水处理原理与工艺课件物理化学处理法离子交换吸附

水处理原理与工艺课件物理化学处理法离子交换吸附第一页，共一百一十一页，2022年，8月28日1第一章水处理方法概论第二章物理处理法工艺原理第三章化学处理法工艺原理第四章物理化学处理法工艺原理第五章生物处理法工艺原理第六章污水的深度处理技术第七章工业循环冷却水的水质处理与控制第二页，共一百一十一页，2022年，8月28日2第四章

物理化学处理法工艺原理第三页，共一百一十一页，2022年，8月28日31、混凝

物化处理法应用的场合很多，多用在废水的深度处理中，在自来水的常规处理工艺以及工业给水的处理工艺中，也常见到物化的处理技术。2、离子交换3、吸附4、萃取5、膜分离第四页，共一百一十一页，2022年，8月28日4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。2、离子交换第五页，共一百一十一页，2022年，8月28日5（1）工业用水处理中，离子交换法占有很重要的位置，是水的软化除盐处理最常使用的方法；（2）工业废水处理中，离子交换法主要用以回收重金属离子，如处理含铬废水，含钼再生液，也用于放射性废水和有机废水的处理。优点：去除率高、可浓缩回收有用物质、设备较简单、操作控制容易；缺点：应用范围受到离子交换剂品种、性能、成本的限制，对预处理要求较高，离子交换剂的再生及再生液的处理较难。第六页，共一百一十一页，2022年，8月28日6离子交换剂的种类

根据母体材质的不同，离子交换剂可以分为无机离子交换剂和有机离子交换剂两大类。无机离子交换剂：沸石、磺化煤等，用得不多；有机离子交换剂：又称离子交换树脂，一种高分子聚合物电解质，使用最广泛。2.1离子交换剂第七页，共一百一十一页，2022年，8月28日7第八页，共一百一十一页，2022年，8月28日8

第九页，共一百一十一页，2022年，8月28日9网状结构的高分子骨架接在骨架上的功能基团相反电荷的可交换离子含水体系由苯乙烯和二乙烯基苯聚合而成的一类带有功能基的具有空间网状结构的不溶性高分子化合物。离子交换树脂的结构第十页，共一百一十一页，2022年，8月28日10凝胶型树脂：由苯乙烯和二乙烯基苯（DVB，交联剂）混合物在引发剂存在下进行自由基悬浮聚合，得到具有交联网状结构的聚合体，这种聚合体一般是呈透明状态的，无孔的凝胶型树脂。吸水溶胀。

交联度：DVB加入量占单体总量的百分数，表示网状结构粗密的尺度。高交联度树脂（高于8％交联度），溶胀度较低大孔型树脂：在凝胶型树脂的基础上发展起来的，通过加入适量的致孔剂，使在网状骨架固化和链节结构单元形成的过程中，填垫惰性分子，预先留下孔道而形成的，在骨架固定后，再抽走致孔剂，便留下不受干湿或缩涨影响的永久性孔道。离子交换树脂的分类－按树脂骨架第十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日11离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂其他离子交换树脂强酸型中强酸型弱酸型强碱I型强碱II型弱碱型鳌合树脂氧化还原树脂阴阳两性树脂-SO3H-PO(OH)2-COOH-N+(CH3)3Cl--NH2,-NRH-NR2鳌合基氧化还原基阴阳两性基N+(CH3)2（CH2CH2OH）离子交换树脂的分类－按功能基特性第十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日12交联度：DVB加入量占单体总量的百分数，表示网状结构粗密的尺度。低交联度：交联度在2％～4％；一般交联度：交联度7％～8％；高交联度：交联度12％～20％。离子交换树脂的分类－按交联度第十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日13离子交换树脂产品分类、命名及型号(GB1631-1979)中国石油化学工业部1979年

根据离子交换树脂功能基的性质，将其分为强酸、弱酸、强碱、弱碱、螯合、两性和氧化还原等七类。全称由分类名称，骨架(或基团)名称，基本名称(离子交换树脂)排列组成。凡属酸性的应在基本名称前加“阳”字；凡属碱性，在基本名称-1-前加“阴”字。离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成，第一位代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位为顺序号

，用以区别基团，交联度等不同。-2-离子交换树脂的命名第十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日14第一、二位数字的含义离子交换产品分类、骨架代号分类代号分类名称骨架代号骨架名称0强酸0苯乙烯系1弱酸1丙烯酸系2强碱2酚醛系3弱碱3环氧系4鳌合4乙烯吡啶系5两性5脲醛系6氧化还原6氯乙烯系第十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日15凡大孔型离子交换树脂，在型号前加“大”字的汉语拼音首位字母“D”表示。

