2023学年完整公开课版离子交换

第4章水的物理化学处理技术

（二）离子交换

主讲人：王璇上期回顾2023/5/17新疆农业职业技术学院王璇1.影响吸附的因素有哪些？2.吸附剂的选择原则？3.吸附剂的再生方法？目录2023/5/17新疆农业职业技术学院王璇4.1离子交换的基本原理4.2离子交换剂4.3离子交换工艺4.4离子交换工程应用借助于离子交换剂(ionexchangeresin)上的离子和废水中的离子进行交换反应而除去废水中有害离子的方法。离子交换过程也可以看成是一种特殊吸附过程，所以在许多方面都与吸附过程类同。离子交换过程的特点在于: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。第一节离子交换的基本原理2023/5/17新疆农业职业技术学院王璇1.1概况（定义）第一节离子交换的基本原理5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇1.1概况（发展）1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象；1876年Lemberg揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系；1935年人工合成了离子交换树脂；1940年应用于工业生产；1951年我国开始合成树脂。第一节离子交换的基本原理5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇1.1概况（应用）给水处理

硬水软化、脱盐。纯水、高纯水的制备。废水处理

废水中金属离子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+

工业生产产品提纯

，净化除杂(如除去钨酸钠溶液中微量元素和杂质)第一节离子交换的基本原理5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇1.1概况（特点）

1.去除率高，净化效果好；

2.可做到污染物的回收利用；

3.对废水的预处理要求较高；

4.树脂再生液需要进一步处置。第一节离子交换的基本原理5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇1.2离子交换步骤实质：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，通常是可逆化学吸附。

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

→交换反应←再生反应第一节离子交换的基本原理5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇1.2离子交换步骤交换树脂对两种离子选择性的不用是离子交换分离的基础：交换树脂交换离子饱和树脂平衡时:

KAB={[A+][B+]RB}/{[B+][A+]RA}平衡常数KAB称为A交换B的选择性系数：

KAB=1，无选择性

KAB

﹥1，交换反应向右，A的交换大于B；

KAB

﹤1，交换反应向左，B的交换大于A；交换树脂对两种离子选择性的不用是离子交换分离的基础：第一节离子交换的基本原理5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇1.2离子交换步骤上述几步中，交换反应速率与扩散相比要快得多。因此总交换速度由扩散过程控制。第一节离子交换的基本原理5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇1.2离子交换步骤树脂颗粒水膜BB(3)(1)(2)(A)(4)(5)A外扩散内扩散第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.1离子交换剂分类凡具有离子交换能力的物质称为离子交换剂，是一种带有可交换离子的不溶性固体物质，带有阳离子的称阳离子交换剂，带有阴离子称阴离子交换剂。无机质：阳离子交换（硅质，天然或合成沸石）离子交换剂碳质：磺化煤（阳离子交换剂）有机质合成树脂：是所有离子交换剂中性能最优的一类，它包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。

将离子交换树脂做成薄膜形式，即称为离子交换膜，用于海水淡化、物质提纯和污水处理等各方面。第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂

固体球形颗粒，多孔网状结构；不溶于水；具有离子交换特性的有机高分子聚电解质。苯乙烯/丙烯酸(单体)+二乙烯苯(交联剂)母体共聚H2SO4功能基反应R—SO3

H固定离子可交换离子母体(一)组成

离子交换树脂母体-骨架活性基团固定离子可交换离子骨架：接有功能基团，本身是惰性第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂功能基团：连接在骨架上，可与相反离子结合待交换离子：在吸附阶段可与活性离子交换，与骨架上的功能基团结合可交换离子：与功能基团所带电荷相反的可移动的离子第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂(二)分类

按选择性按结构离子交换树脂凝胶型等孔型

孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。

孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。大孔型离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂R—NH3OH强碱性阴离子交换树脂R—

NOH弱酸性阳离子交换树脂R—COOH强酸性阳离子交换树脂R—SO3H第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂阳离子交换树脂〈1〉强酸性（聚苯乙烯系）交换基：磺酸－SO3H〈2〉中酸性（聚苯乙烯系）交换基：—P=O(OH)2〈3〉弱酸性（甲基丙烯酸系）交换基：羧基—COOH或酚基—OH第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂001×7苯乙烯系强酸性离子交换树脂用于：硬水软化、脱盐水、纯水制备、稀有元素分离、分离和提取氨基酸制糖、制药可作为催化剂和脱水剂〈1〉强碱性（聚苯乙烯系）交换基：季胺叔胺〈2〉弱碱性（聚苯乙烯系）交换基：氨基—NH2第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂阴离子交换树脂第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂大孔弱碱性丙烯酸系阴离子

主要用于药物提取，苦咸水净化处理，糖液除酸脱色,金属提取等第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂

性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强碱性

弱碱性活性基团磺酸羧酸季氨

胺pH对交换能力的影响

无在酸性中交换能力很小

无在碱性溶液中交换能力很小盐的稳定性

稳定洗涤要水解

稳定洗涤时要水解再生需过量的强酸很容易需要过量的强碱再生容易，可用碳酸钠或氨交换速度快慢(除非离子化后)快慢(除非离子化后)四类树脂的特性比较第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂(三)命名

我国凝胶树脂的名称代码由分类代号(表1)，骨架代号(表2)，顺序号与交联度数值四位数字组成。顺序号用以区别基因、交联剂等的差异如201×7，表示交联度为7(%)的一种凝胶型强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。

