第6章 離子交換

1、第第 一節(jié)一節(jié) 離子交換基本知識(shí)離子交換基本知識(shí)第第 三節(jié)三節(jié) 離子交換軟化離子交換軟化第第 四節(jié)四節(jié) 離子交換除鹽離子交換除鹽第第 二節(jié)二節(jié) 離子交換的工藝離子交換的工藝第第 五節(jié)五節(jié) 離子交換在廢水處理中的應(yīng)用離子交換在廢水處理中的應(yīng)用第第 一節(jié)一節(jié) 離子交換基本知識(shí)離子交換基本知識(shí) 實(shí)質(zhì)：不溶性離子化合物實(shí)質(zhì)：不溶性離子化合物( (離子交換劑離子交換劑) )上的可交上的可交換離子與溶液中的其他同性離子的交換反應(yīng)換離子與溶液中的其他同性離子的交換反應(yīng)，是一種是一種特殊的吸附過程。特殊的吸附過程。 離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為：離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為：HRMMRH交換交

2、換樹脂樹脂交換交換離子離子飽和飽和樹脂樹脂 離子交換的離子交換的特點(diǎn)特點(diǎn):它主要吸附水中以它主要吸附水中以離子態(tài)離子態(tài)存存在的物質(zhì)，并進(jìn)行在的物質(zhì)，并進(jìn)行等當(dāng)量等當(dāng)量的離子交換。的離子交換。煤磨碎后經(jīng)濃硫煤磨碎后經(jīng)濃硫酸處理得到酸處理得到二、離子交換樹脂二、離子交換樹脂 以強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂為例：以強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂為例： 表示表示R-SO3-H+： R-母體母體 -SO3-H+-活性基團(tuán)活性基團(tuán) -SO3-固定離子固定離子 H+-交換離子交換離子 有時(shí)可以直接簡寫為有時(shí)可以直接簡寫為RSO3H。樹脂類型樹脂類型 活性基團(tuán)的不同活性基團(tuán)的不同 強(qiáng)酸陽離子：強(qiáng)酸陽離子：RSORSO3 3H

3、H 弱酸陽離子：弱酸陽離子：RCOOHRCOOH 強(qiáng)堿陰離子：強(qiáng)堿陰離子：RNOH RNOH 季胺季胺 弱堿陰離子：弱堿陰離子： RNHOH RNHOH 叔胺叔胺 R RNHNH2 2OH OH 仲胺仲胺 R RNHNH3 3OH OH 伯胺伯胺微孔形狀：微孔形狀：凝膠型樹脂、大孔型樹脂、多孔型等等。凝膠型樹脂、大孔型樹脂、多孔型等等。（1 1）密度：）密度：對(duì)于一定含水率得濕樹脂而對(duì)于一定含水率得濕樹脂而言。表示方法由兩種：言。表示方法由兩種：真密度真密度（又稱濕（又稱濕真密度）；真密度）；視密度視密度（濕視密度）（濕視密度） 2.離子交換樹脂主要性能離子交換樹脂主要性能不包括不包括顆粒之顆

4、粒之間的空間的空隙體積隙體積包括顆包括顆粒之間粒之間的空隙的空隙體積體積)/)/mlgmlg（樹脂堆積體積樹脂堆積體積濕樹脂質(zhì)量濕樹脂質(zhì)量濕視密度濕視密度（積積樹脂顆粒本身所占的體樹脂顆粒本身所占的體濕樹脂質(zhì)量濕樹脂質(zhì)量濕密度濕密度= = =（2 2）交換容量：）交換容量：表示樹脂交換能力大小。單位是表示樹脂交換能力大小。單位是mol/kgmol/kg（干樹脂）或（干樹脂）或mol/Lmol/L（濕樹脂）。（濕樹脂）。分為全交換容量和工作交換容量兩種分為全交換容量和工作交換容量兩種 全交換容量：全交換容量：是指一定量的樹脂所具有的活性基團(tuán)或可交是指一定量的樹脂所具有的活性基團(tuán)或可交換離子的的總