D301分类代号骨架代号顺序号大孔型代号凝胶型交换树脂，在型号后面用“×”号联接阿拉伯数字表示交联度。

001×7分类代号骨架代号顺序号联接符号交联度大孔弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂

强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂

第十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日16

离子交换树脂的合成在方法上可分为加聚型和缩聚型。目前用量最多的是加聚型离子交换树脂，其中又以交联聚苯乙烯系和交联聚丙烯酸系为主。聚苯乙烯系占离子交换树脂总用量的95%以上。大多数离子交换树脂的合成都是先以悬浮共聚的方法合成交联共聚球珠（母体），再通过一定的化学反应引入所需要的离子交换基团。

离子交换树脂的合成通过在聚合过程中加入或不加入致孔剂的制备方法，可使得到的母体有大孔型或凝胶型的物理结构。第十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日17交换选择性交换容量粒度密度交联度含水量溶胀性（转型膨胀率）机械强度耐热性孔结构……离子交换树脂的性能指标第十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日18(1)交换选择性

离子交换树脂对于水溶液中某种离子优先交换的性能，称为树脂的交换选择性，又称为交换势，与水中离子的种类、离子交换基团的性能、水中该离子的浓度等因素有关。

在天然水的离子浓度和温度条件下，离子交换选择性的一些规律：离子的交换势随溶液中离子价数的增加而增加；价数相同时，随原子序数的增加而增加。第十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日19强碱树脂强酸树脂弱酸树脂弱碱树脂Th4+>Fe3+>

Ca2+>

Mg2+>NH4+>＝

K+>

Na+>

H+>

Li+H+》Fe3+>Al3+>Ca2+>

Mg2+>K+=NH4+>Na+>

Li+PO43->SO42->NO3->Cl->

OH->F->HCO3->HSIO3-OH-》SO42->NO3->Cl->HCO3-第二十页，共一百一十一页，2022年，8月28日20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，这就是离子交换树脂能够再生的依据；H+离子和OH-离子的交换势，取决于他们与固定离子所形成的酸或碱的强度，强度越大，交换势越小。金属在溶液中呈络阴离子存在时，一般来说，交换势降低。第二十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日21(2)交换容量树脂的交换能力用交换容量来衡量，表示树脂所能交换的交换离子数量，单位mol/g或mol/m3

交换容量的表示方法有如下几种：全交换容量：离子交换树脂内部全部可交换的活性基团的数量，此值决定于树脂内部组成，与外界溶液条件无关，是一个常数，可用滴定法测定。第二十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日22

平衡交换容量：在一定的外界溶液条件下，交换反应达到平衡状态时，交换树脂所能交换的离子数量，其值随外界条件变化而异。工作交换容量：树脂在使用中实际表现出来的交换容量。其值远小于全交换容量。

树脂的全交换容量最大，平衡交换容量次之，工作交换容量最小。第二十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日23(3)树脂的粒度树脂的粒度对交换速度、水流阻力和反洗有很大影响，粒度大，交换速度慢，交换容量低；粒度小，水流阻力大。因此，粒度大小要适当，分布要合理。

一般树脂的粒径位0.3~1.2mm，有效粒径(d10)位0.36~0.61，均一系数（d40/d90)为1.22~1.66，越接近1，说明粒度越均匀。第二十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日24(4)树脂的密度

树脂密度是设计交换柱、确定反冲洗强度的重要指标，也是影响树脂分层的主要因素。湿真密度：树脂在水中充分溶解后的质量与真体积（不包括颗粒孔隙体积）之比，一般为1.04~1.3g/mL。湿视密度：树脂在水中溶解后的质量与堆积体积之比，一般为0.60~0.85g/mL。一般来说，阳树脂的密度大于阴树脂。第二十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日25(5)树脂的交联度树脂的交联度对树脂的许多性能有广泛的影响：

随交联度的增加，树脂结构紧密，微孔小，树脂含水量降低，溶胀度减小，离子交换速度下降，在催化反应中活性降低；但在另一方面，树脂对离子的选择性会有所增加，机械强度改善，耐化学药品和氧化性能提高。水处理中常用的树脂的交联度为7％～10％，此时，树脂网架中平均孔隙大小约为2～4nm。第二十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日26(6)树脂的含水量

在水中充分溶胀的湿树脂所含溶胀水重占湿树脂重的百分比，一般在50％左右。

含水量主要取决于树脂的交联度、活性基团的类型和数量等。交联度越小，树脂中的孔隙就越大，含水量也相应增加。第二十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日27(7)树脂的溶胀性能指干树脂浸入水中，由于活性基团的水合作用使交联网孔增大，体积膨胀的现象。树脂的交联度越小，活性基团数量越多，越易离解，可交换离子水合半径越大，其溶胀率也越大。转型膨胀率（％）:树脂从一种型号转为另一种型号时体积变化的百分数。在交换容器的设计时需预留空间。

