第二章+离子交换课件.ppt

1、1 软化的目的与方法概述软化的目的与方法概述 硬度高的危害：硬度高的危害：会在锅炉受热面上生会在锅炉受热面上生成水垢，从而降低锅炉热效率、增大燃料成水垢，从而降低锅炉热效率、增大燃料消耗，甚至因金属壁面局部过热而烧损部消耗，甚至因金属壁面局部过热而烧损部件、引起爆炸，饮用水硬度超标会引起肠件、引起爆炸，饮用水硬度超标会引起肠胃功能紊乱。胃功能紊乱。硬度的处理：硬度的处理：对于低压锅炉，一般对于低压锅炉，一般要进行水的软化处理，对于中、高压锅护，要进行水的软化处理，对于中、高压锅护，则要求进行水的软化与脱盐处理。则要求进行水的软化与脱盐处理。硬度盐类包括硬度盐类包括Ca2+Ca2+、Mg2+Mg

2、2+、Fe2+Fe2+、Mn2+Mn2+、Fe3+Fe3+、Al3+Al3+等易形成难溶盐类的金属阳等易形成难溶盐类的金属阳离于。在一般天然水中，主要是离于。在一般天然水中，主要是Ca2+Ca2+和和Mg2+Mg2+，其它离子含量很少，其它离子含量很少，所以通常以所以通常以水中水中Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+的总含量称为水的总硬的总含量称为水的总硬度度 。硬度又可区分为碳酸盐硬度和非碳。硬度又可区分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度酸盐硬度 ，前者在煮沸时易沉淀析出，前者在煮沸时易沉淀析出，亦称为暂时硬度，而后者在煮沸时不沉亦称为暂时硬度，而后者在煮沸时不沉淀析出，亦称为永久硬度。淀析出，亦称为

3、永久硬度。1)药剂软化法药剂软化法(沉淀软化法沉淀软化法):是基于溶度积原是基于溶度积原理，加入某些药剂，把水中钙、镁离子转变成理，加入某些药剂，把水中钙、镁离子转变成难溶化合物使之沉淀析出。难溶化合物使之沉淀析出。2)离子交换软化法离子交换软化法:是基于离子交换原理，利是基于离子交换原理，利用某些离子交换剂所具有的阳离子（用某些离子交换剂所具有的阳离子（Na+或或H+）与水中钙、镁离子进行交换反应。与水中钙、镁离子进行交换反应。3）其他其他。如：电渗析，利用离子交换膜的如：电渗析，利用离子交换膜的选择透过性，在外加直流电场作用下，通过离选择透过性，在外加直流电场作用下，通过离子的迁移，在进行

4、水的局部除盐的同时，达到子的迁移，在进行水的局部除盐的同时，达到软化的目的。软化的目的。软化处理主要方法：软化处理主要方法：水的药剂软化原理：水的药剂软化原理：就是根据溶度积原理，按就是根据溶度积原理，按一定量投加某些药剂（如石灰、苏打等）于原一定量投加某些药剂（如石灰、苏打等）于原水中，使之与水中钙、镁离子反应生成沉淀物水中，使之与水中钙、镁离子反应生成沉淀物CaCO3和和Mg(OH)2。水的药剂软化工艺：水的药剂软化工艺：混合、絮凝、沉淀、过滤混合、絮凝、沉淀、过滤等。等。水的药剂软化水的药剂软化为去除为去除Ca2+、Mg2+而加入而加入CaO（Ca（OH）2）注意：注意：1）反应生成氢氧

5、化镁，但同时又产生了等物质量的）反应生成氢氧化镁，但同时又产生了等物质量的非碳酸盐的钙硬度。故单纯的石灰软化是不能降低水非碳酸盐的钙硬度。故单纯的石灰软化是不能降低水的非碳酸盐硬度的。的非碳酸盐硬度的。2）石灰软化主要是去除水中的碳酸盐硬度以及降低）石灰软化主要是去除水中的碳酸盐硬度以及降低水的碱度。水的碱度。3）过量投加石灰，反而会增加水的硬度。）过量投加石灰，反而会增加水的硬度。4）石灰软化与混凝处理同时进行，可产生共同沉淀）石灰软化与混凝处理同时进行，可产生共同沉淀效果。混凝剂常用铁盐。效果。混凝剂常用铁盐。一、一、石灰软化石灰软化药剂药剂：石灰、苏打（碳酸钠）：石灰、苏打（碳酸钠）作用

6、作用：石灰用以降低水的碳酸盐硬度：石灰用以降低水的碳酸盐硬度 苏打用于降低水的非碳酸盐硬度苏打用于降低水的非碳酸盐硬度反应式反应式：效率：效率：软化水的剩余硬度可降低到软化水的剩余硬度可降低到0.150.2 mmoIL （石灰法：（石灰法：0.250.5mmoIL）423324SONaCaCOCONaCaSONaClCaCOCONaCaCl23322423324SONaMgCOCONaMgSO2323)()(OHMgCaCOOHCaMgCO二、石灰二、石灰苏打软化苏打软化概念概念：由：由离子交换剂离子交换剂与电解质溶液中阴离与电解质溶液中阴离子或阳离子发生置换反应的过程。子或阳离子发生置换反应

