离子交换法PPT课件.ppt
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1、13.4 13.4 离子交换法离子交换法1离子交换剂 离子交换剂可分为离子交换剂可分为无机离子交换剂无机离子交换剂和和有机离子交换剂有机离子交换剂两类。两类。前者如天然沸石和人造沸石等;后者是一种高分子聚合物电解前者如天然沸石和人造沸石等;后者是一种高分子聚合物电解质,称为质,称为离子交换树脂离子交换树脂,它是使用最广泛的离子交换剂。,它是使用最广泛的离子交换剂。离子交换树脂的结构特征离子交换树脂的结构特征 离子交换树脂的结构如图所示,它是离子交换树脂的结构如图所示,它是由骨架和活性基团两部分组成。骨架又称由骨架和活性基团两部分组成。骨架又称为母体,是形成离子交换树脂的结构主体。为母体,是形成
2、离子交换树脂的结构主体。它是以一种线型结构的高分子有机化合物它是以一种线型结构的高分子有机化合物为主,加上一定数量的交联剂,通过横键为主,加上一定数量的交联剂,通过横键架桥作用构成空间网状结构。活性基团由架桥作用构成空间网状结构。活性基团由固定离子和活动离子组成。固定离子固定固定离子和活动离子组成。固定离子固定在树脂骨架上,活动离子在树脂骨架上,活动离子( (或称交换离子或称交换离子) )则依靠静电引力与固定离子结合在则依靠静电引力与固定离子结合在- -起,起,二者电性相反电荷相等,处于电性中和状二者电性相反电荷相等,处于电性中和状态。态。2离子交换树脂的种类离子交换树脂的种类 离子交换树脂按
3、照功能基团的性质可分为:离子交换树脂按照功能基团的性质可分为:含有酸性基团的阳离含有酸性基团的阳离子交换树脂、含有碱性基团的阴离子交换树脂、含有胺羧基团等的子交换树脂、含有碱性基团的阴离子交换树脂、含有胺羧基团等的整合树脂、含有氧化整合树脂、含有氧化- -还原基团的氧化还原树脂还原基团的氧化还原树脂( (或称电子交换树脂或称电子交换树脂) )以及两性树脂等五种,还有新近发展起来的萃淋树脂以及两性树脂等五种,还有新近发展起来的萃淋树脂( (或称溶剂浸或称溶剂浸渍树脂渍树脂) )等等等等。其中,阳、阴离子交换树脂按照活性基团电离的强。其中,阳、阴离子交换树脂按照活性基团电离的强弱程度,又分别分为强
4、酸弱程度,又分别分为强酸( (如如-SO-SO3 3H)H)、弱酸、弱酸( (如如-COOH)-COOH)、强碱、强碱( (如如- -N(CHN(CH3 3) )3 3+ +0H0H- -) )、弱碱、弱碱( (如如-NH-NH2 2) )树脂。树脂。 离子交换树脂按树脂类型和孔结构的不同可分为:离子交换树脂按树脂类型和孔结构的不同可分为:凝胶型树脂,凝胶型树脂,大孔型树脂,多孔凝胶型树脂,巨孔型大孔型树脂,多孔凝胶型树脂,巨孔型(MR(MR型型) )树脂,高巨孔型树脂,高巨孔型( (超超MRMR型型) )树脂等树脂等。如果按树脂交联度。如果按树脂交联度( (交联剂含量的百分数交联剂含量的百分
5、数) )大小分类,大小分类,可把离子交换树脂分为:低交联度可把离子交换树脂分为:低交联度(2(24%)4%),一般交联度,一般交联度(7(78%)8%),高交联度高交联度(12(1220%)20%)等三种。实际中常用的是交联度等三种。实际中常用的是交联度7 712%12%的树脂。的树脂。此外,习惯上还按照出厂型式即活动离子的名称,把交换树脂简称此外,习惯上还按照出厂型式即活动离子的名称,把交换树脂简称为为H H型、型、NaNa型、型、OHOH型、型、C1C1型树脂等等。型树脂等等。 3离子交换树脂的性能离子交换树脂的性能 离子交换树脂对水溶液或废水中某种离子优先交换的性能,离子交换树脂对水溶液