一般地，苯乙烯系阳树脂从Na型转为H型，转型膨胀率5～10％；苯乙烯系阴树脂从Cl型转为OH型，膨胀率10～20％；丙烯酸系阳树脂的转型膨胀率很高，由H型转为Na型膨胀率约为60~70%。第二十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日28(8)其他性能指标机械强度：反映树脂保持颗粒完整性的能力。主要取决于交联度和溶胀率。交联度越大，溶胀率越小，则机械强度越高；耐热性：若操作温度过高，易使活性基团分解，从而影响交换容量和使用寿命；温度过低，树脂内水分冻结，使颗粒破裂。通常控制在5~40℃为宜。孔结构：主要针对大孔型树脂而言，大孔树脂的交换容量、交换速度等性能均与孔结构有关。常用离子交换树脂的性能，表15－2

第二十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日29

在离子交换树脂的实际应用中，选用合适的树脂很重要。通常要求选用具有体积交换容量高、选择性高、再生性能好和使用寿命长的树脂。离子交换树脂的选用主要考虑以下两方面：(1)树脂种类的选择；(2)树脂功能基与离子型式的选用。离子交换树脂的选择第三十页，共一百一十一页，2022年，8月28日30树脂选用要点（1）树脂种类的选择如果被交换的离子是无机阳离子或有机碱阳离子，则选用阳离子交换树脂；如果被交换的离子是无机阴离子或有机酸根，则用阴离子交换树脂；如果被交换的离子是络阴离子(FeCl4-

、FeCl52-)、络阳离子(Cu(NH3)42+)，则分别用阴、阳离子交换树脂；如在大量的一价金属离子存在下除去二价及二价以上的离子(饱和NaCl、KCl等溶液的精制)，可选用含用亚氨二乙酸基、氨基磷酸螯合基的螯合树脂。第三十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日31树脂选用要点（2）功能基与离子型式的选用

对于离解常数较小(pK值大于5)的酸，例如，硅酸、碳酸、硼酸、氢硫酸，它们不与弱碱树脂起作用，能与强碱树脂作用，洗脱也容易进行。彻底去除微量杂质时，要用强型树脂。如杂质多而不要求彻底除尽时，可选用弱型树脂。去除特定离子，最好选用有高度选择性的螯合树脂。第三十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日32

树脂宜在0～40℃下存放，当环境温度低于0℃或发现树脂脱水后，应向包装袋内加入饱和食盐水浸泡；对长时期停运而闲置在交换器中的树脂应定期换水；通常强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存，性能最稳定。离子交换树脂的保存第三十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日33

树脂在使用前都要进行预处理，以除去杂质，最好分别用水、5％HCl、2％～4％NaOH反复浸泡清洗两次，每次4～8h。

离子交换树脂的预处理

离子交换树脂的鉴别

参见教材P215－表15－3第三十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日34

离子交换反应是可逆反应，这种可逆反应并不是在均相溶液中进行，而是在固态树脂和水溶液(或亲水有机溶剂)的界面间。R-SO3--SO3--SO3--SO3--SO3--SO3-Na+Na+Na+Na+Na+Na++3Cａ2++6Cl-+6Nａ+

+6Cl-R-SO3--SO3--SO3--SO3--SO3--SO3-Cａ2+Cａ2+Cａ2+离子交换反应的界面过程离子交换平衡2.2离子交换原理第三十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日35

在水溶液中，离子交换树脂可解离出Na+(A+),并扩散到溶液中。同时，溶液中Ca2+(B2+)也能扩散到整个树脂结构的内部，这两种离子间的浓度差推动着它们之间的交换，浓度差越大，交换速度就越快，当这种交换反应进行到一定程度，就建立了离子交换平衡:（树脂和溶液中都同时存在B2+和A+两种离子）

2R-A++B2+R2B+2A+第三十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日36

一个离子交换平衡反应是否有实际意义，在很大程度上依靠树脂的选择性。

K值越大，吸着量越大，即溶液中的B2+离子的去除率就越高。根据K值的大小，可以判断离子交换树脂对某种离子吸着选择性的强弱，所以K值又称为离子交换平衡选择系数，又称分配系数或交换势。树脂对离子具有不同的亲和能力，对亲和能力强的离子优先选择，和它结合力强使之不易泄漏。但由于结合牢固，再生时，该离子被置换下来就很困难。

2R-A++B2+R2B+2A+选择系数第三十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日37

离子交换的可能与否，在很大程度下依赖于树脂的选择性和交换量，实际应用中，树脂的交换量并非能够全部表现出来，其工作交换容量一般小于总交换量。原因可能受控于溶液的pH值、树脂的溶胀性能和离子交换速度，而离子交换速度则往往影响离子交换的效果，决定着离子交换树脂的交换能力是否能够充分发挥。离子交换树脂的应用常常是在动态下进行的，因此控制好离子交换速度对离子交换的进行显得更为重要。现以钠型离子交换树脂与溶液中Ca2+进行交换为例，来阐明离子交换速度对离子交换反应的影响。

