第5章 离子交换法-水质处理-课件-教学-本科

第5章离子交换法5.1离子交换基本原理5.2离子交换树脂的性质5.3离子交换操作设备5.4离子交换水质软化方法与系统5.5离子交换水质除盐方法与系统5.1离子交换基本原理离子交换树脂概念离子交换树脂分类离子交换树脂命名与型号一、离子交换树脂概念

离子交换树脂是由空间网状结构骨架（母体）与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分子化合物。

活性基团遇水电离，水解形成：1）固定部分2）活动部分活动部分能在一定空间移动，并与周围其它同性离子发生交换反应。称为可交换离子。5.1离子交换基本原理离子交换法及其原理离子交换法利用固相离子交换剂功能基团所带的可交换离子，与接触交换剂的溶液中相同电性的离子进行交换反应，以达到离子置换、分离、去除、浓缩等目的。以R-SO3-H+为例，R，为母体;-SO3-H+为活性基团，H+为活性基团可交换离子，有时可进一步简化为R-H+。二、离子交换树脂分类离子交换剂的种类三、离子交换树脂命名与型号分类名称：强酸型\强碱型\等；骨架名称：本体的材料，如苯乙烯系等；基本名称：阳离子交换树脂等；如-强酸苯乙烯阳离子交换树脂为了方便，人们给各种树脂进行编号{}{}{}×{}第1个，数字表示活性基团代号第2个，数字表示骨架代号第3个，数字表示顺序代号第4个，数字表示交联度如：001×7；D311，D201分类、骨架代号见表9-45.2离子交换树脂的性质基本性质离子交换平衡离子交换速度树脂层离子交换过程离子交换树脂的再生原理1．外观粒径0.3～1.2mm乳白、淡黄、棕褐色等不透明或半透明球状颗粒5.2离子交换树脂的性质一、基本性质1．外观2．交联度3．含水率4．溶胀性5．密度6．有效PH值范围7．交换容量8．离子交换树脂的选择性离子交换剂

2．交联度：取决于生产过程，表示母体中交联剂的含量，以7~10%为宜，对于苯乙烯系树脂，二乙烯苯就是交联剂。3．含水率概念：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%）意义：树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率：交联度越小，孔隙率越大，含水率越大。4．溶胀性干树脂+水→湿树脂体积胀大绝对溶胀度5．密度湿真密度通常1.3mg/l，用于确定反洗强度与膨胀率；湿视密度通常0.6-0.85mg/l，用于确定所需树脂的体积6．有效PH值范围由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的pH值势必对其交换容量产生影响。表各种类型树脂有效pH值范围树脂类型强酸性弱酸性强碱性弱碱性有效pH值范围1~145~141~120~7单位数量离子交换树脂具有离子交换基团的数量，是树脂最重要的性能，表示树脂交换能力的大小。以体积和重量两种表示方式。mmol/g，mmol/L1）全交换容量：2）平衡交换容量：3）工作交换容量：实际工作条件下的，全交换容量的60－70％1）全交换容量：（1）定义：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量。代表交换能力的大小（2）测定方法：滴定测定与理论上计算7．交换容量与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关系，同时也受离子浓度和温度的影响。在常温和低浓度时：*离子电荷愈多，愈易被交换*原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>Li+SO42->NO3->Cl->HCO3->HSiO3-8．离子交换树脂的选择性*H＋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+而对于弱酸阳树脂：H+>Fe3+对于强碱：OH->HCO3-对于弱碱：OH->SO42-二、离子交换平衡选择系数用离子浓度表示：二阶对一阶离子交换反应通式为：三、离子交换速度

膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步（慢者控制离子交换反应的速度）？

(1)

浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步．浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步，介于中间则取决于具体情况．(2)

流速或搅拌速率：大，则水膜薄．膜扩散快．但孔道扩散基本不受影响．(3)树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比．孔道扩散，速度与粒径２次方成反比．(4)

交联度：交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著．四、树脂层离子交换过程离子交换反应的逆过程：

阳树脂：2R-SO3H+Ca2+R2Ca+2H+，2RNa+Ca2

+R2Ca+2Na+，

阴树脂：R-OH+ClRCI+OH-R-OH+SO42-R2SO4+OH-将饱和树脂放入相应的浓溶液中。五、离子交换树脂的再生原理离子交换剂的特点

（1）交换作用严格按等当量进行（2）交换作用具有可逆性（3）交换剂对交换离子有选择性离子交换树脂的选择性是废水处理中选择树脂和确定处理工艺的主要依据之一。离子交换法工艺过程（一）交换阶段利用离子交换树脂的交换能力，从废水中分离脱除需要去除的离子。（二）反冲洗阶段（三）再生阶段（四）清洗阶段

