离子交换原理学习教案

会计学1离子交换离子交换(l z jio hun)原理原理第一页，共59页。概概 述述一、离子一、离子(lz)交换法交换法 离子离子(lz)交换剂上的离子交换剂上的离子(lz)和水中的离子和水中的离子(lz)进行交换的一种特殊吸附现象。进行交换的一种特殊吸附现象。 与其它吸附过程相比：与其它吸附过程相比： 主要吸附水中离子主要吸附水中离子(lz)态物质；态物质； 交换剂上的离子交换剂上的离子(lz)和水中离子和水中离子(lz)进行进行“等当量等当量”的交换。的交换。第1页/共59页第二页，共59页。二、发展二、发展(fzhn)18051805年英国科学家发现了土壤中年英国科学家发现了土壤中Ca2+Ca2+和和NH4+NH4+的交换现象的交换现象；18761876年年Lemberg Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学计量关揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系；系；19351935年人工合成了离子交换树脂；年人工合成了离子交换树脂；19401940年应用年应用(yngyng)(yngyng)于工业生产；于工业生产；19511951年我国开始合成树脂。年我国开始合成树脂。第2页/共59页第三页，共59页。 (一一) 给水处理给水处理 硬水软化、脱盐。硬水软化、脱盐。 纯水、高纯水的制备。纯水、高纯水的制备。 (二二) 废水废水(fishu)处理处理 废水废水(fishu)中金属离子：中金属离子：Zn2+、Cu2+、Cr6+ 、Cr3+ (三三) 工业生产工业生产 产品的提纯产品的提纯 三、应用三、应用(yngyng)第3页/共59页第四页，共59页。 1 去除率高，净化效果好； 2 可做到污染物的回收(hushu)利用； 3 对废水的预处理要求较高； 4 树脂再生液需要进一步处置。四、特点四、特点(tdin)第4页/共59页第五页，共59页。 固体球形颗粒，多孔网状结构；不溶于水；具有(jyu)离子交换特性的有机高分子聚电解质。一、离子交换一、离子交换(l z jio hun)树脂树脂 (一) 组成 离子交离子交换树脂换树脂母体母体(骨架骨架)活性基团活性基团固固 定定 离离 子子可交换离子可交换离子苯乙烯苯乙烯( (单体单体) )+ +二乙烯苯二乙烯苯( (交联交联剂剂) )母体母体共共聚聚H2SO4功功能能基基反反应应R SO3 H固定离子固定离子 可交换离可交换离子子母体母体第5页/共59页第六页，共59页。 (二) 树脂(shzh)分类按选择性按结构(jigu)离子交离子交换树脂换树脂凝胶型凝胶型等孔型等孔型孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。大孔型大孔型离子交离子交换树脂换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂 RNH3OH强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂 R NOH弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂 RCOOH强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂 RSO3H第6页/共59页第七页，共59页。第7页/共59页第八页，共59页。第8页/共59页第九页，共59页。代号代号0 01 12 23 34 45 56 6功能基功能基强酸性强酸性弱酸性弱酸性强碱性强碱性弱碱性螯合性螯合性两性两性氧化还原氧化还原表表 分类分类(fn li)(fn li)代号代号表表 骨架骨架(gji)(gji)代号代号代号代号0 01 12 23 34 45 56 6骨架类型骨架类型苯乙烯系苯乙烯系丙烯酸系丙烯酸系酚醛系酚醛系环氧系环氧系乙烯吡啶系乙烯吡啶系脲醛系脲醛系氯乙烯系氯乙烯系例如：例如：0010017(7(凝胶型凝胶型) )苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 7 。 110 1104(4(凝胶型凝胶型) )丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4 4。 D201 D201大孔型大孔型(kn xn)(kn xn)苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。离子交换树脂的命名离子交换树脂的命名第9页/共59页第十页，共59页。