7、的过程。离子交离子交换是一种属于传质分离过程的单元操作，换是一种属于传质分离过程的单元操作，是是可逆可逆的的等当量等当量交换反应，可用于提取或交换反应，可用于提取或去除溶液中某些离子。去除溶液中某些离子。用公式可表示为：用公式可表示为：ABRBARXYRYXR 离子交换剂是一种不溶于水的固离子交换剂是一种不溶于水的固体颗粒状物质，含有可被替换的阳离体颗粒状物质，含有可被替换的阳离子或阴离子。主要有：子或阴离子。主要有：无机离子交换剂无机离子交换剂 磺化煤磺化煤 有机合成离子交换树脂有机合成离子交换树脂2.1.1 2.1.1 无 机 离 子 交 换 剂 和 磺 化 煤无 机 离 子 交 换 剂

8、和 磺 化 煤sulfonatedsulfonated coal coal 一、无机离子交换剂主要为弱酸性阳离一、无机离子交换剂主要为弱酸性阳离子交换剂，天然的无机离子交换剂中最子交换剂，天然的无机离子交换剂中最常见的有常见的有沸石沸石和和绿砂。绿砂。（1 1）沸石）沸石 是铝硅酸盐类矿物质，分子式为是铝硅酸盐类矿物质，分子式为OmHnSiOOAlONa22322 沸石晶体中部分硅离子被铝离子替沸石晶体中部分硅离子被铝离子替代，而缺少正电荷，不足的正电荷一般代，而缺少正电荷，不足的正电荷一般有钠离子和钙离子补足，钠离子和钙离有钠离子和钙离子补足，钠离子和钙离子可移动并可进行离子交换。沸石交换子

9、可移动并可进行离子交换。沸石交换容量较小，且一般不能交换尺寸较大的容量较小，且一般不能交换尺寸较大的离子。离子。OmHnSiOOAlONa22322（2 2）绿砂）绿砂 是铁铝硅酸盐矿物，其交换的离子是是铁铝硅酸盐矿物，其交换的离子是K K，因其离子交换大多在其颗粒表面进，因其离子交换大多在其颗粒表面进行，故其交换容量不大，约为人工合成树行，故其交换容量不大，约为人工合成树脂的脂的1/101/10。二、磺化煤二、磺化煤 磺化煤外观为黑色不规则的颗粒，质磺化煤外观为黑色不规则的颗粒，质地松脆，多孔结构。是发烟硫酸对褐煤、地松脆，多孔结构。是发烟硫酸对褐煤、无烟煤等进行磺化处理而合成的。磺化煤无烟

10、煤等进行磺化处理而合成的。磺化煤中含有大量磺酸基团中含有大量磺酸基团SOSO3 3H H和一部分和一部分COOHCOOH、OHOH基团，可与阳离子发生离子交基团，可与阳离子发生离子交换。是强酸性阳离子交换剂，在换。是强酸性阳离子交换剂，在pHpH2 2酸性酸性溶液中能发生离子交换，其交换容量为人溶液中能发生离子交换，其交换容量为人工合成树脂的工合成树脂的1/41/4到到1/31/3。一、有机合成离子交换树脂的结构一、有机合成离子交换树脂的结构 （以下简称离子交换树脂）（以下简称离子交换树脂）离子交换树脂是由空间网状结构离子交换树脂是由空间网状结构骨骨架架（高分子化合物）与附属在骨架上的（高分子

11、化合物）与附属在骨架上的许多许多活性（离子）基团活性（离子）基团所构成的不溶性所构成的不溶性高分子化合物。高分子化合物。活性基团遇水电离，分成二部分：活性基团遇水电离，分成二部分：1.1.固定部分固定部分：仍与骨架牢固结合，：仍与骨架牢固结合，不能自由移动，称固定离子，不能自由移动，称固定离子，2.2.活动部分活动部分：能在一定空间内自由：能在一定空间内自由移动，并与其周围溶液中的其它同性移动，并与其周围溶液中的其它同性离子进行交换反应，称为可交换离子离子进行交换反应，称为可交换离子或反离子。或反离子。二、离子交换树脂的分类二、离子交换树脂的分类 1.1.按活性基团性质分类：按活性基团性质分类

12、：阳离子交换树脂、阴离子交换树脂阳离子交换树脂、阴离子交换树脂（可交换离子极性）（可交换离子极性）强性和弱性（离子基团电离的难易强性和弱性（离子基团电离的难易程度）程度）阳离子阳离子R-SO3H R-CH2SO3H R-PO3H2 R-COOH R-OH磺酸基 次甲基磺酸基 磷酸基 羧酸基 酚基 （强酸性）（弱酸性）强酸性阳离子交换树脂对多数阳离子强酸性阳离子交换树脂对多数阳离子具有相当高的亲和力，进行离子交换时没具有相当高的亲和力，进行离子交换时没有选择性，交换在酸性条件下也具有较强有选择性，交换在酸性条件下也具有较强的交换能量，但再生困难。的交换能量，但再生困难。弱酸性阳离子交换树脂对阳离

