离子交换教学培训课件-离子交换概论

盐型

根据交换树脂活性基团的酸碱性及其强弱，分为交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂氢型钠型氯型氢氧型（1）按交换基团的性质分类交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸型阳离子交换树脂RSO3H弱酸型阳离子交换树脂RCOOH强碱型阴离子交换树脂RNOH弱碱型阴离子交换树脂RNHOHRNH2OHRNH3OH5.1.2离子交换树脂的分类凝胶型:孔径1～2nm，只能交换直径很小的离子，易受污染。交换能力强。大孔型:孔径20～100nm，可交换直径较大的分子。交换能力较弱，不易受污染。（2）按离子交换树脂的孔型分类均孔型:不易受污染。超凝胶均粒型:5.1.3离子交换树脂产品的型号分类代号交联度数值联接符号顺序号骨架代号凝胶型离子交换树脂型号D骨架代号顺序号骨架代号分类代号大孔型符号大孔型离子交换树脂型号分类代号代号分类名称代号分类名称10123强酸性弱酸性强碱性弱碱性456螯合性两性氧化还原性骨架代号代号骨架名称分类名称代号骨架名称1230456苯乙烯系丙烯酸系酚醛系环氧系乙烯吡啶系氯乙烯系脲醛系例如:001×7:凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换脂，交联度为7%;D111:大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂。目前，应用于工业锅炉水处理的离子交换树脂，绝大多数是苯乙烯与二乙烯苯的共聚体，或丙烯酸与二乙烯苯的共聚体。

1.离子交换树脂的组成(1)单体能聚合成高分子化合物的低分子有机物,是离子交换树脂的主要成分,所以也称为母体。例如:苯乙烯甲基丙烯酸5.1.4离子交换树脂的合成(2)交联剂能在线性结构分子缩聚时起架桥作用,而使其分子中的基团相互键合成不溶性的网状体结构的物质。例如：二乙烯苯，其结构式为:交联剂在离子交换树脂中的百分含量,称为交联度。即:(3)交换基团

联接在单体上的具有活性离子的基团。可以由有离解能力的低分子(如硫酸H2SO4、有机胺N(CH3)3等)通过化学反应引接到树脂内,也可以是带有离解基团的单体(如甲基丙烯酸)。

2、制备离子交换树脂的方法：（1）先聚合单体有机物，然后在聚合物上接入活性基团。

磺酸型阳离子交换树脂将白球氯甲基化和胺化，得到阴离子交换树脂。将白球用硫酸磺化，得到阳离子交换树脂。

该法制备的树脂质量均匀。如甲基丙烯酸和二乙烯苯共聚而成羧酸型弱酸性阳树脂。（2）直接聚合有机电解质3、离子交换树脂的书写方法：骨架和固定离子用R表示，酸性树脂RH，碱性树脂ROH；为区分强弱，需写出固定离子如：RSO3H，RCOOH；RNOH，R≡NHOH，R＝NH2OH，R－NH3OH5.2离子交换树脂的性能5.2.1物理性能(l）颜色苯乙烯系均呈黄色，其他有赤褐色、黑色等。一般交联剂多的，原料中杂质多的，其制出的树脂颜色就深些。凝胶型：透明或半透明；大孔型树脂：不透明状。(2)形状球形，圆球率﹥90%。对水处理而言，树脂的圆球率愈高愈好，这样的树脂通水性好,即水流阻力小,且球形树脂在一定容积内装载量最大。(3）粒度有效粒径、均一系数、粒径范围。有效粒径（d90）：90%的树脂体积未能通过的筛孔孔径；均一系数（k90）：k90=d40/d90

（≦1.4～1.6）粒径范围:0.315～1.250mm

（4）密度：（a）湿真密度在水中充分溶胀后的真密度（不包括颗粒孔隙体积）。湿真密度=湿树脂质量/湿树脂颗粒体积（g/mL）其值一般为1.04～1.30g/mL。一般阳树脂﹥阴树脂，强型的﹥弱型的。对交换器反洗强度的确定、混合床树脂的选择等具有重要意义。（b）湿视密度在水中溶胀后的堆积密度。湿视密度=湿树脂质量/湿树脂堆积体积（g/mL）此值一般为0.60～0.85g/mL。在设计交换器时，用它来计算树脂的用量。