表1树脂分类代码0123456强酸性弱酸性强碱性弱碱性螯合型两性氧化-还原型表2树脂骨架代码0123456苯乙烯系丙烯酸系酚醛系环氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系大孔型离子交换树脂的型号。由三个数字组成：第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.2离子交换树脂(三)命名

如：D201——大孔型强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂形状：透明或半透明的球状珠体。颜色：白、浅黄、赤褐色。一般树脂粒径0.3～1.2mm有效粒径（d10）0.36～0.61，均一系数（d40/d90）为1.22～1.66，均一系数的含义是筛上体积为40％的筛孔孔径与筛上体积为90％的筛孔孔径之比。第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.3离子交换树脂的性质(一)外观

(二)粒度

干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。交联度低和含活性基团多的树脂，溶解倾向较大。第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.3离子交换树脂的性质(三)密度

(四)溶解性

离子交换树脂含有大量亲水基团，与水接触即吸水膨胀。在设计离子交换设备时，必须考虑树脂的膨胀度，以适应生产运行时树脂中的离子转换发生的树脂体积变化。通常，交联度低的树脂比较容易碎裂，但树脂的耐用性更主要地取决于交联结构的均匀程度及其强度。第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.3离子交换树脂的性质(五)膨胀度

(六)耐用性

单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能交换离子相当于一价离子的物质的量(大约为3~6mmol/g，或1~2mmol/ml)。表示树脂的交换能力。通常用EV（mmol/ml湿树脂）表示，也可用EW（mmol/g干树脂）表示。

EV＝EW×（1-含水量）×湿视密度第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.3离子交换树脂的性质(七)交换容量

交换容量全交换容量工作交换容量一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量树脂在给定工作条件下实际的交换能力树脂选择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。树脂保存树脂宜在0～40℃下存放，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。树脂使用树脂在使用前应进行适当的预处理，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。第二节离子交换剂5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇2.4离子交换树脂选择、保存、使用和鉴别第三节离子交换工艺5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇3.1离子交换的操作方式操作方式静态交换（间歇式）动态交换连续式周期式第三节离子交换工艺5/17/2023新疆农业职业技术学院王璇3.2静态交换工艺过程：交换液与树脂一同放入容器内，搅拌或鼓入空气，充分接触，交换达到平衡时，过滤将液固分离。为了提高交换效果，需进行多次静态交换，又称间歇式交换。特点：费时，效率低，实用价值小。第三节离子交换工艺3.3动态交换固定床离子交换器树脂装在柱中，交换液流经树脂层并发生交换。特点：交换液在流动过程中不断与新树脂接触和交换(常用方法)；固定床交换操作是由交换与再生交替进行的。柱式离子交换罐剖视图流化床逆流操作过程再生剂溶液第三节离子交换工艺3.3动态交换离子交换工艺过程

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

第三节离子交换工艺3.3动态交换固定床操作的工作过程交换及穿透曲线：将交换液均匀不断地自上而下流经柱中床层，当达到穿透点即停止交换第三节离子交换工艺3.3动态交换固定床操作的工作过程②反洗：再生前的反洗液通常用原液(或用洗涤水)，将反洗液由底部向上冲洗。目的：清除固体颗粒。排除气泡以及疏松树脂层使之膨胀50%~70%。为了提高反洗效率，有时鼓入空气进行搅动。第三节离子交换工艺3.3动态交换固定床操作的工作过程③再生：将再生剂通过树脂层，树脂与再生剂发生再生反应，使交换能力耗竭的树脂重新转变为适合应用的型式(恢复原状)，也称为洗脱。再生反应是交换反应的逆过程，交换反应的平衡常数大，完全再生不经济；再生剂用量，应考虑树脂的类型，用途，再生剂效率及经济价值等因素。逆流再生效果比顺流再生要好。第三节离子交换工艺3.3动态交换固定床操作的工作过程④正洗：以纯水自上而下流过树脂层，除尽树脂颗粒之间及表面存在的再生剂，并将排出的再生液回收。⑤洗净：正洗后继续用纯水流经树脂层，以彻底除净再生剂。第三节离子交换工艺3.4离子交换柱的组合方式单一树脂一个交换器单一树脂多个交换器多种树脂多个交换器阴阳两种树脂一个交换器复床和混合床联合第三节离子交换工艺3.4离子交换柱的组合方式复合床离子交换器第三节离子交换工艺3.4离子交换柱的组合方式混合床离子交换柱第四节离子交换工程案例4.1离子交换设计

(一)根据废水水质和处理要求，选择离子交换剂。

(二)选择合适的再生剂，估算其用量。

(三)根据去除对象确定工艺流程及工艺参数。

1、工艺流程的确定

2、主要工艺参数交换速度15～35m/h；反冲速度15m/h

再生剂流速10～15m/h

再生效率＞80%

(四)离子交换柱尺寸确定

1、离子交换柱高度HH=H1+H2+H3H1—树脂层高度；

H2—树脂层以上高度，膨胀率40～80%；

H3—底部配水区高度(0.4m)2、交换柱内径D

式中：Q—处理水量；

(D≤3m)n—并联台数；

u—交换速度。第四节离子交换工程案例4.1离子交换设计第四节离子交换工程案例4.2离子交换处理电镀含铬废水

1、废水的来源及水质特征

镀件酸洗清洗镀槽清洗成品

废酸液酸性水废镀液含铬废水

废电镀液：产生量少，浓度高。

含铬废水：产生量多，浓度低，水质情况为：Cr6+浓度为20~150