華南理工環(huán)境科學(xué)課件第十五章離子交換

第十五章離子交換法1本章內(nèi)容第一節(jié)：概述第二節(jié)：離子交換樹脂第三節(jié)：離子交換工藝過程及設(shè)備第四節(jié)：離子交換系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用2第一節(jié)：概述離子交換法：借助于離子交換劑上的離子和水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)而除去水中有害離子的方法。特點(diǎn)：去除率高，可濃縮回收后用物質(zhì)，設(shè)備簡單，操作容易對預(yù)處理要求高，其應(yīng)用受離子交換劑品種、性能、成本的限制。3陽離子交換：陰離子交換：離子交換過程A+A+A+A+A+A+A+A+A+A+A+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+B+A+A+A+A+A+A+A+A+A+A+A+4離子交換劑分類無機(jī)離子交換劑天然沸石人造沸石有機(jī)離子交換劑(離子交換樹脂)高分子聚合物電解質(zhì)使用最為廣泛的一種離子交換劑5第二節(jié)離子交換樹脂樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架6-----+++++骨架(母體)活動離子固定離子活性基團(tuán)陽離子交換樹脂結(jié)構(gòu)交聯(lián)劑酚醛樹脂聚乙烯樹脂骨架酸性基團(tuán)(-SO3H,-COOH)堿性基團(tuán)(-NR2,-N+R3)特殊基團(tuán)活性基團(tuán)7聚乙烯樹脂8母體活性基團(tuán)可交換離子強(qiáng)酸性：弱酸性：強(qiáng)堿性：弱堿性：離子交換樹脂的分類根據(jù)樹脂功能基團(tuán)的性質(zhì)：陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂9

離子交換樹脂的分類(con’d)根據(jù)樹脂類型和孔結(jié)構(gòu)：凝膠型樹脂：干燥：內(nèi)部無毛細(xì)孔吸水：潤脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙(2-4nm)適合于吸附無機(jī)離子。大孔型樹脂：有大量永久性微細(xì)孔和大網(wǎng)孔，潤濕后孔徑100～500nm表面積大，活性中心多，離子擴(kuò)散速度快，使用時的作用快、效率高，所需處理時間縮短易吸附和交換有機(jī)大分子物質(zhì)抗污染力強(qiáng)，較容易再生

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二乙烯苯（交聯(lián)劑）苯乙烯長鏈離子交換樹脂的分類(con’d)根據(jù)樹脂的交聯(lián)度交聯(lián)度：交聯(lián)劑在樹脂單體總量中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)低交聯(lián)度：2~4%一般交聯(lián)度：7~8%高交聯(lián)度：12~20%最常用：7-12%11全名稱由分類名稱、骨架名稱、基本名稱組成：孔隙結(jié)構(gòu)分凝膠型和大孔型兩種具有物理孔結(jié)構(gòu)的稱大孔型樹脂，在全名稱前加“大孔”酸性樹脂：名稱前加“陽”堿性樹脂：名稱前加“陰”e.g.大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂型號以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類第二位數(shù)字代表骨架的差異第三位數(shù)字為順序號用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異大孔樹脂：型號前加“D”凝膠型樹脂：交聯(lián)度值在型號后用“×”號連接數(shù)字《離子交換樹脂分類、命名及型號》(GB1631-79)命名原則12００１×７交聯(lián)度為7%的強(qiáng)酸性苯乙烯系凝膠型陽離子交換樹脂大孔型弱堿性丙烯酸陰離子交換樹脂離子交換樹脂的命名及型號(con’d)交聯(lián)度數(shù)值順序號骨架代號分類代號凝膠型●●●×●Ｄ●●●分類代號順序號骨架代號大孔型代號大孔型Ｄ31513離子交換樹脂物理性質(zhì)外觀：凝膠型：透明或半透明珠體；大孔型：乳白色或不透明珠體。粒度：0.3~1.2m，影響交換速度，水流阻力和反洗密度濕真密度：樹脂在水中充分溶解后的質(zhì)量與真體積(不包括顆?？紫扼w積)之比(1.04~1.3g/L)濕視密度：樹脂在水中溶解后的質(zhì)量和堆積體積之比(0.60~0.85g/ml)。含水量：0.60~0.85g/ml溶脹性：活性基團(tuán)的水合作用使交聯(lián)網(wǎng)孔增大，體積膨脹的現(xiàn)象其它：機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、孔結(jié)構(gòu)14離子交換樹脂化學(xué)性能交換選擇性：離子交換樹脂對水溶液或廢水中某種離子優(yōu)先交換的性能強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂不同價態(tài)：電荷越高，親和力越大Na+＜Ca2+＜Al3+＜Th（IV）離子價態(tài)相同：親和力隨著水合離子半徑減小而增大

