離子交換樹脂與離子交換原理

1、第一節(jié) 離子交換劑離子交換劑的分類、組成及結(jié)構(gòu)離子交換劑的分類、組成及結(jié)構(gòu)1 1、分類、分類v按母體材質(zhì)分為：無機(jī)和有機(jī)兩大類。按母體材質(zhì)分為：無機(jī)和有機(jī)兩大類。v按其他分類按其他分類2 2、組成和結(jié)構(gòu)、組成和結(jié)構(gòu) 離子交換樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為不溶性樹脂母體和活性基離子交換樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為不溶性樹脂母體和活性基團(tuán)兩部分。樹脂母體為有機(jī)化化合物和交聯(lián)劑組成的高分子共團(tuán)兩部分。樹脂母體為有機(jī)化化合物和交聯(lián)劑組成的高分子共聚物。交聯(lián)劑的作用是使樹脂母體形成主體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)聚物。交聯(lián)劑的作用是使樹脂母體形成主體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)劑與單體的重量比的百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度?；钚曰鶊F(tuán)由起交換作劑與單體的重量

2、比的百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度?；钚曰鶊F(tuán)由起交換作用的離子和與樹脂母體聯(lián)結(jié)的固定離子組成。用的離子和與樹脂母體聯(lián)結(jié)的固定離子組成。離子交換樹脂的命名和型號離子交換樹脂的命名和型號 1 1、命名、命名 2 2、型號、型號 離子交換產(chǎn)品的型號以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，第一位數(shù)字離子交換產(chǎn)品的型號以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類，第二位數(shù)字代表骨架的差異，第三位數(shù)字為代表產(chǎn)品的分類，第二位數(shù)字代表骨架的差異，第三位數(shù)字為順序號用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異。順序號用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異。離子交換樹脂的性能離子交換樹脂的性能物理性能物理性能1 1外觀外觀 常用凝膠型離子交換樹脂為透明或半透明的珠體

3、，大孔常用凝膠型離子交換樹脂為透明或半透明的珠體，大孔樹脂為乳白色或不透明珠體。優(yōu)良的樹脂圓球率高，無裂紋，樹脂為乳白色或不透明珠體。優(yōu)良的樹脂圓球率高，無裂紋，顏色均勻，無雜質(zhì)。顏色均勻，無雜質(zhì)。 2 2粒度粒度 一般樹脂粒徑一般樹脂粒徑0.30.31.2mm1.2mm有效粒徑（有效粒徑（d d1010）0.360.360.610.61，均一系數(shù)（均一系數(shù)（d d4040/d/d9090）為）為1.221.221.661.66，均一系數(shù)的含義是篩上，均一系數(shù)的含義是篩上體積為體積為4040的篩孔孔徑與篩上體積為的篩孔孔徑與篩上體積為9090的篩孔孔徑之比。的篩孔孔徑之比。3 3密度密度 4

4、4含水率含水率 樹脂的含水率以每克樹脂（在水中充分膨脹）所含水分的樹脂的含水率以每克樹脂（在水中充分膨脹）所含水分的百分比（約百分比（約50%50%），樹脂的含水率相應(yīng)地反映了樹脂網(wǎng)架中的），樹脂的含水率相應(yīng)地反映了樹脂網(wǎng)架中的孔隙率?？紫堵?。 5 5溶脹性溶脹性 干樹脂干樹脂+ +水水濕樹脂濕樹脂 體積脹大體積脹大 絕對溶脹度絕對溶脹度 6. 6. 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度 7. 7. 耐熱性耐熱性 8. 8. 孔結(jié)構(gòu)孔結(jié)構(gòu) 化學(xué)性能化學(xué)性能 1.1.再生：離子交換反應(yīng)的可逆性交換的逆反應(yīng)。再生：離子交換反應(yīng)的可逆性交換的逆反應(yīng)。 2.2.酸堿性：樹脂在水中電離出酸堿性：樹脂在水中電離出H H+ +