离子交换速度第三十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日38①Ca2+从溶液通过树脂表面的液膜(或边界层)，到达树脂表面。②Ca2+从树脂表面向树脂孔道中迁移，并达到有效的交换拉置。③在交换点上Ca2+与Na+进行交换反应。④Na+从树脂内部迁移到树脂表面。⑤Na+穿过树脂表面的液膜进入水溶液。第三十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日39

通常认为第三步(交换点上的交换反应)可以在瞬间完成，它不能决定离子交换的速度。在第一步中Ca2+在溶液中迁移受到相反离子的吸附力和相同离子的排斥作用，穿过一层包围树脂的液膜达到树脂表面，这一过程又称膜扩散过程。此膜叫Nerst膜，通称为液膜。此膜中的离子浓度不受机械外力作用的影响。在交换柱中，过程液体流速加快，膜的厚度将减少。第二步又称粒内扩散。膜扩散和粒内扩散的速度控制了离子交换的速度。第四十页，共一百一十一页，2022年，8月28日40影响膜扩散和粒内扩散的主要因素是：①溶液流速膜扩散随溶液过柱流速(或静态搅拌速度)的增加而增加，粒内扩散基本不受流速或搅拌的影响。②树脂粒度（孔结构）离子的膜扩散速度与树脂颗粒大小成反比；离子的粒内扩散速度与粒径的高次方成反比，与孔径大小有关。③离子浓度（体积大小）当溶液中离子浓度较低时，对膜扩散速度影响较大，而对粒内扩散影响较小；当溶液中离子浓度较高时，对粒内影响较大，而对膜扩散影响较小；当离子的体积较小时，在凝胶型和大孔型树脂中的扩散系数相差很小，但对于体积较大的离子，只有在大孔树脂中才有较大的扩散系数。第四十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日41④树脂的交联度。树脂的交联度对膜扩散影响较小，而对粒内扩散影响更为显著，交联度增加，扩散系数减小。⑤水温：提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变薄，有利于离子扩散；⑥被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，颗粒内孔扩散速度越慢。试验证明，阳离子每增加一个电荷，其扩散速度就减慢到原来的1/10。第四十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日42提高离子膜扩散速度的措施(1)加快交换体系搅拌速度或提高溶液的过流速度，以减低树脂表面的膜层厚度。(2)提高溶液中的离子浓度。(3)增大交换剂的表面积，即减小树脂的粒度。(4)提高交换体系的温度，以加快扩散速度。加快离子粒内扩散速度的措施(1)降低凝胶树脂的交联度，增加大孔树脂的致孔剂，以此提高树脂的孔隙率、孔度和溶胀度，有利于离子的扩散。(2)提高交换体系温度，以加快扩散速度。(3)离子在孔隙内的扩散速度还与离子自身性质有关，离子价数越低或离子半径越小，则其扩散速度越快。第四十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日43

扩散过程通常可用菲克（Fick）第一定律或第二定律来描述，由此可推导出粒内扩散方程和液膜扩散方程，很多计算结果表明：在水的软化或强酸强碱树脂交换除盐过程中，交换过程一般为液膜所控制。再生过程则多为粒内扩散所控制。弱酸弱碱的离子交换过程一般为粒内扩散的控制。第四十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日44（1）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。（2）反洗阶段（3）再生阶段（4）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。2.3离子交换工艺过程

离子交换是在装有离子交换剂的交换柱或塔或罐内进行的。第四十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日45（1）交换阶段以树脂RA处理含B离子的废水为例，当废水进入交换柱后，首先与顶层的树脂接触并进行交换，B离子被吸着而A离子被交换下来；废水继续流过下层树脂时，水中B离子浓度逐渐降低，而A离子浓度却逐渐升高。当废水流经一段滤层后，全部B离子被交换成A离子，再往下便无变化地流过其余的滤层，此时出水中的B离子浓度为0。第四十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日46

这样，整个树脂层就形成了上部饱和层（失效层）、中部工作层、下部新料层三个部分。到某一时刻，工作层的前沿达到树脂层的下端时，出水中开始出现B离子，此时称为“穿透点”；若再继续运行，出水中的B离子越来越高，直到与进水浓度相等，此时称达到了“饱和点”。第四十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日47

一般水处理中，交换柱到穿透点时就要停止工作，进行树脂再生。但为了充分利用树脂的交换能力，可以采用所谓“串联柱全饱和工艺”，如图示。ABC第四十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日48

