华北理工水质工程学Ⅰ课件21水的软化-3离子交换基本原理

21-3离子交换基本原理原理：交换剂在不同浓度下，对不同离子的亲和力不同。一、离子交换：不溶性的电解质（离子交换剂）与水中溶解的电解质所进行的化学反应（或离子交换反应）如：R—SO3H+NaOH→R—SO3Na+H2O（中和反应）R—SO3H+NaCl→R—SO3Na+HCl（中性盐分解反应）2R—SO3Na+CaCl2→（R—SO3）2Ca+2NaCl（复式分解反应）是交换剂上可交换的活动离子与溶液中的同性离子进行交换。二、交换剂分类：无机—天然沸石，合成沸石（如铝式硫酸盐）碳质—磺化煤苯乙烯系据单体种类分类酚醛系离子交换剂丙烯酸系凝胶型据结构分类大孔型等孔型有机强酸—SO42－合成阳离子中酸—PO32－离子据化学交换树脂弱酸—COO－交换性质分阴离子强碱—CH2N+树脂交换树脂弱碱—NH+三、离子交换树脂的构成：骨架（母体）：固定部分，不能自由移动，构成固定离子。两部分固定离子：如—SO3－活性基团：活动离子：如H+活性基团：活动部分，能在一定空间内自由移动，并同溶液中同性离子进行交换反应。四、交换树脂的命名与型号：例：D001×7D—大孔型，可有可无；0—第一位数代表分类代号；0—第二位数代表骨架代号表；1—顺序号7—交联度（后面介绍）五、离子交换树脂的基本性能1、外观：形状：球形Φ0.3~1.2mm(16～50目筛)颜色：乳白，淡黄，棕褐色，半透明状。2、交联度：指交联剂在树脂中所占的比例。不加交联剂的树脂为胶状体，交联剂一般为二乙烯苯。%二乙烯苯苯乙烯重量二乙烯苯交联度水处理应用，一般为7~10%为宜，→使孔道宽度为2~4nm。交联度影响着树脂的：交换容量，含水率，溶胀性，机械强度等性能。3、含水率：以每克湿树脂所含水份的百分比表示（约50%）交联小→孔隙率大→含水率大。4、溶胀性：干树脂浸水后体积膨胀——称绝对溶胀。树脂转型号时（如由钠型转换为氢型）体积也有变化——称为相对溶胀。溶胀原因：活性基团遇水而电离出的离子起水合作用生成水合离子，使交联网孔胀大。5、密度：湿真密度：树脂溶胀后的重量和本身所占体积之比（不包括粒间空隙）（计算树指体积用）强酸约为1.3g/ml强碱约为1.1g/ml湿视密度：树脂溶胀后的重量和其堆积体积之比（包括粒间空隙）（也称堆密度）一般为0.60~0.85g/ml(计算填装数量用))/(mlg树脂颗粒本身所占体积湿树脂质量湿真密度)/(mlg树脂堆积体积湿树脂质量湿视密度6、交换容量：表示树脂离子交换能力大小的量度，单位：mmol/g（干树脂）或mmol/L（湿树脂）（1）总交换容量：单位重量或体积的树脂，所具有的全部可交换离子（交联度占去8%）的mol数。以当量粒子为基本单元。qv=qm×（1-含水率%）×湿视密度gmmolmnqLmmolVnqBmBV//或（2）工作交换容量：qop树脂在给定工作条件下的实际交换能力。与工作条件有关：再生方式，原水含盐量组成，水流速度，树脂层高度，再生剂用量等。一般由模拟实验确定。或参考相似工作环境数据。7、有效PH范围：强酸、强碱型电离能力强，对PH无要求。弱酸型在PH值低时，不易离解：要求PH=5~14弱碱型在PH值高时，不易离解：要求PH=1~78、其它性能：耐腐性，耐热性，抗氧化性等。六、离子交换平衡：1、离子交换平衡式：R—A+B+R—B+A+（1）离子交换所遵循的规律：ⅰ反应等当量地进行。（电子数的平衡）ⅱ反应是可逆的。（2）离子交换进行的条件：ⅰ只有降低生成物离子的浓度，反应才进行彻底。ⅱ当树脂失效时，可再生（逆反应原理）。2、离子交换的选择性：（1）定义：树脂对水中浓度大致相同的两种同性离子，有不同的结合能力，对其中一种优先交换，这就叫树脂的选择性。（2）离子交换选择性系数：aR—A++bB+cR—B++dA+据质量作用定律：或：BAKbadcBABARABRKdbacBAABARBRK一价对一价离子交换：R—A++B+R—B++A+〔B+〕—浓度，mmol/L〔R—B+〕—树脂相中离子浓度。—称为B+换A+的选择系数。大于1：对B+亲合力对A+亲合力，反应向右进行；小于1：对B+亲合力对A+亲合力，反应向左进行。