5、和和OHOH- -, ,表現(xiàn)出酸堿性。樹表現(xiàn)出酸堿性。樹 脂的酸堿性受脂的酸堿性受pHpH值影響，各種樹脂在使用時(shí)都有適當(dāng)值影響，各種樹脂在使用時(shí)都有適當(dāng) 的的pHpH值范圍。值范圍。 3.3.選擇性：樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為選擇性：樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為 選擇性，選擇性大小用選擇性系數(shù)來表征。選擇性，選擇性大小用選擇性系數(shù)來表征。 4.4.交換容量：表示樹脂的交換能力。通常用交換容量：表示樹脂的交換能力。通常用E EV V（mmol/mlmmol/ml 濕樹脂）表示，也可用濕樹脂）表示，也可用E EW W（mmol/gmmol/g干樹脂）表示。干樹脂）表示。 E

6、 EV VE EW W（1-1-含水量）含水量）濕視視密度濕視視密度離子交換樹脂的選擇、保存、使用和鑒別離子交換樹脂的選擇、保存、使用和鑒別v樹脂選擇樹脂選擇 選擇樹脂時(shí)應(yīng)綜合考慮原水水質(zhì)、處理要求、交換工藝以及選擇樹脂時(shí)應(yīng)綜合考慮原水水質(zhì)、處理要求、交換工藝以及投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素。投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素。 v樹脂保存樹脂保存 樹脂宜在樹脂宜在0 04040下存放，通常強(qiáng)性樹脂以鹽型保存，弱酸下存放，通常強(qiáng)性樹脂以鹽型保存，弱酸樹脂以氫型保存，弱堿樹脂以游離胺型保存。樹脂以氫型保存，弱堿樹脂以游離胺型保存。 v樹脂使用樹脂使用 樹脂在使用前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以除去雜質(zhì)。最好分別樹脂在使用前應(yīng)

7、進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以除去雜質(zhì)。最好分別用水、用水、5 5HClHCl、2 24 4NaOHNaOH反復(fù)浸泡清洗兩次，每次反復(fù)浸泡清洗兩次，每次4 48h8h。表表8-2 8-2 未知樹脂的鑒別未知樹脂的鑒別操作操作取未知樹脂樣品取未知樹脂樣品2mL2mL，置于，置于30mL30mL試管中試管中 操作操作加加1 1N N HCl15mLHCl15mL，搖，搖1-2min1-2min，重復(fù)，重復(fù)2-32-3次次 操作操作水洗水洗2 23 3次次 操作操作加加1O1OCuSO4(CuSO4(其中含其中含1 1H2SO4)5mLH2SO4)5mL，搖，搖1min1min，放，放5min 5min 檢查

8、檢查淺綠色淺綠色不變色不變色 操作操作加加5 5N N氨液氨液2mL2mL，搖，搖1min1min，水洗，水洗加加1 1N N NaOH15mLNaOH15mL搖搖1min1min，水洗，水洗，加酚酞，水洗加酚酞，水洗 檢查檢查深藍(lán)深藍(lán)顏色不變顏色不變紅色紅色不變色不變色 結(jié)果結(jié)果強(qiáng)酸性陽樹脂強(qiáng)酸性陽樹脂弱酸性陽樹脂弱酸性陽樹脂強(qiáng)堿性陰樹脂強(qiáng)堿性陰樹脂弱堿性陰樹脂弱堿性陰樹脂 第二節(jié) 離子交換基本原理v離子交換平衡離子交換平衡 ABABBAZZZZZZBARBBRAABRAARBK/ 離子交換反應(yīng)公式離子交換反應(yīng)公式 BAABABZBZBZBZBZZcqqqqccccqqK00000/1/1

9、0000/1/1/ccccKqqqqBBBBv離子交換速度離子交換速度 離子交換過程：離子交換過程： 離子從溶液主體向顆粒表面擴(kuò)散，穿過顆粒表面液膜。離子從溶液主體向顆粒表面擴(kuò)散，穿過顆粒表面液膜。 穿過液膜的離子繼續(xù)在顆粒內(nèi)交聯(lián)網(wǎng)孔中擴(kuò)散，直至達(dá)到穿過液膜的離子繼續(xù)在顆粒內(nèi)交聯(lián)網(wǎng)孔中擴(kuò)散，直至達(dá)到 某一活性基團(tuán)位置。某一活性基團(tuán)位置。 目的離子和活性基團(tuán)中的可交換離子發(fā)生交換反應(yīng)。目的離子和活性基團(tuán)中的可交換離子發(fā)生交換反應(yīng)。 被交換下來的離子沿著與目的離子運(yùn)動(dòng)相反的方向擴(kuò)散，被交換下來的離子沿著與目的離子運(yùn)動(dòng)相反的方向擴(kuò)散， 最后被主體水流帶走。最后被主體水流帶走。 上述幾步中，交換反應(yīng)速