二、树脂二、树脂(shzh)的性能的性能 (一) 外观 形状(xngzhun)：透明或半透明的球状珠体。 颜色：白、浅黄、赤褐色。 (二) 含水率 树脂孔隙内所含的水分(shufn)，一般在40%69%。与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，含水率高。物理性能物理性能第10页/共59页第十一页，共59页。 (三) 密度 干真密度：干燥(gnzo)状态下，树脂材料本身具有的密度。 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密度) 。 单位均为mg/L. (四) 交联度 交联度为树脂(shzh)合成时交联剂的用量，一般为7%10%。 交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。 在水中浸泡，形变小，较稳定。第11页/共59页第十二页，共59页。 (五) 溶胀性 吸水后体积(tj)增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：u溶胀的原因溶胀的原因u 水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；u 活性基团离解形成水合离子。活性基团离解形成水合离子。u 影响因素影响因素u 树脂交联度：交联度越树脂交联度：交联度越(d yu)大，溶胀率越低。大，溶胀率越低。u 活性基团：离解程度越活性基团：离解程度越(d yu)大，溶胀率越大；大，溶胀率越大；u 可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。%100前前后溶胀率VVV第12页/共59页第十三页，共59页。树脂类型强酸性弱酸性强碱性弱碱性有效pH值范围01441401407化学化学(huxu)性能性能第13页/共59页第十四页，共59页。 (二) 交换(jiohun)容量 单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表示法)可发生交换(jiohun)的活性基团数量。 容量表示法 EV ：mmol/ml、mol/l。 重量表示法 EW ：mmol/g、mol/kg。 EV = EW 湿比重(1-含水率) 全交换(jiohun)容量： 单位体积或重量树脂中含可交换(jiohun)基团的总数。工作交换(jiohun)容量： 在动态工作条件下，当出水水质达到交换(jiohun)终点时，树脂层达到的平均交换(jiohun)容量。化学化学(huxu)性能性能第14页/共59页第十五页，共59页。NO3- Cl- OH- F- HCO3- HSiO3-n弱碱性阴离子交换树脂OH- SO42- NO3- Cl- HCO3- HSiO3-化学化学(huxu)性能性能第15页/共59页第十六页，共59页。三、树脂三、树脂(shzh)的的选择选择 根据处理对象(duxing)选择对应类型的树脂。 注意离子在水中的存在状态，如Cr6+ 在废水中的存在形式为 CrO42- 或 Cr2O72-。 第16页/共59页第十七页，共59页。第二节第二节 离子交换离子交换(l z (l z jio hun)jio hun)原理原理一、离子交换一、离子交换(l z jio hun)反应反应 特点：特点： 符合质量作用定律符合质量作用定律; 等当量进行的同性离子的互换反应等当量进行的同性离子的互换反应; 具有饱和性具有饱和性; 树脂树脂(shzh)母体和固定离子不发生变化。母体和固定离子不发生变化。第17页/共59页第十八页，共59页。二、离子交换二、离子交换(l z jio hun)平衡平衡/)()()()(KBARABRabbabaab/KBfARfAfBRfabBbaaRbaAabBR有：有：式中：式中：f 为活度系数为活度系数(xsh)。第18页/共59页第十九页，共59页。三、离子交换三、离子交换(l z jio hun)选择性选择性/KBfARfAfBRfabBbaaRbaAabBR平衡平衡(pnghng)吸着吸着率率baabbaabABKARBR设：fR-B/fR-A=C； f A/fB=1选择性系数选择性系数(xsh) K/C=K 第19页/共59页第二十页，共59页。baabbaabABKARBRABKARBRa=b=1Q 为树脂的全交换容量；为树脂的全交换容量；q 为为B 在离子交换树脂上平衡交换量；在离子交换树脂上平衡交换量；C0、C 为水中为水中B离子的初始和平衡浓度。离子的初始和平衡浓度。0011CCCCKQqQqqQC0C200.2K=150第20页/共59页第二十一页，共59页。第21页/共59页第二十二页，共59页。基团交换势增大。