树脂的利用率取决于工作层的厚度和整个树脂层的高宽尺寸比例。工作层的厚度越小，树脂利用率越高。工作层的厚度随工作条件而变化，主要取决于离子供应速度和离子交换速度的相互关系。离子供应速度决定于过滤速度。对于给定的树脂和废水，离子交换速度基本上是一个定值，显然，离子供应速度小于或等于离子交换速度时，工作层厚度就小，树脂的利用率就高。因此，离子交换速度的过滤速度是一个重要的工艺参数，过滤阶段的滤速和进水水质、出水水质及阻力损失等因素有关。对一定的进出水水质而言，往往有一个较优的滤速值。第四十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日49（2）反洗阶段离子交换过程完成后需进行反冲洗。

反冲洗的目的：

1）松动树脂层，使再生液能均匀渗入层中，与交换剂颗粒充分接触；

2）把过滤过程中产生的破碎粒子和截留的污物冲走，为了达到这个目的，树脂层在反冲洗时要膨胀30～40%。冲洗水可用自来水或废再生液。第五十页，共一百一十一页，2022年，8月28日50（3）再生阶段

树脂失效后，必须再生才能再使用。通过再生，一方面可恢复树脂的交换能力，另一方面可回收有用物质。再生是交换的逆过程。通过浓度差实现。1）再生剂的种类：再生剂的选择要考虑既有利于再生液的回收利用，又要求再生效率高，洗脱速度快，价廉易得。如对于强酸性阳树脂用HCl或硫酸等强酸及NaCl、Na2SO4再生；对于弱酸性阳树脂用HCl或H2SO4再生；对强碱性阴树脂用NaOH等强碱或NaCl再生；对于弱碱性阴树脂用NaOH、Na2CO3、NaHCO3等再生；第五十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日512）再生剂用量：理论上，1eq的再生剂可以恢复树脂1eq的交换容量，实际上再生剂的用量要比理论上大得多，通常为2～5倍；当再生剂用量一定时，适当增加再生剂浓度，可以提高再生效率，但浓度太高，会缩短再生液与树脂的接触时间，反而降低再生效率，所以，再生剂用量及浓度均存在最佳值，需通过试验来确定。（refP220，表15-4及图15-8）3）再生方式：顺流再生：设备简单，操作方便，工作可靠；但再生剂用量多，再生效率低；逆流再生：再生剂耗量少（比顺流法少40％左右），再生效率高，但设备较复杂，操作控制较严格。第五十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日52（4）清洗阶段

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。

清洗的水流速度应先小后大，清洗过程后期应特别注意掌握清洗终点的pH值（尤其是弱性树脂转型之后的清洗），避免重新消耗树脂的交换容量；一般而言，清洗用水为树脂体积的4～13倍，淋洗水流速为2～4m/h。第五十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日53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。交换树脂再连续移动中实现交换和再生。2.4离子交换设备第五十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日54第五十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日55固定床离子交换器第五十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日56移动床离子交换器第五十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日57流动床离子交换器第五十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日58（1）根据排放标准与出水的去向和用途以及受纳水域的水质功能，确定经离子交换处理后出水的水质要求；（2）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；（3）实验选择离子交换树脂、再生剂种类，确定树脂的交换容量和再生剂用量；（4）确定的合理工艺参数，并进行相关计算。2.5离子交换系统的设计第五十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日591）树脂用量的初步计算

选定交换周期T(h)，按下式计算一个交换周期内应去除的污染物总量N(mol)：

N＝Q(C0-C)T

式中，Q－废水平均流量，m3/h；

C0、C－分别为废水初始浓度和出水残留浓度，mol/m3

再根据选定的树脂工作交换容量E(mol/m3)，计算所需的树脂体积VR(m3):

VR＝N/E

最后，根据树脂的湿视密度ρ(kg/m3)，计算树脂质量M(kg):M=VRρ第六十页，共一百一十一页，2022年，8月28日602）交换柱主要尺寸的计算

先选定树脂层的高度HR（一般为0.70~1.50m），再根据VR和HR计算交换柱的直径D(m)，交换柱的总高度H：

H＝(1.8~2.0)HR

3）核算过滤速度按照下式核算过滤线速度v是否合适：

v=Q/F=4Q/πD2如果计算出的滤速与一般经验值相差太大，就得重新计算。第六十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日61堵塞、包裹废水中悬浮物

与固定离子牢固结合有机物

引起树脂中毒高价金属离子强酸和强碱树脂交换能力基本上与pH无关。弱酸或弱碱性树脂在pH高或低时才能得到较大的交换能力。pH值

加速树脂的老化与分解氧化剂2.6影响离子交换能力的因素第六十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日62用Na型强酸性阳离子交换树脂RNa中的Na+交换去除水中的Ca2+、Mg2+硬度，饱和的树脂用5～8％的食盐NaCl溶液再生。2.7离子交换在软化除盐中的应用离子交换软化

