6离子交换

No.1水质工程学1第6章离子交换高景峰,教授,北京工业大学No.2第一节第二节13目录CONTENTS6.1水中溶解物质的去除6.2离子交换的基本原理6.3离子交换工艺6.4离子交换设备6.5离子交换法在废水处理中的应用No.3现象1：烧开水时形成的水垢加入苏打肥皂No.4现象2：清洗家用热水器例如，当内胆结有3毫米厚的水垢时，钢材温度会由280℃上升到580℃，而抗拉强度则由40公斤力/mm2下降到10公斤力/mm2，从而导致内胆过热变形、鼓包、甚至破裂。No.5现象3：锅炉爆炸No.66.16.1水中溶解物质的去除水中溶解物质的去除6.1.1、水中主要溶解杂质6.1.2、硬度6.1.3、水的纯度6.1.4、软化和除盐基本方法6.1.5、药剂软化法No.76.1.1、水中主要溶解杂质阳离子Ca2+,Mg2+,Na+(K+)一般Fe2+,SiO32-含量较少。铁锰含量高的地下水，应先除铁除锰阴离子HCO3-,SO42-,Cl-气体：CO2和O2No.8暂时硬度即通过加热能以碳酸盐形式沉淀下来的钙、镁离子，故又叫暂时硬度（碳酸盐硬度）永久硬度即加热后不能沉淀下来的那部分钙、镁离子，又称永久硬度（非碳酸盐硬度）总硬度Ca2++Mg2+含盐量∑阳＋∑阴6.1.2、硬度因为天然水中碳酸盐含量很低，只有在碱性水中才存在碳酸盐，所以暂时硬度一般相当于水中重碳酸盐的含量。煮沸时，会形成碳酸盐沉淀这些物质是钙、镁的氯化物（CaCL2、MgCL2）、硫酸盐（CaSO4、MgSO4）、硝酸盐（Ca(NO3)2、Mg(NO3)2）等盐类。No.96.1.2、硬度我国硬度计量单位是以CaCO3计的。曾用过德国度。生活饮用水总硬度小于450mg/L。1德国度＝10mgCaO/L。软化除碱除盐淡化降低硬度（满足低压锅炉、印染、造纸的要求，饮用）去除HCO3－（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸）去除各种溶解离子（满足中高压锅炉、电子、医药的要求，饮用纯净水）部分去除水中溶解离子，降低含盐量的除盐处理No.106.1.2、硬度软化、除盐有关的当量粒子摩尔质量阳离子当量粒子摩尔质量(mg/mmol）阴离子当量粒子摩尔质(mg/mmol）酸碱盐当量粒子摩尔质量（mg/mmol）0.5Ca2+40/2=20HCO3-61HCl36.50.5Mg2+24/2=120.5SO42-96/2=480.5H2SO498/2=49Na+23Cl-35.5NaOH40K+390.5CO32-60/2=300.5CaO56/2=28H+1OH-170.5CaCO3100/2=50(1):阴阳离子正负电荷相平衡，当量粒子浓度和相等。(2):如果将水加热，离子将按溶解度大小组成化合物。阳离子按下列顺序与阴离子组合Ca2+Mg2+Na+(K+)阴离子按下列顺序与阳离子组合CO32-HCO3-SO42-Cl-No.11例题例题11：：某地下水水质资料如下：总硬度（以CaCO3计）为400mg/L，其中，钙硬度（以CaCO3计）=255mg/L，镁硬度（以CaCO3计）=145mg/L，含Na+67.6mg/L，K+3.5mg/L，碱度（以CaCO3计）340mg/L，SO42-110mg/L，Cl-69.7mg/L，pH=7.48。请根据水质数据制作水中离子关系假想组合。解：因为pH=7.48,所以水中碱度仅存HCO3-。No.12例题例题11：：69.769.7No.13例题例题11：：No.146.1.3、水的纯度以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆·厘米）淡化水：高含盐量水经局部处理脱盐水：相当于普通蒸馏水，含盐量1—5mg/L纯水：亦称去离子水，含盐量1mg/L高纯水：含盐量0.1mg/LNo.156.1.4、软化和除盐基本方法1.软化(1)加热：去除暂时硬度(2)药剂软化：根据溶度积原理(3)离子交换：硬度去除比较彻底。2.除盐(1)蒸馏法：（大规模）(2)电渗析法：（小规模）(3)反渗透法：（中小规模）(4)离子交换法：（各种规模）No.166.1.5、药剂软化法（一）、石灰软化法（二）、石灰－石膏法No.17（一）、石灰软化法石灰的主要成分：CaOCaO+H2O=Ca(OH)2：石灰的消解反应CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O：去除游离CO2Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3↓+2H2OMg(HCO3)2+2Ca(OH)2=2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+2H2OMgCO3+Ca(OH)2=Mg(OH)2↓+CaCO3↓No.18若碱度硬度，还应去除多余的HCO3－若水中存在Fe离子，也要消耗Ca(OH)2所以，石灰投加量：[CaO]=[CO2]+[Ca(HCO3)2]+2[Mg(HCO3)2]+[Fe]为尽量降低碳酸盐硬度，石灰＋混凝沉淀可以同时进行。注意：石灰法只能降低碳酸盐硬度以及降低水中的碱度（一）、石灰软化法No.19（二）、石灰－石膏法当原水的碱度大于硬度，即负硬度（有碱度存在时）出现时2NaHCO3+CaSO4+Ca(OH)2＝2CaCO3↓+Na2SO4+2H2ONo.20No.216.2离子交换的基本原理离子交换法是水质软化和除盐的主要方法之一。在废水处理中，主要用于去除重金属离子。离子交换的实质是不溶性离子化合物(离子交换剂)上的可交换离子与溶液中的其它同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆性化学吸附。