第十一章離子交換

第十一章離子交換第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述一、離子交換法

離子交換劑上的離子和水中的離子進行交換的一種特殊吸附現(xiàn)象。與其它吸附過程相比：主要吸附水中離子態(tài)物質；交換劑上的離子和水中離子進行“等當量”的交換。第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述二、發(fā)展1805年英國科學家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和NH4+的交換現(xiàn)象；1876年Lemberg揭示了離子交換的可逆性和化學計量關系；1935年人工合成了離子交換樹脂；1940年應用于工業(yè)生產；1951年我國開始合成樹脂。第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述

(一)給水處理

硬水軟化、脫鹽。純水、高純水的制備。

(二)廢水處理

廢水中金屬離子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+

(三)工業(yè)生產

產品的提純

三、應用第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述

1去除率高，凈化效果好；

2可做到污染物的回收利用；

3對廢水的預處理要求較高；

4樹脂再生液需要進一步處置。四、特點第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)離子交換樹脂

固體球形顆粒，多孔網狀結構；不溶于水；具有離子交換特性的有機高分子聚電解質。一、離子交換樹脂

(一)組成

離子交換樹脂母體(骨架)活性基團固定離子可交換離子苯乙烯(單體)+二乙烯苯(交聯(lián)劑)母體共聚H2SO4功能基反應R—SO3H固定離子可交換離子母體第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)離子交換樹脂

(二)樹脂分類按選擇性按結構離子交換樹脂凝膠型等孔型孔大、均勻，抗有機污染能力強?？状螅苊浂刃?，交換速度高，抗污染能力強?？紫缎　⑸?，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂R—NH3OH強堿性陰離子交換樹脂RNOH弱酸性陽離子交換樹脂R—COOH強酸性陽離子交換樹脂R—SO3H第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三二、樹脂的特性第二節(jié)離子交換樹脂

(一)外觀形狀：透明或半透明的球狀珠體。顏色：白、淺黃、赤褐色。

(二)含水率

樹脂孔隙內所含的水分，一般在40%～69%。與樹脂的膠聯(lián)度有關，交聯(lián)度低，空隙率高，含水率高。第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

(三)密度干真密度：干燥狀態(tài)下，樹脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹脂本身的密度。表觀密度：樹脂在水中充分溶脹后的堆積密度(視密度)。單位均為mg/L.第二節(jié)離子交換樹脂

(四)交聯(lián)度交聯(lián)度為樹脂合成時交聯(lián)劑的用量，一般為7%~10%。交聯(lián)度越高，孔隙度越低，密度越大，對半徑較大的離子和水合離子擴散速度越低，交換量越小。在水中浸泡，形變小，較穩(wěn)定。第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

(五)溶脹性

吸水后體積增大的現(xiàn)象。溶脹程度用溶脹率表示：溶脹的原因

水擴散到樹脂交聯(lián)網孔發(fā)生溶脹；活性基團離解形成水合離子。影響因素樹脂交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，溶脹率越低?；钚曰鶊F：離解程度越大，溶脹率越大；可交換離子：水合半徑越大，溶脹率越高。第二節(jié)離子交換樹脂第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)離子交換樹脂

(六)交換容量

單位體積濕樹脂(容量表示法)或單位重量干樹脂(重量表示法)可發(fā)生交換的活性基團數(shù)量。

容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。

重量表示法EW

：mmol/g、mol/kg。EV=EW×[濕比重×(1-含水率)]

全交換容量：單位體積或重量樹脂中含可交換基團的總數(shù)。工作交換容量：在動態(tài)工作條件下，當出水水質達到交換終點時，樹脂層達到的平均交換容量。第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)離子交換樹脂三、樹脂的選擇

根據處理對象選擇對應類型的樹脂。注意離子在水中的存在狀態(tài)，如Cr6+

在廢水中的存在形式為CrO42-或Cr2O72-。第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)離子交換原理一、離子交換反應

b(R—A)a++aBb+?a(R—B)b++bAa+

特點：

符合質量作用定律;

等當量進行的同性離子的互換反應;

具有飽和性;

樹脂母體和固定離子不發(fā)生變化。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)離子交換原理二、離子交換平衡

b(R—A)a++aBb+?a(R—B)b++bAa+有：式中：f為活度系數(shù)。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三三、離子交換選擇性平衡吸著率設：fR-B/fR-A=C；

fA/fB=1選擇性系數(shù)K//C=K第三節(jié)離子交換原理第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三a=b=1Q為樹脂的全交換容量；q為B在離子交換樹脂上平衡交換量；C0、C為水中B離子的初始和平衡濃度。第三節(jié)離子交換原理第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

影響離子交換的選擇性

1在常溫、稀溶液中離子價數(shù)越高，與固定離子的靜電引力越大，越優(yōu)先交換。

Cr3+＞Ca2+＞Na+PO43+＞SO42-＞Cl-

同價離子原子序數(shù)越大，與固定離子的靜電引力越大；稀土元素相反。

2在高濃度的溶液中

由于離子的水化作用不充分，水合離子的半徑接近離子半徑，原子序數(shù)越大，離子半徑增大，離子表面電荷密度相對減小，與固定離子的靜電引力越小。第三節(jié)離子交換原理第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

3樹脂的結構和性質

樹脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度越高，選擇性增加強酸(堿)、弱酸堿樹脂的交換

4溶液的溫度和pH溫度升高，K值增大，離子和固定基團交換勢增大。pH值：影響某些離子的存在狀態(tài)，

Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+

影響弱酸、堿樹脂固定基團的電離。第三節(jié)離子交換原理第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三樹脂顆粒水膜BB(1)(2)(3)(A)(4)(5)(6)A外擴散薄膜擴散內擴散三、交換動力學簡述