13、子的结弱酸性阳离子交换树脂对阳离子的结合能力，受阳离子电荷数和半径的影响较合能力，受阳离子电荷数和半径的影响较大，离子交换具有选择性在酸性溶液明显大，离子交换具有选择性在酸性溶液明显抑制了其电离，交换能力降低，但再生容抑制了其电离，交换能力降低，但再生容易。易。阴离子阴离子R-NOH R-NH3+OH R-NH2+OH R-NHOH季胺基季胺基 伯胺基伯胺基 仲胺基仲胺基 叔胺基叔胺基 （强碱性）强碱性）（弱碱性）（弱碱性）强、弱碱性阴离子交换树脂中的强、弱碱性阴离子交换树脂中的强、弱碱性基团的选择性有很大差别，强、弱碱性基团的选择性有很大差别，强碱性阴离子交换树脂中的交换基团强碱性阴离子交换

14、树脂中的交换基团对溶液中所有阴离子都有不同程度的对溶液中所有阴离子都有不同程度的亲和力；而弱碱性阴离子交换树脂中亲和力；而弱碱性阴离子交换树脂中的交换基团只对溶液中的强酸根离子的交换基团只对溶液中的强酸根离子有交换吸附能力，对碳酸根、硫化氢有交换吸附能力，对碳酸根、硫化氢等交换吸附能量微弱，对硅酸、苯酚、等交换吸附能量微弱，对硅酸、苯酚、硼酸及氰酸等弱酸无交换能力，但对硼酸及氰酸等弱酸无交换能力，但对OH却有很强的交换吸附能力。却有很强的交换吸附能力。2.2.按结构特征分类：按结构特征分类：按制造工艺的不同，离子交换树脂内按制造工艺的不同，离子交换树脂内部可形成不同的孔型结构，常见类型：部可形

15、成不同的孔型结构，常见类型：凝胶型、大孔型和均孔型。凝胶型、大孔型和均孔型。（1 1）凝胶型）凝胶型 具有均相高分子凝胶结构，由链状大分具有均相高分子凝胶结构，由链状大分子在交联剂的联接下，形成空间结构。离子子在交联剂的联接下，形成空间结构。离子交换基团分布在孔道的各个部位。由孔道所交换基团分布在孔道的各个部位。由孔道所构成的空隙是化学结构中的空隙，孔径大小构成的空隙是化学结构中的空隙，孔径大小与树脂的交联度或膨胀程度有关。交换离子与树脂的交联度或膨胀程度有关。交换离子的性质、溶液的浓度及的性质、溶液的浓度及pHpH的变化都可引起凝的变化都可引起凝胶孔径的改变。故凝胶型，易被大分子堵塞，胶孔径

16、的改变。故凝胶型，易被大分子堵塞，易产生中毒现象污染。易产生中毒现象污染。（2 2）大孔型和均孔型树脂）大孔型和均孔型树脂 这种树脂在制造过程中，由于加入了致这种树脂在制造过程中，由于加入了致孔剂，形成了大量的毛细孔道，是非均相凝孔剂，形成了大量的毛细孔道，是非均相凝胶结构，同时存在凝胶孔和毛细孔。具有很胶结构，同时存在凝胶孔和毛细孔。具有很大的孔径及表面积，因而具有吸附及离子交大的孔径及表面积，因而具有吸附及离子交换作用，用途广泛。换作用，用途广泛。大孔型树脂离子交换速度大约为大孔型树脂离子交换速度大约为凝胶型的凝胶型的1010倍，其机械性能、化学稳倍，其机械性能、化学稳定性能交凝胶型高。且

17、可防止有机物定性能交凝胶型高。且可防止有机物的中毒现象。常可以用于去除腐植酸、的中毒现象。常可以用于去除腐植酸、表面活性物质、木质素和酚等杂质，表面活性物质、木质素和酚等杂质，但其交换能力较凝胶型的低、且再生但其交换能力较凝胶型的低、且再生剂用量较大，使设备投资和运行费增剂用量较大，使设备投资和运行费增大，且价格高，限制了推广应用。大，且价格高，限制了推广应用。均孔型树脂所有空隙都有大致相近的均孔型树脂所有空隙都有大致相近的尺寸，在数百埃左右，因而他保持了大孔尺寸，在数百埃左右，因而他保持了大孔型树脂的优点，而改善了交换容量和再生型树脂的优点，而改善了交换容量和再生方面的缺点，是改良的大孔型树

18、脂。方面的缺点，是改良的大孔型树脂。三、离子交换树脂的命名三、离子交换树脂的命名(分类、命名和分类、命名和型号型号)a a名称名称 分类名称（指微孔型态或官能团）分类名称（指微孔型态或官能团）+骨架骨架（或基团）名称（或基团）名称+基本名称。基本名称即离子交换基本名称。基本名称即离子交换树脂。树脂。b b 型号型号 为区别同一类树脂的不同品种，在全名称为区别同一类树脂的不同品种，在全名称前冠以三位阿拉伯数字组成的型号。前冠以三位阿拉伯数字组成的型号。（P236P236）大孔型离子交换树脂大孔型离子交换树脂可在型号前可在型号前加加“D”D”表示。表示。P236P2360010017 7产品分类产

