2023學(xué)年完整公開課版離子交換

第4章水的物理化學(xué)處理技術(shù)

（二）離子交換

主講人：王璇上期回顧2023/5/17新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.影響吸附的因素有哪些？2.吸附劑的選擇原則？3.吸附劑的再生方法？目錄2023/5/17新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇4.1離子交換的基本原理4.2離子交換劑4.3離子交換工藝4.4離子交換工程應(yīng)用借助于離子交換劑(ionexchangeresin)上的離子和廢水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)而除去廢水中有害離子的方法。離子交換過程也可以看成是一種特殊吸附過程，所以在許多方面都與吸附過程類同。離子交換過程的特點(diǎn)在于:它主要吸附水中以離子態(tài)存在的物質(zhì)，并進(jìn)行等當(dāng)量的離子交換。第一節(jié)離子交換的基本原理2023/5/17新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.1概況（定義）第一節(jié)離子交換的基本原理5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.1概況（發(fā)展）1805年英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和NH4+的交換現(xiàn)象；1876年Lemberg揭示了離子交換的可逆性和化學(xué)計(jì)量關(guān)系；1935年人工合成了離子交換樹脂；1940年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；1951年我國開始合成樹脂。第一節(jié)離子交換的基本原理5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.1概況（應(yīng)用）給水處理

硬水軟化、脫鹽。純水、高純水的制備。廢水處理

廢水中金屬離子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+

工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品提純

，凈化除雜(如除去鎢酸鈉溶液中微量元素和雜質(zhì))第一節(jié)離子交換的基本原理5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.1概況（特點(diǎn)）

1.去除率高，凈化效果好；

2.可做到污染物的回收利用；

3.對廢水的預(yù)處理要求較高；

4.樹脂再生液需要進(jìn)一步處置。第一節(jié)離子交換的基本原理5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.2離子交換步驟實(shí)質(zhì)：離子交換劑上的可交換離子與溶液中的其他同性離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過程，通常是可逆化學(xué)吸附。

離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為：交換樹脂交換離子飽和樹脂

→交換反應(yīng)←再生反應(yīng)第一節(jié)離子交換的基本原理5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.2離子交換步驟交換樹脂對兩種離子選擇性的不用是離子交換分離的基礎(chǔ)：交換樹脂交換離子飽和樹脂平衡時(shí):

KAB={[A+][B+]RB}/{[B+][A+]RA}平衡常數(shù)KAB稱為A交換B的選擇性系數(shù)：

KAB=1，無選擇性

KAB

﹥1，交換反應(yīng)向右，A的交換大于B；

KAB

﹤1，交換反應(yīng)向左，B的交換大于A；交換樹脂對兩種離子選擇性的不用是離子交換分離的基礎(chǔ)：第一節(jié)離子交換的基本原理5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.2離子交換步驟上述幾步中，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。第一節(jié)離子交換的基本原理5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇1.2離子交換步驟樹脂顆粒水膜BB(3)(1)(2)(A)(4)(5)A外擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.1離子交換劑分類凡具有離子交換能力的物質(zhì)稱為離子交換劑，是一種帶有可交換離子的不溶性固體物質(zhì)，帶有陽離子的稱陽離子交換劑，帶有陰離子稱陰離子交換劑。無機(jī)質(zhì)：陽離子交換（硅質(zhì)，天然或合成沸石）離子交換劑碳質(zhì)：磺化煤（陽離子交換劑）有機(jī)質(zhì)合成樹脂：是所有離子交換劑中性能最優(yōu)的一類，它包括陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。

將離子交換樹脂做成薄膜形式，即稱為離子交換膜，用于海水淡化、物質(zhì)提純和污水處理等各方面。第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂

固體球形顆粒，多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；不溶于水；具有離子交換特性的有機(jī)高分子聚電解質(zhì)。苯乙烯/丙烯酸(單體)+二乙烯苯(交聯(lián)劑)母體共聚H2SO4功能基反應(yīng)R—SO3

H固定離子可交換離子母體(一)組成

離子交換樹脂母體-骨架活性基團(tuán)固定離子可交換離子骨架：接有功能基團(tuán)，本身是惰性第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂功能基團(tuán)：連接在骨架上，可與相反離子結(jié)合待交換離子：在吸附階段可與活性離子交換，與骨架上的功能基團(tuán)結(jié)合可交換離子：與功能基團(tuán)所帶電荷相反的可移動(dòng)的離子第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂(二)分類

按選擇性按結(jié)構(gòu)離子交換樹脂凝膠型等孔型

孔大、均勻，抗有機(jī)污染能力強(qiáng)?？状?，溶脹度小，交換速度高，抗污染能力強(qiáng)。

孔隙小、少，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂R—NH3OH強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂R—

