第08章 离子交换

第八章离子交换第一节离子交换剂第二节离子交换基本原理第三节离子交换工艺第四节离子交换设备及计算本章主要内容一、离子交换剂的分类、组成及结构1、分类按母体材质分为：无机和有机两大类。按其他分类第一节离子交换剂2、组成和结构离子交换树脂的化学结构可分为不溶性树脂母体和活性基团两部分。树脂母体为有机化化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂的作用是使树脂母体形成主体的网状结构。交联剂与单体的重量比的百分数称为交联度。活性基团由起交换作用的离子和与树脂母体联结的固定离子组成。第一节离子交换剂二、离子交换树脂的命名和型号1、命名2、型号离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。第一节离子交换剂三、离子交换树脂的性能物理性能1．外观常用凝胶型离子交换树脂为透明或半透明的珠体，大孔树脂为乳白色或不透明珠体。优良的树脂圆球率高，无裂纹，颜色均匀，无杂质。2．粒度一般树脂粒径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。第一节离子交换剂3．密度第一节离子交换剂4．含水率树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约50%），树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率。5．溶胀性干树脂+水→湿树脂体积胀大绝对溶胀度6.机械强度7.耐热性8.孔结构第一节离子交换剂化学性能1.再生：离子交换反应的可逆性交换的逆反应。2.酸碱性：树脂在水中电离出H+和OH-,表现出酸碱性。树脂的酸碱性受pH值影响，各种树脂在使用时都有适当的pH值范围。3.选择性：树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为选择性，选择性大小用选择性系数来表征。4.交换容量：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）×湿视密度第一节离子交换剂四、离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别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。第一节离子交换剂表8-2未知树脂的鉴别操作①取未知树脂样品2mL，置于30mL试管中操作②加1NHCl15mL，摇1--2min，重复2--3次操作③水洗2～3次操作④加1O％CuSO4(其中含1％H2SO4)5mL，摇1min，放5min检查浅绿色不变色操作⑤加5N氨液2mL，摇1min，水洗加1NNaOH15mL摇1min，水洗，加酚酞，水洗检查深蓝颜色不变红色不变色结果强酸性阳树脂弱酸性阳树脂强碱性阴树脂弱碱性阴树脂第一节离子交换剂一、离子交换平衡一般交换反应的平衡关系ABABBAZZZZZZBARBBRAABRAARBK/离子交换反应公式BAABABZBZBZBZBZZcqqqqccccqqK00000/1//1第二节离子交换基本原理式（8-4）适用于各种离子之间的交换。当ZA=ZB=1时,上式简化为：0000/1//1/ccccKqqqqBBBB式中qB/q0称为树脂的失效度;cB/c0为溶液中离子残留率。若以qB/q0为纵坐标，以cB/c0为横坐标，作图可得某一K值下的等价离子交换理论等温平衡线。第二节离子交换基本原理二、离子交换速度离子交换过程：①离子从溶液主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面液膜。②穿过液膜的离子继续在颗粒内交联网孔中扩散，直至达到某一活性基团位置。③目的离子和活性基团中的可交换离子发生交换反应。④被交换下来的离子沿着与目的离子运动相反的方向扩散，最后被主体水流带走。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。由Fick定律，扩散速度可写成：//21ccDdtdq第二节离子交换基本原理第二节离子交换基本原理影响离子交换扩散速度的因素：1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面积增大，使扩散速度越快。3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，扩散速度越快。4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变薄，这些都有利于离子扩散。5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快液膜扩散，但不影响内孔扩散。