pH值： 影响某些离子的存在状态， Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+影响弱酸(ru sun)、碱树脂固定基团的电离。第22页/共59页第二十三页，共59页。第23页/共59页第二十四页，共59页。树脂(shzh)颗粒水膜BB(1)(2)(3)(A)(4)(5)(6)A外外 扩扩 散散薄膜扩散薄膜扩散(kusn)内内 扩扩 散散 (一一) 交换交换(jiohun)过程过程第24页/共59页第二十五页，共59页。第25页/共59页第二十六页，共59页。1 液膜扩散液膜扩散 离子浓度离子浓度(nngd) 溶液离子浓度溶液离子浓度(nngd)低，树脂交换容量大时低，树脂交换容量大时，液膜扩散受阻。，液膜扩散受阻。 溶液离子浓度溶液离子浓度(nngd)过高，树脂易发生收缩过高，树脂易发生收缩现象，内扩散受阻。现象，内扩散受阻。 水流速度水流速度 水流速度增加，水膜变薄，液膜扩散加快。水流速度增加，水膜变薄，液膜扩散加快。 树脂颗粒的大小树脂颗粒的大小 树脂颗粒小，比表面积增加，利于液膜扩散。树脂颗粒小，比表面积增加，利于液膜扩散。 (二) 影响交换(jiohun)速度的因素第26页/共59页第二十七页，共59页。 离子电荷离子电荷 离子电荷越大，扩散系数越小，不利于液膜扩离子电荷越大，扩散系数越小，不利于液膜扩散。散。 树脂树脂(shzh)交联度交联度 交联度越低，树脂交联度越低，树脂(shzh)网孔越大，有利网孔越大，有利于离子的内扩散。于离子的内扩散。 离子的水化度离子的水化度 离子水化程度大，水合离子半径越大，不利于离离子水化程度大，水合离子半径越大，不利于离子的内扩散。子的内扩散。 水溶液的温度水溶液的温度提高水温同时加快液膜扩散和颗粒内扩散提高水温同时加快液膜扩散和颗粒内扩散2 树脂树脂(shzh)颗粒内扩散颗粒内扩散第27页/共59页第二十八页，共59页。n碱性强弱）第28页/共59页第二十九页，共59页。第29页/共59页第三十页，共59页。操作操作取未知树脂样品取未知树脂样品2mL2mL，置于，置于30mL30mL试管中试管中 操作操作加加1 1N N HCl 15mLHCl 15mL，摇，摇1-2min1-2min，重复，重复2-32-3次次 操作操作水洗水洗2 23 3次次 操作操作加加1O1OCuSO4(CuSO4(其中含其中含1 1H2SO4)5mLH2SO4)5mL，摇，摇1min1min，放，放5min 5min 检查检查浅绿色浅绿色不变色不变色 操作操作加加5 5N N氨液氨液2mL2mL，摇，摇1min1min，水洗，水洗加加1 1N N NaOH15mLNaOH15mL摇摇1min1min，水洗，加酚，水洗，加酚酞，水洗酞，水洗 检查检查深蓝深蓝颜色不变颜色不变红色红色不变色不变色 结果结果强酸性阳树脂强酸性阳树脂弱酸性阳树脂弱酸性阳树脂强碱性阴树脂强碱性阴树脂弱碱性阴树脂弱碱性阴树脂 第30页/共59页第三十一页，共59页。第31页/共59页第三十二页，共59页。第32页/共59页第三十三页，共59页。在实际应用当中需根据原水水质、出水要求、生产能力等来确定在实际应用当中需根据原水水质、出水要求、生产能力等来确定合适的离子交换工艺。合适的离子交换工艺。 1. 1. 在水的软化在水的软化(runhu)(runhu)主要使用主要使用 Na Na离子交换软化离子交换软化(runhu)(runhu)法法 H H离子交换软化离子交换软化(runhu)(runhu)法法 H HNaNa串联及并联串联及并联 2. 2. 在除盐中在除盐中 一级复床除盐系统一级复床除盐系统 多极复床除盐系统多极复床除盐系统 混合床除盐系统混合床除盐系统 3. 3. 在处理工业废水中在处理工业废水中 多级阴阳离子交换系统多级阴阳离子交换系统碱度是指水中吸收质子的能力，水中碱度的形成主要是由于重碳酸盐、碳酸盐及氢氧化物的存在，硼酸盐、磷酸盐和硅酸盐也会产生一些碱度。此外(cwi)还有有机碱等。第33页/共59页第三十四页，共59页。第34页/共59页第三十五页，共59页。第35页/共59页第三十六页，共59页。1. 1. 离子交换离子交换(l z (l z jio hun)jio hun)过程过程在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正工作的在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离子只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离子(lz)(lz)种类种类和浓度以及工作条件。和浓度以及工作条件。 第36页/共59页第三十七页，共59页。