一價離子：Li+＜H+＜Na+＜NH4+＜K+＜Cs+＜Ag+

二價離子：Mg2+＜Zn2+＜Cu2+＜Ca2+＜Pb2+＜Ba2+

稀土元素：親和力隨原子序數(shù)增大而減小15離子交換樹脂化學(xué)性能(con’d)弱酸型陽離子交換樹脂H+的親和力比其它陽離子大，其它同強(qiáng)酸型強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂F(xiàn)-＜OH-＜CH3COO-＜HCOO-＜C1-＜NO2-＜CN-＜Br-＜NO3-＜HSO4-＜I-＜CrO42-＜SO42-＜檸檬酸根離子弱堿型陰離子交換樹脂F(xiàn)-＜C1-＜Br-＜I-＜CH3COO-＜PO43-＜AsO43-＜NO3-＜酒石酸根離子＜CrO42-＜SO42-＜OH-16離子交換樹脂化學(xué)性能(con’d)交換容量：單位質(zhì)量的干離子或濕離子交換劑所能吸附的一價離子的物質(zhì)的量(mmol)總交換容量>平衡交換容量>工作交換容量酸堿性:

酸型陽樹脂在水中電離出H+堿型陰樹脂在水中電離出OH-再生：離子交換反應(yīng)的可逆性交換的逆反應(yīng)

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e.g.稱取1g強(qiáng)酸型干樹脂，置于250mL錐形瓶中，準(zhǔn)確加入0.1mol.L-1NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液100mL，塞緊后振蕩，放置過夜，移取上層清液25mL，以酚酞為指示劑，用0.1mol.L-1HCl標(biāo)液12.5mL滴定至紅色消失，計算樹脂交換容量。18離子交換平衡離子交換平衡選擇常數(shù)K令Q為樹脂總交換量，樹脂中Bn+離子濃度為q,廢水中A+和Bn+離子總濃度為c0,Bn+平衡濃度為c則A+在樹脂中的平衡濃度為Q-q,在廢水中的平衡濃度為c0-c:19樹脂的失效度溶液中離子殘留率等價離子交換理論等溫平衡線等價離子交換20

B+:自溶液中擴(kuò)散到樹脂表面→進(jìn)入樹脂內(nèi)部的活性中心→與RB在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng);A+:解吸附離子A+自樹脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹脂表面→從樹脂表面擴(kuò)散到溶液中

交換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)散控制.離子交換機(jī)理211.樹脂的交聯(lián)度:

越大則網(wǎng)孔越小，內(nèi)擴(kuò)散越慢。2.樹脂顆粒：顆粒小則內(nèi)擴(kuò)散距離縮短和液膜擴(kuò)散的表面積增大，使擴(kuò)散速度越快。3.溶液離子濃度：濃度越大，擴(kuò)散速度越快。4.水溫：水溫高則離子的動能增加，水的粘度減小，液膜變薄，有利于離子擴(kuò)散。5.攪拌或高流速：液膜變薄，加快液膜擴(kuò)散，但不影響內(nèi)孔擴(kuò)散。6.被交換離子的電荷數(shù)和水合離子的半徑：越大則內(nèi)孔擴(kuò)散速度越慢。影響離子交換擴(kuò)散速度的因素22第三節(jié)：離子交換工藝過程及設(shè)備

過濾(工作交換)反洗再生清洗離子交換工藝過程23運(yùn)行tT=0T2T1T3失效層新料層工作層BcB=c0AcB=0cB=0cB→0cB=c0樹脂中可交換離子A+廢水中被交換離子B+

