离子交换树脂及原理

离子交换树脂及离子交换基本原理第一节离子交换树脂及其性能第二节离子交换基本原理第三节离子交换树脂层的工作过程第四节离子交换树脂的使用第五节离子交换树脂的变质、污染与复苏一、离子交换树脂组成：单体：如苯乙烯、甲基丙烯酸。交联剂：架桥，使聚合物构成网状结构，如二乙烯苯。交换基团：具有活性离子的基团。合成：高分子骨架的合成、交换基团的引入。结构：高分子骨架：交联的高分子聚合物。离子交换基团：-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl、-N(CH3)2、-N(CH3)2孔：凝胶孔、毛细孔书写：固定离子：R可交换离子：-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl、-N(CH3)2、-N(CH3)2离子交换树脂的分类按活性基团的性质按离子交换树脂的孔型按单体的种类阳离子交换树脂:强酸性和弱酸性阴离子交换树脂:强碱性和弱碱性螯合型两性氧化还原型凝胶型大孔型等孔型*苯乙烯丙烯酸酚醛离子交换树脂的内部结构凝胶型和大孔型树脂的物理性能比较特性普通凝胶型离子交换树脂大孔型离子交换数值平均孔径(润湿态)范围1.5-9.0nm(平均2-4nm)范围10-500nm(平均20-100nm)对有机物的吸附能力吸附能力低,易被污染和老化吸附能力高比表面积(mL/g)(干燥态)＜0.10.1-0.4细孔容积(mL/g)(干燥态)0＜0.2外观透明球状颗粒半透明至不透明球状颗粒加工工艺苯乙烯+二乙烯苯苯乙烯+二乙烯苯+致孔剂树脂的命名(GB1631-1979)代号分类名称代号骨架名称0强酸性0苯乙烯系1弱酸性1丙烯酸系2强碱性2酚醛系3弱碱性3环氧系4螯合性4乙烯吡啶系5两性5脲醛系6氧化还原性6氯乙烯系二、离子交换树脂的性能物理性能外观(颜色、形状)、粒度、密度、含水率、转型膨胀率、耐磨性化学性能酸碱性、选择性、交换容量、热稳定性外观颜色：组成不同，颜色各异，苯乙烯呈黄色。交联多的、杂质多的颜色深些。形状：球形，圆球率达90%以上，则水流阻力小。容量大。粒度用有效粒径和均一系数表示。粒度小，交换速度快，交换容量大，但压力损失大。粒度要均匀，在0.3-1.2mm范围。物理性能密度：单位体积树脂的质量。1.湿真密度：单位真体积（不包括树脂颗粒间空隙的体积）内湿态离子交换树脂的质量，g/mL。湿真密度=湿态树脂质量/湿态树脂的真体积一般在1.04-1.30。阳离子大于阴离子的。离子交换树脂的反洗强度、分层特性与其有关。2.湿视密度：单位体积内紧密无规律排列的湿态离子交换树脂的质量,g/mL。湿视密度=湿态树脂质量/湿态树脂的视体积。用来计算离子交换器中装载树脂时所需湿树脂量的主要数据，一般在0.6-0.85。物理性能含水率在水中充分膨胀的湿树脂中所含水分的百分数。含水率=(湿树脂质量-干树脂质量)/湿树脂质量与树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交换容量、离子型态等有关。反映离子交换树脂的交联度和网眼中的孔隙率。含水率愈大，孔隙率愈大，其交联度愈小。可了解树脂性能的变化。冬季应注意防冻。一般在40-60%。物理性能转型膨胀率离子交换树脂从一种单一离子型转为另一种单一离子型时体积的变化的百分率.树脂在交换和再生时,体积均会发生变化。经长时间不断地胀缩，树脂会发生老化现象，从而影响树脂的使用寿命。耐磨性由于相互摩擦和胀缩作用，产生破裂现象。一般年损耗应小于3-7%。物理性能酸碱性不溶性的高分子电解质，可电离，使得水溶液具有酸碱性。强型树脂不受溶液pH影响。弱型树脂电离能力小。弱酸性树脂在碱性溶液中电离能力大，弱碱性树脂在酸性溶液中电离能力大。树脂的水解反应RCOOHNa+H2O→RCOONa+NaOHRNH2Cl+H2O→RNH2OH+HCl化学性能对各种离子的交换能力是不同的。易被交换的离子，解析就困难。交换顺序：优先高化合价的，其次原子序数大的。强酸性阳离子交换树脂：Fe2+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞H+弱酸性阳离子交换树脂：H+＞Fe2+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+强碱性阴离子交换树脂：SO42-＞NO3-＞Cl-＞OH-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-弱酸性阴离子交换树脂：OH-＞SO42-＞NO3-＞Cl-＞HCO3-＞HSiO3-化学性能交换容量单位质量或单位体积的树脂所能交换离子的摩尔数。表示离子交换树脂的交换能力。1.全交换容量：单位质量的离子交换树脂全部离子交换基团的数量，mmol/L。2.工作交换容量指一个周期中单位体积树脂实现的离子交换量，即单位体积树脂从再生型离子交换基团变为失效型基团的量。影响因素：树脂种类、粒度、原水水质、出水水质的终点控制、交换运行流速、树脂层高度、再生方式等。质量表示单位EM：mol/kg(干树脂)体积表示单位EV：mol/m3(湿树脂)EV=EM×(1-含水率)×湿视密度化学性能热稳定性表示受热作用下树脂保持理化性能不变的能力。