5、數(shù)。換離子的的總數(shù)。 工作交換容量：工作交換容量：是指樹脂在給定工作條件下實(shí)際的交換能是指樹脂在給定工作條件下實(shí)際的交換能力。實(shí)際的交換容量只有總交換容量的力。實(shí)際的交換容量只有總交換容量的60%70%60%70%。重點(diǎn)重點(diǎn)重點(diǎn)重點(diǎn)（3 3）選擇性：）選擇性：對(duì)水中某種離子優(yōu)先交換的性能對(duì)水中某種離子優(yōu)先交換的性能 離子交換速度除了與溶液中離子交換速度除了與溶液中交換離子的種類交換離子的種類、樹脂上活樹脂上活性基團(tuán)的性能性基團(tuán)的性能有關(guān)外，還受有關(guān)外，還受溫度溫度和和交換離子的濃度交換離子的濃度等的影等的影響。水處理中，多為低濃度、水溫變化也大，在這種情況響。水處理中，多為低濃度、水溫變化也大

6、，在這種情況下，選擇性有以下規(guī)律為：下，選擇性有以下規(guī)律為： 離子電荷離子電荷愈多，愈易被交換；愈多，愈易被交換； 同價(jià)離子，同價(jià)離子，原子序數(shù)原子序數(shù)愈大，愈易被交換：愈大，愈易被交換： Th Th4+4+ Fe Fe3+3+AlAl3+3+CaCa2+2+MgMg2+2+KK+ +=NH=NH4 4+ + Na Na+ +LiLi+ + PO PO4 43-3- SO SO4 42-2-NONO3 3- -BrBr- - Cl Cl- -FF- - HCO HCO3 3- -HSiOHSiO3 3- - H H和和OHOH的交換選擇性與樹脂交換基團(tuán)酸、堿性的強(qiáng)的交換選擇性與樹脂交換基團(tuán)酸、

7、堿性的強(qiáng)弱有關(guān)。弱有關(guān)。 對(duì)于強(qiáng)酸陽樹脂：對(duì)于強(qiáng)酸陽樹脂：H H+ +LiLi+ +；對(duì)于弱酸陽樹脂：對(duì)于弱酸陽樹脂：H H+ +FeFe3+3+。 對(duì)于強(qiáng)堿陽樹脂：對(duì)于強(qiáng)堿陽樹脂：OHOH- -FF- -；對(duì)于弱堿陽樹脂：對(duì)于弱堿陽樹脂：OHOH- - SOSO4 42-2-第 二節(jié) 離子交換的工藝按運(yùn)行方式不同：按運(yùn)行方式不同： 離子交換工藝的操作程序離子交換工藝的操作程序： （1 1）交換：）交換： （2 2）反洗：）反洗：在離子交換樹脂失效后，逆向通入沖洗在離子交換樹脂失效后，逆向通入沖洗水，沖洗水可用自來水或廢再生液。水，沖洗水可用自來水或廢再生液。 目的：目的： 松動(dòng)樹脂層，松動(dòng)樹

8、脂層， 清洗樹脂層內(nèi)的雜物。清洗樹脂層內(nèi)的雜物。 反洗流速約反洗流速約15m/h15m/h，歷時(shí)，歷時(shí)15min15min。 （3 3）再生：）再生：再生是借助高濃度的再生液流過樹脂層再生是借助高濃度的再生液流過樹脂層, ,，把已吸附的離子置換出來。把已吸附的離子置換出來。 目的：目的： 恢復(fù)樹脂的交換能力；恢復(fù)樹脂的交換能力； 回收有用物質(zhì)。回收有用物質(zhì)。 重點(diǎn)重點(diǎn)再生劑的選擇再生劑的選擇 l強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂可用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂可用HClHCl（4 4-6-6）或）或H H2 2SOSO4 4（2 2）等強(qiáng)酸及）等強(qiáng)酸及NaClNaCl（5 5-10-10）等再生。）等再生。l弱酸性

