第十一章离子交换

第十一章离子交换第1页，课件共40页，创作于2023年2月第一节概述一、离子交换法

离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换的一种特殊吸附现象。与其它吸附过程相比：主要吸附水中离子态物质；交换剂上的离子和水中离子进行“等当量”的交换。第2页，课件共40页，创作于2023年2月第一节概述二、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3页，课件共40页，创作于2023年2月第一节概述

(一)给水处理

硬水软化、脱盐。纯水、高纯水的制备。

(二)废水处理

废水中金属离子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+

(三)工业生产

产品的提纯

三、应用第4页，课件共40页，创作于2023年2月第一节概述

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。四、特点第5页，课件共40页，创作于2023年2月第二节离子交换树脂

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。一、离子交换树脂

(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苯乙烯(单体)+二乙烯苯(交联剂)母体共聚H2SO4功能基反应R—SO3H固定离子可交换离子母体第6页，课件共40页，创作于2023年2月第二节离子交换树脂

(二)树脂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RNOH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7页，课件共40页，创作于2023年2月二、树脂的特性第二节离子交换树脂

(一)外观形状：透明或半透明的球状珠体。颜色：白、浅黄、赤褐色。

(二)含水率

树脂孔隙内所含的水分，一般在40%～69%。与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，含水率高。第8页，课件共40页，创作于2023年2月

(三)密度干真密度：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。表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密度)。单位均为mg/L.第二节离子交换树脂

(四)交联度交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%~10%。交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。在水中浸泡，形变小，较稳定。第9页，课件共40页，创作于2023年2月

(五)溶胀性

吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：溶胀的原因

水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；活性基团离解形成水合离子。影响因素树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。活性基团：离解程度越大，溶胀率越大；可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。第二节离子交换树脂第10页，课件共40页，创作于2023年2月第二节离子交换树脂

(六)交换容量

单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表示法)可发生交换的活性基团数量。

容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。

重量表示法EW

：mmol/g、mol/kg。EV=EW×[湿比重×(1-含水率)]

全交换容量：单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数。工作交换容量：在动态工作条件下，当出水水质达到交换终点时，树脂层达到的平均交换容量。第11页，课件共40页，创作于2023年2月第二节离子交换树脂三、树脂的选择

根据处理对象选择对应类型的树脂。注意离子在水中的存在状态，如Cr6+

在废水中的存在形式为CrO42-或Cr2O72-。第12页，课件共40页，创作于2023年2月第三节离子交换原理一、离子交换反应

b(R—A)a++aBb+⇌a(R—B)b++bAa+

特点：

符合质量作用定律;

等当量进行的同性离子的互换反应;

具有饱和性;

树脂母体和固定离子不发生变化。第13页，课件共40页，创作于2023年2月第三节离子交换原理二、离子交换平衡

b(R—A)a++aBb+⇌a(R—B)b++bAa+有：式中：f为活度系数。第14页，课件共40页，创作于2023年2月三、离子交换选择性平衡吸着率设：fR-B/fR-A=C；

fA/fB=1选择性系数K//C=K第三节离子交换原理第15页，课件共40页，创作于2023年2月a=b=1Q为树脂的全交换容量；q为B在离子交换树脂上平衡交换量；C0、C为水中B离子的初始和平衡浓度。第三节离子交换原理第16页，课件共40页，创作于2023年2月

影响离子交换的选择性

1在常温、稀溶液中离子价数越高，与固定离子的静电引力越大，越优先交换。

Cr3+＞Ca2+＞Na+PO43+＞SO42-＞Cl-

同价离子原子序数越大，与固定离子的静电引力越大；稀土元素相反。

2在高浓度的溶液中

由于离子的水化作用不充分，水合离子的半径接近离子半径，原子序数越大，离子半径增大，离子表面电荷密度相对减小，与固定离子的静电引力越小。第三节离子交换原理第17页，课件共40页，创作于2023年2月

3树脂的结构和性质

树脂的交联度：交联度越高，选择性增加强酸(碱)、弱酸碱树脂的交换

4溶液的温度和pH温度升高，K值增大，离子和固定基团交换势增大。pH值：影响某些离子的存在状态，

Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+

影响弱酸、碱树脂固定基团的电离。第三节离子交换原理第18页，课件共40页，创作于2023年2月树脂颗粒水膜BB(1)(2)(3)(A)(4)(5)(6)A外扩散薄膜扩散内扩散三、交换动力学简述