2RNa+Ca2+R2Ca+2Na+

其软化工艺分为只去除硬度的软化工艺和同时去除硬度和碱度的软化除碱工艺。第六十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日631）钠树脂(RNa)软化

采用钠型强酸性阳离子交换树脂，单级软化一般适用于总硬度小于5mmol/L的原水，出水残余硬度小于0.03mmol/L，可以达到低压锅炉补给水水质要求；双级软化适用于进水碱度较低（小于1mmol/L)的原水，出水残余硬度小于0.005mmol/L，可以达到低中压锅炉补给水对硬度的要求。该工艺的特点：去除碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度；出水的含盐量以mmol/L为单位数值不变；出水碱度不变；出水的残余硬度比石灰软化工艺小。第六十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日642）氢－钠树脂(RH-RNa)联合软化除碱系统

对于碱度高于2mmol/L的原水，需采用软化除盐系统：RH-RNa并联或串联，其中RNa采用钠型强酸性阳树脂，用NaCl再生；RH采用同样的强酸性阳树脂，但是用HCl再生，再生后树脂为H型。除碱原理是用RH产生的H+中和水中的HCO3-，所生成的CO2用除二氧化碳器吹脱去除。第六十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日652）氢－钠树脂(RH-RNa)并联软化除碱系统

第六十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日663）氢型弱酸性阳树脂和钠型强酸性阳树脂（R弱H-RNa）串联的软化除碱系统

采用氢型弱酸性阳离子交换树脂R弱H作为第一级，去除水中的碳酸盐硬度，产生的CO2经除碳器脱气后，出水再经第二级的钠型强酸性阳树脂进行交换，除去水中的非碳酸盐硬度。该工艺的特点：

氢型弱酸性阳树脂交换容量大，容易再生，对于碳酸盐硬度较高的原水，较为有利；强酸性阳树脂RH-RNa需配水、混合，并且RH出水为酸性，对设备腐蚀性强。R弱H-RNa系统不需配水，R弱H出水不呈酸性，因此设备简单，运行可靠；但弱酸性阳树脂价格较贵，致使初期投资较大。第六十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日67基本工艺流程有一级复床、二级复床、一级复床－混合床等。

离子交换除盐

一级复床：阳离子交换——除碳器——阴离子交换混合床：阳离子交换树脂和阴离子交换树脂装在一个交换器内，再生前通过反冲洗，靠阴阳树脂的密度差把树脂分层，分别再生；然后在运行前用压缩空气把两种树脂进行搅拌，形成混合床。水从混合床中流过，相当于通过无数级的复床。第六十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日681）什么叫工作交换容量？其与全交换容量的关系如何？2）为什么RH使用中多以Na+泄漏为终点？3）离子交换过程中在再生之前为什么要进行反冲洗？4）影响离子交换树脂再生效果的因素有哪些？5）简述离子交换树脂的结构特点与主要分类。6）简化离子交换软化和除盐的基本原理。思考题：第六十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日69（1）饮用水处理中，既可用作预处理手段，如粉末活性炭用于水源水季节性水质恶化的强化预处理及突发性污染事故中的应急处理；又可用作深度处理手段，如颗粒活性炭用于水厂净水深度处理、优质直饮水或纯净水的生产；（2）废水处理中，吸附法主要用以脱色、除臭味、脱除重金属、各种溶解性有机物、放射性元素等，既可用作预处理，也可用作深度处理，或与生化法联用。

吸附法是利用具有吸附能力的多孔性物质去除水体中微量溶解性杂质的一种处理工艺。优点：适应范围广、处理效果好、可回收有用物质、吸附剂经再生后可重复使用等；缺点：对进水预处理要求较高，运转费用较贵等，吸附剂再生较难。3、吸附第七十页，共一百一十一页，2022年，8月28日70吸附是一种表面现象，是指固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，被吸附分子在吸附剂表面浓度高于溶液本体相中浓度。具有一定吸附能力的固体材料称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。溶剂/水吸附质相互作用相互作用相互作用(如溶解)吸附剂对于固－液吸附，引起吸附的主要原因是溶质对水的疏水作用和吸附剂对溶质的亲合力。3.1吸附机理及分类第七十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日71吸附剂与被吸附物质之间是通过分子间引力(即范德华力)而产生吸附，称为物理吸附。一般在低温下，吸附可逆。物理吸附吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附，称为化学吸附。化学吸附是有选择性的，且不易解吸，达到平衡慢。化学吸附速度随温度升高而增加，故常在高温下进行。化学吸附吸附的分类第七十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日72吸附性能吸附类型物理吸附化学吸附作用力选择性吸附层吸附热吸附速度稳定性温度的影响分子引力一般没选择多层吸附较小，一般在41.9kJ/mol以内快不稳定，易解吸温度升高，吸附量降低化学键有选择单层吸附较大，一般在83.7～418.7KJ/mol以内较慢较稳定，不易解吸温度升高，吸附速度增加物理吸附和化学吸附之间的区分并没有严格的界限。在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在。物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以互相转化的。同一物质，可能在较低温度下进行物理吸附，而在较高温度下往往又是化学吸附。第七十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日73吸附平衡

