離子交換樹脂及原理

1、離子交換樹脂及離子交換基本原理第一節(jié) 離子交換樹脂及其性能第二節(jié) 離子交換基本原理第三節(jié) 離子交換樹脂層的工作過程第四節(jié) 離子交換樹脂的使用第五節(jié) 離子交換樹脂的變質(zhì)、污染與復(fù)蘇一、離子交換樹脂組成：單體：如苯乙烯、甲基丙烯酸。交聯(lián)劑：架橋，使聚合物構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如二乙烯苯。交換基團(tuán)：具有活性離子的基團(tuán)。合成：高分子骨架的合成、交換基團(tuán)的引入。結(jié)構(gòu)：高分子骨架：交聯(lián)的高分子聚合物。離子交換基團(tuán)：-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl、-N(CH3)2、 -N(CH3)2孔：凝膠孔、毛細(xì)孔書寫：固定離子：R可交換離子： -SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl、-N(CH3)2、

2、-N(CH3)2離子交換樹脂的分類按活性基團(tuán)的性質(zhì)按離子交換樹脂的孔型按單體的種類陽離子交換樹脂: 強(qiáng)酸性和弱酸性陰離子交換樹脂: 強(qiáng)堿性和弱堿性螯合型兩性氧化還原型凝膠型大孔型等孔型*苯乙烯丙烯酸酚醛離子交換樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)凝膠型和大孔型樹脂的物理性能比較特性普通凝膠型離子交換樹脂大孔型離子交換數(shù)值平均孔徑(潤濕態(tài))范圍1.5-9.0nm(平均2-4nm)范圍10-500nm(平均20-100nm)對有機(jī)物的吸附能力吸附能力低,易被污染和老化吸附能力高比表面積(mL/g)(干燥態(tài))0.10.1-0.4細(xì)孔容積(mL/g)(干燥態(tài))00.2外觀透明球狀顆粒半透明至不透明球狀顆粒加工工藝苯乙烯+二

3、乙烯苯苯乙烯+二乙烯苯+致孔劑樹脂的命名 (GB1631-1979)代號分類名稱代號骨架名稱0強(qiáng)酸性0苯乙烯系1弱酸性1丙烯酸系2強(qiáng)堿性2酚醛系3弱堿性3環(huán)氧系4螯合性4乙烯吡啶系5兩 性5脲醛系6氧化還原性6氯乙烯系二、離子交換樹脂的性能物理性能 外觀(顏色、形狀)、粒度、密度、 含水率、轉(zhuǎn)型膨脹率、耐磨性化學(xué)性能 酸堿性、選擇性、交換容量、熱穩(wěn)定性外觀顏色：組成不同，顏色各異，苯乙烯呈黃色。交聯(lián)多的、雜質(zhì)多的顏色深些。形狀：球形，圓球率達(dá)90%以上，則水流阻力小。容量大。粒度用有效粒徑和均一系數(shù)表示。粒度小，交換速度快，交換容量大，但壓力損失大。粒度要均勻，在0.3-1.2mm范圍。物理性

4、能密度：單位體積樹脂的質(zhì)量。1. 濕真密度：單位真體積（不包括樹脂顆粒間空隙的體積）內(nèi)濕態(tài)離子交換樹脂的質(zhì)量，g/mL。濕真密度=濕態(tài)樹脂質(zhì)量/濕態(tài)樹脂的真體積一般在1.04-1.30。陽離子大于陰離子的。離子交換樹脂的反洗強(qiáng)度、分層特性與其有關(guān)。2. 濕視密度：單位體積內(nèi)緊密無規(guī)律排列的濕態(tài)離子交換樹脂的質(zhì)量,g/mL。濕視密度=濕態(tài)樹脂質(zhì)量/濕態(tài)樹脂的視體積。用來計算離子交換器中裝載樹脂時所需濕樹脂量的主要數(shù)據(jù)，一般在0.6-0.85。物理性能含水率在水中充分膨脹的濕樹脂中所含水分的百分?jǐn)?shù)。含水率=(濕樹脂質(zhì)量-干樹脂質(zhì)量)/濕樹脂質(zhì)量與樹脂的類別、結(jié)構(gòu)、酸堿性、交聯(lián)度、交換容量、離子型態(tài)

