子和溶液中和溶液中符号相同的离子符号相同的离子发生相互交换的现象，发生相互交换的现象，称离子交换。称离子交换。n如：如：2RNa+Ca 2+R2Ca+2Na+第一节第一节 离子交换树脂的基本知识离子交换树脂的基本知识一、制造一、制造1.1.苯乙烯系离子交换树脂苯乙烯系离子交换树脂 单体：苯乙烯单体：苯乙烯 交联剂：二乙烯苯交联剂：二乙烯苯%100%100苯乙烯二乙烯苯二乙烯苯的质量树脂的重量树脂内交联剂含量交联度交联度DVB =DVB = 7 712

2、%12%(1)磺酸型阳离子交换树脂：磺酸型阳离子交换树脂： 白球用浓硫酸处理，引入磺酸基团白球用浓硫酸处理，引入磺酸基团-SO3 H -SO3 H能电离出能电离出H+ ，具有强酸性。，具有强酸性。(2)胺型阴离子交换树脂胺型阴离子交换树脂用氯甲醚处理白球，在苯环上引入氯甲基，得中间产物用氯甲醚处理白球，在苯环上引入氯甲基，得中间产物再对中间产物进行胺化，得胺型阴树脂再对中间产物进行胺化，得胺型阴树脂胺化合物n伯胺伯胺NHNH3 3或或NHNH4 4+ +中一个中一个H H被烃基取代被烃基取代 R-NHR-NH2 2或或R-NHR-NH3 3ClCln仲胺仲胺NHNH3 3或或NHNH4 4+

3、+中两个中两个H H被烃基取代被烃基取代 R=NHR=NH或或R=NHR=NH2 2ClCln叔胺叔胺NHNH3 3或或NHNH4 4+ +中三个中三个H H被烃基取代被烃基取代 R RN N或或RRNHClNHCln季铵季铵NHNH4 4+ +中四个中四个H H全被烃基取代全被烃基取代 R RNClNCln如用叔胺和中间产物如用叔胺和中间产物 起反应，得起反应，得到季铵型强碱阴离子交换树脂到季铵型强碱阴离子交换树脂 型型 三甲胺三甲胺 (CH(CH3 3) )3 3N N 胺化胺化 型型 二甲基乙醇基胺二甲基乙醇基胺 (CH(CH3 3) )2 2NCNC2 2H H4 4OH OH 胺化胺

4、化n如用仲胺或伯胺和中间产物起反应，生成弱碱性阴树脂如用仲胺或伯胺和中间产物起反应，生成弱碱性阴树脂2.丙烯酸系丙烯酸系 n单体：丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯单体：丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯 CH3 CH2=C COOCH3n交联剂：二乙烯苯交联剂：二乙烯苯 (1)丙烯酸系阳树脂丙烯酸系阳树脂制成或水解后制成丙烯酸系阳制成或水解后制成丙烯酸系阳树脂，为弱酸性阳离子交换树脂树脂，为弱酸性阳离子交换树脂 (2)丙烯酸系阴树脂丙烯酸系阴树脂用多胺进行胺化，得丙烯酸系阴离子交换树脂用多胺进行胺化，得丙烯酸系阴离子交换树脂 如：RCONH-(CH2)2-NH-(CH

5、2)2-NH2二、离子交换树脂的结构二、离子交换树脂的结构n以以R-SO3 H为例为例 单体单体 树脂母体树脂母体骨架骨架 交联剂：二乙烯苯交联剂：二乙烯苯n离子交换树脂离子交换树脂 交换基团交换基团 固定部分固定部分 活动部分活动部分可交换离子可交换离子n阳树脂阳树脂RH、RNa 阴树脂阴树脂ROH、RClnRH 强酸性阳树脂强酸性阳树脂 R-SO3H 弱酸性阳树脂弱酸性阳树脂 R-COOH ROH 强碱性阴树脂强碱性阴树脂 RNOH、 弱碱性阴树脂弱碱性阴树脂R-NHR-NH3 3OH、R=NHR=NH2 2OH、R RNHNHOH三、离子交换树脂的结构类型三、离子交换树脂的结构类型n1.

