-離子交換樹脂及原理教學(xué)資料

離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂及離子交換(lízǐjiāohuàn)基本原理第一節(jié)離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂及其性能第二節(jié)離子交換(lízǐjiāohuàn)基本原理第三節(jié)離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂層的工作過(guò)程第四節(jié)離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂的使用第五節(jié)離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂的變質(zhì)、污染與復(fù)蘇第一頁(yè)，共33頁(yè)。一、離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂組成：?jiǎn)误w：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(gǔjià)的合成、交換基團(tuán)的引入。結(jié)構(gòu)：高分子骨架(gǔjià)：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、-N(CH3)2第二頁(yè)，共33頁(yè)。離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂的分類按活性基團(tuán)(jītuán)的性質(zhì)按離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂的孔型按單體的種類陽(yáng)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*苯乙烯丙烯酸酚醛第三頁(yè)，共33頁(yè)。離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第四頁(yè)，共33頁(yè)。凝膠型和大孔型(kǒnɡxínɡ)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(rùn)濕態(tài))范圍1.5-9.0nm(平均2-4nm)范圍10-500nm(平均20-100nm)對(duì)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))0＜0.2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+二乙烯苯苯乙烯+二乙烯苯+致孔劑第五頁(yè)，共33頁(yè)。樹脂(shùzhī)的命名(GB1631-1979)代號(hào)分類名稱代號(hào)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氯乙烯系第六頁(yè)，共33頁(yè)。二、離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂的性能物理性能外觀(顏色、形狀(xíngzhuàn))、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)定性第七頁(yè)，共33頁(yè)。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(sǔnshī)大。粒度要均勻，在0.3-1.2mm范圍。物理性能第八頁(yè)，共33頁(yè)。密度：?jiǎn)挝惑w積樹脂的質(zhì)量。1.濕真密度：?jiǎn)挝徽骟w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(yáng)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：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)緊密無(wú)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(lái)(yònɡlái)計(jì)算離子交換器中裝載樹脂時(shí)所需濕樹脂量的主要數(shù)據(jù)，一般在0.6-0.85。物理性能第九頁(yè)，共33頁(yè)。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)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?。冬季應(yīng)注意(zhùyì)防凍。一般在40-60%。物理性能第十頁(yè)，共33頁(yè)。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(shí)體積的變化的百分率.樹脂在交換和再生時(shí),體積均會(huì)發(fā)生變化。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間不斷地脹縮，樹脂會(huì)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(chǎnshēng)破裂現(xiàn)象。一般年損耗應(yīng)小于3-7%。物理性能第十一頁(yè)，共33頁(yè)。酸堿性不溶性的高分子電解質(zhì)，可電離，使得水溶液具有(jùyǒu)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)RCOOHNa+H2O→RCOONa+NaOHRNH2Cl+H2O→RNH2OH+HCl化學(xué)(huàxué)性能第十二頁(yè)，共33頁(yè)。對(duì)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(yōuxiān)高化合價(jià)的，其次原子序數(shù)大的。強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂：Fe2+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞H+弱酸性陽(yáng)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)(huàxué)性能第十三頁(yè)，共33頁(yè)。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(lízǐjiāohuàn)樹脂的交換能力。1.