5、等有關(guān)。反映離子交換樹脂的交聯(lián)度和網(wǎng)眼中的孔隙率。含水率愈大，孔隙率愈大，其交聯(lián)度愈小?？闪私鈽渲阅艿淖兓６緫?yīng)注意防凍。一般在40-60%。物理性能轉(zhuǎn)型膨脹率離子交換樹脂從一種單一離子型轉(zhuǎn)為另一種單一離子型時體積的變化的百分率.樹脂在交換和再生時,體積均會發(fā)生變化。經(jīng)長時間不斷地脹縮，樹脂會發(fā)生老化現(xiàn)象，從而影響樹脂的使用壽命。耐磨性由于相互摩擦和脹縮作用，產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。一般年損耗應(yīng)小于3-7%。物理性能酸堿性不溶性的高分子電解質(zhì)，可電離，使得水溶液具有酸堿性。強(qiáng)型樹脂不受溶液pH影響。弱型樹脂電離能力小。弱酸性樹脂在堿性溶液中電離能力大，弱堿性樹脂在酸性溶液中電離能力大。樹脂的水解反應(yīng)

6、 RCOOHNa + H2O RCOONa+NaOH RNH2Cl + H2O RNH2OH+HCl化學(xué)性能對各種離子的交換能力是不同的。易被交換的離子，解析就困難。交換順序：優(yōu)先高化合價的，其次原子序數(shù)大的。 強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂： Fe2+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+H+ 弱酸性陽離子交換樹脂： H+ Fe2+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+ 強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂： SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3- 弱酸性陰離子交換樹脂： OH- SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3-化學(xué)性能交換容量單位質(zhì)量或單位體積的樹脂所能交換離子的摩爾數(shù)。表示離子交換樹脂的交

7、換能力。1. 全交換容量：單位質(zhì)量的離子交換樹脂全部離子交換基團(tuán)的數(shù)量，mmol/L。2. 工作交換容量指一個周期中單位體積樹脂實現(xiàn)的離子交換量，即單位體積樹脂從再生型離子交換基團(tuán)變?yōu)槭突鶊F(tuán)的量。影響因素：樹脂種類、粒度、原水水質(zhì)、出水水質(zhì)的終點控制、交換運行流速、樹脂層高度、再生方式等。質(zhì)量表示單位EM：mol/kg(干樹脂)體積表示單位EV：mol/m3(濕樹脂)EV=EM(1-含水率)濕視密度化學(xué)性能熱穩(wěn)定性表示受熱作用下樹脂保持理化性能不變的能力。強(qiáng)堿性樹脂：強(qiáng)堿基團(tuán)受熱分解，降低交換容量。弱堿性樹脂：弱堿基團(tuán)受熱發(fā)生脫落現(xiàn)象，穩(wěn)定性較強(qiáng)堿性高。強(qiáng)酸性樹脂：最高使用溫度為100-1

8、20，再高則發(fā)生脫落現(xiàn)象。弱酸性樹脂：穩(wěn)定性更高一些，達(dá)200，且短時間內(nèi)容量損失小。熱穩(wěn)定性大小順序為：弱酸性強(qiáng)酸性弱堿性型強(qiáng)堿性型強(qiáng)堿性化學(xué)性能第二節(jié) 離子交換基本原理1. 離子交換反應(yīng) 可逆性 強(qiáng)型樹脂的交換反應(yīng) 弱型樹脂的交換反應(yīng)2. 離子交換平衡和選擇性系數(shù)3. 離子交換速度 控制步驟 表達(dá)式 影響因素1. 離子交換反應(yīng) - 可逆性離子交換反應(yīng)是在固態(tài)的樹脂和溶液接觸的界面間發(fā)生的。交換再生2 RNa + Ca2+R2Ca +2 Na+1. 離子交換反應(yīng) - 強(qiáng)型樹脂的交換反應(yīng)中性鹽分解反應(yīng)中和反應(yīng)復(fù)分解反應(yīng)RSO3H +NaCl = RSO3Na + HClR=NOH + NaCl