10、率與擴(kuò)散相比要快得多。因此總上述幾步中，交換反應(yīng)速率與擴(kuò)散相比要快得多。因此總 交換速度由擴(kuò)散過程控制。由交換速度由擴(kuò)散過程控制。由FickFick定律，擴(kuò)散速度可寫成：定律，擴(kuò)散速度可寫成：/21ccDdtdq 影響離子交換擴(kuò)散速度的因素影響離子交換擴(kuò)散速度的因素 1.1.樹脂的交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，則內(nèi)擴(kuò)散越慢。樹脂的交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，則內(nèi)擴(kuò)散越慢。 2.2.樹脂顆粒越小，由于內(nèi)擴(kuò)散距離縮短和液膜擴(kuò)散的表樹脂顆粒越小，由于內(nèi)擴(kuò)散距離縮短和液膜擴(kuò)散的表面積增大，使擴(kuò)散速度越快。面積增大，使擴(kuò)散速度越快。 3.3.溶液離子濃度是影響擴(kuò)散速度的重要因素，濃度越大，溶液離子濃度是影響擴(kuò)散速度的

11、重要因素，濃度越大，擴(kuò)散速度越快。擴(kuò)散速度越快。 4.4.提高水溫能使離子的動(dòng)能增加，水的粘度減小，液膜提高水溫能使離子的動(dòng)能增加，水的粘度減小，液膜變薄，這些都有利于離子擴(kuò)散。變薄，這些都有利于離子擴(kuò)散。 5.5.交換過程中的攪拌或流速提高，使液膜變薄，能加快交換過程中的攪拌或流速提高，使液膜變薄，能加快液膜擴(kuò)散，但不影響內(nèi)孔擴(kuò)散。液膜擴(kuò)散，但不影響內(nèi)孔擴(kuò)散。 6.6.被交換離子的電荷數(shù)和水合離子的半徑越大，內(nèi)孔擴(kuò)被交換離子的電荷數(shù)和水合離子的半徑越大，內(nèi)孔擴(kuò)散速度越慢。散速度越慢。第三節(jié) 離子交換工藝v離子交換系統(tǒng)及應(yīng)用離子交換系統(tǒng)及應(yīng)用v離子交換過程離子交換過程 1. 1. 固定床離子交

12、換器間歇工作過程固定床離子交換器間歇工作過程 2. 2. 連續(xù)式離子交換器工作工程連續(xù)式離子交換器工作工程 v離子交換系統(tǒng)及應(yīng)用離子交換系統(tǒng)及應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需根據(jù)原水水質(zhì)、出水要求、生產(chǎn)能力等來確定在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需根據(jù)原水水質(zhì)、出水要求、生產(chǎn)能力等來確定合適的離子交換工藝。合適的離子交換工藝。 1. 1. 在水的軟化主要使用在水的軟化主要使用 NaNa離子交換軟化法離子交換軟化法 H H離子交換軟化法離子交換軟化法 H HNaNa串聯(lián)及并聯(lián)串聯(lián)及并聯(lián) 2. 2. 在除鹽中在除鹽中 一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)一級復(fù)床除鹽系統(tǒng) 多極復(fù)床除鹽系統(tǒng)多極復(fù)床除鹽系統(tǒng) 混合床除鹽系統(tǒng)混合床除鹽系統(tǒng) 3. 3.

13、在處理工業(yè)廢水中在處理工業(yè)廢水中 多級陰陽離子交換系統(tǒng)多級陰陽離子交換系統(tǒng)v離子交換過程離子交換過程v固定床離子交換器間歇工作過程固定床離子交換器間歇工作過程1. 1. 離子交換過程離子交換過程在床層穿透以前，樹脂分屬于飽和區(qū)、交換區(qū)和未用區(qū)，真正在床層穿透以前，樹脂分屬于飽和區(qū)、交換區(qū)和未用區(qū)，真正工作的只有交換區(qū)內(nèi)樹脂交換區(qū)的厚度取決于所用的樹脂、離工作的只有交換區(qū)內(nèi)樹脂交換區(qū)的厚度取決于所用的樹脂、離子種類和濃度以及工作條件。子種類和濃度以及工作條件。 進(jìn)水初期，進(jìn)水中所用陽離子均交換出進(jìn)水初期，進(jìn)水中所用陽離子均交換出H H+ +，生成相當(dāng)量的無機(jī)酸，出水，生成相當(dāng)量的無機(jī)酸，出水酸度

