華北理工水質工程學Ⅰ課件21水的軟化-3離子交換基本原理

21-3離子交換基本原理原理：交換劑在不同濃度下，對不同離子的親和力不同。一、離子交換：不溶性的電解質（離子交換劑）與水中溶解的電解質所進行的化學反應（或離子交換反應）

如：R—SO3H+NaOH→R—SO3Na+H2O（中和反應）R—SO3H+NaCl→R—SO3Na+HCl（中性鹽分解反應）2R—SO3Na+CaCl2→（R—SO3）2Ca+2NaCl（復式分解反應）

是交換劑上可交換的活動離子與溶液中的同性離子進行交換。二、交換劑分類：

無機—天然沸石，合成沸石（如鋁式硫酸鹽）碳質—磺化煤苯乙烯系據單體種類分類酚醛系離子交換劑丙烯酸系凝膠型據結構分類大孔型等孔型有機強酸—SO42－合成陽離子中酸—PO32－離子據化學交換樹脂弱酸—COO－交換性質分陰離子強堿—CH2N+

樹脂交換樹脂弱堿—NH+

三、離子交換樹脂的構成：骨架（母體）：固定部分，不能自由移動，構成固定離子。兩部分固定離子：如—SO3－

活性基團：活動離子：如H+活性基團：活動部分，能在一定空間內自由移動，并同溶液中同性離子進行交換反應。

四、交換樹脂的命名與型號：

例：D001×7D—大孔型，可有可無；0—第一位數代表分類代號；0—第二位數代表骨架代號表；1—順序號7—交聯度（后面介紹）

五、離子交換樹脂的基本性能1、外觀：形狀：球形Φ0.3~1.2mm(16～50目篩)顏色：乳白，淡黃，棕褐色，半透明狀。2、交聯度：指交聯劑在樹脂中所占的比例。不加交聯劑的樹脂為膠狀體，交聯劑一般為二乙烯苯。

水處理應用，一般為7~10%為宜，→使孔道寬度為2~4nm。交聯度影響著樹脂的：交換容量，含水率，溶脹性，機械強度等性能。3、含水率：以每克濕樹脂所含水份的百分比表示（約50%）交聯小→孔隙率大

→含水率大。4、溶脹性：干樹脂浸水后體積膨脹——稱絕對溶脹。樹脂轉型號時（如由鈉型轉換為氫型）體積也有變化——稱為相對溶脹。溶脹原因：活性基團遇水而電離出的離子起水合作用生成水合離子，使交聯網孔脹大。

5、密度：濕真密度：樹脂溶脹后的重量和本身所占體積之比（不包括粒間空隙）（計算樹指體積用）強酸約為1.3g/ml

強堿約為1.1g/ml

濕視密度：樹脂溶脹后的重量和其堆積體積之比（包括粒間空隙）（也稱堆密度）一般為0.60~0.85g/ml(計算填裝數量用)

6、交換容量：表示樹脂離子交換能力大小的量度，單位：mmol/g（干樹脂）或mmol/L（濕樹脂）（1）總交換容量：單位重量或體積的樹脂，所具有的全部可交換離子（交聯度占去8%）的mol數。以當量粒子為基本單元。

qv=qm×（1-含水率%）×濕視密度

（2）工作交換容量：qop

樹脂在給定工作條件下的實際交換能力。與工作條件有關：再生方式，原水含鹽量組成，水流速度，樹脂層高度，再生劑用量等。一般由模擬實驗確定?；騾⒖枷嗨乒ぷ鳝h(huán)境數據。

7、有效PH范圍：強酸、強堿型電離能力強，對PH無要求。弱酸型在PH值低時，不易離解：要求PH=5~14弱堿型在PH值高時，不易離解：要求PH=1~7

8、其它性能：

耐腐性，耐熱性，抗氧化性等。六、離子交換平衡：1、離子交換平衡式：

R—A+B+R—B+A+

（1）離子交換所遵循的規(guī)律：ⅰ反應等當量地進行。（電子數的平衡）ⅱ反應是可逆的。（2）離子交換進行的條件：ⅰ只有降低生成物離子的濃度，反應才進行徹底。ⅱ當樹脂失效時，可再生（逆反應原理）。