飽和穿透S1S2S1：交換工作容量S2：到穿透點(diǎn)時尚未利用的交換容量固定床離子交換器工作過程–交換24工作層(交換區(qū))的厚度δ取決于：

（1）所用的樹脂（2）B離子種類（3）水流速度假設(shè):v1:離子供應(yīng)速度;v2:離子交換速度,對給定的樹脂和B：（1）當(dāng)v1＜v2時，交換區(qū)的厚度小，樹脂利用率高；（2）v1＞v2時，進(jìn)入的B離子來不及交換就流過去了，故交換區(qū)厚度大，樹脂利用率低。合適的水流速度通常由實驗確定，一般為10～30m/h。離子交換器工作過程–交換(con’d)25進(jìn)水出水Ca2+Mg2+Na+H+t硬度酸度堿度進(jìn)水Na+進(jìn)水Ca2++Mg2+出水強(qiáng)酸酸度出水堿度出水Na+a出水Ca2++Mg2+b強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂:26固定床離子交換器工作過程–反沖洗松動樹脂層，使再生液能均勻滲入層中，與交換劑充分接觸把交換過程中產(chǎn)生的破碎粒子和截留的污流沖走27固定床離子交換器工作過程–再生包括再生和清洗兩個過程。再生劑種類：強(qiáng)酸性陽樹脂：HCl或H2SO4等強(qiáng)酸，NaCl、Na2SO4弱酸性陽樹脂：HCl、H2SO4再生；強(qiáng)堿性陰樹脂：NaOH等強(qiáng)堿，NaCl弱堿性陰樹脂：NaOH，Na2CO3，NaHCO3

28固定床離子交換器工作過程–再生(con’d)再生劑的用量：理論:1eq再生劑可以恢復(fù)樹脂1eq的交換容量實際:再生劑用量是理論值的2-5倍29

固定床離子交換器工作過程–再生(con’d)再生方式：順流：再生劑流向與交換時水流方向相同設(shè)備簡單，操作方便，工作可靠再生劑用量多，再生效率低，交換時，出水水質(zhì)較差。逆流：再生劑流向與交換時水流方向相反再生劑耗量少(比順流法少40％左右)，再生效率高，能保證出水質(zhì)量設(shè)備較復(fù)雜，操作控制較嚴(yán)格。30固定床離子交換器工作過程–清洗洗滌殘留的再生液和再生時可能出現(xiàn)的反應(yīng)產(chǎn)物水流方向和交換階段的水流方向相同淋洗用水：樹脂體積4~13倍；淋洗速度：2~4m/h31

殼體：支撐作用，一般為立式圓柱形壓力容器

進(jìn)水裝置：分配進(jìn)水和收集反沖洗水

底部排水裝置：收集出水和分配反洗水，保證水流分布均勻、不漏樹脂。

再生液從底部排水裝置進(jìn)入，不需設(shè)再生液分布裝置，但需在樹脂層面設(shè)一中排液管排放再生液。

離子交換設(shè)備–固定床32固定床進(jìn)水裝置33

主要包括交換柱和再生塔；

整個設(shè)備在間斷移動中完成交換和再生：定期從交換柱排出部分失效樹脂，送到再生柱再生；同時補(bǔ)充等量新鮮樹脂參與工作。

效率較高，樹脂用量少。離子交換設(shè)備–移動床34離子交換組合方式35第四節(jié)：離子交換系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用離子交換樹脂的選擇工藝系統(tǒng)的確定離子交換器尺寸計算再生計算阻力核算36固定床的設(shè)計計算樹脂用量的初步計算：計算一個交換周期內(nèi)應(yīng)去除的污染物總量N(mol)根據(jù)選定樹脂的工作交換流量E(mol/m3(樹脂))，計算樹脂體積VR(m3):根據(jù)樹脂的濕視密度ρ(t/m3),計算樹脂質(zhì)量M(t)Q:廢水平均流量,m3/hc0,c:廢水初始和出水濃度；T：交換周期,h37固定床的設(shè)計計算(con’d)交換柱主要尺寸的計算：選定樹脂層高度HR