14、保持定值。運(yùn)行至酸度保持定值。運(yùn)行至a a點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)時(shí)，NaNa+ +首先穿透，且迅速增加，同時(shí)酸度降低，首先穿透，且迅速增加，同時(shí)酸度降低，當(dāng)當(dāng)NaNa+ +泄漏量增大到與進(jìn)水中強(qiáng)酸陰離子含量總和相當(dāng)時(shí)泄漏量增大到與進(jìn)水中強(qiáng)酸陰離子含量總和相當(dāng)時(shí), ,出水開始呈現(xiàn)堿性；出水開始呈現(xiàn)堿性；當(dāng)當(dāng)NaNa+ +增加到與進(jìn)水陽離子含量總和相等時(shí)，出水堿度也增加到與進(jìn)水堿度相增加到與進(jìn)水陽離子含量總和相等時(shí)，出水堿度也增加到與進(jìn)水堿度相等。至此，等。至此，H H離子交換結(jié)束，交換器開始進(jìn)行離子交換結(jié)束，交換器開始進(jìn)行NaNa+ +交換，穩(wěn)定運(yùn)行至交換，穩(wěn)定運(yùn)行至b b點(diǎn)之后，點(diǎn)之后，硬度離子開始穿透，出

15、水硬度離子開始穿透，出水NaNa+ +含量開始下降，最后出水硬度接近進(jìn)水硬度，出含量開始下降，最后出水硬度接近進(jìn)水硬度，出水水NaNa+ +接近進(jìn)水接近進(jìn)水NaNa+ +，樹脂層全部飽和。，樹脂層全部飽和。離子交換柱工作過程離子交換柱工作過程(f) H(f) H型樹脂與水中型樹脂與水中CaCa2+2+、MgMg2+2+、NaNa+ +交換時(shí)水質(zhì)變化交換時(shí)水質(zhì)變化2. 2. 再生再生 通過樹脂再生，一方面可恢復(fù)樹胎的交換能力，另一方面通過樹脂再生，一方面可恢復(fù)樹胎的交換能力，另一方面可回收有用物質(zhì)。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三個(gè)可回收有用物質(zhì)。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三個(gè)過程。

16、有時(shí)再生后還需要對樹脂作轉(zhuǎn)型處理。影響再生效果和過程。有時(shí)再生后還需要對樹脂作轉(zhuǎn)型處理。影響再生效果和處理費(fèi)用的因素如下處理費(fèi)用的因素如下: : 1) 1) 再生劑種類再生劑種類 強(qiáng)酸性陽樹脂用強(qiáng)酸性陽樹脂用HClHCl或或H H2 2SOSO4 4等強(qiáng)酸及等強(qiáng)酸及NaClNaCl、NaNa2 2SOSO4 4再生；再生； 弱酸性陽樹脂用弱酸性陽樹脂用HClHCl、H H2 2SOSO4 4再生；再生； 強(qiáng)堿性陰樹脂用強(qiáng)堿性陰樹脂用NaOHNaOH等強(qiáng)堿及等強(qiáng)堿及NaClNaCl再生，再生， 弱堿性陰樹脂用弱堿性陰樹脂用NaOHNaOH，NaNa2 2COCO3 3、NaHCONaHCO3 3

17、等再生。等再生。 2) 2) 再生劑用量再生劑用量 樹脂的交換和再生均按等當(dāng)量進(jìn)行。理論上，再生劑可以樹脂的交換和再生均按等當(dāng)量進(jìn)行。理論上，再生劑可以恢復(fù)樹脂的交換容量，但實(shí)際上再生劑用量比理論值大得多。恢復(fù)樹脂的交換容量，但實(shí)際上再生劑用量比理論值大得多。 3) 3) 再生方式再生方式 順流再生順流再生 特點(diǎn)：特點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作方便，工作可靠；設(shè)備簡單，操作方便，工作可靠； 再生劑用量多，再生效率低，出水水質(zhì)較差。再生劑用量多，再生效率低，出水水質(zhì)較差。 逆流再生逆流再生 特點(diǎn)：特點(diǎn)：再生劑耗量少再生劑耗量少( (比順流法少比順流法少4040左右左右) )，再生效率，再生效率 高高, ,