当吸附速度和解吸速度相等时，溶液中的吸附质浓度不再改变时→吸附平衡吸附剂吸附能力的大小用吸附量q（mg/g）表示。达到吸附平衡时，

q=V(C0-Ce)/m(mg/g)V：废水容积m：吸附剂投加量Ce：吸附平衡时，溶液中溶质浓度C0：溶液初始浓度

3.2吸附平衡与吸附等温线第七十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日74

在固体对气体的吸附中，吸附量是温度和压力的函数；在固体对液体的吸附中则为温度和溶液中吸附质浓度的函数。固定温度下，吸附量与浓度的关系为等温吸附，通常用吸附等温线来描述所研究体系达到平衡时吸附量与溶液中吸附质浓度的关系，即在某一温度条件下，吸附量随吸附质平衡浓度的变化曲线。吸附等温线第七十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日75单分子层吸附，饱和时吸附量趋于定值。可用Langmiur方程描述。BET型多分子层吸附，吸附的极限值对应于物质的溶解度。

反映了毛细管凝聚现象和孔容的限制，由于在达到饱和浓度之前就达到平衡，因而有滞后效应。相当少见，特征是吸附热等于或小于纯吸附质的溶解热。

吸附等温线是描述吸附平衡行为的基本工具，可用于比较吸附剂的基本吸附性能。由于吸附机理在很大程度上决定了吸附等温线的形状，因而对吸附等温线分类有助于诊断吸附过程。第七十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日76

浓度增大曲线往上斜，如IV，表示吸附由单分子层开始向多分子层进行。

曲线的形状反映吸附的难易，低浓度下曲线向下弯，如I、II、IV的初始表示分子容易被吸附；如不易被吸附则向上弯，如III、V。第七十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日77

描述吸附等温线的数学表达式称为吸附等温式，其种类繁多，常用的有Langmuir吸附等温式、Freundlich吸附等温式、BET吸附等温式。吸附等温式第七十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日78

Langmuir假设吸附剂表面均一，各处的吸附能相同，吸附是单分子层的；达动态平衡状态时，吸附和脱附速度相等。（1）Langmuir吸附等温式qm为单层饱和吸附量；kL代表吸附能力的强弱第七十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日79Freundlich等温式为经验式，与实验数据颇为吻合。K表征吸附剂的吸附能力，n反映了吸附反应强度。一般认为，n介于2~10，易于吸附;n>1时，为优惠吸附；n<0.5时则难以吸附。（2）Freundlich吸附等温式第八十页，共一百一十一页，2022年，8月28日80模型假定在原先被吸附的分子上面仍可吸附另外的分子，即发生多分子层吸附，而且不一定等第一层吸满后再吸附第二层，对每一单层都可用Langmuir式描述。作图时须知道饱和浓度cs的值，当cs的值未知时，则需通过假设不同的cs值作图数次才能得直线（3）BET吸附等温方程第八十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日81（4）其它吸附模型第八十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日82

吸附量是选择吸附剂和设计吸附设备的重要数据。吸附量的大小决定吸附剂再生周期的长短。因此，需要通过实验研究吸附剂的吸附等温线。

吸附等温试验是判断吸附剂吸附能力的强弱、进行吸附剂选择的重要试验。主要用于两种情况：

一是设计中进行不同吸附剂的性能比较与选择；二是用来计算吸附剂的投加量或动态吸附床的穿透时间。

（参见教材P194例题14-1和例题14-2）第八十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日83影响因素2）吸附质的物理化学性质5）共存物的影响6）接触时间1）吸附剂的物理化学性质3）废水的pH值4）温度3.3吸附的影响因素第八十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日84内因因素：

A、吸附剂的性质：种类；比表面积；表面能；表面化学特性；孔隙尺寸等

B、吸附质的性质：溶解度；极性；分子量；分子大小；溶质浓度；空间结构等外因因素：

A、环境条件：pH值；温度；共存物质；压力；协同作用等

B、运行条件：运行方法；接触时间；水力条件等。第八十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日85吸附动力学

吸附速度：单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质的量。吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间，吸附质与吸附剂要有足够的接触时间才能达到吸附平衡，吸附平衡时间取决于吸附速度。