(一)交換過程第三節(jié)離子交換原理第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

(二)影響交換速度的因素

1薄膜擴散

離子濃度

溶液離子濃度低，樹脂交換容量大時，薄膜擴散受阻。溶液離子濃度過高，樹脂易發(fā)生收縮現(xiàn)象，內擴散受阻。

水流速度

水流速度增加，水膜變薄，薄膜擴散加快。

樹脂顆粒的大小

樹脂顆粒小，比表面積增加，利于薄膜擴散。第三節(jié)離子交換原理第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2內擴散

離子電荷

離子電荷越大，擴散系數(shù)越小，不利于內擴散。樹脂交聯(lián)度

交聯(lián)度越低，樹脂網孔越大，有利于離子的內擴散。離子的水化度

離子水化程度大，水合離子半徑越大，不利于離子的內擴散。第四節(jié)離子交換原理第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)離子交換工藝及設備二、動態(tài)交換

(一)裝置類型

固定床系統(tǒng)單床、復床、混合床移動床和流化床一、離子交換操作方式靜態(tài)交換

動態(tài)交換第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)離子交換工藝及設備

(二)工藝流程及操作過程工藝流程運行過程廢水預處理交換離子排放去除影響交換的雜質:懸浮物、油類、膠體吸附、過濾去除陽離子、陰離子反洗再生交換正洗第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)離子交換工藝及設備三、樹脂層離子交換規(guī)律——分層失效原理(一)廢水中只有一種離子B+第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)離子交換工藝及設備(二)廢水中有幾種離子B1+、B2+、B3+

且交換能力B1+＞B2+＞B3+

離子交換可對廢水中不同離子進行分離。第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)離子交換工藝及設備三、樹脂的再生

(一)再生的目的恢復樹脂的交換能力回收有用物質(二)再生原理

b(R—A)a++aBb+≒a(R—B)b++bAa+第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)離子交換工藝及設備(二)影響再生的因素

再生劑再生劑的種類

H型陽樹脂：再生劑HCl或H2SO4，HCl優(yōu)于H2SO4。

OH型陰樹脂：再生劑Na2CO3或NaOH。

再生劑的濃度

HCl5～10%NaOH10～12%、4～8%再生劑用量1.2～3.0倍樹脂體積。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)離子交換工藝及設備

再生方式

順流再生

優(yōu)點：工藝簡單；操作方便、可靠。

缺點：有重復交換現(xiàn)象，再生劑用量高；工作交換容量低。第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三再生方式

逆順流再生

優(yōu)點：

避免重復交換；再生劑用量少。樹脂底層再生干凈，工作交換容量較高。

缺點：

設備較復雜。要求控制技術高。

第四節(jié)離子交換工藝及設備第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三四、離子交換設計

(一)根據廢水水質和處理要求，選擇離子交換劑。

(二)選擇合適的再生劑，估算其用量。

(三)根據去除對象確定工藝流程及工藝參數(shù)。

1工藝流程的確定

2主要工藝參數(shù)

交換速度15～35m/h；反沖速度15m/h

再生劑流速10～15m/h

再生效率＞80%第四節(jié)離子交換工藝及設備第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

(四)離子交換柱尺寸確定

1離子交換柱高度HH=H1+H2+H3H1—樹脂層高度；H2—樹脂層以上高度，膨脹率40～80%；H3—底部配水區(qū)高度(0.4m)

2交換柱內徑D

式中：Q—處理水量；(D≤3m)n—并聯(lián)臺數(shù)；

u—交換速度。第四節(jié)離子交換工藝及設備第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三(五)樹脂用量確定

TQ(C0—C)=nE工

f·H1V=(n＋n′)f·H1

式中：

T—有效工作時間；Q—水量；

C0、C—進、出水濃度；E工—工作交換容量；f—交換柱截面積；V—樹脂體積；n′—備用臺數(shù)。第四節(jié)離子交換工藝及設備第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)應用二水的軟化和除鹽

(一)水質軟化

1Na離子交換軟化系統(tǒng)

2R—Na+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2NaHCO32R—Na+CaSO4=R2—Ca+Na2SO4

2R—Na+MgCl2=R2—Mg+2NaCl2第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)應用2強酸性H離子交換脫堿軟化系統(tǒng)

2R—H+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2CO2+2H2O2R—H+CaCl2=R2—Ca+2HCl2R—H+NaCl=R—Na+2HCl

生成的CO2用CO2去除裝置去除，HCl加堿中和。第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)應用

(二)水的除鹽

工藝流程：

強酸RH+脫除CO2+強堿ROH第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)應用三離子交換處理工業(yè)廢水

(一)處理廢水注意的問題

預處理懸浮物或油類濃度大于5～10mg/L時，采用過濾或吸附法。

有機污染和重金屬污染采用大孔樹脂；再生時適當加入氧化劑；選用高濃度再生劑。

pH值不同性質樹脂使用；廢水中污染物的存在狀態(tài)。

水溫提高離子內擴散和薄膜擴散速度；過高可引起樹脂降解。第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)應用(二)離子交換處理電鍍含鉻廢水

1廢水的來源及水質特征

鍍件酸洗清洗鍍槽清洗成品

廢酸液酸性水廢鍍液含鉻廢水

廢電鍍液：產生量少，濃度高。

含鉻廢水：產生量多，濃度低，水質情況為：

Cr6+濃度為20～150mg/L，存在形式Cr2O72-和CrO42-。金屬離子Cr3+、Fe3+等；陰離子有SO42-

、Cl-等；

pH4～6。第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

2工藝流程及原理

廢水過濾排放陽柱陰柱作用去除懸浮物、油類。作用nRH＋(Cr3+、Fe3+···

)

=Rn(Cr、Fe···