BAKBAKBAK（3）用离子浓度分率表示选择系数：令：C0=〔A+〕+〔B+〕溶液中两交换离子总浓度mmol/LCB=〔B+〕液相中〔B+〕浓度mmol/Lq0=〔R—A+〕+〔R—B+〕树脂全交换容量mmol/LqB=〔R—B+〕固相中〔B+〕浓度mmol/L则：代入上式中得：BBqqqARBR0BBCCCAB0000011CCCCKqqqqBBBABB式中：—树脂中B+离子浓度与其全部交换容量之比。—溶液中B+离子浓度与其总离子浓度之比。交换平衡曲线：0qqB0CCB二价对一价离子交换反应通式：2R—A++B2+R2—B2++2A+选择系数：或：交换平衡曲线222222BARABRKBA20000200112CCCCCqKqqqqBBBABB（4）交换选择性顺序：强酸性树脂：（位于前边的离子可以从树脂上交换出后序离子）Fe3+Al3+Ca2+Mg2+NH4+Na+H+Li+规律：ⅰ离子化合价高对树脂亲合力强（注：适用稀溶液）ⅱ同族元素，原子序数大不被吸附的能力强。3、浓度的影响：当增大液相中被置换离子浓度时，可使离子交换向相反方向进行。可再生。（因可逆反应的平衡常数不变）4、离子交换出水泄漏量的计算：在离子交换初期，出水的组成与树脂底层处离子交换剂的组成处于平衡状态，出水有一定的离子泄漏量。其计算用式：（上述两式）其中：qB—代入树脂底层再生后仍残留的B+离子浓度mmol/L；CB—即求出的交换初期出水的B+离子浓度，即出水离子泄漏量mmol/L。5、树脂极限工作交换容量计算：在离子交换最后阶段，出水离子组成接近等于进水离子组成。这时，离子交换剂中的B+离子浓度达到最大值，视为极限工作交换容量—qB即式中：qB—树脂极限工作交换容量即树脂吸附B+离子浓度的最大值mmol/L。CB—用进水中的B+离子浓度mmol/L。6、再生度极限值的计算：树脂再生度极限值—用已知浓度的再生液，无限量地进行再生而达到的树脂最大再生程度。式中各符号：qB—经再生后树脂上仍残留的B+离子浓度mmol/L。CB—新鲜再生液中含有的B+离子浓度mmol/L。七、离子交换速度树脂上有层水膜1、离子交换过程分为五个步骤：（1）溶液中待交换的离子迁移通过树脂的边界水膜。（2）待交换离子在树脂孔道内移动达到有效交换位置上。（3）进行离子交换反应。（4）交换下来的离子在树脂孔道向外移动。（5）交换下来的离子通过树脂的边界水膜进入溶液中。2、离子交换速度：离子交换非常快，可瞬间完成。对交换速度起控制作用的是（1）（5）通过水膜和（2）（4）孔道迁移的扩散过程。两者有一种对离子交换反应适度起控制作用。影响两种扩散的因素：（1）溶液离子浓度：离子浓度梯度是扩散的推动力。高时：当浓度≥0.1mol/L时，膜扩散快，孔道扩散控制反应速度。属再生过程。当浓度＜0.003mol/L时，膜扩散慢，膜扩散控制反应速度。属交换过程。（2）水流速度或搅拌速度：边界水膜的厚度反比于流速或搅拌速率，孔道扩散不受此影响。（3）树脂粒径：膜扩散速度与粒径成反比。粒径小对交换再生都孔道扩散速度与粒径的平方成反比。有利。（4）交联度：交联度小→孔道直径大→孔道扩散加快。八、树脂层离子交换过程：1、离子交换柱中的工作树脂分三部分：（1）完全被Ca2+，Mg2+离子饱和部分；（2）正在交换工作部分—交换带。（3）未进行交换区段。2、离子交换过程：（1）交换带（稳定的）形成节段。（2）交换带，下移节段。（3）交换带达到底部—硬度开始泄漏。这时的交换带成了保护层厚度，其余高为饱和层厚度。3、影响保护层(交换带)厚度的因素：（1）流速：流速大→厚度大。（2）进水硬度：硬度大→厚度大。（3）布水的均匀程度：不均匀→厚度大。4、例：图21—7为一组软化实验所得出的树脂层内饱和程度曲线的推移过程。操作：交换柱按逆流再生固定床方式进行操作，即再生液流向与软化时方向相反。交换柱装填强酸树脂，用食盐溶液再生。参数：树脂层高度为123cm，原水硬度c（1/2Ca2+）=6.15mmol／L，流速为43.3m／h。运行时间为7.5h。曲线上数字表示取样时间，以min计。曲线①表示再生、清洗后，整个树脂层剩余硬度的情况。曲线②、③、④、⑤分别表示软化过程开始后155、245、310、395min，树脂层内树脂饱和程度的变化情况，亦即交换带不断推移的过程。曲线⑥表示运行历时445min，硬度开始漏泄时，树脂层里树脂饱和程度的全貌。经测定，交换带厚度等于20cm。