(一)交换过程第三节离子交换原理第19页，课件共40页，创作于2023年2月

(二)影响交换速度的因素

1薄膜扩散

离子浓度

溶液离子浓度低，树脂交换容量大时，薄膜扩散受阻。溶液离子浓度过高，树脂易发生收缩现象，内扩散受阻。

水流速度

水流速度增加，水膜变薄，薄膜扩散加快。

树脂颗粒的大小

树脂颗粒小，比表面积增加，利于薄膜扩散。第三节离子交换原理第20页，课件共40页，创作于2023年2月2内扩散

离子电荷

离子电荷越大，扩散系数越小，不利于内扩散。树脂交联度

交联度越低，树脂网孔越大，有利于离子的内扩散。离子的水化度

离子水化程度大，水合离子半径越大，不利于离子的内扩散。第四节离子交换原理第21页，课件共40页，创作于2023年2月第四节离子交换工艺及设备二、动态交换

(一)装置类型

固定床系统单床、复床、混合床移动床和流化床一、离子交换操作方式静态交换

动态交换第22页，课件共40页，创作于2023年2月第四节离子交换工艺及设备

(二)工艺流程及操作过程工艺流程运行过程废水预处理交换离子排放去除影响交换的杂质:悬浮物、油类、胶体吸附、过滤去除阳离子、阴离子反洗再生交换正洗第23页，课件共40页，创作于2023年2月第四节离子交换工艺及设备三、树脂层离子交换规律——分层失效原理(一)废水中只有一种离子B+第24页，课件共40页，创作于2023年2月第四节离子交换工艺及设备(二)废水中有几种离子B1+、B2+、B3+

且交换能力B1+＞B2+＞B3+

离子交换可对废水中不同离子进行分离。第25页，课件共40页，创作于2023年2月第四节离子交换工艺及设备三、树脂的再生

(一)再生的目的恢复树脂的交换能力回收有用物质(二)再生原理

b(R—A)a++aBb+≒a(R—B)b++bAa+第26页，课件共40页，创作于2023年2月第四节离子交换工艺及设备(二)影响再生的因素

再生剂再生剂的种类

H型阳树脂：再生剂HCl或H2SO4，HCl优于H2SO4。

OH型阴树脂：再生剂Na2CO3或NaOH。

再生剂的浓度

HCl5～10%NaOH10～12%、4～8%再生剂用量1.2～3.0倍树脂体积。第27页，课件共40页，创作于2023年2月第四节离子交换工艺及设备

再生方式

顺流再生

优点：工艺简单；操作方便、可靠。

缺点：有重复交换现象，再生剂用量高；工作交换容量低。第28页，课件共40页，创作于2023年2月再生方式

逆顺流再生

优点：

避免重复交换；再生剂用量少。树脂底层再生干净，工作交换容量较高。

缺点：

设备较复杂。要求控制技术高。

第四节离子交换工艺及设备第29页，课件共40页，创作于2023年2月四、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%第四节离子交换工艺及设备第30页，课件共40页，创作于2023年2月

(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。第四节离子交换工艺及设备第31页，课件共40页，创作于2023年2月(五)树脂用量确定

TQ(C0—C)=nE工

f·H1V=(n＋n′)f·H1

式中：

T—有效工作时间；Q—水量；

C0、C—进、出水浓度；E工—工作交换容量；f—交换柱截面积；V—树脂体积；n′—备用台数。第四节离子交换工艺及设备第32页，课件共40页，创作于2023年2月第五节应用二水的软化和除盐

(一)水质软化

1Na离子交换软化系统

2R—Na+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2NaHCO32R—Na+CaSO4=R2—Ca+Na2SO4

2R—Na+MgCl2=R2—Mg+2NaCl2第33页，课件共40页，创作于2023年2月第五节应用2强酸性H离子交换脱碱软化系统

2R—H+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2CO2+2H2O2R—H+CaCl2=R2—Ca+2HCl2R—H+NaCl=R—Na+2HCl

生成的CO2用CO2去除装置去除，HCl加碱中和。第34页，课件共40页，创作于2023年2月第五节应用

(二)水的除盐

工艺流程：

强酸RH+脱除CO2+强碱ROH第35页，课件共40页，创作于2023年2月第五节应用三离子交换处理工业废水

(一)处理废水注意的问题

预处理悬浮物或油类浓度大于5～10mg/L时，采用过滤或吸附法。

有机污染和重金属污染采用大孔树脂；再生时适当加入氧化剂；选用高浓度再生剂。

pH值不同性质树脂使用；废水中污染物的存在状态。

水温提高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可引起树脂降解。第36页，课件共40页，创作于2023年2月第五节应用(二)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20～150mg/L，存在形式Cr2O72-和CrO42-。金属离子Cr3+、Fe3+等；阴离子有SO42-

、Cl-等；

pH4～6。第37页，课件共40页，创作于2023年2月

2工艺流程及原理

废水过滤排放阳柱阴柱作用去除悬浮物、油类。作用nRH＋(Cr3+、Fe3+···

)

=Rn(Cr、Fe···

)