1、第一節 離子交換劑離子交換劑的分類、組成及結構離子交換劑的分類、組成及結構1 1、分類、分類v按母體材質分為：無機和有機兩大類。按母體材質分為：無機和有機兩大類。v按其他分類按其他分類2 2、組成和結構、組成和結構 離子交換樹脂的化學結構可分為不溶性樹脂母體和活性基離子交換樹脂的化學結構可分為不溶性樹脂母體和活性基團兩部分。樹脂母體為有機化化合物和交聯劑組成的高分子共團兩部分。樹脂母體為有機化化合物和交聯劑組成的高分子共聚物。交聯劑的作用是使樹脂母體形成主體的網狀結構。交聯聚物。交聯劑的作用是使樹脂母體形成主體的網狀結構。交聯劑與單體的重量比的百分數稱為交聯度。活性基團由起交換作劑與單體的重量

2、比的百分數稱為交聯度。活性基團由起交換作用的離子和與樹脂母體聯結的固定離子組成。用的離子和與樹脂母體聯結的固定離子組成。離子交換樹脂的命名和型號離子交換樹脂的命名和型號 1 1、命名、命名 2 2、型號、型號 離子交換產品的型號以三位阿拉伯數字組成，第一位數字離子交換產品的型號以三位阿拉伯數字組成，第一位數字代表產品的分類，第二位數字代表骨架的差異，第三位數字為代表產品的分類，第二位數字代表骨架的差異，第三位數字為順序號用以區別基因、交聯劑等的差異。順序號用以區別基因、交聯劑等的差異。離子交換樹脂的性能離子交換樹脂的性能物理性能物理性能1 1外觀外觀 常用凝膠型離子交換樹脂為透明或半透明的珠體

3、，大孔常用凝膠型離子交換樹脂為透明或半透明的珠體，大孔樹脂為乳白色或不透明珠體。優良的樹脂圓球率高，無裂紋，樹脂為乳白色或不透明珠體。優良的樹脂圓球率高，無裂紋，顏色均勻，無雜質。顏色均勻，無雜質。 2 2粒度粒度 一般樹脂粒徑一般樹脂粒徑0.30.31.2mm1.2mm有效粒徑（有效粒徑（d d1010）0.360.360.610.61，均一系數（均一系數（d d4040/d/d9090）為）為1.221.221.661.66，均一系數的含義是篩上，均一系數的含義是篩上體積為體積為4040的篩孔孔徑與篩上體積為的篩孔孔徑與篩上體積為9090的篩孔孔徑之比。的篩孔孔徑之比。3 3密度密度 4

4、4含水率含水率 樹脂的含水率以每克樹脂（在水中充分膨脹）所含水分的樹脂的含水率以每克樹脂（在水中充分膨脹）所含水分的百分比（約百分比（約50%50%），樹脂的含水率相應地反映了樹脂網架中的），樹脂的含水率相應地反映了樹脂網架中的孔隙率。孔隙率。 5 5溶脹性溶脹性 干樹脂干樹脂+ +水水濕樹脂濕樹脂 體積脹大體積脹大 絕對溶脹度絕對溶脹度 6. 6. 機械強度機械強度 7. 7. 耐熱性耐熱性 8. 8. 孔結構孔結構 化學性能化學性能 1.1.再生：離子交換反應的可逆性交換的逆反應。再生：離子交換反應的可逆性交換的逆反應。 2.2.酸堿性：樹脂在水中電離出酸堿性：樹脂在水中電離出H H+ +

5、和和OHOH- -, ,表現出酸堿性。樹表現出酸堿性。樹 脂的酸堿性受脂的酸堿性受pHpH值影響，各種樹脂在使用時都有適當值影響，各種樹脂在使用時都有適當 的的pHpH值范圍。值范圍。 3.3.選擇性：樹脂對水中某種離子能優先交換的性能稱為選擇性：樹脂對水中某種離子能優先交換的性能稱為 選擇性，選擇性大小用選擇性系數來表征。選擇性，選擇性大小用選擇性系數來表征。 4.4.交換容量：表示樹脂的交換能力。通常用交換容量：表示樹脂的交換能力。通常用E EV V（mmol/mlmmol/ml 濕樹脂）表示，也可用濕樹脂）表示，也可用E EW W（mmol/gmmol/g干樹脂）表示。干樹脂）表示。 E

