水的离子交换软化法

水的离子交换软化法水处理工程技术知识点

离子交换法是一种借助于离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换反应而去除水中有害离子的方法。

按照交换离子带电的性质，离子交换反应可分为阳离子交换和阴离子交换两种类型。

离子交换的基本原理如图所示。

离子交换反应平衡示意图

基本原理水的离子交换软化法离子交换剂离子交换剂无机离子交换剂有机离子交换剂（离子交换树脂）天然沸石（如海绿石砂）合成沸石（铝代硅酸盐）强酸性阳离子交换树脂RSO3H弱酸性阳离子交换树脂RCOOH强碱性阴离子交换树脂R4NOH弱碱性阴离子交换树脂R≡NHOHR=NH2OHR-NH3OH水的离子交换软化法离子交换树脂的结构组成

离子交换树脂由骨架和活性基团两部分组成。骨架又称为惰性母体R-，它是不参加交换过程的，主要由高分子材料通过交联而成的三维空间网络骨架，它是形成离子交换树脂的结构主体，如图所示的链状物。活性基团由固定离子和活动离子组成，两者电性相反、电荷相等，处于电性中和状态。水的离子交换软化法离子交换树脂的分类

离子交换树脂按树脂类型和孔结构的不同可分为：凝胶型树脂大孔型树脂水的离子交换软化法离子交换树脂的分类

按树脂交联度（交联剂含量的百分数）大小分类，可把离子交换树脂分为：低交联度（2%~4%）一般交联度（7%~8%）高交联度（12%~20%）等实际中常用的是交联度为7%~12%的树脂。水的离子交换软化法离子交换树脂按照功能基团的性质可分为以下几种：（1）可交换离子为阳离子（活性基团为酸性基）时，称阳离子交换树脂；（2）可交换离子为阴离子（活性基团为碱性基）时，称为阴离子交换树脂；（3）树脂中既有阴离子又有阳离子的称为两性离子交换树脂。（4）根据阴、阳离子交换树脂的酸碱性反应基强度的不同，分为强酸性和弱酸性、强碱性和弱碱性交换树脂。

水的离子交换软化法

以强酸性阳离子交换树脂RH为例，其活性基团的活动离子为H+，被交换的废水中的金属离子为M+，则反应如下：水的离子交换软化法离子交换树脂的性质离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，生产这种聚合物常见的单体是苯乙烯系、酚醛系、或丙烯酸系。通过聚合反应得到的化合物通常是线性结构的有机高分子化合物，为此在原料中常加入一定量的二乙烯苯作为交联剂，使线性结构转变为立体网状结构，增强了树脂物理机械性能及化学稳定性。水的离子交换软化法离子交换树脂的物理性能①外观离子交换树脂外观呈透明或半透明球形，颜色有黄、白、赤褐色等树种。树脂粒径一般为0.3~1.2mm。②含水率树脂含水率一般以每克湿树脂所含水分的百分比表示（50%左右）。水的离子交换软化法③溶胀性各种离子交换树脂都含有极性很强的交换基团，因此亲水性很强。树脂的这种结构使它具有溶胀和收缩的性能。树脂溶胀或收缩的程度以溶胀率表示。干树脂浸泡水中时，体积胀大，成为湿树脂；湿树脂转型时，例如阳离子树脂离子交换后由钠型转变为氢型，体积也有变化，前一种所发生的体积变化，称为绝对溶胀度，后一种所发生的体积变化，称为相对溶胀度。水的离子交换软化法④粒度、密度