19、品分类骨架代号骨架代号顺序号顺序号交联度交联度2.1.3 离子交换树脂性质一、物理性质一、物理性质 1.1.外观外观 离子交换树脂外观呈不透明或半离子交换树脂外观呈不透明或半透明球状颗粒。颜色有乳白、淡黄或棕褐透明球状颗粒。颜色有乳白、淡黄或棕褐色等几种。形状为球形，且按要求其圆球色等几种。形状为球形，且按要求其圆球率应达率应达9090以上。以上。2.2.粒度粒度 一般用有效粒径和均一系数表示。一般用有效粒径和均一系数表示。有效粒径指筛上有效粒径指筛上保留保留9090树脂样品相应树脂样品相应试验筛孔孔径（试验筛孔孔径（mmmm）。）。树脂粒径一般为树脂粒径一般为0.30.31.2mm1.2mm

20、（相当于（相当于50165016目）。目）。均一系数是指筛上均一系数是指筛上保留保留4040树脂相应筛树脂相应筛孔孔径与有效粒径的比值，用孔孔径与有效粒径的比值，用k40k40表示。均表示。均一性越趋于一性越趋于1 1，树脂颗粒越均匀。粒度小，树脂颗粒越均匀。粒度小，交换能力大，但树脂层水流阻力大，反洗交换能力大，但树脂层水流阻力大，反洗时清除截留杂质困难。粒度大，交换速度时清除截留杂质困难。粒度大，交换速度慢。慢。3.3.交联度：交联度：指胶联剂在交换树脂内的重量指胶联剂在交换树脂内的重量百分比。百分比。交联度对树脂的许多性能具有决定交联度对树脂的许多性能具有决定性的影响。交联度的改变将引起

21、树脂交性的影响。交联度的改变将引起树脂交换容量、含水率、溶胀度、机械强度等换容量、含水率、溶胀度、机械强度等性能的改变。水处理用的离子交换树脂，性能的改变。水处理用的离子交换树脂，交联度以交联度以7 7一一1010为宜。为宜。4.4.密度密度湿真密度：树脂溶胀后的质量与其本身所占湿真密度：树脂溶胀后的质量与其本身所占体积（不包括树脂颗粒之间的空隙）之比：体积（不包括树脂颗粒之间的空隙）之比：（一般阳离子大于阴离子）（一般阳离子大于阴离子）（树脂颗粒本身所占体积湿树脂质量湿真密度ml/g树脂层的反树脂层的反洗强度、膨洗强度、膨胀率、混合胀率、混合床、双层床床、双层床的树脂分层的树脂分层湿视密度：

22、树脂溶胀后的质量与其堆积体积湿视密度：树脂溶胀后的质量与其堆积体积(包括树脂颗粒之间的空隙包括树脂颗粒之间的空隙)之比，亦称为堆之比，亦称为堆密度。密度。）（树脂堆积体积湿树脂质量湿视密度ml/g计算离子交换器所需装计算离子交换器所需装填湿树脂的数量填湿树脂的数量 。湿真密度：湿真密度：苯乙烯苯乙烯系强酸树脂湿真密系强酸树脂湿真密度约为度约为1.3g/mL1.3g/mL，强 碱 树 脂 约 为强 碱 树 脂 约 为1.18g/mL1.18g/mL。湿视密度：湿视密度：该值一该值一般为般为0.60.60.85 0.85 g/mLg/mL。5.5.含水率含水率 树脂含水率一般以每克湿树脂树脂含水率

23、一般以每克湿树脂所含水分的百分比表示（约所含水分的百分比表示（约5050），并且），并且相应地反映了树脂网架中的孔隙率。树脂相应地反映了树脂网架中的孔隙率。树脂交联度越小，孔隙率越大，含水率也越大。交联度越小，孔隙率越大，含水率也越大。6.6.耐磨性耐磨性 树脂颗粒在使用时，由于相互树脂颗粒在使用时，由于相互摩擦和胀缩作用，会产生破裂现象，一般摩擦和胀缩作用，会产生破裂现象，一般树脂每年的耗损应不超过树脂每年的耗损应不超过3 37 7 7.7.溶胀性和转型体积改变率溶胀性和转型体积改变率 干树脂浸干树脂浸泡水中时，体积胀大。基本原因是活性泡水中时，体积胀大。基本原因是活性基团上可交换离子的溶剂

24、化作用。离子基团上可交换离子的溶剂化作用。离子交换树脂浸水时，树脂内部与外部可交交换树脂浸水时，树脂内部与外部可交换离子存在渗透压，可使树脂吸水而发换离子存在渗透压，可使树脂吸水而发生溶胀；生溶胀；离子树脂由一种离子转型成另一种离子离子树脂由一种离子转型成另一种离子时，活性基团的半径不同会发生体积变时，活性基团的半径不同会发生体积变化，此时树脂体积改变百分数称为树脂化，此时树脂体积改变百分数称为树脂转型体积改变率。转型体积改变率。二、化学性质二、化学性质 1.1.酸碱性酸碱性 树脂活性基团分为强酸、强树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的碱、弱酸、弱碱性，水的pHpH值势必对其值势必对