离子交换离子交换(l z jio (l z jio hun)hun)柱工作过程柱工作过程(f) H(f) H型树脂与水中型树脂与水中Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+、Na+Na+交换时水质交换时水质(shu zh)(shu zh)变化变化第37页/共59页第三十八页，共59页。第38页/共59页第三十九页，共59页。实验证明，再生剂用量越多，再生效率越高。但当再生剂用量增加到一定值实验证明，再生剂用量越多，再生效率越高。但当再生剂用量增加到一定值后，再生效率随再生剂用量增长不大。因此再生剂用量过高既不经济也无必后，再生效率随再生剂用量增长不大。因此再生剂用量过高既不经济也无必要。图要。图8-48-4为用为用2 2NaOHNaOH对交换了对交换了Cr6+Cr6+的强碱性树脂的强碱性树脂(shzh)(shzh)的再生情况。的再生情况。 第39页/共59页第四十页，共59页。树脂树脂(shzh)的再生的再生第40页/共59页第四十一页，共59页。固定床离子交换器的缺点：树脂不能固定床离子交换器的缺点：树脂不能边饱和边再生，树脂层厚度比交换区边饱和边再生，树脂层厚度比交换区厚度大得多；再生和冲洗时必须停止厚度大得多；再生和冲洗时必须停止交换。为了克服上述缺陷，发展交换。为了克服上述缺陷，发展(fzhn)(fzhn)了连续式离子交换设备，包了连续式离子交换设备，包括移动床和流动床。括移动床和流动床。 右图为三塔式移动床，由交换塔、再生塔和清洗塔组成。运行时，原水由交换塔下部逆流而上右图为三塔式移动床，由交换塔、再生塔和清洗塔组成。运行时，原水由交换塔下部逆流而上，把整个树脂层承托起来并与之交换离子。一段时间后，当出水离子开始穿透时，停止进水，把整个树脂层承托起来并与之交换离子。一段时间后，当出水离子开始穿透时，停止进水，并由塔下排水。排水时树脂层下降并由塔下排水。排水时树脂层下降( (称为落床称为落床) )，由塔底排出部分已饱和的树脂，同时浮球阀自，由塔底排出部分已饱和的树脂，同时浮球阀自动动(zdng)(zdng)打开，放入等量已再生好的树脂。打开，放入等量已再生好的树脂。第41页/共59页第四十二页，共59页。第六节第六节 离子交换离子交换(l z jio (l z jio hun)hun)工艺及设备工艺及设备二、动态交换二、动态交换 (一一) 装置类型装置类型 固定床系统固定床系统 单床、复床单床、复床 、混合、混合(hnh)床床 移动床和流化床移动床和流化床一、离子交换一、离子交换(jiohun)操作方式操作方式 静态交换静态交换(jiohun) 动态交换动态交换(jiohun)第42页/共59页第四十三页，共59页。 (二) 工艺流程(n y li chn)及操作过程 工艺流程(n y li chn) 运行运行(ynxng)过程过程废水预处理交换离子交换离子排放去除影响交换的杂质去除影响交换的杂质:悬浮物、油类、胶悬浮物、油类、胶 体体吸附、过滤吸附、过滤去除去除(q ch)阳离子、阳离子、阴离子阴离子反洗再生再生交换正洗正洗第43页/共59页第四十四页，共59页。三、树脂层离子交换规律三、树脂层离子交换规律分层失效原理分层失效原理(yunl) (一一) 废水中只有一种离子废水中只有一种离子B+AB0tC0ABaCeC保 护 层交 换 带进 水 （ C0）出 水第44页/共59页第四十五页，共59页。 (二) 废水(fishu)中有几种离子B1+、 B2+、 B3+ 且交换能力 B1+ B2+ B3+ 离子交换可对废水(fishu)中不同离子进行分离。进水(B1、B2、B3)出水B2AB1B2B3B3第45页/共59页第四十六页，共59页。三、树脂的再生三、树脂的再生 (一一) 再生的目的再生的目的 恢复树脂的交换能力恢复树脂的交换能力 回收有用物质回收有用物质 (二二) 再生再生(zishng)原理原理baabbaabABKARBR第46页/共59页第四十七页，共59页。 (二二) 影响影响(yngxing)再生再生的因素的因素 再生(zishng)剂再生(zishng)剂的种类 H型阳树脂：再生(zishng)剂HCl 或H2SO4，HCl 优于H2SO4。 OH型阴树脂：再生(zishng)剂Na2CO3或NaOH。 再生(zishng)剂的浓度 HCl 510% NaOH 1012%、48%再生(zishng)剂用量 1.23.0倍树脂体积。第47页/共59页第四十八页，共59页。 再生方式 顺流再生 优点： 工艺简单； 操作方便、可靠。 缺点： 有重复(chngf)交换现象，再生剂用量高； 工作交换容量低。顺流再生AB再生液再生剂（A）AB进水出水第48页/共59页第四十九页，共59页。 