通常所说树脂真密度（或真比重）和视密度（或视比重）是指湿真密度和湿视密度，以区别于干真密度和干湿密度（这两项实际意义不大）。

湿真密度：指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1.04~1.30g/mL。

湿视密度：指树脂在水中溶解后的质量与堆积体积之比，该值一般为0.60~0.85g/mL。

干真密度：表示树脂在干燥情况下的真实密度，一般用g/mL表示。

水的离子交换软化法⑤耐热性

各种数值都有一定的工作温度范围，操作温度过高，容易使活性基团分解，从而影响交换容量和使用寿命。如温度低于0℃，树脂内水分冻结，使颗粒破裂。

通常控制树脂的贮藏和使用温度在5~40℃为宜。水的离子交换软化法离子交换树脂的化学性能①交联度树脂合成时采用的交联剂（如二乙烯苯）的用量，影响树脂分子的交联度。交联度对树脂的许多性能具有决定性的影响。交联度较高的树脂，孔隙率较低，密度较大，含水率也小。交联度取决于制造过程。水处理用的离子交换树脂交联度以7%~10%为宜。此时，树脂网架中的平均孔隙亦即孔道宽度约为2~4nm。水的离子交换软化法②交换容量交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示了树脂交换能力的大小。可以用质量法和容量法来表示。离子交换容量又可分为全交换容量和工作交换容量。前者是指树脂交换基团中所有可交换离子全部被交换的交换容量，也即离子交换树脂能够起交换作用的活性基团的总数。其数值一般用滴定法测定。后者是指树脂在给定条件下的交换容量。由于运行条件不同，测得的工作交换容量也就不同。水的离子交换软化法③交换势与选择性离子交换反应是可逆反应，可利用化学反应平衡的有关规律来解释离子交换反应。对同一种交换树脂RH来讲，交换反应得平衡常数K值随交换离子M+而异，K值越大，表明交换离子与树脂之间的亲和力越大，交换离子愈容易取代树脂上的可交换离子，选择性愈高，我们说这种离子的交换势很大；反之，K值越小，选择性越小，则交换势很小。水的离子交换软化法

在常温和低浓度溶液中，各种树脂对不同离子的选择性大致有如下规律：

强酸性阳离子交换树脂的选择性顺序：Fe3+＞Co3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞Ag+＞K+＞Na+＞H+＞Li+

弱酸性阳离子交换树脂的选择性顺序：H+＞Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+

强碱性阴离子交换树脂的选择性顺序：Cr2O72-＞SO42-＞CrO42-＞NO3-＞Cl-＞OH-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-

弱碱性阴离子交换树脂的选择性顺序：OH-＞Cr2O72-＞SO42-＞NO3-＞Cl-＞HCO3-

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。水的离子交换软化法④有效pH值范围树脂类型强酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂有效pH值范围1~145~141~120~7水的离子交换软化法离子交换树脂的选用

离子交换法主要用于除去废水中的可溶性盐类。选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换工艺以及投资和运行费用等因素。污水处理时，对交换势大的离子，宜采用弱型树脂。此时弱型树脂的交换能力强，再生容易，运行费用较省。当污水中含有多种离子时，可利用交换选择性多级回收，如不需回收时，可用阳阴树脂混合床处理。水的离子交换软化法

废水水质对处理的影响

1.废水中的悬浮物会堵塞树脂孔隙，油脂会包住树脂颗粒，它们都会使树脂的交换能力下降。2.废水中的有机物及某些高价金属离子如Fe3+、Al3+、Cr3+与树脂的结合能力很强，一旦结合后树脂的交换能力大大下降，且不易再生。水的离子交换软化法

废水水质对处理的影响

3.废水的水温过高时会使树脂的交换基团被分解破坏，降低其交换能力。4.废水中如果含有氧化剂（如Cl2、O2等）时，会使树脂氧化分解，强碱性阴离子交换树脂容易被氧化而完全丧失交换能力。水的离子交换软化法离子交换与再生

离子交换法的全过程包括：交换、反冲洗、再生、清洗（或淋洗）四个阶段。交换阶段是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的操作过程。反冲洗的目的有二：一是松动树脂层，使再生液能均匀渗入层中，与交换剂颗粒充分接触；二是把过滤过程中（即交换阶段）产生的破碎粒子和截留的污物冲走。

水的离子交换软化法

当离子交换进行到一定时候，出水水质变差，即交换达到饱和，需要再生。离子交换床的再生方式主要有顺流再生和逆流再生。再生是交换过程的逆过程，借助于较高浓度的再生液流过树脂层，把已吸附的离子置换出来，使树脂恢复交换能力。清洗（或淋洗）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。（正洗）水的离子交换软化法水的离子交换软化法⑴小反洗⑵放水⑶顶压→使床不乱