9、 = R=NCl + NaOHRSO3H +NaOH = RSO3Na + H2OR=NOH + HCl = R=NCl + H2ORSO3H +CaCl = R(SO3)2Ca + 2NaClR(=NCl)2 + Na2SO4l = R(=N)2SO4 + 2NaCl1. 離子交換反應(yīng) - 弱型樹脂的交換反應(yīng)非中性鹽的分解反應(yīng)強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的中和反應(yīng)復(fù)分解反應(yīng)R(COOH)2 + Ca(HCO3)2 = R(COO)2Ca + 2H2CO3R=NH2OH + NH4Cl = R=NH2Cl + NH4OHRCOOH +NaOH = RCOONa + H2OR=NH2OH + HCl = R=NH

10、2Cl + H2OR(COOH)2 + CaCl = R(COO)2Ca + 2NaClR=NH2Cl + NaNO3 = R=NH2NO3 + NaCl2. 離子交換平衡和選擇性系數(shù) -離子交換平衡RH + Na+ = RNa + H+2RNa + Ca2+ = R2Na + 2Na+2. 離子交換平衡和選擇性系數(shù) -離子交換平衡等價離子：RM1 + M2 = RM2 + M1不等價離子：2RM1 + M22+ = R2M2 + 2M1+式中： y 為平衡時樹脂相中M2離子的分率， x 為平衡時水相中M2離子的分率， E 樹脂的全交換容量，mol/L; C0 為液相中兩種交換離子的總濃度（按

11、1價離子計），mol/L2. 離子交換平衡和選擇性系數(shù) -選擇性系數(shù)選擇系數(shù)大于1，說明該樹脂對M2的親合力大于對M1的親合力，即有利于進(jìn)行離子交換反應(yīng)。3. 離子交換速度 -控制步驟1.邊界水膜內(nèi)的擴(kuò)散2.交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散3.離子交換4.交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散5.邊界水膜內(nèi)的擴(kuò)散3. 離子交換速度 -表達(dá)式式中： - 單位時間內(nèi)單位體積樹脂的離子交換量； D0 - 總擴(kuò)散系數(shù)； B - 與粒度均勻程度有關(guān)的系數(shù)； C1、C2 - 分別表示同一種離子在溶液相和樹脂相中的濃度； - 樹脂的空隙度； - 樹脂顆粒的粒徑； - 擴(kuò)散距離。 3. 離子交換速度 -影響因素離子性質(zhì): 離子水合半徑或所帶電荷越

12、多,擴(kuò)散速度就越慢;樹脂的交聯(lián)度: 交聯(lián)度大的樹脂的交換速度受孔道擴(kuò)散控制;樹脂的粒徑: 樹脂的粒徑越小,擴(kuò)散速度越快;樹脂的空隙度: 樹脂的空隙度越小,擴(kuò)散速度越快;水中離子濃度: C0.1mol/L時孔道擴(kuò)散控制; C0.003mol/L時液膜擴(kuò)散控制;水溶液的流速: 流速增加,液膜擴(kuò)散速度加快,但孔道擴(kuò)散不受影響;水溶液的溫度: 溫度升高,加快擴(kuò)散速度。第三節(jié) 離子交換樹脂層的工作過程交換帶的形成階段交換帶的移動階段交換帶的消失階段第四節(jié) 離子交換樹脂的使用一、離子交換樹脂的選用：交換容量、原水水質(zhì)、 出水水質(zhì)、水處理設(shè)備的類型二、離子交換樹脂的保管：新樹脂、舊樹脂三、新樹脂投運前的預(yù)處理：陽樹脂、陰樹脂四、離子交換樹脂的裝填：五、離子交換樹脂的鑒別方法： 陽樹脂和陰樹脂 酸性樹脂 堿性樹脂一、離子交換樹脂的選用 -交換容量類型骨架組成的離子交換樹脂,弱型樹脂大于強(qiáng)型樹脂。同類型樹脂，交換容量隨交聯(lián)度的變小而增大?？紤]交換容量、機(jī)械強(qiáng)度。樹脂類型全交換容量/(mmol/g)(干樹脂)工作交換容量/(mmol/g)(濕樹脂)陽樹脂弱酸9.02.32.5強(qiáng)酸4.50.81.1陰樹脂弱堿5.00.61.0強(qiáng)堿3.50.350.45苯乙烯系樹脂的交換容量比較一、離子交換樹脂的選用 -原水水質(zhì)僅去除吸附性較強(qiáng)的陽離子（Ca、Mg、Al、Fe）吸附性較弱的離子（K+、Na+或HC