全交換容量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂全部離子交換(lízǐjiāohuàn)基團(tuán)的數(shù)量，mmol/L。2.工作交換容量指一個(gè)周期中單位體積樹脂實(shí)現(xiàn)的離子交換(lízǐjiāohuàn)量，即單位體積樹脂從再生型離子交換(lízǐjiāohuàn)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(diǎn)控制、交換運(yùn)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)(huàxué)性能第十四頁(yè)，共33頁(yè)。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(róngliàng)。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100-120℃，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(shí)間內(nèi)容量(róngliàng)損失小。熱穩(wěn)定性大小順序?yàn)椋喝跛嵝裕緩?qiáng)酸性＞弱堿性＞Ⅰ型強(qiáng)堿性＞Ⅱ型強(qiáng)堿性化學(xué)(huàxué)性能第十五頁(yè)，共33頁(yè)。第二節(jié)離子交換(lízǐjiāohuàn)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(kòngzhì)步驟表達(dá)式影響因素第十六頁(yè)，共33頁(yè)。1.離子交換(lízǐjiāohuàn)反應(yīng)---可逆性離子交換反應(yīng)是在固態(tài)(gùtài)的樹脂和溶液接觸的界面間發(fā)生的。交換(jiāohuàn)再生2RNa+Ca2+R2Ca+2Na+第十七頁(yè)，共33頁(yè)。1.離子交換反應(yīng)(fǎnyìng)---強(qiáng)型樹脂的交換反應(yīng)(fǎnyìng)中性鹽分解(fēnjiě)反應(yīng)中和反應(yīng)(fǎnyìng)復(fù)分解反應(yīng)RSO3H+NaCl=RSO3Na+HClR=NOH+NaCl=R=NCl+NaOHRSO3H+NaOH=RSO3Na+H2OR=NOH+HCl=R=NCl+H2ORSO3H+CaCl=R(SO3)2Ca+2NaClR(=NCl)2+Na2SO4l=R(=N)2SO4+2NaCl第十八頁(yè)，共33頁(yè)。1.離子交換反應(yīng)---弱型樹脂(shùzhī)的交換反應(yīng)非中性鹽的分解(fēnjiě)反應(yīng)強(qiáng)酸或強(qiáng)堿(qiánɡjiǎn)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=NH2Cl+H2OR(COOH)2+CaCl=R(COO)2Ca+2NaClR=NH2Cl+NaNO3=R=NH2NO3+NaCl第十九頁(yè)，共33頁(yè)。2.離子交換平衡(pínghéng)和選擇性系數(shù)--離子交換平衡(pínghéng)RH+Na+=RNa+H+2RNa+Ca2+=R2Na+2Na+第二十頁(yè)，共33頁(yè)。2.離子交換(lízǐjiāohuàn)平衡和選擇性系數(shù)--離子交換(lízǐjiāohuàn)平衡等價(jià)(děngjià)離子：RM1+M2=RM2+M1不等價(jià)離子(lízǐ)：2RM1+M22+=R2M2+2M1+式中：y為平衡時(shí)樹脂相中M2離子的分率，x為平衡時(shí)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1價(jià)離子計(jì)），mol/L第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。2.離子交換(lízǐjiāohuàn)平衡和選擇性系數(shù)-選擇性系數(shù)選擇系數(shù)大于1，說(shuō)明(shuōmíng)該樹脂對(duì)M2的親合力大于對(duì)M1的親合力，即有利于進(jìn)行離子交換反應(yīng)。第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。3.離子交換速度(sùdù)--控制步驟1.邊界(biānjiè)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(biānjiè)水膜內(nèi)的擴(kuò)散第二十三頁(yè)，共33頁(yè)。3.離子交換(lízǐjiāohuàn)速度--表達(dá)式式中：---單位(dānwèi)時(shí)間內(nèi)單位(dānwèi)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；ρ---樹脂的空隙度；φ---樹脂顆粒的粒徑；δ---擴(kuò)散距離。第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。3.離子交換速度(sùdù)--影響因素離子性質(zhì):離子水合半徑或所帶電荷越多,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:C＞0.1mol/L時(shí)孔道擴(kuò)散控制;C＜0.003mol/L時(shí)液膜擴(kuò)散控制;水溶液的流速(liúsù):流速(liúsù)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。第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。第三節(jié)離子交換(lízǐjiāohuàn)樹脂層的工作過(guò)程交換帶的形成階段(jiēduàn)交換帶的移動(dòng)階段(jiēduàn)交換帶的消失階段(jiēduàn)第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。第四節(jié)離子交換樹脂(shùzhī)的使用一、離子交換樹脂的選用：交換容量、原水水質(zhì)、出水(chūshuǐ)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(yùn)前的預(yù)處理：陽(yáng)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(yáng)樹脂和陰樹脂酸性樹脂堿性樹脂第二十七頁(yè)，共33頁(yè)。一、離子交換樹脂的選用(xuǎnyòng)---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