（5）含水率含水率=溶胀水重/（干树脂重+溶胀水重）其值一般在50%左右.在贮存树脂时,冬季应注意防冻.（6）溶胀性树脂的交联度越大，其溶胀率越小；活性基团越易离解，其溶胀率越大；交换容量越大，其溶胀率越大；溶液浓度，溶液中离子浓度越大，其溶胀率越小；可交换离子价数越高，其溶胀率越小。溶胀率=溶胀前后体积差/溶胀前体积

对同价离子，对强型树脂，其溶胀率大小顺序为：H+﹥Na+﹥

NH4+﹥

K+﹥

Ag+

OH-

﹥

HCO3-≈CO32-﹥

SO42-﹥

Cl-在树脂使用和转型时常伴随体积变化，即胀缩现象。（7）机械强度树脂在使用中由于受到冲击、碰撞、摩擦以及胀缩作用，会发生破碎。树脂的机械强度应保证每年损耗量不超过3%～7%。交联度越大，溶胀率越小，机械强度越高。（8）耐热性5～40℃1.交换反应的可逆性例：交换反应为:2RNa+Ca2+

→R2Ca+2Na+再生反应为:R2Ca+2Na+

→2RNa+Ca2+5.2.2化学性能2RNa+Ca2+R2Ca+2Na+R-SO3H，R-COOH2.酸碱性和中性盐的分解能力

5.2.2化学性能树脂类型有效pH范围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1～145～141～120～7RNOH，R≡NHOH，R＝NH2OH，R－NH3OHRNOH+NaClRNCl+NaOHR-SO3H+NaClR-SO3Na+HClR-COOH+NaClR-COONa+HClR－NH3OH+NaClR－NH3Cl+NaOH中性盐的分解能力3.选择性在常温和稀溶液中，选择性大小遵循下列规律：离子价数越高，选择性越好。原子序数越大，选择性越好。强酸性

Fe3+﹥Al3+﹥Ca2+﹥Mg2+﹥Na+﹥H+﹥Li+

弱酸性H+﹥Fe3+﹥Al3+﹥Ca2+﹥

Mg2+﹥Na+﹥Li+

强碱性

SO42-﹥NO3-﹥Cl-﹥OH-﹥F-﹥HCO3-﹥HSiO3-

弱碱性OH-﹥SO42-﹥

NO3-﹥Cl-﹥F-﹥HCO3-

弱碱性阴树脂对HSiO3-几乎不交换

4.交换容量

定量表示树脂的交换容量体积表示法EV：mmol/mL湿树脂重量表示法EW：mmol/g干树脂总交换容量：活性基团的总数。=184.211/184.21=5.43mmol/g5.43mmol/g×(1-7%)=5.05mmol/g工业品Et

＞

4.5.mmol/g工作交换容量：树脂在给定的工作条件下实际所发挥的交换能力。一般是总交换容量的60%～70%。5.化学稳定性物理、化学、生物一般情况下：阳树脂好于阴树脂、强酸性好于弱酸性、强碱Ⅰ型好于Ⅱ型，H和HO型比盐型易氧化。6.耐辐射性

5.3离子交换平衡2RNa+Ca2+R2Ca+2Na+交换再生—Ca2+交换Na+的选择系数5.3.1离子交换柱工作时的离子交换过程5.3离子交换过程1.RNa与水中Ca2+

的交换

2.RH与水中Ca2+、Mg2+、Na+

的交换5.4.1树脂的保管1．保持树脂的水分保持包装密封和完整，最好直接贮存在充满10％NaCI

溶液中并防腐完好的交换器内，避免树脂因反复风干、湿润，造成树脂反复收缩、膨胀而导致强度降低。5.4离子交换树脂的应用常识2.防止树脂劣化

避免和铁容器、强氧化剂、油类和有机溶剂接触，以防止树脂被污染或被氧化降解,而造成树脂劣化。3．防止受热和受冻

5～20℃

低温条件下运输和保管树脂，可以将树脂放在相应浓度的食盐水中(食盐浓度与冰点的关系下表)。食盐溶液浓度,%(wt)冰冻点,℃食盐溶液浓度,%(wt)冰冻点,℃-3.05-4.38-5.08-6.56-8.18-10.89-16.46-21.137581023.3201512新树脂清水反洗至排水清澈2%NaOH浸泡4~8小时5%HCL浸泡4~8小时清洗至排水呈中性清洗至排水呈中性5%HCL浸泡4~8小时2%NaOH浸泡4~8小时清洗至排水呈中性清洗至排水呈中性备用备用阳树脂阴树脂5.4.2新树脂使用前的预处理6水的离子交换处理6.1

