第8章 离子交换

1、1第八章 离子交换2第八章 离子交换简 介 离子交换法离子交换法是借助于离子交换剂上的离子与污水中的是借助于离子交换剂上的离子与污水中的离子离子进进行行等当量等当量交换反应而除去污水中有害离子的方法。交换反应而除去污水中有害离子的方法。 优点：优点：离子去除率高，可浓缩回收有用物质，设备较简单，离子去除率高，可浓缩回收有用物质，设备较简单，操作控制容易等。操作控制容易等。 缺点：缺点：应用范围受离子交换剂品种、性能、成本的限制；预应用范围受离子交换剂品种、性能、成本的限制；预处理要求较高；离子交换剂的再生和再生液的处理比较麻烦。处理要求较高；离子交换剂的再生和再生液的处理比较麻烦。 应用：回收

2、和去除废水中金、银、铜、铁、铬、锌等金属离子；净化放射性废水及有机废水。制取软水和纯水3第八章 离子交换8.1 离子交换剂8.1.1 离子交换剂的分类、组成及结构（1）分类（按母体材质不同）：无机离子交换剂：如天然沸石和人工合成沸石有机离子交换剂：如磺化煤和各种离子交换树脂（2）离子交换树脂的组成与结构 离子交换树脂=不溶性的树脂本体+活性基团RSO3-H+ 树脂本体 活性基团固定离子为-SO3- H+是可交换离子4第八章 离子交换离子交换树脂分类按结构(立体网状)特征（孔隙）分: 凝胶型：交联度高，孔隙小（10-9）且少，交换程度差，但耐磨性能好。 大孔型：吸附能力大， 孔隙大（ 10-81

3、0-6），交换速度快，溶胀性小。 目前使用的树脂多为凝胶型离子交换树脂凝胶型离子交换树脂。按单体种类分： 苯乙烯系 酚醛系 丙烯酸系5第八章 离子交换离子交换树脂分类 按活性基团性质分： 阳离子型：氢型和钠型； 阴离子型：氢氧型和氯型； 按活性基团中酸碱的强弱分类： 强酸性阳离子交换树脂，活性基团一般为SO3H； 弱酸性阳离子交换树脂，活性基团一般为COOH； 强碱性阴离子交换树脂，活性基团一般为NOH； 弱碱性阴离子交换树脂，活性基团一般为NH3OH、 NH2OH、 NHOH。6第八章 离子交换8.1.2 离子交换树脂的命名与型号7第八章 离子交换8.1.3 离子交换树脂的性能 判断离子交换

4、树脂性能的几个重要指标：判断离子交换树脂性能的几个重要指标：(1) 交联度：树脂中交联剂重量占树脂总重量的百分数。在苯乙烯树脂中，就是二乙烯苯的重量占苯乙烯和二乙烯苯总重量的百分数。决定交换剂的孔径、强度大小和化学稳定性、耐磨性(2) 树脂密度（湿密度）：湿真密度=湿树脂质量/树脂颗粒所占体积湿视密度=湿树脂质量/树脂堆积体积8第八章 离子交换离子交换树脂的性能指标 (3)离子交换容量 交换容量是树脂最重要的性能，是设计离子交换过程和装置时所必须的数据，它定量地表示树脂交换能力的大小。全交换容量平衡交换容量工作交换容量9第八章 离子交换离子交换树脂的性能指标（4）选择性 树脂对水中某些离子能优

5、先交换的性能称为选择性。它与离子性质、浓度、溶液组成、温度及树脂的结构因素有关。 树脂对各种离子的交换能力是不同的。交换能力大小主要取决于各种离子对该种树脂的亲合力(选择性)。 离子价数越高，选择性愈好。 原子序数愈大，即离子水合半径愈小，选择性愈好。 交换势随离子浓度的增加而增大。高浓度的低价离子甚至可以把高价离子置换下来 H+和OH-的选择性决定于树脂活性基团的酸碱性强弱。10第八章 离子交换离子交换树脂的选择性 在常温、低浓度水溶液中，离子交换有如下规律：(1) 水中离子所带电荷愈多，愈易被离子交换树脂所交换，如：Th4+ Al3+ Ca2+ Na+；PO43- SO42- Cl-(2)