6、或废水中某种离子优先交换的性能,称为树脂的交换选择性,简称选择性。它是表征树脂对不同离称为树脂的交换选择性,简称选择性。它是表征树脂对不同离子亲合能力的差别。离子交换的选择性与许多因素有关。子亲合能力的差别。离子交换的选择性与许多因素有关。树脂的交换选择性树脂的交换选择性 1)1)在低浓度和常温下,离子的交换势在低浓度和常温下,离子的交换势( (即交换离子与固定离子结合的能力即交换离子与固定离子结合的能力) )随溶液中离子价数的增加而增加,例如:随溶液中离子价数的增加而增加,例如:ThTh4+4+LaLa3+3+CaCa2+2+NaNa+ +。2)2)在低浓度和常温下,价数相同时,交换势随原子
7、序数增加而增加。这是在低浓度和常温下,价数相同时,交换势随原子序数增加而增加。这是因为原子序数大,水化离子半径小,作用力就强。例如:因为原子序数大,水化离子半径小,作用力就强。例如:BaBa2+2+SrSr2+2+CaCa2+2+MgMg2+2+。3)3)交换势随离子浓度的增加而增大。高浓度的低价离子甚至可以把高价离交换势随离子浓度的增加而增大。高浓度的低价离子甚至可以把高价离子置换下来,这就是离子交换树脂能够再生的依据。子置换下来,这就是离子交换树脂能够再生的依据。4)H4)H+ +离子和离子和OHOH- -离子的交换势,取决于它们与固定离子所形成的酸或碱的强离子的交换势,取决于它们与固定离
8、子所形成的酸或碱的强度,强度越大,交换势越小。度,强度越大,交换势越小。5)5)金属在溶液中呈络阴离子存在时,一般来说交换势降低金属在溶液中呈络阴离子存在时,一般来说交换势降低。 4离子交换工艺及设备 离子交换装置,按照运行方式的不同,可分为固定床和连续离子交换装置,按照运行方式的不同,可分为固定床和连续床两大类。床两大类。 用于废水处理的离子交换系统一般包括:预处理设备用于废水处理的离子交换系统一般包括:预处理设备( (一般采一般采用砂滤器,用以去除悬浮物,防止离子交换树脂受污染和交换用砂滤器,用以去除悬浮物,防止离子交换树脂受污染和交换床堵塞床堵塞) )、离子交换器和再生附属设备、离子交换
9、器和再生附属设备( (再生液配制设备再生液配制设备) )。56离子交换法在废水处理中的应用含汞废水的处理含汞废水的处理 当汞在废水中呈当汞在废水中呈HgHg2+2+或或HgClHgCl+ +或或CHCH3 3HgHg+ +等阳离子形态存在时,含巯基等阳离子形态存在时,含巯基(-SH)(-SH)的树脂如聚硫代苯乙烯阳离子交换树脂,对它们的分离具有的树脂如聚硫代苯乙烯阳离子交换树脂,对它们的分离具有特效,其反应如下:特效,其反应如下:2RSH + Hg2RSH + Hg2+2+ (RS)2Hg + 2H (RS)2Hg + 2H+ + RSH + HgClRSH + HgCl+ + RSHgCl
10、+ H RSHgCl + H+ + RSH + CHRSH + CH3 3HgHg+ + RSHgCH RSHgCH3 3 + H+ H+ + 国外用大孔巯基树脂进行交换,在国外用大孔巯基树脂进行交换,在pHpH2 2的条件下,处理含汞的条件下,处理含汞202050mg/L50mg/L的氯碱废水,出水含汞在的氯碱废水,出水含汞在0.002mg/L0.002mg/L以下。我国某研究部门以下。我国某研究部门用国产大孔巯基树脂处理甲基汞废水的研究取得了良好的结果,该用国产大孔巯基树脂处理甲基汞废水的研究取得了良好的结果,该法的流程是:将甲基汞废水通入巯基树脂交换柱进行交换,然后用法的流程是:将甲基汞
11、废水通入巯基树脂交换柱进行交换,然后用盐酸盐酸- -氯化钠溶液洗脱,洗脱液经紫外光照射迅速分解后,再用铜氯化钠溶液洗脱,洗脱液经紫外光照射迅速分解后,再用铜屑还原回收金属汞。经过处理,出水中含甲基汞屑还原回收金属汞。经过处理,出水中含甲基汞lppblppb以下,汞得以以下,汞得以回收。回收。7含镉废水的处理含镉废水的处理 在废水中镉也有两种离子形态。氰化镀镉淋洗水中的银为四在废水中镉也有两种离子形态。氰化镀镉淋洗水中的银为四氰络镉阴离子氰络镉阴离子Cd(CN)Cd(CN)4 42-2-,它可以用,它可以用D370D370大孔叔胺型弱碱性阴离大孔叔胺型弱碱性阴离子交换树脂来处理,出水含镉低于国家