目的是松动树脂，使再生液能均匀渗入层中，与交换剂颗粒充分接触；把过滤过程中产生的破碎粒子和截留的污物冲走。

洗涤残留的再生液和再生时可能出现的反应产物。5.3离子交换的操作设备离子交换设备分类离子交换设备构造逆流再生固定床的运行过程阀系统及其控制程序运行参数5.3离子交换的操作设备一、离子交换设备分类离子交换设备

固定床床层固定不变，水流由上而下流动。固定床离子交换器离子交换设备

固定床移动床床层固定不变，水流由上而下流动。工作时，定期从交换柱排出部分失效树脂，送到再生柱再生，同时补充等量的新鲜树脂参与工作。移动床离子交换器离子交换设备

固定床移动床流动床床层固定不变，水流由上而下流动。工作时，定期从交换柱排出部分失效树脂，送到再生柱再生，同时补充等量的新鲜树脂参与工作。交换树脂在连续移动中实现交换和再生。流动床离子交换器1．顺流再生特点：⑴上部再生程度高，下部差，越是下部越差；⑵再生剂耗量大，2～3倍理论值时，效果仍不理想；⑶出水剩余硬度高；⑷交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低；⑸适合于硬度较低的场合。固定床最为常见，按再生液与水溶液的流向，又可分为顺流再生床与逆流再生床。2．逆流再生

特点：⑴再生效果好，耗量可降低20%以上；⑵出水水质明显提高；⑶原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出水水质；⑷再生废液中再生剂有效浓度低；⑸工作交换容量提高；⑹操作较复杂。再生效果好及剂量低等二、离子交换设备构造三、逆流再生固定床的运行过程

1.制水2.小反洗3.放水4.进再生液5.反洗6.正洗序程序控制措施1运行开进水阀A11，与出水阀A172小反洗开小反洗进水阀A15，与反洗排水阀A123放水开A164再生开进酸阀A18，与排酸阀A165置换开反洗进水阀13，与排酸阀A166反洗开反洗进水阀13，与反洗排水阀A127正洗开进水阀A11，与正洗排水阀A14四.阀系统及其控制程序五.运行参数1.制水，运行流速15-20m/h；2.小反洗流速5-10m/h，时间10-15min；3.再生液流速，5m/h,时间50min；4.置换：流速5-10m/h，出水酸度小于3-5mmol/l，或碱度小于0.5mmol/l，时间一般5-10m/h；5.正洗：10-15m/h，时间10-15min。再生液配制与消耗：再生剂再生剂比耗（g/mol）再生液浓度（%）NaCl80-1003-5HCl50-551.5-3H2SO4700.8-2.0NaOH60-651-35.4离子交换软化方法与系统钠离子交换法氢离子交换法氢-钠离子交换法再生附属设备一、钠离子交换法

水中的Ca2+、Mg2+交换到树脂上，钠离子进入水中，而钠盐的溶解度很大，不会沉淀析出，达到软化目的。再生：经软化过程后，树脂为Ca2+、Mg2+型树脂，需再生，恢复能力：缺点：在锅炉给水中，往往在软化的同时，要求碱度也降低，否则，软化中生成的NaHCO3在加热时有如下反应：二、氢离子交换脱碱软化法交换下来的H+与水中原有的阴离子结合成酸——不单独使用碳酸盐硬度产生的H2CO3分解被去除——脱碱H＋离子交换软化法过程曲线开始时出水呈酸性。Na＋开始泄漏时，出水酸度急剧下降。之后，RH交换转变为RNa型运行模式，对Ca和Mg仍有交换能力。出水Na离子逐渐超过原水中的浓度，呈碱性。然后硬度离子开始泄漏出水中离子泄漏的顺序为：H＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋三、H－Na并联及串联：⑴并联：⑵串联：串联与并联相比的特点：四、再生附属设备1．食盐系统2．酸系统3．除二氧化碳器四、再生附属设备1．食盐系统

