環(huán)境工程原理第九章離子交換

1、 佳木斯大學(xué)理學(xué)院環(huán)境科學(xué)環(huán)境工程原理作業(yè)第九章 離子交換第一節(jié) 概述1. 離子交換的概述1.1定義：離子交換法是通過離子交換劑與水中的可溶性無機(jī)離子發(fā)生交換反應(yīng)。1.2使用范圍：主要用于制備軟化水、純水和去除水中有害離子，也常用于工業(yè)廢水的貴重離子回收、放射性廢水和有機(jī)廢水處理。1.3離子交換劑分類1.3.1 按母體材質(zhì)：（1）無機(jī)離子交換劑：包括天然沸石和合成沸石，屬于硅質(zhì)陽離子交換劑。（2）有機(jī)離子交換劑：可分為碘化煤和離子交換樹脂。其中離子交換樹脂相比于其他離子交換劑具有較大的交換容量。1.3.2 離子交換樹脂分類（1）按活性基團(tuán)分為：陽離子交換樹脂分為強(qiáng)酸性和弱酸性兩類； 陰離子交換

2、樹脂分為強(qiáng)堿性和弱堿性兩類； 特殊活性基團(tuán)的交換樹脂如氧化還原樹脂、兩性樹脂、螯合樹脂。（2）按樹脂類型和孔結(jié)構(gòu)的不同：凝膠型樹脂、大孔型樹脂、多孔凝膠型樹脂、巨孔型樹脂、高巨孔型樹脂等。1.4離子交換樹脂結(jié)構(gòu) 離子交換樹脂結(jié)構(gòu)分為兩大部分：一是不溶性樹脂母體部分，稱為骨架，不參與交換反應(yīng)；二是連接在骨架上的活性基團(tuán)，帶可交換離子參與離子交換反應(yīng)。2. 離子交換樹脂性能2.1 物理性質(zhì)：（1）外觀:凝膠型樹脂為透明或半透明珠體，大孔型樹脂為乳白色后不透明珠體（2）粒度：粒度影響著離子交換速率（3）密度： （4）含水量：在水中充分溶脹的濕樹脂所含溶脹水質(zhì)量占濕樹脂質(zhì)量比例（5）溶脹性：干樹脂浸入

3、水中，由于活性基團(tuán)的水合作用使交聯(lián)網(wǎng)孔增大，體積膨脹現(xiàn)象。（6）機(jī)械強(qiáng)度：取決于交聯(lián)度與溶脹率。（7）耐熱性：每種樹脂耐受的溫度均有一定范圍。2.2 化學(xué)性質(zhì)：（1）可逆性：使離子交換樹脂可以重復(fù)使用。（2）酸堿性：由于活性集團(tuán)的解離與pH有關(guān)，因此每種樹脂都有適當(dāng)?shù)膒H范圍。（3）選擇性：不同被交換的離子和樹脂的活性基團(tuán)的親和力不同，使的樹脂對(duì)各種樹脂具有不同交換能力。（4）交換容量：表示離子交換樹脂的交換能力大小。公式：Ev=Ew×(1-含水量)×濕視密度。（5）交換特性：H型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂可以同時(shí)和強(qiáng)酸鹽和弱酸鹽陽離子進(jìn)行交換； H型弱酸性陽離子交換樹脂自能和弱

4、酸鹽陽離子交換； OH型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂可以同時(shí)和水中各種陰離子進(jìn)行交換； OH型弱酸性陰離子交換樹脂只是在酸性條件下可以和強(qiáng)酸鹽離子交換。3離子交換樹脂命名命名由“國家標(biāo)準(zhǔn)號(hào)、基本名稱和單項(xiàng)組”組成。國家標(biāo)準(zhǔn)號(hào)即GB 1631；基本名稱：離子交換樹脂，屬于酸性的前面加“陽”，屬于堿性的前面加“陰”；單項(xiàng)組：包括6個(gè)字符組。字符組1：樹脂形態(tài)分為凝膠型和大孔型，以D表示大孔型；字符組2：代表官能團(tuán)分類； 字符組3：代表骨架分類；字符組4：順序號(hào)，區(qū)別基團(tuán)、交聯(lián)劑等差異，交聯(lián)度用“×”連接阿拉伯?dāng)?shù)字表示；字符組5：不同床型應(yīng)用的樹脂代號(hào)； 字符組6：特殊用途樹脂代號(hào)。第二節(jié) 離子交