12、排放标准,镉还可以回子交换树脂来处理,出水含镉低于国家排放标准,镉还可以回收利用。另外一种废水中的镉以收利用。另外一种废水中的镉以CdCd2+2+离子或者离子或者Cd(NHCd(NH3 3) )4 42+2+络离子络离子形态存在,形态存在, 例如镀银漂洗水,含镉约例如镀银漂洗水,含镉约20mg/L20mg/L,pHpH值为值为7 7左右,左右,采用采用NaNa型型DK110DK110阳离子交换树脂处理,得到很好的效果。据报导阳离子交换树脂处理,得到很好的效果。据报导已有许多除镉的特效树脂可用于废水处理或回收银。当处理含已有许多除镉的特效树脂可用于废水处理或回收银。当处理含镉镉5050250mg
13、/L250mg/L的废水时,回收镉的价值可使离子交换装置的投的废水时,回收镉的价值可使离子交换装置的投资在半年到两年内得到补偿。资在半年到两年内得到补偿。 8含铬废水的处理含铬废水的处理 在城市污水的深度处理中,也可用离子交换法去除常规二级处理在城市污水的深度处理中,也可用离子交换法去除常规二级处理中难以去除的营养物质磷和氮,使水质达到受纳水体或某具体回用中难以去除的营养物质磷和氮,使水质达到受纳水体或某具体回用目的水质标准。目的水质标准。 氯型强碱性阴离子交换树脂吸着磷酸的反应如下:氯型强碱性阴离子交换树脂吸着磷酸的反应如下: 2RCl + HPO2RCl + HPO4 42-2- R R2
14、 2HPOHPO4 4 + 2C1+ 2C1- - 树脂的选择性次序为:树脂的选择性次序为:POPO4 43-3-HPOHPO4 42-2-H H2 2POPO4 4- -,但吸着量以一价的,但吸着量以一价的H H2 2POPO4 4- -为最大。三价铁离子型的强酸性阳离子交换树脂也能吸着磷为最大。三价铁离子型的强酸性阳离子交换树脂也能吸着磷酸,这种树脂对污水二级处理出水进行深度处理时,磷酸的吸附量酸,这种树脂对污水二级处理出水进行深度处理时,磷酸的吸附量为为2.75kg(2.75kg(磷磷)/m)/m3 3( (树脂树脂) ),处理后出水的磷酸浓度在,处理后出水的磷酸浓度在0.01mg/L
15、(0.01mg/L (磷磷) )以下。再生时使用三氯化铁溶液。以下。再生时使用三氯化铁溶液。 用氯型阳离子交换树脂对污水二级处理出水进行处理时,一个工用氯型阳离子交换树脂对污水二级处理出水进行处理时,一个工作周期的处理水量约为树脂量的作周期的处理水量约为树脂量的170170倍,硝酸根离子的去除率为倍,硝酸根离子的去除率为7777,处理出水的硝酸根离子浓度降到,处理出水的硝酸根离子浓度降到1.3mg/L1.3mg/L。 除磷脱氮除磷脱氮98吨/小时全自动离子交换纯水系统1013.5 电渗析电渗析 一、概述一、概述 电渗析法是在外加直流电场作用下,利用离子电渗析法是在外加直流电场作用下,利用离子交
16、换膜对溶液中离子的选择透过性,使溶液中溶质交换膜对溶液中离子的选择透过性,使溶液中溶质和溶剂分离的一种物理化学过程。和溶剂分离的一种物理化学过程。 在阴极和阳极之间交替排列一系列阴离子交换在阴极和阳极之间交替排列一系列阴离子交换膜和阳离子交换膜。阴离子交换膜能使阴离子透过,膜和阳离子交换膜。阴离子交换膜能使阴离子透过,阳离子交换膜能使阳离子透过。在两种膜所形成的阳离子交换膜能使阳离子透过。在两种膜所形成的格室中充满氯化钠(格室中充满氯化钠(NaCl)的水溶液,当接入直)的水溶液,当接入直流电源,带负电的阴离子会向阳极迁移,受到阳膜流电源,带负电的阴离子会向阳极迁移,受到阳膜的阻挡在的阻挡在2、
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