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1、离子交换技术离子交换技术本讲稿第一页，共三十页 一、离子交换分离法概述1.定义及原理2.离子交换树脂的结构3.离子交换树脂的基本性能4.离子交换平衡5.离子交换速度6.强酸型阳离子交换树脂分离示例7.强酸型阳离子交换树脂洗脱示例本讲稿第二页，共三十页1.定义及原理定义及原理 定义定义 离子交换分离法是利用离子交换剂离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换与溶液中的离子之间所发生的交换反应进行分离的方法。反应进行分离的方法。原理原理 离子交换分离法是基于物质在固相离子交换分离法是基于物质在固相与液相之间的与液相之间的 分配。分配。本讲稿第三页，共三十页2.离子交换树脂的结构离
2、子交换树脂的结构空间网状结构骨架（母体）空间网状结构骨架（母体）活性基团（附属在骨架上）活性基团（附属在骨架上）固定离子：不能自由移动固定离子：不能自由移动活动离子活动离子可交换可交换可在一定范围可在一定范围内自由移动内自由移动本讲稿第四页，共三十页3.离子交换树脂的基本性能离子交换树脂的基本性能 外观 粒径0.31.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等 不透明或半透明球状颗粒交联度：以710%为宜含水率 树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约50%）树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率本讲稿第五页，共三十页3.离子交换树脂的基本性能离子交换树脂的基本性能溶胀性 干树脂+水
3、湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度 Na型H型 体积膨大，相对溶胀度，湿真密度减少 Cl型OH型.密度本讲稿第六页，共三十页3.离子交换树脂的基本性能离子交换树脂的基本性能.交换容量 全交换容量:一定量树脂所具有的活性基团或可交换离 子的总数量 工作交换容量：树脂在给定工作条件下实际上可利用的 交换能力.有效pH值范围 由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的pH值势必对其交换容量产生影响。树脂类型树脂类型强酸性强酸性弱酸弱酸性性强碱性强碱性弱碱性弱碱性有效有效pHpH值值范围范围1141145145141121120707本讲稿第七页，共三十页4.离子交换平衡离子交换平衡一价对一价一价对
4、一价二价对一价二价对一价 选择系数大于1，说明树脂对B+(B2+)的亲和力大于对A+的亲和力，即有利于进行离子交换反应。反之则有利于再生反应本讲稿第八页，共三十页5.离子交换速度离子交换速度1.外部离子向树脂颗粒表面迁移并通过树脂表面的边界水膜2.待交换离子向内进行孔道扩散，到达有效交换位置3.交换反应4.被换下离子向外进行孔道扩散5.通过边界水膜进入外部溶液影响交换速度的因素:溶液浓度；流速和搅拌速率 树脂粒径；交联度 离子化合价；离子大小本讲稿第九页，共三十页6.强酸型阳离子交换树脂分离示例强酸型阳离子交换树脂分离示例H+,Ca2+，Na+,Fe3+的分离K：亲和力：亲和力 H+Na+Ca
5、2+Fe3+H2O游离状态交换反应本讲稿第十页，共三十页7.强酸型阳离子交换树脂洗脱强酸型阳离子交换树脂洗脱示例示例 H+Na+Ca2+Fe3+CtNa+Ca2+Fe3+前一状态洗脱淋洗曲线本讲稿第十一页，共三十页 二、离子交换分离法装置及应用1.离子交换装置2.离子交换装置的工作周期3.逆流再生离子交换装置的特点4.混床本讲稿第十二页，共三十页1.离子交换装置离子交换装置.按运行方式：单层床 固定床 双层床 混合床 移动床 连续床 流动床.固定床按照原水与 顺流再生固定床 再生液的流动方向：逆流再生固定床.按树脂不同：钠离子交换器，氢离子交换器本讲稿第十三页，共三十页2.离子交换装置的工作周
6、期离子交换装置的工作周期.软化（交换）反应式：2RNa+Ca(HCO3)=R2Na+2NaHCO3交换过程树脂层横断面工作是均匀的，高度方向分为三个区：失效区：Na+被Ca2+饱和，交换区：软化区（1025cm）直接影响树脂层高保护区：全部为钠型树脂（截留交换区中漏掉的Ca2+，供以后交换用）影响交换区厚度的因素：进水布水均匀性、出水流速（1540m/h）、原水硬度本讲稿第十四页，共三十页2.离子交换装置的工作周期离子交换装置的工作周期.反洗（1）目的：松动树脂层，有利于再生液均匀分布；清洗截留杂质及气泡等；清除破碎的树脂（2）用原水或软化水，水的流向与交换时相反（3）要求：膨胀率e：4080
7、%（大：浪费水且树脂颗粒间距大，不能碰撞摩擦，反洗效果不好；小：也不能使树脂循环摩擦，效果差。反洗流速v：1015m/h(与e对应，e大则v大)反洗时间T：30min实际看反洗水中杂质量)本讲稿第十五页，共三十页2.离子交换装置的工作周期离子交换装置的工作周期.再生：特定的树脂的工作交换容量取决于再生质量的好。再生剂用量高，树脂再生度高，出水水质稳定；但再生度到一定程度后增加再生剂用量，树脂的工作交换容量增加甚少再生剂比耗增加很快，制水成本增加很快。本讲稿第十六页，共三十页2.离子交换装置的工作周期离子交换装置的工作周期.正洗：（1）目的：再生后的树脂中含有大量的再生剂，会腐蚀金属，含有大量的