5、換的基本原理1. 離子交換平衡 離子交換平衡是描述離子交換的基本規(guī)律，與化學(xué)平衡不同，它符合質(zhì)量作用定律。以樹脂（RA）交換B離子為例，ZA、ZB表示A和B離子的電荷數(shù)。ZARA+ZABZARB+ZBA在稀溶液中，活度系數(shù)接近于1，液相中的A、B離子活度均可用各自的濃度表示，于是有式中：A、B分別表示水溶液中A離子、B離子的濃度，mmol/L； RA、RB分別表示單位質(zhì)量干樹脂中A離子、B離子的物質(zhì)的量，mmol/g干樹脂。定義為A交換B的選擇性系數(shù)，其表征了離子交換樹脂對(duì)A、B離子的選擇性吸附性能。=1，則對(duì)A、B離子吸附性能相同，這種交換平衡；1，則對(duì)B有選擇性，數(shù)值越大，選擇性越強(qiáng)，這種

6、為有利平衡；若1，對(duì)A有選擇性，不利于B的吸附，這種為不利平衡。有上式可以推出上式具有通性，適用于不同價(jià)態(tài)之間的交換。RA+RB代表樹脂全交換容量，A+B代表水溶液中的離子濃度。當(dāng)ZA=ZB=1時(shí)，可簡化為在可被稱為樹脂的失效度，相當(dāng)于溶液中離子殘留率。2. 離子交換速率離子交換過程分為五個(gè)連續(xù)步驟，以A 離子交換水中B離子為例。（1） B離子從溶液主體向樹脂顆粒表面擴(kuò)散，達(dá)到并穿過顆粒表面液膜。（2） 穿過液膜的B離子繼續(xù)在樹脂顆粒內(nèi)交聯(lián)網(wǎng)中擴(kuò)散，直到達(dá)到某一活性基團(tuán)所在位置。（3） B離子和活性基團(tuán)中的可交換A離子發(fā)生交換反應(yīng)。（4） 被交換下來的A離子在樹脂顆粒內(nèi)交聯(lián)網(wǎng)孔中向樹脂顆粒表面

7、擴(kuò)散。（5） 被交換下來的A離子在樹脂顆粒表面擴(kuò)散穿過液膜進(jìn)入液體主體。上述幾步中，第三步是離子間的交換反應(yīng)，速率很快；而第一、第五步是A或B離子在液膜中擴(kuò)散，稱為膜擴(kuò)散；第二、第四步是A或B離子在樹脂顆粒內(nèi)交聯(lián)網(wǎng)孔中的擴(kuò)散，稱為內(nèi)擴(kuò)散，由于交換反應(yīng)速率比擴(kuò)散快得多，因此總離子交換速率由擴(kuò)散過程控制。式中:表示擴(kuò)散界面層兩側(cè)的離子濃度，,mmol/L；界面層厚度，相當(dāng)于總擴(kuò)散阻力的厚度，m； 總擴(kuò)散系數(shù)，m2/s； 樹脂的體積比表面積，m2/m3，與樹脂顆粒有效直徑、孔隙率有關(guān)，可由下式計(jì)算式中，與粒度均勻程度有關(guān)的系數(shù)。3. 影響離子交換擴(kuò)散速率的因素1. 樹脂交聯(lián)度交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，內(nèi)