25、其交换容量产生较大影响。交换容量产生较大影响。树脂类型树脂类型强酸性强酸性 弱酸性弱酸性 强碱性强碱性 弱碱性弱碱性有效有效pHpH范围范围 0 014144 414140 014140 07 7强酸性强酸性 FeFe3+3+AlAl3+3+Ca Ca2+2+MgMg2+2+KK+NaNa+HH+弱酸性弱酸性 H H+FeFe3+3+AlAl3+3+Ca Ca2+2+MgMg2+2+KK+NaNa+强碱性强碱性 SOSO4 42-2-NONO3 3-ClCl-OHOH-FF-HCOHCO3 3-HSiOHSiO3 3-弱碱性弱碱性 OHOH-SOSO4 42-2-NONO3 3-ClCl-FF

26、-HCOHCO3 3-HSiOHSiO3 3-3.3.交换容量交换容量 一定数量离子交换树脂所具有一定数量离子交换树脂所具有的可交换离子的数量。包括全交换容量和的可交换离子的数量。包括全交换容量和工作交换容量（工作交换容量（mol/gmol/g）。）。全交换容量：指一定量树脂所具有的全交换容量：指一定量树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量，树脂全活性基团或可交换离子的总数量，树脂全交换容量可由滴定法测定。在理论上亦可交换容量可由滴定法测定。在理论上亦可从树脂单元结构式加以计算。从树脂单元结构式加以计算。工作交换容量：指树脂在给定工作条工作交换容量：指树脂在给定工作条件下实际上可利用的交换能

27、力。件下实际上可利用的交换能力。苯乙烯系强酸阳离子交苯乙烯系强酸阳离子交换树脂：换树脂：184.2g184.2g含有含有1gH1gH+，亦相当于，亦相当于1mol1mol可可交换离子交换离子H H+的质量。如的质量。如果，扣去交联剂所占份果，扣去交联剂所占份量（按量（按1010计），强酸计），强酸树脂全交换容量应为：树脂全交换容量应为：)(/86.42.184/90.010001干树脂gmmol全交换容量全交换容量该数值与实测数据相当吻合。该数值与实测数据相当吻合。4.4.热稳定性热稳定性 在受热情况下，离子交换树在受热情况下，离子交换树脂保持理化性能不变的能力。脂保持理化性能不变的能力。弱酸

28、性阳离子交换树脂的热稳定性弱酸性阳离子交换树脂的热稳定性较高，工作温度可高达较高，工作温度可高达200200，强酸性阳，强酸性阳离子交换树脂工作温度离子交换树脂工作温度100100120 120 ，当，当超过超过150 150 时，树脂会发生磺酸基脱落现时，树脂会发生磺酸基脱落现象。各种树脂热稳定顺序：象。各种树脂热稳定顺序：弱酸性弱酸性 强酸性强酸性 弱碱性弱碱性型强碱性型强碱性型型强碱性强碱性（1）中性盐分解反应RSO3H+NaCl RSO3Na+HClRNOH+NaCl RNCl+NaOH（2）中和反应RSO3H+NaOH RSO3Na+H2ORNOH+NaOH RNCl+H2O（3）复

29、分解反应R（SO3Na）2+CaCl2 R（SO3）2Ca+2NaClR（NCl）2+Na2SO4 RN2SO4+2NaCl（1）非中性盐分解反应R(COOH)2+Ca(HCO3)2 R(COOH)2ca+2H2CO3RNH2OH+NH4Cl RNH2Cl+NH4OH（2）与强酸或强碱的中和反应RCOOH+NaOH RCOOHNa+H2ORNH2OH+HCl RNH2Cl+H2O（3）复分解反应R(COONa)2+CaCl2 R(COO)2Ca+2NaClR（NHCl）2+NaNO4 RNH2NO3+NaCl以以A A型阳离子交换树脂与水中的一价阳离型阳离子交换树脂与水中的一价阳离子子B B进

30、行交换为例。进行交换为例。ABRBARBARABRKBA离子交换选择系数离子交换选择系数 BRA、B树脂中离子浓度树脂中离子浓度mmolmmol/L/L 溶液中离子浓度溶液中离子浓度 mmolmmol/L/LAR 将选择系数表达式中各浓度用各相中将选择系数表达式中各浓度用各相中离子的分率表示，则其选择系数可表达为：离子的分率表示，则其选择系数可表达为：xxyyKBA11y y平衡时，树脂相中平衡时，树脂相中B B离子的分率，其值为：离子的分率，其值为：y yRB/(RB+RA)RB/(RB+RA)x x平衡时，液相中平衡时，液相中B B离子的分率，其值为：离子的分率，其值为：x xBB/(B/

31、(B+A+A)ABRBAR22222 对于一价离子对二价离子进行交换可对于一价离子对二价离子进行交换可表达为：表达为：22222BARABRKBAxxyyKBA22)1()1(当树脂相中B的离子分率y相同时，KAB值愈大，则溶液相中B的离子分率x愈小，即水中B离子浓度越低，交换效果越好。P243常见的离子选择性系数。KAB10.252050水中B离子含量处理水量进水B离子浓度泄漏点水中B离子含量处理水量进水B离子浓度泄漏点 进水初期，交换剂是H型的，Fe3、Ca2等离子均能与H发生离子交换。但当最上层树脂中H被交换饱和后，离子交换的选择性强弱，被Na、Mg2、Ca2交换的树脂会被Fe3取代，这