再生方式再生方式 逆顺流再生逆顺流再生 优点：优点： 避免重复交换；再生剂避免重复交换；再生剂用量少。用量少。 树脂树脂(shzh)底层再生底层再生干净，工作干净，工作 交换容量较高。交换容量较高。 缺点：缺点： 设备较复杂。设备较复杂。 要求控制技术高。要求控制技术高。 BA逆流再生再生液再生剂（A）第49页/共59页第五十页，共59页。四、离子交换四、离子交换(l z jio hun)设计设计 (一) 根据废水水质和处理 要求，选择离子交换剂。 (二) 选择合适的再生(zishng)剂，估算其用量。 (三) 根据去除对象确定工艺流程及工艺参数。 1 工艺流程的确定 2 主要工艺参数 交换速度 1535m/h； 反冲速度 15m/h 再生(zishng)剂流速 1015m/h 再生(zishng)效率 80%第50页/共59页第五十一页，共59页。式中：Q处理水量； (D3m) n并联台数；u 交换速度。unQD4第51页/共59页第五十二页，共59页。 (五五) 树脂用量确定树脂用量确定 TQ(C0C) = n E工工 f H1 V= ( n n) f H1 式中：式中： T 有效工作时间有效工作时间(shjin)； Q 水量；水量； C0、C 进、出水浓度；进、出水浓度； E工工工作交换容量；工作交换容量； f 交换柱截面积；交换柱截面积； V 树脂体积；树脂体积； n 备用台数。备用台数。 第52页/共59页第五十三页，共59页。第七节第七节 应用应用(yngyng)(yngyng)二二 水的软化水的软化(runhu)和除盐和除盐 (一一) 水质软化水质软化(runhu) 1 Na离子交换软化离子交换软化(runhu)系统系统 2 RNa+Ca (HCO3)2=R2Ca+ 2NaHCO3 2RNa+CaSO4= R2Ca + Na2SO4 2 RNa+MgCl2 = R2Mg + 2NaCl2第53页/共59页第五十四页，共59页。 2 强酸性强酸性H离子交换离子交换(l z jio hun)脱碱软化系统脱碱软化系统 2 RH+Ca (HCO3)2= R2Ca+ 2CO2+2H2O 2 RH+CaCl2 = R2Ca + 2HCl 2 RH+NaCl = RNa + 2HCl 生成的生成的CO2用用CO2去除装置去除，去除装置去除，HCl加碱中和加碱中和。第54页/共59页第五十五页，共59页。 (二二) 水的除盐水的除盐 工艺流程：工艺流程： 强酸强酸(qin sun)RH+脱除脱除CO2+强碱强碱ROH第55页/共59页第五十六页，共59页。三三 离子交换离子交换(l z jio hun)处理工业废水处理工业废水 (一一) 处理废水注意的问题处理废水注意的问题 预处理预处理 悬浮物或油类浓度大于悬浮物或油类浓度大于510mg/L时，采用过滤或吸时，采用过滤或吸附法。附法。 有机污染和重金属污染有机污染和重金属污染 采用大孔树脂；再生时适当加入氧化采用大孔树脂；再生时适当加入氧化剂；选用高浓度再生剂。剂；选用高浓度再生剂。 pH值值 不同性质不同性质(xngzh)树脂使用；废水中污染物的存在状态树脂使用；废水中污染物的存在状态。 水温水温 提高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可引起树脂降解提高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可引起树脂降解。 第56页/共59页第五十七页，共59页。 (二二) 离子交换处理电镀含铬废水离子交换处理电镀含铬废水 1 废水的来源及水质特征废水的来源及水质特征 镀件镀件 酸洗酸洗 清洗清洗 镀槽镀槽 清洗清洗 成品成品(chngpn) 废酸液废酸液 酸性水酸性水 废镀液废镀液 含铬废水含铬废水 废电镀液：产生量少，浓度高。废电镀液：产生量少，浓度高。 含铬废水：产生量多，浓度低，水质情况为：含铬废水：产生量多，浓度低，水质情况为： Cr6+浓度为浓度为20150mg/L，存在形式，存在形式Cr2O72-和和CrO42-。 金属离子金属离子Cr3+、 Fe3+等；阴离子有等；阴离子有SO42- 、Cl-等等； pH46。第57页/共59页第五十八页，共59页。 2 工艺流程(n y li chn)及原理 废水过滤排放阳柱阴柱作作 用用去除悬浮物、油类去除悬浮物、油类。作作 用用nRH(Cr3+、 Fe3+ ) = Rn (Cr、Fe ) nH+ 改善水质改善水质; 调节废水调节废水pH，使，使Cr6+以以Cr2O72-形式存在。形式存在。作作 用用 nROH(Cr2O72-、CrO42-、SO42- 、Cl- ) = Rn (Cr2O7、CrO4、 SO4 、Cl ) nOH-第58页/共59页第五十九页，共59页。