强碱性树脂：强碱基团受热分解，降低交换容量。弱碱性树脂：弱碱基团受热发生脱落现象，稳定性较强碱性高。强酸性树脂：最高使用温度为100-120℃，再高则发生脱落现象。弱酸性树脂：稳定性更高一些，达200℃，且短时间内容量损失小。热稳定性大小顺序为：弱酸性＞强酸性＞弱碱性＞Ⅰ型强碱性＞Ⅱ型强碱性化学性能第二节离子交换基本原理1.离子交换反应可逆性强型树脂的交换反应弱型树脂的交换反应2.离子交换平衡和选择性系数3.离子交换速度控制步骤表达式影响因素1.离子交换反应---可逆性离子交换反应是在固态的树脂和溶液接触的界面间发生的。交换再生2RNa+Ca2+R2Ca+2Na+1.离子交换反应---强型树脂的交换反应中性盐分解反应中和反应复分解反应RSO3H+NaCl=RSO3Na+HClR=NOH+NaCl=R=NCl+NaOHRSO3H+NaOH=RSO3Na+H2OR=NOH+HCl=R=NCl+H2ORSO3H+CaCl=R(SO3)2Ca+2NaClR(=NCl)2+Na2SO4l=R(=N)2SO4+2NaCl1.离子交换反应---弱型树脂的交换反应非中性盐的分解反应强酸或强碱的中和反应复分解反应R(COOH)2+Ca(HCO3)2=R(COO)2Ca+2H2CO3R=NH2OH+NH4Cl=R=NH2Cl+NH4OHRCOOH+NaOH=RCOONa+H2OR=NH2OH+HCl=R=NH2Cl+H2OR(COOH)2+CaCl=R(COO)2Ca+2NaClR=NH2Cl+NaNO3=R=NH2NO3+NaCl2.离子交换平衡和选择性系数--离子交换平衡RH+Na+=RNa+H+2RNa+Ca2+=R2Na+2Na+]][[]][[NaRHHRNaKNaH][][]][[2222CaRNaNaCaRKCaNa2.离子交换平衡和选择性系数--离子交换平衡等价离子：RM1+M2=RM2+M1不等价离子：2RM1+M22+=R2M2+2M1+xxyyxxyyKMM1/11121xxyyECKMM220)1()1(21式中：y为平衡时树脂相中M2离子的分率，x为平衡时水相中M2离子的分率，E树脂的全交换容量，mol/L;C0为液相中两种交换离子的总浓度（按1价离子计），mol/L][][][212RMRMRMy][][][212MMMx2.离子交换平衡和选择性系数-选择性系数xxyyxxyyKMM1/11121选择系数大于1，说明该树脂对M2的亲合力大于对M1的亲合力，即有利于进行离子交换反应。8.0LiHK0.2NaHK0.34NHHK0.3KHK26MgHK42CaHK5.45.33NOClK5.324HSOClK8.03.03HCOClK13.011.04SOClK04.001.03COClK2010ClOHlK3.离子交换速度--控制步骤1.边界水膜内的扩散2.交联网孔内的扩散3.离子交换4.交联网孔内的扩散5.边界水膜内的扩散3.离子交换速度--表达式式中：---单位时间内单位体积树脂的离子交换量；D0---总扩散系数；B---与粒度均匀程度有关的系数；C1、C2---分别表示同一种离子在溶液相和树脂相中的浓度；ρ---树脂的空隙度；φ---树脂颗粒的粒径；δ---扩散距离。)/()1)((210CCBDdtdEdtdE3.离子交换速度--影响因素离子性质:离子水合半径或所带电荷越多,扩散速度就越慢;树脂的交联度:交联度大的树脂的交换速度受孔道扩散控制;树脂的粒径:树脂的粒径越小,扩散速度越快;树脂的空隙度:树脂的空隙度越小,扩散速度越快;水中离子浓度:C＞0.1mol/L时孔道扩散控制;C＜0.003mol/L时液膜扩散控制;水溶液的流速:流速增加,液膜扩散速度加快,但孔道扩散不受影响;水溶液的温度:温度升高,加快扩散速度。第三节离子交换树脂层的工作过程交换带的形成阶段交换带的移动阶段交换带的消失阶段第四节离子交换树脂的使用一、离子交换树脂的选用：交换容量、原水水质、出水水质、水处理设备的类型二、离子交换树脂的保管：新树脂、旧树脂三、新树脂投运前的预处理：阳树脂、阴树脂四、离子交换树脂的装填：五、离子交换树脂的鉴别方法：阳树脂和阴树脂酸性树脂碱性树脂一、离子交换树脂的选用---交换容量类型骨架组成的离子交换树脂,弱型树脂大于强型树脂。同类型树脂，交换容量随交联度的变小而增大。考虑交换容量、机械强度。树脂类型全交换容量/(mmol/g)(干树脂)工作交换容量/(mmol/g)(湿树脂)阳树脂弱酸≥9.02.3～2.5强酸≥4.50.8～1.1阴树脂弱碱≥5.00.6～1.0强碱≥3.50.35～0.45苯乙烯系树脂的交换容量比较一、离子交换树脂的选用---原水水质仅去除吸附性较强的阳离子（Ca、Mg、Al、Fe）吸附性较弱的离子（K+、Na+或HCO3-、HSiO3-）高硬度高含盐量的水有机物含量较多的水必须选用强型树脂先弱型树脂，再强型树脂选用抗氧化性好、强度高的大孔型树脂选用交换容量大的弱酸型树脂一、离子交换树脂的选用---出水水质软化除盐强酸性阳树脂或与弱酸性阳树脂组合一定选用强型树脂，或与弱型树脂组合一、离子交换树脂的选用---水处理设备的类型不同类型的设备要求选用不同性能的树脂。移动床、流动床混床耐磨、强度高的树脂选用湿真密度相差大的树脂