32、样树脂层自上向下依次会出现Fe3、Ca2、Mg2及他们相邻的混合层。（2 2）水中含有）水中含有FeFe3+3+、CaCa2+2+等离子交换过程等离子交换过程Fe3Fe3、Ca2+Ca2+Ca2+、Mg2Mg2H进水出水 离子交换是一种液固相反应过程，离子交换是一种液固相反应过程，必然涉及物质在液相和固相中的扩散必然涉及物质在液相和固相中的扩散过程。在常温下，交换反应的速度很过程。在常温下，交换反应的速度很快，不是控制因素。快，不是控制因素。如果进行交换的离子在液相中的如果进行交换的离子在液相中的扩散速度较慢，称为外扩散控制，如扩散速度较慢，称为外扩散控制，如果在固相中的扩散较慢，则称为内扩果

33、在固相中的扩散较慢，则称为内扩散控制。散控制。2.2.5 2.2.5 离子交换动力学过程及交换速度离子交换动力学过程及交换速度一、离子交换过程一、离子交换过程Na+a Caa Ca2 2+表面水膜迁移表面水膜迁移孔道里移动孔道里移动b Cab Ca2+2+交换交换d Nad Na+指定位置指定位置孔道里移动孔道里移动颗粒表面颗粒表面表面水膜迁移表面水膜迁移树脂表面树脂表面水溶液水溶液c Cac Ca2+2+e Nae Na+NaNa+离子交换速度可表示为：离子交换速度可表示为：二、离子交换的速度以及影响因素二、离子交换的速度以及影响因素)1()(210pBCCDdTdEdTdED D0 0:总

34、的扩散系数总的扩散系数B B：与粒度均匀程度有关的系数：与粒度均匀程度有关的系数C C1 1，C C2 2：分别表示同种离子在溶液相和树脂相的浓：分别表示同种离子在溶液相和树脂相的浓度度P P：树脂的空隙度：树脂的空隙度：树脂颗粒的粒径：树脂颗粒的粒径：扩散距离：扩散距离离子交换速度可表示为：离子交换速度可表示为：)1()(210pBCCDdTdE从上式可看出影响离子交换速度的因素：从上式可看出影响离子交换速度的因素：1.D1.D0 0：交换离子特征（电荷、水合半径）、交换离子特征（电荷、水合半径）、树脂特征（交联度、空容、孔径、树脂交换树脂特征（交联度、空容、孔径、树脂交换容量）、水温等因素

35、。树脂的胶联度：胶联容量）、水温等因素。树脂的胶联度：胶联度大，网孔小，扩散速度慢度大，网孔小，扩散速度慢2.2.树脂粒径：粒径小扩散速度快树脂粒径：粒径小扩散速度快)1()(210pBCCDdTdE3.3.溶液浓度：浓度梯度是扩散的推动力溶液浓度：浓度梯度是扩散的推动力当水中离子浓度在当水中离子浓度在0.1mol0.1molL L以上时，离以上时，离子的膜扩散速度很快，此时，孔道扩散子的膜扩散速度很快，此时，孔道扩散过程成为控制步骤。当水中离子浓度在过程成为控制步骤。当水中离子浓度在0.03mol0.03molL L以下时，离子的膜扩散速度以下时，离子的膜扩散速度变得很慢，在此情况下，离子交

36、换速度变得很慢，在此情况下，离子交换速度受膜扩散过程所控制。受膜扩散过程所控制。)1()(210pBCCDdTdE4.4.流速或搅拌速率：膜扩散过程与流速流速或搅拌速率：膜扩散过程与流速或搅拌速率有关，这是由于边界水膜的或搅拌速率有关，这是由于边界水膜的厚度反比于流速或搅拌速率的缘故。而厚度反比于流速或搅拌速率的缘故。而孔道扩散过程基本上不受流速或搅拌速孔道扩散过程基本上不受流速或搅拌速率变化的影响。率变化的影响。)1()(210pBCCDdTdE2.32.3 离子交换装置及其运行条件离子交换装置及其运行条件引入工程概念：引入工程概念：水处理中离子交换是在离子交换水处理中离子交换是在离子交换器

37、中进行的。一般将装有离子交换剂器中进行的。一般将装有离子交换剂的离子交换器称为离子交换床，离子的离子交换器称为离子交换床，离子交换层称为离子交换床层。交换层称为离子交换床层。流动床移动床连续床混合床双层床单层床固定床离子交换装置 在操作过程中，树脂不往外输送，所以称之在操作过程中，树脂不往外输送，所以称之为固定床。移动床、流动床都是与固定床相对而为固定床。移动床、流动床都是与固定床相对而言，并在固定床基础上发展起来的。言，并在固定床基础上发展起来的。离子交换器的种类很多，按运行方式离子交换器的种类很多，按运行方式不同可分为：不同可分为：固定床分类：固定床分类：按水和再生液的流动方向分：顺流再生

