-离子交换树脂及原理教学资料

离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂及离子交换(lízǐjiāohuàn)基本原理第一节离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂及其性能第二节离子交换(lízǐjiāohuàn)基本原理第三节离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂层的工作过程第四节离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的使用第五节离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的变质、污染与复苏第一页，共33页。一、离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂组成：单体：如苯乙烯、甲基丙烯酸。交联剂：架桥，使聚合物构成网状结构，如二乙烯苯。交换基团：具有活性离子的基团。合成：高分子骨架(gǔjià)的合成、交换基团的引入。结构：高分子骨架(gǔjià)：交联的高分子聚合物。离子交换基团：-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl、-N(CH3)2、-N(CH3)2孔：凝胶孔、毛细孔书写：固定离子：R可交换离子：-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl、-N(CH3)2、-N(CH3)2第二页，共33页。离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的分类按活性基团(jītuán)的性质按离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的孔型按单体的种类阳离子交换树脂:强酸性和弱酸性阴离子交换树脂:强碱性和弱碱性螯合型两性氧化还原型凝胶型大孔型等孔型*苯乙烯丙烯酸酚醛第三页，共33页。离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的内部结构第四页，共33页。凝胶型和大孔型(kǒnɡxínɡ)树脂的物理性能比较特性普通凝胶型离子交换树脂大孔型离子交换数值平均孔径(润湿态)范围1.5-9.0nm(平均2-4nm)范围10-500nm(平均20-100nm)对有机物的吸附能力吸附能力低,易被污染和老化吸附能力高比表面积(mL/g)(干燥态)＜0.10.1-0.4细孔容积(mL/g)(干燥态)0＜0.2外观透明球状颗粒半透明至不透明球状颗粒加工工艺苯乙烯+二乙烯苯苯乙烯+二乙烯苯+致孔剂第五页，共33页。树脂(shùzhī)的命名(GB1631-1979)代号分类名称代号骨架名称0强酸性0苯乙烯系1弱酸性1丙烯酸系2强碱性2酚醛系3弱碱性3环氧系4螯合性4乙烯吡啶系5两性5脲醛系6氧化还原性6氯乙烯系第六页，共33页。二、离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的性能物理性能外观(颜色、形状(xíngzhuàn))、粒度、密度、含水率、转型膨胀率、耐磨性化学性能酸碱性、选择性、交换容量、热稳定性第七页，共33页。外观颜色：组成不同，颜色各异，苯乙烯呈黄色。交联多的、杂质多的颜色深些。形状：球形，圆球率达90%以上，则水流阻力小。容量大。粒度用有效粒径和均一系数表示。粒度小，交换速度快，交换容量大，但压力损失(sǔnshī)大。粒度要均匀，在0.3-1.2mm范围。物理性能第八页，共33页。密度：单位体积树脂的质量。1.湿真密度：单位真体积（不包括树脂颗粒间空隙的体积）内湿态离子交换树脂的质量，g/mL。湿真密度=湿态树脂质量/湿态树脂的真体积一般在1.04-1.30。阳离子大于阴离子的。离子交换树脂的反洗强度、分层特性与其有关。2.湿视密度：单位体积内紧密无规律排列的湿态离子交换树脂的质量,g/mL。湿视密度=湿态树脂质量/湿态树脂的视体积。用来(yònɡlái)计算离子交换器中装载树脂时所需湿树脂量的主要数据，一般在0.6-0.85。物理性能第九页，共33页。含水率在水中充分膨胀的湿树脂中所含水分的百分数。含水率=(湿树脂质量-干树脂质量)/湿树脂质量与树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交换容量、离子型态等有关。反映离子交换树脂的交联度和网眼中的孔隙率。含水率愈大，孔隙率愈大，其交联度愈小。可了解树脂性能的变化。冬季应注意(zhùyì)防冻。一般在40-60%。物理性能第十页，共33页。转型膨胀率离子交换树脂从一种单一离子型转为另一种单一离子型时体积的变化的百分率.树脂在交换和再生时,体积均会发生变化。经长时间不断地胀缩，树脂会发生老化现象，从而影响树脂的使用寿命。耐磨性由于相互摩擦和胀缩作用，产生(chǎnshēng)破裂现象。一般年损耗应小于3-7%。物理性能第十一页，共33页。酸碱性不溶性的高分子电解质，可电离，使得水溶液具有(jùyǒu)酸碱性。强型树脂不受溶液pH影响。弱型树脂电离能力小。弱酸性树脂在碱性溶液中电离能力大，弱碱性树脂在酸性溶液中电离能力大。树脂的水解反应RCOOHNa+H2O→RCOONa+NaOHRNH2Cl+H2O→RNH2OH+HCl化学(huàxué)性能第十二页，共33页。对各种离子的交换能力是不同的。易被交换的离子，解析就困难。交换顺序：优先(yōuxiān)高化合价的，其次原子序数大的。强酸性阳离子交换树脂：Fe2+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞H+弱酸性阳离子交换树脂：H+＞Fe2+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+强碱性阴离子交换树脂：SO42-＞NO3-＞Cl-＞OH-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-弱酸性阴离子交换树脂：OH-＞SO42-＞NO3-＞Cl-＞HCO3-＞HSiO3-化学(huàxué)性能第十三页，共33页。