2、離子交換的選擇性：（1）定義：樹脂對水中濃度大致相同的兩種同性離子，有不同的結合能力，對其中一種優(yōu)先交換，這就叫樹脂的選擇性。（2）離子交換選擇性系數：aR—A++bB+cR—B++dA+

據質量作用定律：或：

一價對一價離子交換：

R—A++B+R—B++A+

〔B+〕—濃度，mmol/L〔R—B+〕—樹脂相中離子濃度。

—稱為B+換A+的選擇系數。大于1：對B+親合力>對A+親合力，反應向右進行；小于1：對B+親合力<對A+親合力，反應向左進行。

（3）用離子濃度分率表示選擇系數：令：C0=〔A+〕+〔B+〕溶液中兩交換離子總濃度mmol/LCB=〔B+〕液相中〔B+〕濃度mmol/Lq0=〔R—A+〕+〔R—B+〕樹脂全交換容量mmol/LqB=〔R—B+〕固相中〔B+〕濃度mmol/L則：代入上式中得：

式中：

—樹脂中B+離子濃度與其全部交換容量之比。

—溶液中B+離子濃度與其總離子濃度之比。交換平衡曲線：

二價對一價離子交換反應通式：2R—A++B2+R2—B2++2A+

選擇系數：或：

交換平衡曲線

（4）交換選擇性順序：強酸性樹脂：（位于前邊的離子可以從樹脂上交換出后序離子）Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>NH4+>Na+>H+>Li+

規(guī)律：ⅰ離子化合價高對樹脂親合力強（注：適用稀溶液）ⅱ同族元素，原子序數大不被吸附的能力強。

3、濃度的影響：當增大液相中被置換離子濃度時，可使離子交換向相反方向進行。可再生。（因可逆反應的平衡常數不變）4、離子交換出水泄漏量的計算：在離子交換初期，出水的組成與樹脂底層處離子交換劑的組成處于平衡狀態(tài)，出水有一定的離子泄漏量。其計算用式：（上述兩式）其中：qB—代入樹脂底層再生后仍殘留的B+離子濃度mmol/L；CB—即求出的交換初期出水的B+離子濃度，即出水離子泄漏量mmol/L。

5、樹脂極限工作交換容量計算：在離子交換最后階段，出水離子組成接近等于進水離子組成。這時，離子交換劑中的B+離子濃度達到最大值，視為極限工作交換容量—qB

即式中：qB—樹脂極限工作交換容量即樹脂吸附B+離子濃度的最大值mmol/L。CB—用進水中的B+離子濃度mmol/L。6、再生度極限值的計算：樹脂再生度極限值—用已知濃度的再生液，無限量地進行再生而達到的樹脂最大再生程度。

式中各符號：qB—經再生后樹脂上仍殘留的B+離子濃度mmol/L。CB—新鮮再生液中含有的B+離子濃度mmol/L。七、離子交換速度樹脂上有層水膜1、離子交換過程分為五個步驟：（1）溶液中待交換的離子遷移通過樹脂的邊界水膜。（2）待交換離子在樹脂孔道內移動達到有效交換位置上。（3）進行離子交換反應。（4）交換下來的離子在樹脂孔道向外移動。（5）交換下來的離子通過樹脂的邊界水膜進入溶液中。

2、離子交換速度：離子交換非常快，可瞬間完成。對交換速度起控制作用的是（1）（5）通過水膜和（2）（4）孔道遷移的擴散過程。兩者有一種對離子交換反應適度起控制作用。影響兩種擴散的因素：（1）溶液離子濃度：離子濃度梯度是擴散的推動力。高時：當濃度≥0.1mol/L時，膜擴散快，孔道擴散控制反應速度。屬再生過程。當濃度＜0.003mol/L時，膜擴散慢，膜擴散控制反應速度。屬交換過程。

（2）水流速度或攪拌速度：邊界水膜的厚度反比于流速或攪拌速率，孔道擴散不受此影響。（3）樹脂粒徑：膜擴散速度與粒徑成反比。粒徑小對交換再生都孔道擴散速度與粒徑的平方成反比。有利。（4）交聯度：交聯度小→孔道直徑大→孔道擴散加快。八、樹脂層離子交換過程：1、離子交換柱中的工作樹脂分三部分：（1）完全被Ca2+，Mg2+