NOH弱酸性陽離子交換樹脂R—COOH強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂R—SO3H第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂陽離子交換樹脂〈1〉強(qiáng)酸性（聚苯乙烯系）交換基：磺酸－SO3H〈2〉中酸性（聚苯乙烯系）交換基：—P=O(OH)2〈3〉弱酸性（甲基丙烯酸系）交換基：羧基—COOH或酚基—OH第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂001×7苯乙烯系強(qiáng)酸性離子交換樹脂用于：硬水軟化、脫鹽水、純水制備、稀有元素分離、分離和提取氨基酸制糖、制藥可作為催化劑和脫水劑〈1〉強(qiáng)堿性（聚苯乙烯系）交換基：季胺叔胺〈2〉弱堿性（聚苯乙烯系）交換基：氨基—NH2第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂陰離子交換樹脂第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂大孔弱堿性丙烯酸系陰離子

主要用于藥物提取，苦咸水凈化處理，糖液除酸脫色,金屬提取等第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂

性能陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性

弱堿性活性基團(tuán)磺酸羧酸季氨

胺pH對交換能力的影響

無在酸性中交換能力很小

無在堿性溶液中交換能力很小鹽的穩(wěn)定性

穩(wěn)定洗滌要水解

穩(wěn)定洗滌時(shí)要水解再生需過量的強(qiáng)酸很容易需要過量的強(qiáng)堿再生容易，可用碳酸鈉或氨交換速度快慢(除非離子化后)快慢(除非離子化后)四類樹脂的特性比較第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂(三)命名

我國凝膠樹脂的名稱代碼由分類代號(hào)(表1)，骨架代號(hào)(表2)，順序號(hào)與交聯(lián)度數(shù)值四位數(shù)字組成。順序號(hào)用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異如201×7，表示交聯(lián)度為7(%)的一種凝膠型強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂。

表1樹脂分類代碼0123456強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性螯合型兩性氧化-還原型表2樹脂骨架代碼0123456苯乙烯系丙烯酸系酚醛系環(huán)氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系大孔型離子交換樹脂的型號(hào)。由三個(gè)數(shù)字組成：第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.2離子交換樹脂(三)命名

如：D201——大孔型強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂形狀：透明或半透明的球狀珠體。顏色：白、淺黃、赤褐色。一般樹脂粒徑0.3～1.2mm有效粒徑（d10）0.36～0.61，均一系數(shù)（d40/d90）為1.22～1.66，均一系數(shù)的含義是篩上體積為40％的篩孔孔徑與篩上體積為90％的篩孔孔徑之比。第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.3離子交換樹脂的性質(zhì)(一)外觀

(二)粒度

干真密度：干燥狀態(tài)下，樹脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹脂本身的密度。交聯(lián)度低和含活性基團(tuán)多的樹脂，溶解傾向較大。第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.3離子交換樹脂的性質(zhì)(三)密度

(四)溶解性

離子交換樹脂含有大量親水基團(tuán)，與水接觸即吸水膨脹。在設(shè)計(jì)離子交換設(shè)備時(shí)，必須考慮樹脂的膨脹度，以適應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)樹脂中的離子轉(zhuǎn)換發(fā)生的樹脂體積變化。通常，交聯(lián)度低的樹脂比較容易碎裂，但樹脂的耐用性更主要地取決于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的均勻程度及其強(qiáng)度。第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.3離子交換樹脂的性質(zhì)(五)膨脹度

(六)耐用性

單位質(zhì)量干樹脂或單位體積濕樹脂所能交換離子相當(dāng)于一價(jià)離子的物質(zhì)的量(大約為3~6mmol/g，或1~2mmol/ml)。表示樹脂的交換能力。通常用EV（mmol/ml濕樹脂）表示，也可用EW（mmol/g干樹脂）表示。

EV＝EW×（1-含水量）×濕視密度第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.3離子交換樹脂的性質(zhì)(七)交換容量