8、擴(kuò)散越慢，交換速率越慢。大孔型樹脂的內(nèi)擴(kuò)散速率比凝膠樹脂快。2. 樹脂顆粒大小樹脂顆粒越小，擴(kuò)散速率越快。顆粒越小，內(nèi)擴(kuò)散距離越短，樹脂比表面積越大，膜擴(kuò)散表面積增大，促進(jìn)擴(kuò)散速率增加。3. 水溫提高溫度能使離子的動(dòng)能增加，加快內(nèi)擴(kuò)散和膜擴(kuò)散，同時(shí)水的粘度減少，液膜變薄，這些有利于離子擴(kuò)散。4. 溶液離子濃度液膜兩側(cè)濃度差越大，擴(kuò)散速率越大。5. 攪拌或提高流速攪拌或提高流速，增加流體的湍流程度，使液膜變薄，加快膜擴(kuò)散，但對(duì)內(nèi)擴(kuò)散無影響。6. 被交換離子的的電荷數(shù)和水合半徑被交換離子的的電荷數(shù)和水合半徑越大，離子在樹脂內(nèi)擴(kuò)散的速率越慢。第三節(jié) 離子交換的系統(tǒng)與過程1. 離子交換系統(tǒng)在水處理過程

9、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。常見的交換系統(tǒng)有鈉離子交換系統(tǒng)、復(fù)床系統(tǒng)、混合床系統(tǒng)。（一）鈉離子交換系統(tǒng)改系統(tǒng)主要用于降低Ca2+、Mg2+ 含量（水的軟化），其經(jīng)常采用的離子交換劑為鈉型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂或磺化煤。運(yùn)行中的鈉離子交換器工作交換容量(E）計(jì)算公式式中：交換器的周期制水量，m3； 進(jìn)水硬度，mmol/L； 出水硬度，mmol/L； 交換器中離子交換劑的體積，m3；1. 鈉離子軟化-加酸系統(tǒng)在鈉離子交換系統(tǒng)軟化后，在出水中加入硫酸，以中和水中堿度（NaHCO3），反應(yīng)生成CO2經(jīng)除碳器除去。該系統(tǒng)較為簡單，但可以防治水呈酸性。2氫-鈉離子并聯(lián)系

10、統(tǒng)該系統(tǒng)并聯(lián)有氫型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和鈉型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂,原水一部分通過氫型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，另一部分通過鈉型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，然后混合，利用氫型產(chǎn)生的H2SO4或HCl來中和鈉型出水中的HCO3-。反應(yīng)產(chǎn)生的CO2再用除碳器除去。（二）復(fù)床系統(tǒng)復(fù)床指水依次通過陽離子交換器（陽床）和陰離子交換器（陰床），通過復(fù)床可以將水中的各種礦物鹽基本除去。為了保持較好的效果，一般陽離子交換器裝有強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，陰離子交換器裝有強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。原水依次經(jīng)過一次陽離子交換器和一次陰離子交換器處理，稱為一級(jí)復(fù)床除鹽。當(dāng)處理水質(zhì)要求更高是，可以采用二級(jí)復(fù)床除鹽處理。（三）混合床系統(tǒng)為了

11、進(jìn)一步提高出水的純水，可以采用混合床系統(tǒng)?；旌洗蚕到y(tǒng)就是將陰離子交換樹脂、陽離子交換樹脂按一定比例混合裝在同一個(gè)交換器里，水一次通過混合床，就完成陰陽離子交換過程?；旌洗惨话阒糜趶?fù)床之后，通常把復(fù)床稱為一級(jí)除鹽，混合床稱為二級(jí)除鹽?；旌洗渤鏊碾妼?dǎo)率在0.3uS/cm以下，SiO2含量下于20ug/L。由于陰離子交換樹脂的工作容量只有陽離子交換樹脂的一般左右，所以混合床中陰離子交換樹脂的填裝體積一般為陽離子交換樹脂的2倍。2. 離子交換過程離子交換過程可以分為交換和再生兩個(gè)步驟。若兩個(gè)步驟在同一設(shè)備中交替進(jìn)行，這種過程稱為間歇過程。如果分別在兩個(gè)設(shè)備中連續(xù)進(jìn)行，這種過程稱為連續(xù)過程。(一) 固