6、凝胶型树脂：平均孔径凝胶型树脂：平均孔径 12 nm 缺点：机械强度和抗氧化性较差，易受有机缺点：机械强度和抗氧化性较差，易受有机 物污染，反应速度慢物污染，反应速度慢n2.大孔型树脂：孔径大孔型树脂：孔径 20100 nm 优点：机械强度高，抗污染能力，抗氧化性好优点：机械强度高，抗污染能力，抗氧化性好 缺点：树脂的交换容量低，再生时，再生剂耗量缺点：树脂的交换容量低，再生时，再生剂耗量 大，价格较高大，价格较高 第二代大孔树脂：第二代大孔树脂： 工作交换容量与凝胶型树脂相似，性能更优工作交换容量与凝胶型树脂相似，性能更优n3.均孔型强碱型阴树脂均孔型强碱型阴树脂四、离子交换树脂的型号和命名

7、四、离子交换树脂的型号和命名n凝胶型离子交换树脂的型号凝胶型离子交换树脂的型号 用三位阿拉伯数字表示，联接符号后第四位阿用三位阿拉伯数字表示，联接符号后第四位阿拉伯数字表示交联度值拉伯数字表示交联度值n0017n2017(凝胶型凝胶型)强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，交联度为交联度为7%(凝胶型凝胶型)强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，交联度为交联度为7%大孔型离子交换树脂的型号大孔型离子交换树脂的型号nDnD111nD311大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂大孔型弱碱性丙烯酸系阴离子交换树脂大孔型弱碱性丙

8、烯酸系阴离子交换树脂第二节第二节 离子交换树脂的物理和化学性能离子交换树脂的物理和化学性能一、离子交换树脂的物理性能一、离子交换树脂的物理性能1.外观外观 (1)颜色颜色 (2)形状：球形形状：球形 (3)粒度：粒度：0.30.84mm2.密度密度(1)干真密度：干燥状态下树脂本身的密度干真密度：干燥状态下树脂本身的密度 干真干真=1.6(2)湿真密度：经充分膨胀后树脂颗粒的密度，包括孔眼中湿真密度：经充分膨胀后树脂颗粒的密度，包括孔眼中的水分，不包括颗粒间的水分的水分，不包括颗粒间的水分湿真湿真=1.041.3， 阳阳 阴阴影响树脂的反洗强度及混合床中阴阳树脂的选用影响树脂的反洗强度及混合床

9、中阴阳树脂的选用(3)湿视密度：充分膨胀后树脂的堆积密度湿视密度：充分膨胀后树脂的堆积密度计算交换器中树脂的重量计算交换器中树脂的重量 湿视湿视=0.60.853.含水率：含水率：50%左右左右4.溶胀性：干树脂浸入水中或树脂发生转型时，溶胀性：干树脂浸入水中或树脂发生转型时，体积变化的现象。体积变化的现象。强酸性阳树脂强酸性阳树脂 RNaRH，体积增加，体积增加5%8%强碱性阴树脂强碱性阴树脂 RClROH，体积增加，体积增加15% 20%弱型树脂转型时，体积变化更剧烈弱型树脂转型时，体积变化更剧烈5.耐热性耐热性 阳树脂阳树脂100阴树脂阴树脂60 盐型更耐热盐型更耐热二、化学性能二、化学

10、性能n1. 交换反应的可逆性交换反应的可逆性 RH+Na + RNa+H+ 可以无限多次重复使用可以无限多次重复使用n2.酸、碱性酸、碱性 强酸性阳树脂强酸性阳树脂 R-SO3H 工作范围工作范围: pH= 114 弱酸性阳树脂弱酸性阳树脂 R-COOH pH= 514 强碱性阴树脂强碱性阴树脂 RNOH pH= 112 弱碱性阴树脂弱碱性阴树脂R=NHR=NH2 2OH pH= 193.树脂的选择性树脂的选择性n强酸性阳树脂在稀溶液中：强酸性阳树脂在稀溶液中：Fe3+Al3+ Ca2+Mg2+ K + NH4+ Na+ H +规律：规律：电荷越多，越易吸附电荷越多，越易吸附 相同电荷，原子序

11、数越大越易吸附相同电荷，原子序数越大越易吸附n弱酸性阳树脂：弱酸性阳树脂：H + Fe3+Al3+ Ca2+Mg2+ K + NH4+ Na+n强碱性阴树脂在稀酸溶液中：强碱性阴树脂在稀酸溶液中：SO4 2-NO3 -Cl - OH - F - HCO3- HSiO3-n弱碱性阴树脂：弱碱性阴树脂：OH - SO4 2- NO3 - Cl - HCO3 -4.树脂的交换特性树脂的交换特性n（1）弱酸性阳离子交换树脂）弱酸性阳离子交换树脂RCOOH + NaCl RCOONa + HCl反应不能发生反应不能发生n（2）强酸性阳离子交换树脂）强酸性阳离子交换树脂交换容量大，易于再生交换容量大，易于