交換容量全交換容量工作交換容量一定量的樹脂所具有的活性基團(tuán)或可交換離子的總數(shù)量樹脂在給定工作條件下實(shí)際的交換能力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、交換工藝以及投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素。樹脂保存樹脂宜在0～40℃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)。最好分別用水、5％HCl、2％～4％NaOH反復(fù)浸泡清洗兩次，每次4～8h。第二節(jié)離子交換劑5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇2.4離子交換樹脂選擇、保存、使用和鑒別第三節(jié)離子交換工藝5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇3.1離子交換的操作方式操作方式靜態(tài)交換（間歇式）動(dòng)態(tài)交換連續(xù)式周期式第三節(jié)離子交換工藝5/17/2023新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王璇3.2靜態(tài)交換工藝過程：交換液與樹脂一同放入容器內(nèi)，攪拌或鼓入空氣，充分接觸，交換達(dá)到平衡時(shí)，過濾將液固分離。為了提高交換效果，需進(jìn)行多次靜態(tài)交換，又稱間歇式交換。特點(diǎn)：費(fèi)時(shí)，效率低，實(shí)用價(jià)值小。第三節(jié)離子交換工藝3.3動(dòng)態(tài)交換固定床離子交換器樹脂裝在柱中，交換液流經(jīng)樹脂層并發(fā)生交換。特點(diǎn)：交換液在流動(dòng)過程中不斷與新樹脂接觸和交換(常用方法)；固定床交換操作是由交換與再生交替進(jìn)行的。柱式離子交換罐剖視圖流化床逆流操作過程再生劑溶液第三節(jié)離子交換工藝3.3動(dòng)態(tài)交換離子交換工藝過程

樹脂

反洗廢水反洗水反洗

樹脂

再生液再生廢液再生

樹脂

產(chǎn)品水正洗廢液正洗

樹脂

進(jìn)水產(chǎn)品水交換

第三節(jié)離子交換工藝3.3動(dòng)態(tài)交換固定床操作的工作過程交換及穿透曲線：將交換液均勻不斷地自上而下流經(jīng)柱中床層，當(dāng)達(dá)到穿透點(diǎn)即停止交換第三節(jié)離子交換工藝3.3動(dòng)態(tài)交換固定床操作的工作過程②反洗：再生前的反洗液通常用原液(或用洗滌水)，將反洗液由底部向上沖洗。目的：清除固體顆粒。排除氣泡以及疏松樹脂層使之膨脹50%~70%。為了提高反洗效率，有時(shí)鼓入空氣進(jìn)行攪動(dòng)。第三節(jié)離子交換工藝3.3動(dòng)態(tài)交換固定床操作的工作過程③再生：將再生劑通過樹脂層，樹脂與再生劑發(fā)生再生反應(yīng)，使交換能力耗竭的樹脂重新轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合應(yīng)用的型式(恢復(fù)原狀)，也稱為洗脫。再生反應(yīng)是交換反應(yīng)的逆過程，交換反應(yīng)的平衡常數(shù)大，完全再生不經(jīng)濟(jì)；再生劑用量，應(yīng)考慮樹脂的類型，用途，再生劑效率及經(jīng)濟(jì)價(jià)值等因素。逆流再生效果比順流再生要好。第三節(jié)離子交換工藝3.3動(dòng)態(tài)交換固定床操作的工作過程④正洗：以純水自上而下流過樹脂層，除盡樹脂顆粒之間及表面存在的再生劑，并將排出的再生液回收。⑤洗凈：正洗后繼續(xù)用純水流經(jīng)樹脂層，以徹底除凈再生劑。第三節(jié)離子交換工藝3.4離子交換柱的組合方式單一樹脂一個(gè)交換器單一樹脂多個(gè)交換器多種樹脂多個(gè)交換器陰陽兩種樹脂一個(gè)交換器復(fù)床和混合床聯(lián)合第三節(jié)離子交換工藝3.4離子交換柱的組合方式復(fù)合床離子交換器第三節(jié)離子交換工藝3.4離子交換柱的組合方式混合床離子交換柱第四節(jié)離子交換工程案例4.1離子交換設(shè)計(jì)

(一)根據(jù)廢水水質(zhì)和處理要求，選擇離子交換劑。

(二)選擇合適的再生劑，估算其用量。

(三)根據(jù)去除對象確定工藝流程及工藝參數(shù)。

1、工藝流程的確定

2、主要工藝參數(shù)交換速度15～35m/h；反沖速度15m/h

再生劑流速10～15m/h

再生效率＞80%

(四)離子交換柱尺寸確定

1、離子交換柱高度HH=H1+H2+H3H1—樹脂層高度；

H2—樹脂層以上高度，膨脹率40～80%；

H3—底部配水區(qū)高度(0.4m)2、交換柱內(nèi)徑D

式中：Q—處理水量；

(D≤3m)n—并聯(lián)臺(tái)數(shù)；

u—交換速度。第四節(jié)離子交換工程案例4.1離子交換設(shè)計(jì)第四節(jié)離子交換工程案例4.2離子交換處理電鍍含鉻廢水

1、廢水的來源及水質(zhì)特征

鍍件酸洗清洗鍍槽清洗成品

廢酸液酸性水廢鍍液含鉻廢水

廢電鍍液：產(chǎn)生量少，濃度高。

含鉻廢水：產(chǎn)生量多，濃度低，水質(zhì)情況為：Cr6+濃度為20~150