2．酸系统再生剂用量计算：

再生剂用量（用G表示）：单位体积树脂所消耗的纯再生剂量（g/L，kg/m3）。比耗：nmol/mol（再生剂/工作交换容量）q:树脂工作交换容量(mol/L)；

MB再生剂摩尔质量；

再生1mol所需质量：R＝n·MBG＝q·R＝q·n·MB（g/L）3.除二氧化碳器CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，且一般为H床后：（1）原理：（2）除二氧化碳器的构造、填料和计算：3）计算：G＝KF△Ckg／hG——单位时间能够去除CO2的量（能力）K——解吸系数单位时间、单位接触面积、单位推动力下去除的CO2的数量F-瓷环面积结论：⑴K——解析系数，温度高则其值大，CO2溶解度低，冬天鼓热风⑵水封高度大于风压⑶进风口高于水面距离＞25cm，伸入内壁，防止水溅入风口⑷通风管有一定坡向水面的坡度⑸防止出水管不通，使水漫入鼓风机⑹设备防腐1）构造：2）填料：常用瓷环204m2/m3空隙率74%5.5离子交换除盐方法与系统水的纯度概念阴离子交换树脂的特性弱碱阴离子交换树脂的特性离子交换除盐方法与系统5.5离子交换除盐方法与系统电阻率：1cm×1cm×1cm体积的水所测得的电阻（Ω·cm）

1.淡化水：生活及生产用的淡水

2.脱盐水：含盐量为1～5mg/l，强电解质大部分被去除（普通蒸馏水）250C电阻率0.1～1.0×106Ω·cm

3.纯水：去离子水，含盐量为＜０.１mg／Ｌ，强电解质绝大部分被去除，弱电解质也去除到一定程度250C，0.1～1.0×106Ω·cm。

４.高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。

含盐量＜0.1mg/L，250C，＞10×106Ω·cm

一、水的纯度概念1）强碱性阴树脂对水中各种阴离子的交换选择特性不同，一般顺序为：PO43—＞SO42—＞NO3—＞Cl—＞OH—＞F—＞HCO3—＞HSiO3—（1）电荷愈多，选择性愈好；（2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选择性愈好；（3）还与离子交换基团的性质有关；（4）强酸性选择性好。2）强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得：ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH（几乎不能进行）3）阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（600C~800C），易受氧化剂的影响而变质。

如水中存在氧化剂时，则会使：二、阴离子交换树脂的特性4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，由于孔道分布不均，故容易堵塞。

强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出水导电率增加。5）强碱性阴树脂的运行过程1）交换容量大：可做强碱阴床前的预处理2）抗有机污染强，吸附后容易洗脱：可做强碱阴床前的预处理3）出水呈碱性，NaHCO3，NaHSiO3存在，SO42-泄露；出水呈酸性，Cl-首先泄漏。三、弱碱阴离子交换树脂的特性四、离子交换除盐方法与系统1.复床除盐2.混合床除盐3.氢型精处理器4.离子交换双层床1．复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目的）1）一级复床除盐强酸——脱气——强碱系统一级复床出水的特点：①.呈弱碱性PH=8～9.5（阳床微量Na泄漏）；②.出水电阻率0.1～1.0×106Ω*CM脱盐水（普通蒸馏水）；③.如果阳床泄漏Na过量的话，电导率会升高。阴床设在阳床之后（为什么？）：2）强碱——弱碱——脱气系统3）强酸——脱气——弱碱——强碱系统

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强碱用于去除其它阴离子原理：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5～10×106Ω·Cm。

RH+ROH+NaCl→RNa+RCl+H2O优点：①阴、阳离子交换反应几乎同时进行;②出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水）;③不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性）;④失效终点分明;⑤设备小.2．混合床除盐

1）原理与特点：缺点：①再生时，难以彻底分层;②混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降;③一般常需进行预处理（混凝、沉淀、活性炭吸附）;④再生操作复杂.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；现以酸、碱分别再生为例：2）混合床离子交换器装置及再生方式

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PH≈7，电阻率大于5×105Ω·cm，即可运行。

3）高纯水制备与终端处理：

强酸——脱气——强碱——混合床系统

使用前终端处理有：紫外线，精制混床，超滤。强酸——脱气——强碱——强酸能彻底去除Na，出水水质好；流速高100m/h；不能除Si，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混合床提纯水质。3.氢型精处理器：1)阳离子交换双层床2)阴离子交换双层床4.离子交换双层床：采用逆流再生，耗酸量相当于全部是阳树脂来说从3倍降到1.1倍理论值。适应于：原水硬度=碱度的水，或硬度略大于碱度的水。1)阳离子交换双层床2)阴离子交换双层床优点：（1）逆流再生，碱耗量低，理论值的1.1倍。强碱是理论值的3～4倍（2）交换容量提高，出水量增加。（3）适应的含盐量范围可提高。（4）出水水质好。缺点：要求再生条件严格，否则会出现如下现象，大量胶体硅（甚至胶冻）聚积在弱碱树脂上，使出水水质严重恶化。