6、 当离子所带电荷相同时，原子序数愈大，即离子水合半径愈小，则愈易被离子交换树脂所交换。如：Fe3+Al3+Ca2+ Mg2+K+ NH4+Na+ Li+(3) H+和OH-的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有很大关系强酸性阳树脂：Fe3+Al3+Ca2+ Na+ H+Li+ 但弱酸性阳树脂: H+Fe3+ Al3+Ca2+ .Na+ Li+ 强碱阴树脂：Cr2O7 2 - SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3- 但在弱碱阴树脂中，则OH- Cr2O7 2 - SO42-。 上述三条规律只适用于常温下离子浓度很低的稀溶液。11第八章 离子交换离子交换树脂的性能指标(5)溶胀性 干树脂

7、浸入水中体积变大的现象称为树脂的溶胀性。(6)含水率 树脂的含水率是指在水中充分膨胀的湿树脂所含溶胀水重占湿树脂重的百分数，即：含水率= 溶胀水重/(干树脂重+溶胀水重) 100%。 树脂的含水率主要取决于树脂的交联度、交换基团的类型和数量等。12第八章 离子交换离子交换树脂的性能指标(7) 酸、碱性 各种树脂在使用中都有一定的有效pH的范围。(8) 化学稳定性 防止树脂因氧化而化学降解的办法：一是采用高交联度的树脂；二是在废水中加入适量的还原剂；三是使交换柱内的pH值保持在6左右。 除上述几项指标外，还有树脂的外形、耐热性、机械强度、粘度、耐磨性、在水中的不溶性等。树脂类型强酸性弱酸性强碱性

8、弱碱性有效pH范围1145141120713第八章 离子交换8.2 离子交换基本理论8.2.1 离子交换平衡 离子交换过程可看作是固相的离子交换树脂与液相(废水)中电解质之间的化学置换反应。 阳离子交换过程：R-A+ + B+ R- B+ +A+； 阴离子交换过程：R+C- + D- R+ D- +C-。（式中：R表示树脂本体；A、C表示树脂上可被交换的离子；B、D表示溶液中的交换离子。） 影响离子交换平衡的因素有：交换树脂的性质、溶液中平衡离子（交换离子）的性质、溶液的pH值、溶液的浓度和温度等。14第八章 离子交换离子交换平衡 离子交换平衡常数（亦称离子交换选择系数K） 交换反应通式为：A

9、n+n(R-B+)nB+(R-)nAn+nRBARAnBABaaaaK)()()( K值越大交换效果越好，对溶液中的离子去除率就越高。它可以确定交换树脂对某种离子吸附选择性的强弱。 降低反应生成物的浓度有利于交换反应的进行。 过量地增加反应生成物的浓度有利于逆反应的进行。15第八章 离子交换离子交换平衡 (8-3)式(8-4)适用于各种离于之间的交换。当ZAZBl时，简化为： 当K1时，称有利平衡；当K1时，称不利平衡； 当Kl时，称线性平衡。16第八章 离子交换8.2 .2 离子交换速度 离子交换过程 离子交换过程通常分为五个阶段：(1)交换离子从溶液中扩散到树脂颗粒表面；(2)交换离子在树