9、陽離子樹脂可以用弱酸性陽離子樹脂可以用HClHCl、H H2 2SOSO4 4等再生。等再生。 l強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂可用強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂可用NaOHNaOH等強(qiáng)堿及等強(qiáng)堿及NaClNaCl再生再生l弱堿性陰離子樹脂可以用弱堿性陰離子樹脂可以用NaOHNaOH、NaNa2 2COCO3 3、NaHCONaHCO3 3等再生。等再生。 （4 4）清洗：）清洗：用水正洗，水流方向與交換時(shí)一樣，清洗水最用水正洗，水流方向與交換時(shí)一樣，清洗水最好用交換處理后的凈水、除鹽水。好用交換處理后的凈水、除鹽水。 目的目的：將樹脂層內(nèi)殘留的再生液清洗掉。：將樹脂層內(nèi)殘留的再生液清洗掉。 清洗水量一般為樹脂體

10、積的清洗水量一般為樹脂體積的4 41313倍。倍。 工藝過程：工藝過程： 第第 三節(jié)三節(jié) 離子交換軟化離子交換軟化重點(diǎn)重點(diǎn)一、陽離子交換樹脂特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1)(1)去除碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度，去除碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度， (2) (2)堿度不變堿度不變 (3) (3)總含鹽量有所變化，再生劑為食鹽總含鹽量有所變化，再生劑為食鹽 適用范圍：適用范圍：原水堿度低。原水堿度低。 1. 1. 鈉鈉型離子型離子交換法交換法 重點(diǎn)重點(diǎn)特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1 1）去除了碳酸鹽硬度，生成）去除了碳酸鹽硬度，生成COCO2 2、H H2 2O O，同時(shí)堿度也去除了。，同時(shí)堿度也去除了。（2 2）去除非碳酸鹽硬度，

11、生成）去除非碳酸鹽硬度，生成H H2 2SOSO4 4，HClHCl，出水酸性，出水酸性（3 3）用鹽酸（）用鹽酸（HClHCl）或硫酸（）或硫酸（H H2 2SOSO4 4）再生。）再生。 由于氫離子交換出水經(jīng)常為酸性，運(yùn)行時(shí)一般總是和鈉離由于氫離子交換出水經(jīng)常為酸性，運(yùn)行時(shí)一般總是和鈉離子交換聯(lián)合使用，或與其他措施（如加堿中和）相結(jié)合子交換聯(lián)合使用，或與其他措施（如加堿中和）相結(jié)合 2. 2. 氫型離子氫型離子交換法交換法 重點(diǎn)重點(diǎn)強(qiáng)酸性強(qiáng)酸性H-NaH-Na離子交換軟化和脫堿聯(lián)合水離子交換軟化和脫堿聯(lián)合水處理系統(tǒng)的原理處理系統(tǒng)的原理3. H3. HNaNa離子交換脫堿軟化法離子交換脫堿軟

12、化法 重點(diǎn)重點(diǎn)第 四節(jié) 離子交換除鹽 需求：需求：1. 復(fù)合床復(fù)合床除鹽除鹽2.2.混合床混合床除鹽除鹽 當(dāng)原水通過型離子當(dāng)原水通過型離子交換柱時(shí)，水中所有金屬交換柱時(shí)，水中所有金屬離子離子M M+ +被被+ +交換去除，交換去除，+ +與水中的陰離子結(jié)合成相與水中的陰離子結(jié)合成相應(yīng)的酸，其出水呈酸性，應(yīng)的酸，其出水呈酸性，其中與其中與HCOHCO3 3- -結(jié)合生成的結(jié)合生成的COCO2 2與原有的二氧化碳在除碳與原有的二氧化碳在除碳器中被脫除。器中被脫除。1. 1. 復(fù)合床復(fù)合床除鹽原理除鹽原理 水水再再進(jìn)入進(jìn)入OHOH陰離子陰離子交換交換柱時(shí)，水中的各類酸根被柱時(shí)，水中的各類酸根被OHO

13、H交換除去，從而將水中溶解鹽類全部除去制得交換除去，從而將水中溶解鹽類全部除去制得除除鹽水。鹽水。復(fù)合床復(fù)合床混合床混合床 原水通過交換柱時(shí)，金屬陽離子和陰離子分別被陽樹原水通過交換柱時(shí)，金屬陽離子和陰離子分別被陽樹脂和陰樹脂交換，得到了脫鹽水。由于一般強(qiáng)堿陰樹脂脂和陰樹脂交換，得到了脫鹽水。由于一般強(qiáng)堿陰樹脂的交換容量約為陽樹脂的一半，所以都按陰樹脂：陽樹的交換容量約為陽樹脂的一半，所以都按陰樹脂：陽樹脂脂2121的比例混合。的比例混合。混合床再生混合床再生需要先將陽、陰樹脂分層，再移出陽（或陰）需要先將陽、陰樹脂分層，再移出陽（或陰）樹脂，分別完成再生后在填充于同一個(gè)交換柱中。樹脂，分別完

