离子交换树脂与离子交换原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,离子交换树脂与离子交换原理,第一节,离子交换剂,第二节,离子交换基本原理,第三节,离子交换工艺,第四节,离子交换设备及计算,1,第一节 离子交换剂,离子交换剂的分类、组成及结构,1、分类,按母体材质分为：无机和有机两大类。,按其他分类,2,2、组成和结构,离子交换树脂的化学结构可分为不溶性树脂母体和活性基团两部分。树脂母体为有机化化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂的作用是使树脂母体形成主体的网状结构。交联剂与单体的重量比的百分数称为交联度。活性基团由起交换作用的离子和与树脂母体联结的固定离子组成。,3,离子交换树脂的命名和型号,1、命名,2、型号,离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。,4,离子交换树脂的性能,物理性能,1外观,常用凝胶型离子交换树脂为透明或半透明的珠体，大孔树脂为乳白色或不透明珠体。优良的树脂圆球率高，无裂纹，颜色均匀，无杂质。,2粒度,一般树脂粒径0.31.2mm有效粒径（d,10,）0.360.61，均一系数（d,40,/d,90,）为1.221.66，均一系数的含义是筛上体积为40的筛孔孔径与筛上体积为90的筛孔孔径之比。,5,3密度,6,4含水率,树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约50%），树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率。,5溶胀性,干树脂+水湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度,6. 机械强度,7. 耐热性,8. 孔结构,7,化学性能,1.再生：离子交换反应的可逆性交换的逆反应。,2.酸碱性：树脂在水中电离出H,+,和OH,-,表现出酸碱性。树,脂的酸碱性受pH值影响，各种树脂在使用时都有适当,的pH值范围。,3.选择性：树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为,选择性，选择性大小用选择性系数来表征。,4.交换容量：表示树脂的交换能力。通常用E,V,（mmol/ml,湿树脂）表示，也可用E,W,（mmol/g干树脂）表示。,E,V,E,W,（1-含水量）湿视视密度,8,离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别,树脂选择,选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换工艺以及投资和运行费用等因素。,树脂保存,树脂宜在040下存放，通常强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存。,树脂使用,树脂在使用前应进行适当的预处理，以除去杂质。最好分别用水、5HCl、24NaOH反复浸泡清洗两次，每次48h。,9,表8-2 未知树脂的鉴别,操作,取未知树脂样品2mL，置于30mL试管中,操作,加1,N,HCl15mL，摇1-2min，重复2-3次,操作,水洗23次,操作,加1OCuSO4(其中含1H2SO4)5mL，摇1min，放5min,检查,浅绿色,不变色,操作,加5,N,氨液2mL，摇1min，水洗,加1,N,NaOH15mL摇1min，水洗，加酚酞，水洗,检查,深蓝,颜色不变,红色,不变色,结果,强酸性阳树脂,弱酸性阳树脂,强碱性阴树脂,弱碱性阴树脂,10,第二节 离子交换基本原理,离子交换平衡,一般交换反应的平衡关系,(81),离子交换反应公式,(82),11,式（8-4）适用于各种离子之间的交换。当ZA=ZB=1时,上式简化为：,(85),式中q,B,/q,0,称为树脂的失效度;c,B,/c,0,为溶液中离子残留率。若以q,B,/q,0,为纵坐标，以c,B,/c,0,为横坐标，作图可得某一K值下的等价离子交换理论等温平衡线。,12,离子交换速度,离子交换过程： 离子从溶液主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面液膜。 穿过液膜的离子继续在颗粒内交联网孔中扩散，直至达到,某一活性基团位置。 目的离子和活性基团中的可交换离子发生交换反应。 被交换下来的离子沿着与目的离子运动相反的方向扩散，,最后被主体水流带走。,上述几步中，交换反应速率与扩散相比要快得多。因此总,交换速度由扩散过程控制。由Fick定律，扩散速度可写成：,13,14,影响离子交换扩散速度的因素,1.树脂的,交联度,越大，网孔越小，则内扩散越慢。,2.树脂,颗粒,越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面积增大，使扩散速度越快。,3.溶液,离子浓度,是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，扩散速度越快。,4.