交换容量单位质量或单位体积的树脂所能交换离子的摩尔数。表示离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的交换能力。1.全交换容量：单位质量的离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂全部离子交换(lízǐjiāohuàn)基团的数量，mmol/L。2.工作交换容量指一个周期中单位体积树脂实现的离子交换(lízǐjiāohuàn)量，即单位体积树脂从再生型离子交换(lízǐjiāohuàn)基团变为失效型基团的量。影响因素：树脂种类、粒度、原水水质、出水水质的终点控制、交换运行流速、树脂层高度、再生方式等。质量表示单位EM：mol/kg(干树脂)体积表示单位EV：mol/m3(湿树脂)EV=EM×(1-含水率)×湿视密度化学(huàxué)性能第十四页，共33页。热稳定性表示受热作用下树脂保持理化性能不变的能力。强碱性树脂：强碱基团受热分解，降低交换容量(róngliàng)。弱碱性树脂：弱碱基团受热发生脱落现象，稳定性较强碱性高。强酸性树脂：最高使用温度为100-120℃，再高则发生脱落现象。弱酸性树脂：稳定性更高一些，达200℃，且短时间内容量(róngliàng)损失小。热稳定性大小顺序为：弱酸性＞强酸性＞弱碱性＞Ⅰ型强碱性＞Ⅱ型强碱性化学(huàxué)性能第十五页，共33页。第二节离子交换(lízǐjiāohuàn)基本原理1.离子交换反应可逆性强型树脂的交换反应弱型树脂的交换反应2.离子交换平衡和选择性系数3.离子交换速度控制(kòngzhì)步骤表达式影响因素第十六页，共33页。1.离子交换(lízǐjiāohuàn)反应---可逆性离子交换反应是在固态(gùtài)的树脂和溶液接触的界面间发生的。交换(jiāohuàn)再生2RNa+Ca2+R2Ca+2Na+第十七页，共33页。1.离子交换反应(fǎnyìng)---强型树脂的交换反应(fǎnyìng)中性盐分解(fēnjiě)反应中和反应(fǎnyìng)复分解反应RSO3H+NaCl=RSO3Na+HClR=NOH+NaCl=R=NCl+NaOHRSO3H+NaOH=RSO3Na+H2OR=NOH+HCl=R=NCl+H2ORSO3H+CaCl=R(SO3)2Ca+2NaClR(=NCl)2+Na2SO4l=R(=N)2SO4+2NaCl第十八页，共33页。1.离子交换反应---弱型树脂(shùzhī)的交换反应非中性盐的分解(fēnjiě)反应强酸或强碱(qiánɡjiǎn)的中和反应复分解反应R(COOH)2+Ca(HCO3)2=R(COO)2Ca+2H2CO3R=NH2OH+NH4Cl=R=NH2Cl+NH4OHRCOOH+NaOH=RCOONa+H2OR=NH2OH+HCl=R=NH2Cl+H2OR(COOH)2+CaCl=R(COO)2Ca+2NaClR=NH2Cl+NaNO3=R=NH2NO3+NaCl第十九页，共33页。2.离子交换平衡(pínghéng)和选择性系数--离子交换平衡(pínghéng)RH+Na+=RNa+H+2RNa+Ca2+=R2Na+2Na+第二十页，共33页。2.离子交换(lízǐjiāohuàn)平衡和选择性系数--离子交换(lízǐjiāohuàn)平衡等价(děngjià)离子：RM1+M2=RM2+M1不等价离子(lízǐ)：2RM1+M22+=R2M2+2M1+式中：y为平衡时树脂相中M2离子的分率，x为平衡时水相中M2离子的分率，E树脂的全交换容量，mol/L;C0为液相中两种交换离子的总浓度（按1价离子计），mol/L第二十一页，共33页。2.离子交换(lízǐjiāohuàn)平衡和选择性系数-选择性系数选择系数大于1，说明(shuōmíng)该树脂对M2的亲合力大于对M1的亲合力，即有利于进行离子交换反应。第二十二页，共33页。3.离子交换速度(sùdù)--控制步骤1.边界(biānjiè)水膜内的扩散2.交联网孔内的扩散3.离子交换4.交联网孔内的扩散5.边界(biānjiè)水膜内的扩散第二十三页，共33页。3.离子交换(lízǐjiāohuàn)速度--表达式式中：---单位(dānwèi)时间内单位(dānwèi)体积树脂的离子交换量；D0---总扩散系数；B---与粒度均匀程度有关的系数；C1、C2---分别表示同一种离子在溶液相和树脂相中的浓度；ρ---树脂的空隙度；φ---树脂颗粒的粒径；δ---扩散距离。第二十四页，共33页。3.离子交换速度(sùdù)--影响因素离子性质:离子水合半径或所带电荷越多,扩散速度就越慢;树脂的交联度:交联度大的树脂的交换速度受孔道扩散控制;树脂的粒径:树脂的粒径越小,扩散速度越快;树脂的空隙度:树脂的空隙度越小,扩散速度越快;水中离子浓度:C＞0.1mol/L时孔道扩散控制;C＜0.003mol/L时液膜扩散控制;水溶液的流速(liúsù):流速(liúsù)增加,液膜扩散速度加快,但孔道扩散不受影响;水溶液的温度:温度升高,加快扩散速度。第二十五页，共33页。第三节离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂层的工作过程交换带的形成阶段(jiēduàn)交换带的移动阶段(jiēduàn)交换带的消失阶段(jiēduàn)第二十六页，共33页。第四节离子交换树脂(shùzhī)的使用一、离子交换树脂的选用：交换容量、原水水质、出水(chūshuǐ)水质、水处理设备的类型二、离子交换树脂的保管：新树脂、旧树脂三、新树脂投运前的预处理：阳树脂、阴树脂四、离子交换树脂的装填：五、离子交换树脂的鉴别方法：阳树脂和阴树脂酸性树脂碱性树脂第二十七页，共33页。一、离子交换树脂的选用(xuǎnyòng)---交换容量类型骨架组成的离子交换树脂,弱型树脂大于强型树脂。同类型树脂，交换容量随交联度的变小而增大。考虑交换容量