38、式、按水和再生液的流动方向分：顺流再生式、逆流再生式和分流再生式。逆流再生式和分流再生式。按交换器内树脂状态分：单层床、双层床和按交换器内树脂状态分：单层床、双层床和混合床。混合床。按设备的功能又可分为阳离子交换器和阴离按设备的功能又可分为阳离子交换器和阴离子交换器和混合离子交换器。子交换器和混合离子交换器。2.3.12.3.1 固定床式离子交换器固定床式离子交换器 主体为密封的圆柱形压力容器，能承主体为密封的圆柱形压力容器，能承受受0.40.40.6MPa0.6MPa压强，器体上设有树脂装卸压强，器体上设有树脂装卸口和用以观察树脂状态的观察孔、上部配水口和用以观察树脂状态的观察孔、上部配水管

39、系、树脂层、下部配水管系。树脂层高度管系、树脂层、下部配水管系。树脂层高度一般为一般为1.51.52.0 m2.0 m。上部交换器有足够反洗。上部交换器有足够反洗空间，以保证反洗时树脂层膨胀之用。空间，以保证反洗时树脂层膨胀之用。反 洗 进 水正 洗 排 水出 水正 洗 排 水反 洗 进 水出 水反 洗 出 水进 水进 水反 洗 出 水排 气进 再 生 液下 部 配 水 系 统树 脂 层上 部 配 水 系 统2.2.顺流再生器的运行顺流再生器的运行正洗排水反洗进水出水进水反洗出水进再生液排气a a 反洗反洗 松动树脂，清洗松动树脂，清洗悬浮物即碎片悬浮物即碎片 101015min15minb

40、b 进再生液再生进再生液再生c c 置换置换 进水按再生液运进水按再生液运行速率，充分利用再生液。行速率，充分利用再生液。d d 正洗，清除再生产物至正洗，清除再生产物至水质合格水质合格e e 制水制水3.3.顺流再生工艺特点顺流再生工艺特点 顺流再生设备结构简单，运行操作方便，顺流再生设备结构简单，运行操作方便，工艺控制容易，对进水悬浮物含量要求不高（浊工艺控制容易，对进水悬浮物含量要求不高（浊度度5NTU5NTU）。）。再生时再生液自上而下通过树脂，故上部再生时再生液自上而下通过树脂，故上部树脂先接触再生液，自上而下树脂再生程度逐渐树脂先接触再生液，自上而下树脂再生程度逐渐降低。在再生初期

41、，一部分被再生下来的高价离降低。在再生初期，一部分被再生下来的高价离子流经下部树脂层时，会将下部树脂中的低价离子流经下部树脂层时，会将下部树脂中的低价离子置换出来，使这部分树脂再生难度加大，再生子置换出来，使这部分树脂再生难度加大，再生液耗量大。因此再生效果差。液耗量大。因此再生效果差。二、逆流再生离子交换器二、逆流再生离子交换器为了克服顺流再生工艺出水端再生度低的缺为了克服顺流再生工艺出水端再生度低的缺点点逆流再生工艺：运行时水流方向与再生时逆流再生工艺：运行时水流方向与再生时再生液流动方向相反的水处理工艺。再生液流动方向相反的水处理工艺。由于逆流再生时再生液与置换液一般是从下由于逆流再生时

42、再生液与置换液一般是从下而上流动的，流速稍大时，可能会发生和反洗过而上流动的，流速稍大时，可能会发生和反洗过程中树脂层流态化而乱层的现象。从而使逆流再程中树脂层流态化而乱层的现象。从而使逆流再生工艺的结构和运行与顺流再生有较大的区别。生工艺的结构和运行与顺流再生有较大的区别。1.1.逆流再生离子交换器结构逆流再生离子交换器结构出水再生液下部配水系统树脂层上部配水系统气顶压压脂层中间排液装置排水进再生液正洗排水进水反洗出水小反洗进水气顶压排气出水反洗进水中间排液小正洗出水再生液下部配水系统树脂层上部配水系统气顶压压脂层中间排液装置排水进再生液正洗排水进水反洗出水小反洗进水气顶压排气出水反洗进水中

43、间排液小正洗a a 中间排液装置中间排液装置 该该装置的作用主要是使装置的作用主要是使向上流的再生液和清向上流的再生液和清洗水均能从此装置排洗水均能从此装置排走。其次还兼作小反走。其次还兼作小反洗的进水和小正洗的洗的进水和小正洗的排水装置。排水装置。出水再生液下部配水系统树脂层上部配水系统气顶压压脂层中间排液装置排水进再生液正洗排水进水反洗出水小反洗进水气顶压排气出水反洗进水中间排液小正洗b b 压脂层压脂层 该装置的该装置的目的是为了使反洗和目的是为了使反洗和再生时不使树脂乱层，再生时不使树脂乱层，但实际运行时压脂产但实际运行时压脂产生的压力很小，主要生的压力很小，主要靠气顶压使树脂不乱靠气