离子交换处理方法概述6.1.1离子交换反应失效态树脂可用NaCI再生，反应为：1.钠离子交换2.氢离子交换3.氢氧离子交换离子交换装置的操作分动态法和静态法两种离子交换装置动态静态固定床连续床单床

多床复床混床移动床流动床单床

多床

压力式

重力式6.1.2离子交换装置1.交换:原水通过树脂层，运行制水2.反洗:当树脂使用到终点时，自下而上逆流通水进行反洗，除去杂质，松动树脂3.再生:自上而下(顺流)或自下而上(逆流)通入再生剂进行再生，使树脂恢复交换能力4.正洗(逆洗):自上而下

(或自下而上)通入清水进行淋洗，洗去树脂层中夹带剩余的再生剂，之后即可进入下一循环工序。6.1.3离子交换装置运行的基本步骤6.1.4树脂的再生逆流再生：制水时水流向下，再生时再生液向上；浮动床：制水时水流向上，再生时再生液向下；分流再生：下部床层为对流再生，上部床层为顺流再生；1.再生方式：6.1.4离子交换装置运行的基本步骤2.再生剂1）价格高

2）再生效果好

3）腐蚀性强，对防腐要求高

4）具有挥发性，运输和贮存

比较困难

5）浓度低，体积大，贮存

设备大

盐酸与硫酸作再生剂的比较盐酸硫酸1）价格便宜

2）再生效果差，有生成硫酸钙的可能，用于对流再生较困难

3）较易于采取防腐蚀性措施

4）不能清除树脂的铁污染，需定期用盐酸清洗树脂

5）浓度高，体积小，贮存

设备小

1)种类2)再生剂纯度

对树脂再生效果、出水水质有影响的杂质含量。

盐酸GB320-93

主要考虑铁、游离氯的含量；

固体氢氧化钠GB209-93

液体氢氧化钠GB209-93

主要考虑氯化钠含量；3）再生剂用量再生水平再生1m3树脂所用酸、碱(工业品或纯的)质量，kg／m3树脂表示。比耗指恢复树脂，1mol的交换能力所需再生剂的摩尔数即理论值的倍数。单耗指恢复树脂1mol的交换能力所消耗的纯再生剂的克数。g／mol单耗、比耗或再生水平强酸性阳树脂HCl

＜1.5H2SO4＜1.7

强碱性阴树脂弱酸性阳树脂弱碱性阴树脂HCl1.9～2.2H2SO42～

3.1顺流逆流

混合床3～42.5～3＜1.64～51.05～1.11.05～1.11.21.2推荐的再生剂用量（比耗）3.再生条件1）再生液浓度再生方式再生剂品种顺流再生液浓度/%对流再生液浓度/%食盐5~103~5强酸阳离子交换树脂钠型氢型强碱阴离子交换树脂盐酸3~41.5~3氢氧化钠

2~31~3混合床强酸树脂强碱树脂盐酸

5氢氧化钠

4推荐的再生液浓度再生步骤再生剂用量（占总量的）浓度/%流速/m/h1231/31/31/31.02.0~4.04.0~6.08.0~105~74~6硫酸三步再生法2）再生液流速4~8m/h

3）再生液温度盐酸≤40℃，强碱Ⅰ型40℃，强碱Ⅱ型35℃±3℃Ⅰ6.2

水的阳离子交换处理6.2.1

钠离子交换法该系统的缺点:不能除去水的碱度运行终点判断：漏硬能满足低压锅炉对补给水的要求6.2.2

强酸性氢型阳树脂的离子交换对水中钙、镁的重碳酸盐：对水中非碳酸盐硬度：当水中有过剩碱度时：与水中中性盐的交换反应：与水中硅酸盐的交换反应：6.2.3弱酸性阳树脂的离子交换丙烯酸系弱酸性阳树脂的交换特征:

1)Ca(HCO3)2、

Mg(HCO3)2＞NaHCO3＞

CaCl2、MgCl2＞NaCl

、Na2SO4；45:15:2.5:12)当水中有非碳酸盐硬度时，A出=1/10A进为运行终点当水中有过剩碱度时，H出=1/10H进为运行终点3)工作交换容量高。4)易再生。Ca2+Mg2+K+Na+HCO3-Cl-SO42YDTAG=0Ca2+Mg2+K+Na+HCO3-Cl-SO42YDTAG=0YDF=0Ca2+Mg2+K+Na+HCO3-Cl-SO42YDTAGYDF=06.2.4H-Na离子交换软化除碱1.采用强酸性H离子交换树脂的H-Na离子交换NaHCO3+H2SO4→Na2SO4+CO2+H2ONaHCO3+HCl