6、 EV VE EW W（1-1-含水量）含水量）濕視視密度濕視視密度離子交換樹脂的選擇、保存、使用和鑒別離子交換樹脂的選擇、保存、使用和鑒別v樹脂選擇樹脂選擇 選擇樹脂時應綜合考慮原水水質、處理要求、交換工藝以及選擇樹脂時應綜合考慮原水水質、處理要求、交換工藝以及投資和運行費用等因素。投資和運行費用等因素。 v樹脂保存樹脂保存 樹脂宜在樹脂宜在0 04040下存放，通常強性樹脂以鹽型保存，弱酸下存放，通常強性樹脂以鹽型保存，弱酸樹脂以氫型保存，弱堿樹脂以游離胺型保存。樹脂以氫型保存，弱堿樹脂以游離胺型保存。 v樹脂使用樹脂使用 樹脂在使用前應進行適當的預處理，以除去雜質。最好分別樹脂在使用前應

7、進行適當的預處理，以除去雜質。最好分別用水、用水、5 5HClHCl、2 24 4NaOHNaOH反復浸泡清洗兩次，每次反復浸泡清洗兩次，每次4 48h8h。表表8-2 8-2 未知樹脂的鑒別未知樹脂的鑒別操作操作取未知樹脂樣品取未知樹脂樣品2mL2mL，置于，置于30mL30mL試管中試管中 操作操作加加1 1N N HCl15mLHCl15mL，搖，搖1-2min1-2min，重復，重復2-32-3次次 操作操作水洗水洗2 23 3次次 操作操作加加1O1OCuSO4(CuSO4(其中含其中含1 1H2SO4)5mLH2SO4)5mL，搖，搖1min1min，放，放5min 5min 檢查

8、檢查淺綠色淺綠色不變色不變色 操作操作加加5 5N N氨液氨液2mL2mL，搖，搖1min1min，水洗，水洗加加1 1N N NaOH15mLNaOH15mL搖搖1min1min，水洗，水洗，加酚酞，水洗加酚酞，水洗 檢查檢查深藍深藍顏色不變顏色不變紅色紅色不變色不變色 結果結果強酸性陽樹脂強酸性陽樹脂弱酸性陽樹脂弱酸性陽樹脂強堿性陰樹脂強堿性陰樹脂弱堿性陰樹脂弱堿性陰樹脂 第二節 離子交換基本原理v離子交換平衡離子交換平衡 ABABBAZZZZZZBARBBRAABRAARBK/ 離子交換反應公式離子交換反應公式 BAABABZBZBZBZBZZcqqqqccccqqK00000/1/1

9、0000/1/1/ccccKqqqqBBBBv離子交換速度離子交換速度 離子交換過程：離子交換過程： 離子從溶液主體向顆粒表面擴散，穿過顆粒表面液膜。離子從溶液主體向顆粒表面擴散，穿過顆粒表面液膜。 穿過液膜的離子繼續在顆粒內交聯網孔中擴散，直至達到穿過液膜的離子繼續在顆粒內交聯網孔中擴散，直至達到 某一活性基團位置。某一活性基團位置。 目的離子和活性基團中的可交換離子發生交換反應。目的離子和活性基團中的可交換離子發生交換反應。 被交換下來的離子沿著與目的離子運動相反的方向擴散，被交換下來的離子沿著與目的離子運動相反的方向擴散， 最后被主體水流帶走。最后被主體水流帶走。 上述幾步中，交換反應速

10、率與擴散相比要快得多。因此總上述幾步中，交換反應速率與擴散相比要快得多。因此總 交換速度由擴散過程控制。由交換速度由擴散過程控制。由FickFick定律，擴散速度可寫成：定律，擴散速度可寫成：/21ccDdtdq 影響離子交換擴散速度的因素影響離子交換擴散速度的因素 1.1.樹脂的交聯度越大，網孔越小，則內擴散越慢。樹脂的交聯度越大，網孔越小，則內擴散越慢。 2.2.樹脂顆粒越小，由于內擴散距離縮短和液膜擴散的表樹脂顆粒越小，由于內擴散距離縮短和液膜擴散的表面積增大，使擴散速度越快。面積增大，使擴散速度越快。 3.3.溶液離子濃度是影響擴散速度的重要因素，濃度越大，溶液離子濃度是影響擴散速度的