无机离子交换剂：沸石、磺化煤有机离子交换剂：离子交换树脂离子交换剂No.226.26.2离子交换的基本原理离子交换的基本原理6.2.1、离子交换树脂的构造6.2.2、离子交换反应6.2.3、离子交换树脂的性能No.236.2.16.2.1离子交换树脂的构造离子交换树脂的构造离子交换树脂的分类大孔型大孔型凝胶型凝胶型按结构特征按结构特征等孔型等孔型No.246.2.16.2.1离子交换树脂的构造离子交换树脂的构造离子交换树脂的分类按活性基团性质按活性基团性质弱酸性强酸性弱碱性强碱性阳离子阳离子阴离子阴离子苯乙烯系丙烯酸系按母体种类按母体种类酚醛系No.256.2.16.2.1、离子交换树脂的构造、离子交换树脂的构造外观：是一些有颜色的小球里面：有四通八达的孔隙，在孔隙内有可提供交换离子的交换基团。No.266.2.16.2.1、离子交换树脂的构造、离子交换树脂的构造AnaturalporositylimitedtointermoleculardistancesAmicroporoustypestructureAnaturalporositylimitedtointermoleculardistancesAmicroporoustypestructureFixednegativelyFixednegativelychargedexchangechargedexchangesite,i.e.SOsite,i.e.SO33--Mobilepositivelychargedexchangeablecation,i.e.,Na+PolystyreneChain(聚苯乙烯)DVBcrosslink(二乙烯基苯)WaterofhydrationThediameterofthebeadis0.3to1.2mm.Thediameterofthebeadis0.3to1.2mm.No.27母体（骨架）：母体（骨架）：高分子化合物和交联剂经聚合反应而生成的共聚物。交换（活性）基团：交换（活性）基团：遇水电离，具有交换性（可交换离子）。离子交换树脂离子交换树脂6.2.16.2.1、离子交换树脂的构造、离子交换树脂的构造No.286.2.16.2.1、离子交换树脂的构造——、离子交换树脂的构造——离子交换树脂的分类树脂名树脂名称称交换基团交换基团符号符号备注备注名称名称化学式化学式强酸性强酸性阳离子交换树脂磺酸基－SO3HRH最常用弱酸性阳离子交换树脂羧酸基－COOHRCOOH强碱性阴离子交换树脂季胺基≡NOHR≡NOH最常用弱碱性弱碱性阴阴离子交换树脂叔胺基仲胺基伯胺基≡NHOH＝NH2OH－NH3OHR≡NHOHR＝NH2OHR－NH3OHNo.296.2.16.2.1、离子交换树脂的构造——、离子交换树脂的构造——命名GB1631-79（离子交换树脂产品分类、命名及型号）No.30代号0123456功能基强酸性弱酸性强碱性弱碱性螯合性两性氧化还原代号0123456骨架类型苯乙烯系丙烯酸系酚醛系环氧系乙烯嘧啶系脲醛系氯乙烯系001×77凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，交联度为7%D111即为：大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂6.2.16.2.1、离子交换树脂的构造——、离子交换树脂的构造——命名No.316.2.2、离子交换反应：StrongAcidCationStrongAcidCationExchangersExchangers2(R-SO3H)+Ca2+(R-SO→3)2Ca+2H+HydrogenForm,regeneratewithHClorH2SO42(R-SO3Na)+Ca2+(R-SO→3)2Ca+2Na+SodiumForm,regeneratewithNaClNaClNo.326.2.2、离子交换反应：WeakAcidCationWeakAcidCationExchangersExchangers2(R-COOH)+Ca2+(R-COO)→2Ca+2H+HydrogenForm,regeneratewithHClorH2SO42(R-COONa)+Ca2+(R-COO)→2Ca+2Na+SodiumForm,regeneratewithNaOHNaOHNo.336.2.2、离子交换反应：StrongBaseAnionStrongBaseAnionExchangersExchangers2(R-R3’OH)+SO42-(R-R→3’N)2SO4+2OH-HydroxideForm,regeneratewithNaClChlorideForm,regeneratewithNaClorHCl2(R-R3’NCl)+SO42-(R-R→3’N)2SO4+2Cl-No.346.2.2、离子交换反应：WeakBaseAnionWeakBaseAnionExchangersExchangers2R-NH3OH+SO42-(R-NH→3N)2SO4+2OH-Freebaseorhydroxideform,regeneratewithNaOH,NH4OHorNa2CO3ChlorideForm,regeneratewithHCl2(R-NH3Cl)+SO42-(R-NH→3)2SO4+2Cl-No.356.2.3、离子交换树脂的性能（1）外观（2）交联度（3）含水率（4）溶胀性（5）密度（6）交换容量（7）有效pH范围（8）离子交换的选择性（9）离子交换平衡（10）离子交换速率（11）其他性能No.36（（11）外观）外观有透明(凝胶型)，半透明或不透明(大孔型)的。粒径一般为0.3～l.2mm的球体；颜色有乳白，淡黄，咖啡色。弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂No.37（（22）交联度）交联度交联剂占树脂原料总重量的百分数称为交联度。交联度对树脂的许多性能具有决定性影响，如交换容量、含水率、溶胀性、机械强度等。一般水处理用树脂交联度在7~10％。No.38（（33）含水率）含水率每克湿树脂(树脂充分膨胀下)所含水分的百分率，称为树脂的含水率。一般为50％。含水率可以反映树脂网架中的孔隙率。交联度越大，孔隙越小，含水率越少。No.39（（44）溶胀性）溶胀性干树脂用水浸泡而体积变大的现象称为树脂的溶胀性。这种溶胀又称为绝对溶胀;而将湿树脂转型时所产生的体积变化称为树脂的相对溶胀。树脂的溶胀程度常用溶