10、脂颗粒内部扩散；(3)交换离子与结合在树脂活性基团上的可交换离子发生交换反应；(4)被交换下来的离子在树脂颗粒内部扩散；(5)被交换下来的离子在溶液中分散。 实际上离子交换反应的速度是很快的，离子交换的总速度取决于扩散速度。17第八章 离子交换离子交换速度 影响离子交换速度的因素： 浓度(2) 流速或搅拌速率(3) 树脂粒径(4) 交联度(5) 温度 提高离子交换速度的方法： 增大溶液的湍动程度或流速，会使膜扩散加速而促进交换过程； 膜扩散和孔隙扩散分别与半径和半径的平方成反比，缩小粒径也会使交换速度增大。 降低交换树脂颗粒内的交联度、增加温度也可提高速度。18第八章 离子交换8.3 离子交换

11、工艺8.3.1 交换方式与设备（1）交换方式： 静态交换是将废水与交换剂同置于一耐腐蚀的容器内，使它们充分接触(可进行不断地搅动)直到交换反应达到平衡状态，此法适用于平衡良好的交换反应。 动态交换是指废水与树脂发生相对移动，它又有塔式(柱式)与连续式之分。目前，多采用柱式交换法。19第八章 离子交换离子交换的组合方式20第八章 离子交换柱式交换法固定床离子交换器存在着下列基本缺陷：树脂不能做到边失效边再生，交换器内树脂严重积压，因而树脂的利用率低，交换器容积也得不到充分利用；交换和再生在同一设备中进行，生产不连续，再生和冲洗时必须停止交换；树脂层中的树脂交换能力使用不均匀，上层的饱和程度高，下

12、层的低。a)为克服固定床离子交换器的上述缺陷，就发展了连续式离子交换设备。21第八章 离子交换连续式交换法 连续式交换法的特点 树脂不是固定在交换器内，而是处于一种连续的循环运动过程中，因此树脂的用量可减少1/3l/2，设备单位容积的产水量还可提高。 交换和再生在两个设备中连续运行，交换所需树脂量比柱式少，树脂利用率高，连续运行，效率高，但设备较复杂，树脂磨损大。 设备有移动床和流动床。22第八章 离子交换三塔式移动床系统23第八章 离子交换压力式流动床示意图24第八章 离子交换8.3.2 离子交换工艺 离子交换整个工艺过程包括离子交换、反洗、再生和清洗4个阶段，或分成离子交换和再生（包括反洗

13、、再生、正洗）两个阶段。 离子交换过程 离子交换的过滤速度是一个重要的工艺参数，它与进水水质、出水水质及阻力损失等因素有关。 污染物浓度大时，滤速应小些，反之则大些。合适的水流速度通常由实验确定，一般为10-30 m/h。 人工操作时，过滤周期需考虑长些，一般为824h 自动操作时，可以采用较高的流速和较短的工作周期，以节省投资。25第八章 离子交换离子交换柱工作过程 a-d： 单种离子交换 f ： 多种离子交换26第八章 离子交换27第八章 离子交换离子交换工艺过程 反洗：反洗： 松动树脂层，可使再生液能均匀渗入层中与交换树脂充分接触。 把过滤过程中产生的破碎粒子和污物冲走。反冲洗时，树脂要

14、膨胀30-40%。 再生再生: 再生阶段的液流方向与过滤阶段相同时，称顺流再生，方向相反称逆流再生。 顺流再生优点：设备简单，操作方便、工作可靠。缺点是再生剂用量大。 逆流再生的优点：比顺流再生有更高的推动力，再生剂用量少。28第八章 离子交换离子交换树脂的再生 常用的是化学药剂再生。 再生剂的选择 通常用于阳离子交换树脂的再生剂有HCl、H2SO4等， 用于阴离子交换树脂的再生剂有NaOH、NaCl 、Na2CO3、NaHCO3等。 再生剂的用量 实际用量往往是理论用量的2-5倍。 还应根据处理工艺、再生效果、经济性及再生剂的供应情况综合考虑。图8-3 混合床离子交换树脂塔的再生29第八章