12、再生n（3）弱碱性阴离子交换树脂）弱碱性阴离子交换树脂n（4）强碱性阴离子交换树脂）强碱性阴离子交换树脂R-NH3OH + HCl R-NH3Cl + H2O 反应不完全反应不完全 部分水解部分水解R-NH3OH + H2SiO3 R-NH3HSiO3 + H2O 反应不能发生反应不能发生 完全水解完全水解交换容量大，易于再生，抗有机物污染交换容量大，易于再生，抗有机物污染RNOH + HCl RNCl + H2O 反应完全反应完全RNOH + H2SO4 RN HSO4 + H2ORNOH + H2CO3 RNHCO3 + H2O 反应不完全反应不完全 RNOH + H2SiO3 RNHSi

13、O3 + H2O 部分水解部分水解 规律：n强型树脂既可以和对应的强酸弱酸或强碱弱碱强型树脂既可以和对应的强酸弱酸或强碱弱碱发生中和反应，也可以分解中性盐类发生中和反应，也可以分解中性盐类n弱酸性阳树脂只能去除与弱酸性阳树脂只能去除与HCO3-等弱酸根离子等弱酸根离子结合的阳离子结合的阳离子n弱碱性阴树脂只能和强酸发生中和反应弱碱性阴树脂只能和强酸发生中和反应5.树脂的交换容量树脂的交换容量(Exchange Capacity) 表示树脂交换能力大小的指标。表示树脂交换能力大小的指标。n质量表示法质量表示法 单位：单位：mmol/g( )n体积表示法体积表示法 单位：单位：mol/L( )，或

14、，或mol/m3( )(1)全交换容量全交换容量 所有活性基团的总量所有活性基团的总量(2)工作交换容量工作交换容量nIn1nIn1面积ABDE(C进C出)Q树脂出进VTQCCEhG)(nIn1影响工作交换容量的因素影响工作交换容量的因素n进水水质和出水控制指标进水水质和出水控制指标n树脂的粒度树脂的粒度 ， EG ， EG n交换剂层高度：交换剂层高度： h , EG n离子离子交换器的构造：布水越均匀，交换器的构造：布水越均匀，EG ， 越大，越大，EGn运行条件：运行条件：流速流速， EG ，温度，温度， EG n再生程度再生程度n交换剂质量交换剂质量 nIn1Dh树脂本身的性质：强酸阳

15、树脂树脂本身的性质：强酸阳树脂 8001000mol/m3( ) 强碱阴树脂强碱阴树脂 250350mol/m3( ) nIn1第三节第三节 离子交换原理、交换平衡和交换速度离子交换原理、交换平衡和交换速度n1.交换作用交换作用n2.压缩作用：压缩作用： 再生时，再生液浓度不再生时，再生液浓度不易过高易过高双电层理论双电层理论一、树脂的交换原理一、树脂的交换原理三、离子交换速度三、离子交换速度1.离子交换的过程离子交换的过程 以以 RH+Na + RNa+H+为例为例1.水中水中Na+扩散通过水膜扩散通过水膜2. Na+在网孔内扩散在网孔内扩散3.水中水中Na+与与H+发生交换发生交换(快快)

16、4. H+在网孔内扩散在网孔内扩散5.H+扩散通过水膜扩散通过水膜内内扩扩散散膜膜扩扩散散速度控制步骤速度控制步骤二、离子交换平衡二、离子交换平衡2.影响离子交换速度的因素影响离子交换速度的因素n(1)树脂的交联度树脂的交联度n(2)树脂的颗粒大小树脂的颗粒大小n(3)水中离子浓度水中离子浓度n(4)水温水温n(5)流速与搅拌速度流速与搅拌速度n(6)水中离子的本性水中离子的本性n(7)树脂的孔型树脂的孔型一、水中阳离子只含一、水中阳离子只含Ca 2+时和时和RNa交换剂的交换交换剂的交换第四节第四节 动态离子交换过程动态离子交换过程图图4-10 4-10 只含只含CaCa2+2+的水通过的水通过NaNa交换剂时，出水交换剂时，出水中残留中残留CaCa2+2+含量变化曲线含量变化曲线 保护层保护层n概念：在实际运行中，为了保证一定的出水水质，概念：在实际运行中，为了保证一定的出水水质，