44、顶压使树脂不乱层，压脂层主要起到层，压脂层主要起到过滤水中悬浮物的作过滤水中悬浮物的作用。而且可以使顶压用。而且可以使顶压空气和水通过压脂层空气和水通过压脂层均匀分配在树脂层表均匀分配在树脂层表面。面。2.2.逆流再生离子交换器的运行逆流再生离子交换器的运行a a 小反洗：流速小反洗：流速5 510m10mh h，历时，历时101015min15min；b b 放水放水c c 顶压：顶压：303050 50 kPakPa；排气放水气顶压小反洗出水小反洗进水排气d d 进再生液：流速约进再生液：流速约5m5mh h；e e 逆向清洗：（流速逆向清洗：（流速5 57m7mh h）用）用稀释再生液；

45、稀释再生液；f f 小正洗：去除压脂层再生液；小正洗：去除压脂层再生液；g g正洗：正洗流速正洗：正洗流速为为101015m15mh h。除盐水气顶压排液及气小正洗进水小正洗排水正洗正洗排水进再生液3 3 无顶压逆流再生无顶压逆流再生 无顶压逆流再生工艺：此法的特点在无顶压逆流再生工艺：此法的特点在于，增加中间排水装置的开孔面积，使于，增加中间排水装置的开孔面积，使小孔流速低于小孔流速低于0.10.10.2m0.2ms s这样，在压这样，在压脂层厚脂层厚20cm20cm、再生流速小于、再生流速小于7m7mh h的情况的情况下，不需任何顶压手段，即可保持层床下，不需任何顶压手段，即可保持层床固定

46、密实，而再生效果完全相同。此法固定密实，而再生效果完全相同。此法简化了逆流再生操作。简化了逆流再生操作。4 4 工艺特点工艺特点a 再生特点，再生液首先接触饱和程度低的底层再生特点，再生液首先接触饱和程度低的底层树脂，然后再生饱和程度较高的中、上层树脂。树脂，然后再生饱和程度较高的中、上层树脂。再生液被充分利用，再生剂用量显著降低，并再生液被充分利用，再生剂用量显著降低，并能保证底层树脂得到充分再生。能保证底层树脂得到充分再生。b b 处理特点，处理水在经过一定离子交换处理之处理特点，处理水在经过一定离子交换处理之后又与再生程度高的底层树脂接触，进行充分后又与再生程度高的底层树脂接触，进行充分

47、交换，从而提高了出水水质。这个优点对变化交换，从而提高了出水水质。这个优点对变化水质和水量适应能力强。水质和水量适应能力强。三、其他形式的离子交换器三、其他形式的离子交换器 1 1、分流再生离子交换器、分流再生离子交换器分流再生离子交换器的结构和逆流再生离子分流再生离子交换器的结构和逆流再生离子交换器基本相同，只是将中间排液装置设在树脂交换器基本相同，只是将中间排液装置设在树脂层表面下约层表面下约400400600mm600mm处，不设压脂层，分流再处，不设压脂层，分流再生时流过上部的再生液可以起到顶压作用，所以生时流过上部的再生液可以起到顶压作用，所以无需另外用水或空气顶压；中间管以上的树脂

48、起无需另外用水或空气顶压；中间管以上的树脂起到压脂层的作用，并且也能获得再生，所以交换到压脂层的作用，并且也能获得再生，所以交换器中树脂的交换容量利用率较高。器中树脂的交换容量利用率较高。2 2、浮床式离子交换器、浮床式离子交换器浮动床的运行是在整个树脂层在浮动床的运行是在整个树脂层在被托起的状态下进行的，离子交换反被托起的状态下进行的，离子交换反应在水向上流的过程中完成。树脂失应在水向上流的过程中完成。树脂失效后，停止进水，整个树脂层下落效后，停止进水，整个树脂层下落（称落床），于是可以进行自上而下（称落床），于是可以进行自上而下的再生。运行过程为：制水落床的再生。运行过程为：制水落床进再生

49、液置换下向流清洗成床进再生液置换下向流清洗成床上向流清洗制水。上向流清洗制水。a a 落床落床 疏松树脂层、排除疏松树脂层、排除气泡的的作用。气泡的的作用。b b 再生再生 自上而下进再生液自上而下进再生液5m/h5m/h。c c 置换置换 保持再生速率自上保持再生速率自上而下置换再生液。而下置换再生液。d d 下向流清洗下向流清洗 101015m/h15m/h流速清洗流速清洗151530min30min。e e 成床、上流清洗成床、上流清洗 202030m/h30m/h的流速将树脂层托的流速将树脂层托起。起。上部配水系统惰性树脂树脂层水垫层下部配水系统由于浮动床内树脂是由于浮动床内树脂是基本

50、装满的，没有反洗空基本装满的，没有反洗空间，故无法进行体内反洗。间，故无法进行体内反洗。当树脂需要反洗时，需将当树脂需要反洗时，需将部分或全部树脂移至专用部分或全部树脂移至专用的装置内进行清洗。经清的装置内进行清洗。经清洗后的树脂送回交换器进洗后的树脂送回交换器进行制水。清洗方式有水洗行制水。清洗方式有水洗和气水清洗两种。和气水清洗两种。上部配水系统惰性树脂树脂层水垫层下部配水系统工艺特点：工艺特点：（1 1）浮动床成床时，成床和运行时流速）浮动床成床时，成床和运行时流速较高，避免出现乱层现象，否则可能导较高，避免出现乱层现象，否则可能导致交换器提前失效。致交换器提前失效。（2 2）具有与逆流