15、离子交换离子交换工艺过程 清洗的目的是洗涤残留的再生液和再生时可能出现的反应产物。 淋洗用水为树脂体积的4-13倍，淋洗水流速为24m/h。 离子交换设备有固定床、移动床和流动床等三种。固定床优点：设备紧凑、操作简单、出水水质好；但再生费用大，生产效率低。30第八章 离子交换例：双阴性、全酸性、全饱和流程回收铬 31第八章 离子交换双阴性、全酸性、全饱和流程回收铬 主要的化学反应式如下： 阳柱中阳柱中 nRH + An+ RnA + nH+ 再生时：再生时： RnA + nHCl nRH + ACln （式中 An+分别为Cr3+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Mg2+等。 ） 阴柱中阴柱中

16、nROH+ Bn- (R)nB + nOH- 再生时：再生时： R2Cr2O7 + 4NaOH 2ROH +2Na2CrO4+H2O回收铬酐：回收铬酐： 4RH +2Na2CrO4 4RNa+ H2Cr2O7 +H2O（式中 Bn-分别为Cr2O7 2-、 CrO4 2-、SO42-、Cl- 等）32第八章 离子交换8.4 离子交换系统的设计 根椐排放标准或出水的去向和用途，确定处理后的水质要求。 根据废水水量、水质及处理的要求，选择交换器的类型，设计系统布置方案，确定合理的处理流程。确定合理的工艺参数。 考虑技术和经济因素选择离子交换树脂、再生剂种类，确定树脂的交换容量和再生剂用量。33第八

17、章 离子交换离子交换系统的设计计算 离子交换柱的设计(首先选定合理的过滤速度及工作周期)进水分析树脂的选择及树脂的工作交换容量EOP再生剂的选择及需要量清洗水量交换床深固定床离子交换柱的设计交换器筒体总高=树脂层高+底部排水区高+上部水垫层高。1) 阻力核算34第八章 离子交换离子交换除盐方法与系统离子交换除盐方法与系统35第八章 离子交换 1）一级复床除盐 ：强酸脱气强碱系统1复床除盐36第八章 离子交换一级复床出水的特点： . 呈弱碱性 PH= 8 9.5 （阳床微量Na泄漏） . 出水电阻率 0.1 1.0106 *CM脱盐水 . 如果阳床泄漏Na过量的话，电导率会升高。因而关键是控制阳

18、床的Na泄露。 阴床设在阳床之后（为什么？）：37第八章 离子交换2）强碱弱碱脱气系统事实上脱气放在后面是因为采用NaCO3，NaHCO3再生时会产生CO2气体，否则采用NaOH再生时可放在前面后面都行。 出水呈酸性 66.8 . 不能除Si . 电阻率 5104达不到脱盐的标准38第八章 离子交换 适合于原水强酸阴离子含量较大 H2SO4 弱碱用于去除强酸阴离子 HCl 强碱用于去除Si SiO32- 采用串联再生法，用NaOH再生，可适当提高温度。3）强酸脱气弱碱强碱系统39第八章 离子交换1）原理与特点： 阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达

19、510106Cm。 RH + ROH + NaCl RNa + RCL +H2O 2混合床除盐40第八章 离子交换优点： . 阴、阳离子交换反应几乎同时进行 . 出水呈中性，出水水质稳定，纯度高 .不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性） .失效终点分明 . 设备小缺点： . 再生时，难以彻底分层 。 . 混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化 . 一般常需进行预处理（混凝、沉淀 、活性炭吸附） . 再生操作复杂混合床的特点41第八章 离子交换2） 混合床离子交换器装置及再生方式 a. 装置 b. 再生 再生方法有体内再生和体外再生； 体内再生又分为酸、碱同时再生和酸、碱分别再生。42第八章 离子交换再生步骤：再生步骤：1、反洗分层2、阴树脂再生3、阴树脂正洗4、阳树脂再生5、阳树脂清洗6、混合7、最后正洗至PH7即可运行。 3) 高纯水制备与终端处理：高纯水制备与终端处理： 强酸脱气强碱混合床系统 使