12、定床離子交換器工作過程1.交換過程當(dāng)含B濃度為C0的原水自上而下通過RA樹脂層時(shí)，頂層首先和B交換，達(dá)到平衡時(shí)，這層樹脂失效，稱為失效層。此后水中的B交換過程移至下一層樹脂，該層稱為工作層。在工作層中與上層接觸的B離子濃度高，故上層樹脂的交換量大于下層樹脂。經(jīng)過工作層后，水中B離子濃度接近于0，故水流過工作層以下的床層時(shí)，床層的水質(zhì)和樹脂的形態(tài)保持不變，該層樹脂稱為保護(hù)層，見圖9-4（a）。交換器持續(xù)工作，失效層擴(kuò)大，工作層下移，保護(hù)層縮小。工作層下緣達(dá)到樹脂層底部時(shí)（c），出水開始有B離子漏出，此時(shí)稱為樹脂層穿透。從交換開始到穿透為止，樹脂達(dá)到的交換容量稱為工作容量，再繼續(xù)運(yùn)行，出水中B濃度

13、迅速增加至于進(jìn)水C0相同，此時(shí)，全部樹脂飽和（b）。2.再生過程再生是恢復(fù)樹脂交換能力的過程，通常采用交換的逆過程，也可以回收有用物質(zhì)。根據(jù)再生方式分為順流再生和逆流再生。（1） 順流再生：再生液流向與運(yùn)行水流一致的再生方式。順流再生固定床離子交換器的再生液流向與運(yùn)行水流一樣自上而下。通常分為四步驟大反洗、再生、置換、正洗。（2） 逆流再生：再生液流向與運(yùn)行水流相反的再生方式，也稱對(duì)流再生。通常分為小反洗、再生、置換、小反洗、正洗。下圖為逆流再生操作步驟。 （二）連續(xù)式離子交換器工作過程簡介為了保證連續(xù)生產(chǎn)，可以采用連續(xù)式離子交換設(shè)備，主要包括移動(dòng)床和流動(dòng)床。1. 移動(dòng)床下圖為三塔式移動(dòng)床，主

14、要包括交換塔、再生塔和清洗塔。2. 流動(dòng)床流動(dòng)床是一種較為先進(jìn)的床型。流動(dòng)床內(nèi)樹脂和水流方向與移動(dòng)床相同，樹脂循環(huán)可用壓力輸送或重力輸送，交換飽和樹脂可以連續(xù)流出交換塔，再生好的樹脂可由塔頂連續(xù)補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)交換產(chǎn)水再生樹脂的連續(xù)進(jìn)行。交換塔樹脂理論厚度等于工作層厚度，樹脂用量少，設(shè)備小，生產(chǎn)能力大，對(duì)原水預(yù)處理要求低，但操作復(fù)雜。第四節(jié) 離子交換設(shè)備與計(jì)算1. 離子交換設(shè)備工業(yè)離子交換設(shè)備主要有固定床、移動(dòng)床和流動(dòng)床。目前最廣泛使用的是固定床，包括單床、多床、復(fù)床和混合床。固定床離子交換器結(jié)構(gòu)主要包括筒體、進(jìn)水裝置、排水裝置，分別為順流和逆流再生固定離子交換器結(jié)構(gòu)如下圖 （一）筒體：一般是立式圓

15、柱形壓力容器，大多為金屬制成，內(nèi)壁需要配防腐材料，如襯膠或?yàn)r青。（二）進(jìn)水裝置：是分配進(jìn)水和收集反洗排水。常用的有漏斗型、噴頭型、十字穿孔管型和多孔板水冒型，如下圖（三）排水裝置：是收基出水和分配反洗水。保證水流分布均勻和不漏樹脂。常見的有多孔板排水帽式和石英砂墊層式，見下圖。（四）其他裝置 1.順流再生固定床離子交換器的進(jìn)再生液裝置：該裝置主要用來保證再生液能均勻的分配在交換器整個(gè)截面。順流再生固定床離子交換器的進(jìn)水裝置不能兼做進(jìn)再生液裝置，因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)流量比再生液大數(shù)倍，其位置又在交換器頂部，如兼做再生用，會(huì)降低效果。有輻射型、圓環(huán)型、母管支管型等幾種。2.逆流再生固定床離子交換器的中間液裝置：是在樹脂層面設(shè)一中間排液裝置，用來排放再生液，在小反洗是，兼做反洗水進(jìn)水分配管。有母管支管式和支管式。2. 離子交換器設(shè)計(jì)計(jì)算交換器的尺寸計(jì)算主要