→NaCl

+CO2+H2O设:X未经H型交换器的水量占总水量的百分数(%),A进水碱度mmol/L，C进水中强酸阴离子的总浓度mmol/L，Ac中和后水的残留碱度mmol/L，（1）

H型交换器运行到有Na+穿透现象为终点时，则X可按下式估算：（2）

H型交换器运行到有硬度穿透现象为终点时，则X可按下式估算：设:HF进水中非碳酸盐硬度mmol/L，

H进水中的总硬度mmol/L，2.采用弱酸性H离子交换树脂的H-Na离子交换特点：前面除碳硬，后面除非碳硬经济、适用树脂的污染：中毒、复苏中毒：树脂内部的交换孔道被杂质堵塞或表面被覆盖、污染复苏：通过适当的处理，可逆老化：树脂的结构遭到破坏．交换基团降解或交联剂断裂，不可逆转6.2.5离子交换树脂的污染和复苏1）铁的污染(1)污染的原因：铁污染一般有两种情况：最常见的是以胶态或悬浮铁化物形式进入交换器，由于树脂的吸附作用，在其表面形成一层铁化物的覆盖层，而阻止水中的离子和树脂进行有效的接触；另一种是亚铁离子进入交换器，与树脂进行交换反应，Fe2+容易被氧化成高价铁的化合物，沉积在树脂内部，堵塞了树脂孔道，而且附着时间愈长，就愈难以去除。铁对强碱阴树脂也会产生污染，而且比阳离子交换树脂要严重.1。阳离子交换交换树脂运行中的问题及处理对策(2)污染现象：从外观上看，颜色明显地变深、变暗，甚至可以呈暗红褐色或黑色；另外，树脂的工作交换容量变低，生产能力明显下降，而且树脂再生困难。(3)复苏办法：酸洗除铁。用10％~15%的盐酸溶液长时间浸泡树脂。(4)预防措施：减少阳床进水的含铁量；输水管道、贮存槽及酸系统防腐，减少铁腐蚀产物对阳树脂的污染；2)活性余氯的污染(1)污染原因：当以自来水做水源水时，如残留的余氯过高时(0.5mg／L)，就会造成树脂结构的破坏。2)活性余氯的污染(2)污染现象：颜色明显地变浅，透明度增加，体积增大，树脂强度急骤下降，导致树脂破碎，但是树脂的全交换容量初期并不降低。(3)主要危害:不可逆转；由于树脂大量破碎，树脂层阻力增大，出现偏流现象，出水水质变差；被活性余氯污染严重的树脂，将会全部报废。(4)预防措施：当自来水中的活性余氯经常超过标准(0.3mg/L)时，可以在交换器前设置活性炭过滤器，或向自来水中投加亚硫酸钠，以除去水中活性余氯。

(1)污染现象：颜色明显地变深、变暗，甚至可以呈暗红褐色或黑色；树脂交换容量降低，离子交换器的周期制水能力明显下降；严重时会使树脂结块，树脂密度变小，反洗时跑树脂等现象。被油脂污染的树脂放在试管内加水，水面有油膜，呈”彩虹”现象。(2)复苏办法：①NaOH溶液循环清洗：38~40℃，8％~9%。②溶剂清洗：石油醚或200号溶剂汽油③溶剂与表面活性剂联合清洗：200号溶剂汽油和TX-10（聚氯乙烯辛烷基苯酚，40~45℃3)油脂类的污染6.3

除CO2器6.3.2除CO2器原理工业条件下CO2的溢出速度与下列条件有关：1)水与空气的接触面积越大，逸出速度越快；

2）水温与其逸出条件下的沸点越接近，逸出速度越快。

3）水的pH越低，逸出速度越快。6.3.2大气式除碳器影响除CO2效果的工艺条件：

（1）水温

（2）水和空气的接触面积

（3）喷淋密度≤60m3/(m2·h)

（4）风量和风压6.3.3真空式除碳器

影响除CO2效果的工艺条件：

（1）真空度

（2）水温

（3）喷淋密度≤60m3/(m2·h)

（4）水和空气的接触面积

6.4

水的阴离子交换处理6.4.1

强碱阴树脂工艺特性2ROH+H2SO4Cl2CO2SiO3→R2SO42RCl2RHCO32RHSiO3+H2O强碱阴树脂的除硅特