11、重要因素，濃度越大，擴散速度越快。擴散速度越快。 4.4.提高水溫能使離子的動能增加，水的粘度減小，液膜提高水溫能使離子的動能增加，水的粘度減小，液膜變薄，這些都有利于離子擴散。變薄，這些都有利于離子擴散。 5.5.交換過程中的攪拌或流速提高，使液膜變薄，能加快交換過程中的攪拌或流速提高，使液膜變薄，能加快液膜擴散，但不影響內孔擴散。液膜擴散，但不影響內孔擴散。 6.6.被交換離子的電荷數和水合離子的半徑越大，內孔擴被交換離子的電荷數和水合離子的半徑越大，內孔擴散速度越慢。散速度越慢。第三節 離子交換工藝v離子交換系統及應用離子交換系統及應用v離子交換過程離子交換過程 1. 1. 固定床離子交

12、換器間歇工作過程固定床離子交換器間歇工作過程 2. 2. 連續式離子交換器工作工程連續式離子交換器工作工程 v離子交換系統及應用離子交換系統及應用在實際應用當中需根據原水水質、出水要求、生產能力等來確定在實際應用當中需根據原水水質、出水要求、生產能力等來確定合適的離子交換工藝。合適的離子交換工藝。 1. 1. 在水的軟化主要使用在水的軟化主要使用 NaNa離子交換軟化法離子交換軟化法 H H離子交換軟化法離子交換軟化法 H HNaNa串聯及并聯串聯及并聯 2. 2. 在除鹽中在除鹽中 一級復床除鹽系統一級復床除鹽系統 多極復床除鹽系統多極復床除鹽系統 混合床除鹽系統混合床除鹽系統 3. 3.

13、在處理工業廢水中在處理工業廢水中 多級陰陽離子交換系統多級陰陽離子交換系統v離子交換過程離子交換過程v固定床離子交換器間歇工作過程固定床離子交換器間歇工作過程1. 1. 離子交換過程離子交換過程在床層穿透以前，樹脂分屬于飽和區、交換區和未用區，真正在床層穿透以前，樹脂分屬于飽和區、交換區和未用區，真正工作的只有交換區內樹脂交換區的厚度取決于所用的樹脂、離工作的只有交換區內樹脂交換區的厚度取決于所用的樹脂、離子種類和濃度以及工作條件。子種類和濃度以及工作條件。 進水初期，進水中所用陽離子均交換出進水初期，進水中所用陽離子均交換出H H+ +，生成相當量的無機酸，出水，生成相當量的無機酸，出水酸度

14、保持定值。運行至酸度保持定值。運行至a a點時，點時，NaNa+ +首先穿透，且迅速增加，同時酸度降低，首先穿透，且迅速增加，同時酸度降低，當當NaNa+ +泄漏量增大到與進水中強酸陰離子含量總和相當時泄漏量增大到與進水中強酸陰離子含量總和相當時, ,出水開始呈現堿性；出水開始呈現堿性；當當NaNa+ +增加到與進水陽離子含量總和相等時，出水堿度也增加到與進水堿度相增加到與進水陽離子含量總和相等時，出水堿度也增加到與進水堿度相等。至此，等。至此，H H離子交換結束，交換器開始進行離子交換結束，交換器開始進行NaNa+ +交換，穩定運行至交換，穩定運行至b b點之后，點之后，硬度離子開始穿透，出

15、水硬度離子開始穿透，出水NaNa+ +含量開始下降，最后出水硬度接近進水硬度，出含量開始下降，最后出水硬度接近進水硬度，出水水NaNa+ +接近進水接近進水NaNa+ +，樹脂層全部飽和。，樹脂層全部飽和。離子交換柱工作過程離子交換柱工作過程(f) H(f) H型樹脂與水中型樹脂與水中CaCa2+2+、MgMg2+2+、NaNa+ +交換時水質變化交換時水質變化2. 2. 再生再生 通過樹脂再生，一方面可恢復樹胎的交換能力，另一方面通過樹脂再生，一方面可恢復樹胎的交換能力，另一方面可回收有用物質。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三個可回收有用物質。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三個過程。