8、硬度离子使初期出水恶化；顶出再生液，充分利用再生剂；排除硬度离子保证初期出水水质H0.05meq/L。（2）方法：原水或软水，与再生液流向相反终点控制：Cl-与原水相同，Ca2+下降至0.05meq/L以下（3）水量：Q=36m3/m3树脂（4）流速：初期3m/h，可充分利用Nal;后期68m/h，可缩短时间本讲稿第十七页，共三十页2.离子交换装置的工作周期离子交换装置的工作周期.工作周期交换、反洗、再生、正洗四步所经历的时间称交换器的工作周期一个工作周期大约1012小时，其中反洗、再生、正洗属再生作业，需22.5小时。本讲稿第十八页，共三十页3.逆流再生离子交换装置的特逆流再生离子交换装置的
9、特点点逆流再生混合床的特点分析：.再生剂用量少，再生液首先接触饱和程度低的底层树脂，R2Ca低，NaOH高，能保证底层树脂得到充分再生，再生时再生液向上推移，R2Ca越来越高，NaOH虽有降低，反应照常进行，本讲稿第十九页，共三十页3.逆流再生离子交换装置的特逆流再生离子交换装置的特点点.水质好底部树脂再生效果好，保护作用强，没有上周期残留泄露.提高工作交换容量、延长工作周期：再生效果好，出水水质好，不浪费再生剂实验表明：逆流比顺流再生剂节省30%以上，工作交换容量增加1015%，工作周期相应延长。本讲稿第二十页，共三十页4.混床混床 阴阳离子交换树脂装填在同一交换器内，再生时使之分层再生，使
10、用时先将其均匀混合，这种阴阳树脂混合在一起的离子交换器称为混合床。本讲稿第二十一页，共三十页4.混床混床.原理与特点：A、原理（以NaCl为例）由于混床中阴阳树脂紧密交替接触。好像有许多阳床和阴床串联一起，构成无数微型复床，反复进行多次脱盐，因而出水纯度高，其电阻率达到510106cm本讲稿第二十二页，共三十页4.混床混床B、特点a.出水水质纯度高。混床离子交换可以把水中含有的离子几乎全部去除，出水含盐量在10mgL以下。对需高纯水的场合，混合床完全成了标准的方法，一般不需考虑其它技术。b.工作条件变化时对出水水质影响较小，且工作周期较长。混床开始运行时有32min出水的电导串较高，然后急剧降
11、到0.5scm-1以下，这是因为床内残留的微量酸，碱和盐很快地被阳、阴树脂吸收掉。另外，快速正洗是混合床的一大特点，再生总时间比双层床少，相应地工作周期长，而且原水水质变化和再生剂比耗对出水纯度影响较小，这是因为混合床中离子的泄漏因另一种树脂的存在而大大减少所致。本讲稿第二十三页，共三十页4.混床混床c.间断运行对出水水质的影响小。d.交换终点明显。e.混床的主要缺点是：树脂层工作交换容量的利用率低，再生剂利用率低；再生时阳、阴树脂很难彻底分层，特别是当有部分阳树脂混杂在阴树脂层内时，这部分阳树脂在碱液再生阴树脂时转为钠型，造成运行后的Na泄漏，即所谓的交叉污染；混床对有机物污染很敏感，污染后
12、很快出现出水质量降低、正洗时间延长和工作容量减少。本讲稿第二十四页，共三十页4.混床混床 为了克服交叉污染所引起的Na泄漏，近年来曾发展了三层混床新技术。此法即在普通混合床中另装填一层厚约1015cm的惰性树脂，其密度介于阴，阳树脂之间，其颗粒大小也能保证在反洗时将阴、阳树脂分隔开来。实践表明，三层混床水质忧于昔通混床，出水Na的含量不大于0.1gL。本讲稿第二十五页，共三十页4.混床混床装置及再生方式：装置：混床交换器里，阴树脂的体积一般是阳树脂的两倍。其再生过程巧妙地利用了阳、阴树脂真比重的差异这一性质。混床在反洗时阳树脂(比重1.231.27gmL)会逐渐下沉到阴树脂(比重1.061.1
13、1gmL)的下面，反洗完毕阴阳树脂自动分成为两层。在两层交界处装了一个再生排水系统，再生碱液从上面进入交换器，由中间排水系统排出；再生的酸液由下部进入交换器，也由这个排水系统排出。每层树脂分别再生完毕后，最后从树脂层底部的压缩空气管进压缩空气，把两种树脂均匀混合成为交换层。本讲稿第二十六页，共三十页4.混床混床步骤：1、反洗分层 ；2、阴树脂再生 ；3、阴树脂正洗；4、阳树脂再生；5、阳树脂清洗；6、混合；7、最后正洗至pH7，电阻率大于5105cm，即可运行。混合床反洗分层主要借助于阴、阳树脂湿真密度的差别。再生方式有体内再生与体外再生两种。体内再生又区分为酸、碱分别再生和同时再生。本讲稿第
14、二十七页，共三十页4.混床混床体内酸、碱同时再生:体内再生还可采用同步再生法，即再生时以相同的流速从树脂层上、下两端同时进碱再生液与酸再生液，废液从中间排水装置排出，然后由上、下同时进清洗水洗净。本讲稿第二十八页，共三十页4.混床混床影响混合床运行质量的因素：再生剂用量:对树脂的工作交换容量影响很大,但再生水平对其出水质量并无明显影响。阴(anion)阳（cation）树脂的比例：选用原则，等当量，以便二者同时失效：qCVC=qAVA，理论上qC=（2.53.5）qA所以VA=（2.53.5）VC，对其他体积比实验，出水水质变化不大，国内一般采用VA=（1.52）VC 强碱树脂被水中污染物或毒物污染,FI污染指数本讲稿第二十九页，共三十页本讲稿第三十页，共三十页