提高,水温,能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变薄，这些都有利于离子扩散。,5.交换过程中的,搅拌或流速,提高，使液膜变薄，能加快液膜扩散，但不影响内孔扩散。,6.被交换离子的,电荷数和水合离子的半径,越大，内孔扩散速度越慢。,15,第三节 离子交换工艺,离子交换系统及应用,离子交换过程,1. 固定床离子交换器间歇工作过程,2. 连续式离子交换器工作工程,16,离子交换系统及应用,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。,1. 在水的软化主要使用,Na离子交换软化法 H离子交换软化法,HNa串联及并联,2. 在除盐中,一级复床除盐系统 多极复床除盐系统,混合床除盐系统,3. 在处理工业废水中,多级阴阳离子交换系统,17,离子交换过程,固定床离子交换器间歇工作过程,1. 离子交换过程,在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离子种类和浓度以及工作条件。,18,进水初期，进水中所用阳离子均交换出H,+,，生成相当量的无机酸，出水酸度保持定值。运行至a点时，Na,+,首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当Na,+,泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性；当Na,+,增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度相等。至此，H离子交换结束，交换器开始进行Na,+,交换，稳定运行至b点之后，硬度离子开始穿透，出水Na,+,含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出水Na,+,接近进水Na,+,，树脂层全部饱和。,离子交换柱工作过程,(f) H型树脂与水中Ca,2+,、Mg,2+,、Na,+,交换时水质变化,19,2. 再生,通过树脂再生，一方面可恢复树胎的交换能力，另一方面可回收有用物质。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三个过程。有时再生后还需要对树脂作转型处理。影响再生效果和处理费用的因素如下:,1) 再生剂种类,强酸性阳树脂用HCl或H,2,SO,4,等强酸及NaCl、Na,2,SO,4,再生；,弱酸性阳树脂用HCl、H,2,SO,4,再生；,强碱性阴树脂用NaOH等强碱及NaCl再生，,弱碱性阴树脂用NaOH，Na,2,CO,3,、NaHCO,3,等再生。,2) 再生剂用量,树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可以恢复树脂的交换容量，但实际上再生剂用量比理论值大得多。,20,3) 再生方式, 顺流再生,特点：设备简单，操作方便，工作可靠；,再生剂用量多，再生效率低，出水水质较差。, 逆流再生,特点：再生剂耗量少(比顺流法少40左右)，再生效率,高,而且能保证出水质量；,设备较复杂，操作控制较严格。,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要。图8-4为用2NaOH对交换了Cr,6+,的强碱性树脂的再生情况。,21,连续式离子交换器工作过程,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，发展了连续式离子交换设备，包括移动床和流动床。,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，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(称为落床)，由塔底排出部分已饱和的树脂，同时浮球阀自动打开，放入等量已再生好的树脂。,22,第四节 离子交换设备及计算,离子交换设备,工业离于交换设备主要有固定床、移动床和流动床，目前使用最广泛的是固定床。固定床离于交换器包括筒体、进水装置、排水装置，再生液分布装置及体外有关管道和阀门，如图所示。,1.筒体：支撑作用,2.进水装置：分配进水和收集反洗用水,3.底部排水装置：收集出水和分配反洗水,23,设计计算,离子交换器的设计包括选择离子交换树脂，确定工艺系统，计算交换器尺寸大小、再生计算、阻力核算等。交换器直径可由交换离子的物料衡算式计算：,由此可推得，,式中 Q废水流量，m,3,/h；,c,0,进水中交换离子浓度，eq/m,3,；,T两次再生间隔时间，h；,n交换器个数，一般应不少于2个；,q,W,交换剂时工作交换容量，eq/m,3,；,H交换剂床层高，m；,A交换器截面积，m,2,；,D交换器的直径，m，其值般小于3m。,24,高度的确定,交换器筒体的高度包括,树脂层高、底部排水区高和上部水垫层高,三部分。,树脂层高,通常可选用1.52.5m。塔径越大，层高越高，一般层高不得低于0.7m。,树脂层上部水垫层,的高度主要取决于反冲洗时的膨胀高度相保证配水的均匀性。,底部排水区高度,与排水装置的型式有关，一般取0.4m左右。,根据计算得出的塔径和塔高选择合适尺寸的离子交换器，然后进行水力核算。,return,25,