⑷进再生液⑸逆向冲洗（软化水，流速5～7m/h）⑹正洗（软化水）

逆流再生操作示意水的离子交换软化法离子交换工艺水的离子交换软化法

常用的离子交换设备有固定床、移动床和流动床三种，目前国内应用最为广泛的为固定床离子交换柱。离子交换设备

固定床离子交换器在工作时，床层固定不变，水流由上而下流动。根据料层的组成，分为单层床、双层床和混合床三种。

单层床中只装一种树脂，可以单独使用，也可以串联使用。

双层床是在同一个柱中装两种同性不同型的树脂，由于比重不同而分为两层。

混合床是把阴阳离子两种树脂混合装成一床使用。水的离子交换软化法固定床交换柱的上部和下部设有配水和集水装置，中部装填有1.0~1.5m厚的的交换树脂。这种交换器的优点是设备紧凑、操作简单、出水水质好；不过，再生费用大、生产效率不够高，但目前仍是应用比较广泛的一种设备。

固定床交换设备水的离子交换软化法

移动床交换设备包括交换柱和再生柱两个主要部分。

流动床交换设备是交换树脂在连续移动中实现交换和再生的。移动床和流动床与固定床相比，具有交换速度快、生产能力大和效率高等优点。但是由于设备复杂、操作麻烦、对水质水量变化的适应性差，以及树脂磨损大等缺点，故限制了它们的应用范围。移动床交换设备水的离子交换软化法离子交换器的设计1）离子交换系统的设计步骤：①根据排放标准或出水的去向和用途，确定处理后的水质要求。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选用离子交换树脂、再生剂种类，确定树脂的交换容量和再生剂用量。在选择中必须综合考虑技术与经济因素。④确定合理的工艺参数，首先选定合适的过滤速度及工作周期，污染物的浓度大时，滤速应小些，反之则大些。人工操作时，过滤周期需考虑长些，一般为8~24h或更长。自动操作时，可以采用较高的流速和较短的工作周期，这样可以缩小交换器尺寸，节省投资。⑤进行有关的计算。水的离子交换软化法2)固定床的设计计算

通过实验或生产实践取得设计参数后，按下法计算。①树脂用量的初步计算

选定交换周期Ｔ（h），并按下式计算一个交换周期内应去除的污染物总量N（mol）：水的离子交换软化法

根据树脂的湿视密度ρ（t/m3），按下式计算树脂重量M（t）：根据选定的树脂工作交换容量E（mol/m3树脂），计算所需的树脂体积VR（m3）：水的离子交换软化法

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（m）按下式计算：②交换柱主要尺寸的计算水的离子交换软化法③核算过滤速度按照下式核算过滤线速度v是否合适：

如果计算出的滤速与一般经验值相差太大，就得重新计算。此外，也可先选定滤速v

，按上式计算交换柱的直径。水的离子交换软化法应用实例离子交换法在工业废水处理中的应用。（1）处理机理

氰化镀金水中金是以[Au(CN)2]－络离子存在，故用Cl型强碱性阴离子交换树脂吸附，其反应为：RCl+[Au(CN)2]－R[Au(CN)2]+Cl－（2）处理流程

含金废水一般采用2~3个阴离子交换柱串联为双阴柱或三阴柱全饱和流程。水的离子交换软化法（3）技术参数下表为氰化镀金废水的设计和运转技术参数。工序项目单位设计或运转参数交换Cl型强碱性阴离子交换树脂饱和工作交换容量G（Au）/L（树脂）大孔树脂：160~180凝胶树脂：160~190树脂层高度m0.6~1.0交换流速m/h≤20控制终点出水指标第一交换柱进、出水含金量基本相等，最末交换柱无金泄露水的离子交换软化法（4）回收利用

氰化镀金废水处理后不利用，排入含氰废水系统进行破氰后排放。树脂上吸附金饱和后，再生洗脱工序较复杂，可送专门单位回收；或采用焚烧树脂的办法回收金。水的离子交换软化法

美国罗门哈斯公司成立于1909年，总公司位于宾西法尼亚州的费城。集研究、生产、经营精细化学品于一体的美国罗门哈斯公司，是美国最大的精细化工公司，也是世界上最大的丙烯酸系列产品供货商之一，在全球25个国家设有100多家生产厂及研究机构，其产品销售遍及100多个国家。罗门哈斯是离子交换树脂的发明者和技术领先者，是世界上最大的离子交换树脂制造商，其Amberjet系列均粒树脂，UP系列和MB抛光树脂以及Amberlite系列品牌，已经成为全球在纯水超纯水应用产品的标志