吸附速度快⇁接触时间短⇁吸附设备的容积小3.4吸附速度第八十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日86影响吸附速度的因素有：1）吸附质在吸附剂表面液相界膜内的迁移速度。（液膜扩散、外扩散）2）吸附质在吸附剂颗粒空隙内的扩散速度。（内扩散）3）吸附质在吸附剂内表面吸附位置上的吸附反应速度。吸附速度主要受液膜扩散速度和内扩散速度控制。在开始阶段往往由液膜扩散速度起作用，而在终了阶段则由颗粒的内扩散起决定作用。第八十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日87吸附剂按化学结构分类无机吸附剂高分子吸附剂炭质吸附剂按吸附机理分类化学吸附物理吸附亲和吸附离子交换剂螯合剂可再生高分子试剂和催化剂阳离子交换剂阴离子交换剂两性离子交换剂按形态和孔结构分类球型树脂（大孔、凝胶、大网）离子交换纤维与吸附性纤维无定型颗粒吸附剂免疫吸附剂仿生吸附剂非极性吸附剂中极性吸附剂极性吸附剂3.5吸附剂第八十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日88活性碳吸附树脂

在水处理中用到的吸附剂有活性炭、吸附树脂、磺化煤、木炭、焦炭、硅藻土、炉渣、木屑以及粘土等。一般吸附剂均呈松散多孔性结构，具有巨大的比表面积。不同的吸附剂对处理吸附质会有不同的效果，使用时应注意选择。第八十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日89活性炭是一种非极性吸附剂，是由含碳为主的物质作原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。其外观为暗黑色，有粒状和粉状两种。活性炭主要成分除碳以外，还有少量的氧、氢、硫等元素，以及含有水分、灰分。它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。

活性炭第九十页，共一百一十一页，2022年，8月28日90活性炭的制备成型炭化活化筛选除去杂质、加入粘结剂成型、经干燥或氧化煤结成初始原料在缺乏空气、400-500℃下炭化，除去大部分挥发物并烧结以得到有足够强度的中间产品。在800-1000℃下采用水蒸气或CO2等使碳化后的物质部分氧化，以产生更大的孔隙率和表面积。再经过筛分，包装后即为成品。第九十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日91

活性炭的比表面积高达800-2000m2/g，具有很高的吸附能力，其吸附能力还与其孔隙的构造和分布情况有关。活性炭孔隙丰富，孔隙率可达0.6~0.9cm3/g，细孔的构造有圆桶形、圆锥形、瓶形、平板形、毛细管形等，孔径为1-10000nm。活性炭的构造第九十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日92

根据杜必宁的分类，细孔分为：A、小孔（微孔）：半径在2nm以下，其表面积占比表面积的95%以上，对吸附量的影响最大。B、中孔（过渡孔）：半径为2-100nm,表面积占比表面积的5%以下。它为吸附质提供扩散通道，影响大分子物质的吸附。C、大孔：半径为100-10000nm，表面积只有0.5~2m2/g，占比表面积不足1%，主要为吸附质提供扩散通道。第九十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日93

一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。

所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性炭的孔径分布来选择合适的活性炭。第九十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日94

活性炭吸附性能不仅与构造和孔隙分布有关，还与其表面化学性质有关。活性炭是非极性的，但在制造过程中，易与氢、氧结合而具有微弱的极性。正因如此，它不仅可以去除水中的非极性物质，还可去除极性物质甚至微量的金属离子及化合物。活性炭的表面化学性质第九十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日95

吸附树脂就是树脂吸附剂，是利用树脂能发生吸附－解吸作用，以达到物质的分离、净化目的的一类可以反复使用的高分子聚合物。是一种具有立体网状结构的多孔物质，不溶于酸、碱及一般溶剂，比表面积可达800m2/g以上，吸附能力接近活性炭，但比活性炭易于再生，是水处理中一种非常有发展前途的新型吸附剂。

吸附树脂第九十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日96吸附树脂的分类电荷均匀分布，不带任何功能基含有酯基一类的极性基团具有酰胺、亚砜、腈等基团，这些基团的极性大于酯基有极性最强的极性基团，如吡啶基、氨基等吸附树脂非极性吸附树脂中极性吸附树脂极性吸附树脂强极性吸附树脂第九十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日97树脂吸附剂的特点适用范围宽，废水中有机物浓度从几个到几万mg/L、从极性有机物到非极性有机物均可用此法进行处理；吸附效率高，脱附再生容易；树脂性能稳定，使用寿命长，每年材料损耗大约为5%；工艺简单、操作简便，设备占地面积小，不需高温高压；固液容易分离，在水体中不会引入新的污染物；对三废的适应性强，吸附材料耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐氧化，对微生物污染和放射性也有一定的耐受能力；在治理废水的同时，富集回收了废水中的有用物质，实现了废物资源化。第九十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日98种类处理温度主要条件加热再生加热脱附高温加热再生（炭化再生）100～200℃750～950℃（400～500℃）水蒸汽、惰性气体水蒸汽、惰性气体、CO2药剂再生无机药剂有机药剂常温～80℃常温～80℃HCl