第6章 离子交换

第6章离子交换法第一节离子交换基本知识第三节离子交换软化第四节离子交换除盐第二节

离子交换的工艺第五节离子交换在废水处理中的应用第一节离子交换基本知识

实质：不溶性离子化合物(离子交换剂)上的可交换离子与溶液中的其他同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程。离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：交换树脂交换离子饱和树脂离子交换的特点:它主要吸附水中以离子态存在的物质，并进行等当量的离子交换。一、离子交换剂

给水处理中常用的有磺化煤和离子交换树脂；

废水处理中使用的主要是离子交换树脂。煤磨碎后经浓硫酸处理得到二、离子交换树脂1.结构2.主要性能1.结构母体（空间网状结构骨架）

树脂固定离子（与骨架牢固结合）活性基团交换离子（与同性离子进行交换反应）

以强酸性阳离子交换树脂为例：表示R-SO3-H+：

R--母体

-SO3-H+--活性基团

-SO3--固定离子

H+--交换离子

有时可以直接简写为RSO3H。树脂类型

活性基团的不同

强酸阳离子：RSO3H弱酸阳离子：RCOOH强碱阴离子：R≡NOH季胺弱碱阴离子：R≡NHOH叔胺R＝NH2OH仲胺R－NH3OH伯胺微孔形状：凝胶型树脂、大孔型树脂、多孔型等等。（1）密度：对于一定含水率得湿树脂而言。表示方法由两种：真密度（又称湿真密度）；视密度（湿视密度）2.离子交换树脂主要性能不包括颗粒之间的空隙体积包括颗粒之间的空隙体积)/)/mlgmlg（树脂堆积体积湿树脂质量湿视密度（积树脂颗粒本身所占的体湿树脂质量湿密度==（2）交换容量：表示树脂交换能力大小。单位是mol/kg（干树脂）或mol/L（湿树脂）。分为全交换容量和工作交换容量两种全交换容量：是指一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的的总数。工作交换容量：是指树脂在给定工作条件下实际的交换能力。实际的交换容量只有总交换容量的60%~70%。重点重点（3）选择性：对水中某种离子优先交换的性能离子交换速度除了与溶液中交换离子的种类、树脂上活性基团的性能有关外，还受温度和交换离子的浓度等的影响。水处理中，多为低浓度、水温变化也大，在这种情况下，选择性有以下规律为：①离子电荷愈多，愈易被交换；同价离子，原子序数愈大，愈易被交换：Th4+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>Li+PO43->SO42->NO3->Br->Cl->F->HCO3->HSiO3-②H＋和OH－的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。对于强酸阳树脂：H+>Li+；对于弱酸阳树脂：H+>Fe3+。对于强碱阳树脂：OH->F-；对于弱碱阳树脂：OH->SO42-第二节

离子交换的工艺按运行方式不同：

单层床：只装一种树脂，

固定床双层床：装强弱同性树脂

离子交换装置

混合床：阴阳两种树脂

移动床

连续床

流化床离子交换系统一般包括：预处理设备（去除悬浮物，防止树脂受到污染和交换床堵塞，一般采用砂滤器）、离子交换器和再生附属设备（再生液配制设备）

离子交换工艺的操作程序：（1）交换：（2）反洗：在离子交换树脂失效后，逆向通入冲洗水，冲洗水可用自来水或废再生液。目的：①松动树脂层，②清洗树脂层内的杂物。反洗流速约15m/h，历时15min。（3）再生：再生是借助高浓度的再生液流过树脂层,，把已吸附的离子置换出来。目的：①恢复树脂的交换能力；②回收有用物质。重点再生剂的选择

强酸性阳离子交换树脂可用HCl（4％-6％）或H2SO4（≦2％）等强酸及NaCl（5％-10％）等再生。弱酸性阳离子树脂可以用HCl、H2SO4等再生。强碱性阴离子交换树脂可用NaOH等强碱及NaCl再生弱碱性阴离子树脂可以用NaOH、Na2CO3、NaHCO3等再生。（4）清洗：用水正洗，水流方向与交换时一样，清洗水最好用交换处理后的净水、除盐水。