6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩散速度越慢。第二节离子交换基本原理离子交换系统及应用离子交换过程1.固定床离子交换器间歇工作过程2.连续式离子交换器工作工程第三节离子交换工艺一、离子交换系统及应用在实际应用当中需根据原水水质、出水要求、生产能力等来确定合适的离子交换工艺。1.在水的软化主要使用Na＋离子交换软化法H＋离子交换软化法H－Na串联及并联2.在除盐中一级复床除盐系统多极复床除盐系统混合床除盐系统3.在处理工业废水中多级阴阳离子交换系统碱度是指水中吸收质子的能力，水中碱度的形成主要是由于重碳酸盐、碳酸盐及氢氧化物的存在，硼酸盐、磷酸盐和硅酸盐也会产生一些碱度。此外还有有机碱等。第三节离子交换工艺第三节离子交换工艺二、离子交换过程固定床离子交换器间歇工作过程1.离子交换过程在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离子种类和浓度以及工作条件。第三节离子交换工艺第三节离子交换工艺进水初期，进水中所用阳离子均交换出H+，生成相当量的无机酸，出水酸度保持定值。运行至a点时，Na+首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当Na+泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性；当Na+增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度相等。至此，H离子交换结束，交换器开始进行Na+交换，稳定运行至b点之后，硬度离子开始穿透，出水Na+含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出水Na+接近进水Na+，树脂层全部饱和。(f)H型树脂与水中Ca2+、Mg2+、Na+交换时水质变化第三节离子交换工艺2.再生通过树脂再生，一方面可恢复树脂的交换能力，另一方面可回收有用物质。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三个过程。有时再生后还需要对树脂作转型处理。影响再生效果和处理费用的因素如下:1)再生剂种类强酸性阳树脂用HCl或H2SO4等强酸及NaCl、Na2SO4再生；弱酸性阳树脂用HCl、H2SO4再生；强碱性阴树脂用NaOH等强碱及NaCl再生，弱碱性阴树脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。2)再生剂用量树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可以恢复树脂的交换容量，但实际上再生剂用量比理论值大得多。第三节离子交换工艺3)再生方式①顺流再生特点：⑴设备简单，操作方便，工作可靠；⑵再生剂用量多，再生效率低，出水水质较差。②逆流再生特点：⑴再生剂耗量少(比顺流法少40％左右)，再生效率高,而且能保证出水质量；⑵设备较复杂，操作控制较严格。实验证明，再生剂用量越多，再生效率越高。但当再生剂用量增加到一定值后，再生效率随再生剂用量增长不大。因此再生剂用量过高既不经济也无必要。图8-4为用2％NaOH对交换了Cr6+的强碱性树脂的再生情况。第三节离子交换工艺连续式离子交换器工作过程固定床离子交换器的缺点：树脂不能边饱和边再生，树脂层厚度比交换区厚度大得多；再生和冲洗时必须停止交换。为了克服上述缺陷，发展了连续式离子交换设备，包括移动床和流动床。第三节离子交换工艺一、离子交换设备工业离于交换设备主要有固定床、移动床和流动床，目前使用最广泛的是固定床。固定床离于交换器包括筒体、进水装置、排水装置，再生液分布装置及体外有关管道和阀门，如图所示。第四节离子交换设备及计算二、设计计算离子交换器的设计包括选择离子交换树脂，确定工艺系统，计算交换器尺寸大小、再生计算、阻力核算等。交换器直径可由交换离子的物料衡算式计算：由此可推得，HAqTQcW0HnqTQcDW04式中Q——废水流量，m3/h；c0——进水中交换离子浓度，eq/m3；T——两次再生间隔时间，h；n——交换器个数，一般应不少于2个；qW——交换剂时工作交换容量，eq/m3；H——交换剂床层高，m；A——交换器截面积，m2；D——交换器的直径，m，其值—般小于3m。第四节离子交换设备及计算高度的确定交换器筒体的高度包括树脂层高、底部排水区高和上部水垫层高三部分。树脂层高通常可选用1.5～2.5m。塔径越大，层高越高，一般层高不得低于0.7m。树脂层上部水垫层的高度主要取决于反冲洗时的膨胀高度相保证配水的均匀性。底部排水区高度与排水装置的型式有关，一般取0.4m左右。根据计算得出的塔径和塔高选择合适尺寸的离子交换器，然后进行水力核算。第四节离子交换设备及计算