16、有時再生后還需要對樹脂作轉型處理。影響再生效果和過程。有時再生后還需要對樹脂作轉型處理。影響再生效果和處理費用的因素如下處理費用的因素如下: : 1) 1) 再生劑種類再生劑種類 強酸性陽樹脂用強酸性陽樹脂用HClHCl或或H H2 2SOSO4 4等強酸及等強酸及NaClNaCl、NaNa2 2SOSO4 4再生；再生； 弱酸性陽樹脂用弱酸性陽樹脂用HClHCl、H H2 2SOSO4 4再生；再生； 強堿性陰樹脂用強堿性陰樹脂用NaOHNaOH等強堿及等強堿及NaClNaCl再生，再生， 弱堿性陰樹脂用弱堿性陰樹脂用NaOHNaOH，NaNa2 2COCO3 3、NaHCONaHCO3 3

17、等再生。等再生。 2) 2) 再生劑用量再生劑用量 樹脂的交換和再生均按等當量進行。理論上，再生劑可以樹脂的交換和再生均按等當量進行。理論上，再生劑可以恢復樹脂的交換容量，但實際上再生劑用量比理論值大得多。恢復樹脂的交換容量，但實際上再生劑用量比理論值大得多。 3) 3) 再生方式再生方式 順流再生順流再生 特點：特點：設備簡單，操作方便，工作可靠；設備簡單，操作方便，工作可靠； 再生劑用量多，再生效率低，出水水質較差。再生劑用量多，再生效率低，出水水質較差。 逆流再生逆流再生 特點：特點：再生劑耗量少再生劑耗量少( (比順流法少比順流法少4040左右左右) )，再生效率，再生效率 高高, ,

18、而且能保證出水質量；而且能保證出水質量； 設備較復雜，操作控制較嚴格。設備較復雜，操作控制較嚴格。實驗證明，再生劑用量越多，再生實驗證明，再生劑用量越多，再生效率越高。但當再生劑用量增加到效率越高。但當再生劑用量增加到一定值后，再生效率隨再生劑用量一定值后，再生效率隨再生劑用量增長不大。因此再生劑用量過高既增長不大。因此再生劑用量過高既不經濟也無必要。圖不經濟也無必要。圖8-48-4為用為用2 2NaOHNaOH對交換了對交換了CrCr6+6+的強堿性樹脂的的強堿性樹脂的再生情況。再生情況。 v連續式離子交換器工作過程連續式離子交換器工作過程固定床離子交換器的缺點：固定床離子交換器的缺點：樹脂

19、不能邊飽和邊再生，樹樹脂不能邊飽和邊再生，樹脂層厚度比交換區厚度大得脂層厚度比交換區厚度大得多；再生和沖洗時必須停止多；再生和沖洗時必須停止交換。為了克服上述缺陷，交換。為了克服上述缺陷，發展了連續式離子交換設備，發展了連續式離子交換設備，包括移動床和流動床。包括移動床和流動床。 右圖為三塔式移動床，由交換塔、再生塔和清洗塔組成。運行右圖為三塔式移動床，由交換塔、再生塔和清洗塔組成。運行時，原水由交換塔下部逆流而上，把整個樹脂層承托起來并與時，原水由交換塔下部逆流而上，把整個樹脂層承托起來并與之交換離子。一段時間后，當出水離子開始穿透時，停止進水，之交換離子。一段時間后，當出水離子開始穿透時，

20、停止進水，并由塔下排水。排水時樹脂層下降并由塔下排水。排水時樹脂層下降( (稱為落床稱為落床) )，由塔底排出部，由塔底排出部分已飽和的樹脂，同時浮球閥自動打開，放入等量已再生好的分已飽和的樹脂，同時浮球閥自動打開，放入等量已再生好的樹脂。樹脂。第四節 離子交換設備及計算 離子交換設備離子交換設備 工業離于交換設備主要有工業離于交換設備主要有固定床、移動床和流動床，目固定床、移動床和流動床，目前使用最廣泛的是固定床。固前使用最廣泛的是固定床。固定床離于交換器包括筒體、進定床離于交換器包括筒體、進水裝置、排水裝置，再生液分水裝置、排水裝置，再生液分布裝置及體外有關管道和閥門，布裝置及體外有關管道和閥門，如圖所示。如圖所示。 1. 1.筒體：支撐作用筒體：支撐作用 2.2.進水裝置：分配進水和收集反洗用水進水裝置：分配進水和收集反洗用水 3.3.底部排水裝置：收集出水和分配反洗水底部排水裝置：收集出水和分配反洗水離子交換器的設計包括選擇離子交換樹脂，確定工藝系統，計離子交換器的設計包括選擇離子交換樹脂，確定工藝系統，計算交換器尺寸大小、再生計算、阻力核算等。交換器直徑