目的：将树脂层内残留的再生液清洗掉。清洗水量一般为树脂体积的4～13倍。工艺过程：

树脂反洗废水反洗水反洗树脂再生液再生废液再生树脂产品水正洗废液正洗树脂进水产品水交换第三节离子交换软化水的软化：是利用阳离子交换树脂中可交换的阳离子（如Na+、Ca2+、Mg2+、

H+）把水中所含的钙镁离子交换出来。加热法：去除暂时硬度软化方法药剂软化离子交换：硬度去除比较彻底重点1.RH2.RNa3.弱酸RCOOH一、阳离子交换树脂特点：(1)去除碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度，(2)碱度不变(3)总含盐量有所变化，再生剂为食盐适用范围：原水碱度低。1.钠型离子交换法

重点特点：（1）去除了碳酸盐硬度，生成CO2、H2O，同时碱度也去除了。（2）去除非碳酸盐硬度，生成H2SO4，HCl，出水酸性（3）用盐酸（HCl）或硫酸（H2SO4）再生。由于氢离子交换出水经常为酸性，运行时一般总是和钠离子交换联合使用，或与其他措施（如加碱中和）相结合2.氢型离子交换法

重点H型离子交换器出水含有游离酸，呈酸性，而Na离子交换器起初是含碱度的水，若将这两部分水相混合，则发生中和反应，中和后产生的二氧化碳可用除二氧化碳器去除。这样，既降低了碱度，又可去除硬度，使水的含盐量有所降低，这就是强酸性H-Na离子交换软化和脱碱联合水处理系统的原理。3.H－Na离子交换脱碱软化法

重点第四节离子交换除盐

需求：高温高压的锅炉的补给水，某些电子工业用水等。1.复合床除盐2.混合床除盐当原水通过Ｈ型离子交换柱时，水中所有金属离子M+被Ｈ+交换去除，Ｈ+与水中的阴离子结合成相应的酸，其出水呈酸性，其中与HCO3-结合生成的CO2与原有的二氧化碳在除碳器中被脱除。1.复合床除盐原理

水再进入OH－阴离子交换柱时，水中的各类酸根被OH－交换除去，从而将水中溶解盐类全部除去制得除盐水。复合床：一个阳离子交换柱和一个阴离子交换柱的串联装置混合床：把阳、阴离子交换树脂按一定比例混合均匀填充于同一个交换柱中的装置原水通过交换柱时，金属阳离子和阴离子分别被阳树脂和阴树脂交换，得到了脱盐水。由于一般强碱阴树脂的交换容量约为阳树脂的一半，所以都按阴树脂：阳树脂＝2∶1的比例混合。混合床再生

需要先将阳、阴树脂分层，再移出阳（或阴）树脂，分别完成再生后在填充于同一个交换柱中。

由于阴树脂的密度较阳树脂的要小，反洗分层后阴树脂在上，阳树脂在下。2.混合床除盐原理

第五节离子交换在废水处理中的应用一、离子交换处理工业废水的特点二、应用一、离子交换处理工业废水的特点1.水质复杂：含各种悬浮物、油类和有机物（进行预处理）2.高价金属离子：导致中毒，用高浓度酸浸泡3.pH值：影响某些杂质在废水中的存在状态，影响树脂交换基团的离解。4.水温：水温高，可加速离子交换的扩散，但会破坏树脂，应恰当降温。5.氧化剂：可采用交联度大的树脂或加入恰当的还原剂。6.有机污染：可采用大孔型树脂7.再生：要考虑回收有用物质。例如：处理含铬废水六价铬：铬酸根CrO42-和重铬酸根Cr2O72-，两种的比例与pH有关。酸性条件下，主要是Cr2O72-三价铬：Cr3+阳树脂去除三价铬：

3RH+Cr3+---R3Cr+3H+阴树脂去除六价铬：

2ROH+CrO42---R2CrO4+2OH-2ROH+Cr2O72---R2Cr2O7+2OH-

二、应用失效后再生：

R3Cr+3HCl----3RH+CrCl3R2CrO4+