18、而且能保證出水質(zhì)量；而且能保證出水質(zhì)量； 設(shè)備較復(fù)雜，操作控制較嚴(yán)格。設(shè)備較復(fù)雜，操作控制較嚴(yán)格。實(shí)驗(yàn)證明，再生劑用量越多，再生實(shí)驗(yàn)證明，再生劑用量越多，再生效率越高。但當(dāng)再生劑用量增加到效率越高。但當(dāng)再生劑用量增加到一定值后，再生效率隨再生劑用量一定值后，再生效率隨再生劑用量增長不大。因此再生劑用量過高既增長不大。因此再生劑用量過高既不經(jīng)濟(jì)也無必要。圖不經(jīng)濟(jì)也無必要。圖8-48-4為用為用2 2NaOHNaOH對交換了對交換了CrCr6+6+的強(qiáng)堿性樹脂的的強(qiáng)堿性樹脂的再生情況。再生情況。 v連續(xù)式離子交換器工作過程連續(xù)式離子交換器工作過程固定床離子交換器的缺點(diǎn)：固定床離子交換器的缺點(diǎn)：樹脂

19、不能邊飽和邊再生，樹樹脂不能邊飽和邊再生，樹脂層厚度比交換區(qū)厚度大得脂層厚度比交換區(qū)厚度大得多；再生和沖洗時(shí)必須停止多；再生和沖洗時(shí)必須停止交換。為了克服上述缺陷，交換。為了克服上述缺陷，發(fā)展了連續(xù)式離子交換設(shè)備，發(fā)展了連續(xù)式離子交換設(shè)備，包括移動(dòng)床和流動(dòng)床。包括移動(dòng)床和流動(dòng)床。 右圖為三塔式移動(dòng)床，由交換塔、再生塔和清洗塔組成。運(yùn)行右圖為三塔式移動(dòng)床，由交換塔、再生塔和清洗塔組成。運(yùn)行時(shí)，原水由交換塔下部逆流而上，把整個(gè)樹脂層承托起來并與時(shí)，原水由交換塔下部逆流而上，把整個(gè)樹脂層承托起來并與之交換離子。一段時(shí)間后，當(dāng)出水離子開始穿透時(shí)，停止進(jìn)水，之交換離子。一段時(shí)間后，當(dāng)出水離子開始穿透時(shí)，

20、停止進(jìn)水，并由塔下排水。排水時(shí)樹脂層下降并由塔下排水。排水時(shí)樹脂層下降( (稱為落床稱為落床) )，由塔底排出部，由塔底排出部分已飽和的樹脂，同時(shí)浮球閥自動(dòng)打開，放入等量已再生好的分已飽和的樹脂，同時(shí)浮球閥自動(dòng)打開，放入等量已再生好的樹脂。樹脂。第四節(jié) 離子交換設(shè)備及計(jì)算 離子交換設(shè)備離子交換設(shè)備 工業(yè)離于交換設(shè)備主要有工業(yè)離于交換設(shè)備主要有固定床、移動(dòng)床和流動(dòng)床，目固定床、移動(dòng)床和流動(dòng)床，目前使用最廣泛的是固定床。固前使用最廣泛的是固定床。固定床離于交換器包括筒體、進(jìn)定床離于交換器包括筒體、進(jìn)水裝置、排水裝置，再生液分水裝置、排水裝置，再生液分布裝置及體外有關(guān)管道和閥門，布裝置及體外有關(guān)管道和閥門，如圖所示。如圖所示。 1. 1.筒體：支撐作用筒體：支撐作用 2.2.進(jìn)水裝置：分配進(jìn)水和收集反洗用水進(jìn)水裝置：分配進(jìn)水和收集反洗用水 3.3.底部排水裝置：收集出水和分配反洗水底部排水裝置：收集出水和分配反洗水離子交換器的設(shè)計(jì)包括選擇離子交換樹脂，確定工藝系統(tǒng)，計(jì)離子交換器的設(shè)計(jì)包括選擇離子交換樹脂，確定工藝系統(tǒng)，計(jì)算交換器尺寸大小、再生計(jì)算、阻力核算等。交換器直徑