14、成再生后在填充于同一個(gè)交換柱中。由于陰樹脂的密度較陽樹脂的要小，由于陰樹脂的密度較陽樹脂的要小，反洗分層后陰反洗分層后陰樹脂在上，陽樹脂在下樹脂在上，陽樹脂在下。. . 混合床混合床除鹽原理除鹽原理第五節(jié)第五節(jié) 離子交換在廢水處理中的應(yīng)用離子交換在廢水處理中的應(yīng)用一、一、 離子交換處理工業(yè)廢水的特點(diǎn)離子交換處理工業(yè)廢水的特點(diǎn)二、二、 應(yīng)用應(yīng)用一、 離子交換處理工業(yè)廢水的特點(diǎn) 1.1.水質(zhì)復(fù)雜水質(zhì)復(fù)雜：含各種懸浮物、油類和有機(jī)物（進(jìn)行預(yù)處理）：含各種懸浮物、油類和有機(jī)物（進(jìn)行預(yù)處理） 2.2.高價(jià)金屬離子：高價(jià)金屬離子：導(dǎo)致中毒，用高濃度酸浸泡導(dǎo)致中毒，用高濃度酸浸泡 3.pH3.pH值：值：影

15、響某些雜質(zhì)在廢水中的存在狀態(tài)，影響樹脂交換影響某些雜質(zhì)在廢水中的存在狀態(tài)，影響樹脂交換基團(tuán)的離解?；鶊F(tuán)的離解。 4.4.水溫：水溫：水溫高，可加速離子交換的擴(kuò)散，但會(huì)破壞樹脂，水溫高，可加速離子交換的擴(kuò)散，但會(huì)破壞樹脂，應(yīng)恰當(dāng)降溫。應(yīng)恰當(dāng)降溫。 5.5.氧化劑：氧化劑：可采用交聯(lián)度大的樹脂或加入恰當(dāng)?shù)倪€原劑?？刹捎媒宦?lián)度大的樹脂或加入恰當(dāng)?shù)倪€原劑。 6.6.有機(jī)污染：有機(jī)污染：可采用大孔型樹脂可采用大孔型樹脂 7.7.再生：再生：要考慮回收有用物質(zhì)。要考慮回收有用物質(zhì)。 例如：處理含鉻廢水例如：處理含鉻廢水 六價(jià)鉻：鉻酸根六價(jià)鉻：鉻酸根CrOCrO4 42-2-和重鉻酸根和重鉻酸根CrCr2

16、2O O7 72-2-，兩種的比例與兩種的比例與pHpH有關(guān)。酸性條件下，主要是有關(guān)。酸性條件下，主要是CrCr2 2O O7 72-2- 三價(jià)鉻：三價(jià)鉻：CrCr3+3+ 陽樹脂去除三價(jià)鉻：陽樹脂去除三價(jià)鉻： 3RH + Cr 3RH + Cr3+3+ -R -R3 3Cr + 3HCr + 3H+ + 陰樹脂去除六價(jià)鉻：陰樹脂去除六價(jià)鉻： 2ROH + CrO 2ROH + CrO4 42-2- -R -R2 2CrOCrO4 4 + 2OH + 2OH- - 2ROH + Cr 2ROH + Cr2 2O O7 72-2- - R - R2 2CrCr2 2O O7 7 +2OH +2OH- - 二、二、 應(yīng)用應(yīng)用 失效后再生：失效后再生： R R3 3Cr + 3HCl -3RH + CrClCr + 3HCl -3RH + CrCl3 3 R R2 2CrOCrO4 4 + 2NaOH -2ROH +Na + 2NaOH -2ROH +Na2 2CrOCrO4 4 R R