离子交换除盐

a
b
图3.7.2 交换器中离子分布情况 (a)开始进水时 (b)交换器失效时
图3.7.3 强酸H型阳离子交 换 器典型出水曲线
7、阴离子交换器
阴离子交换实质上是阴树脂中的OH与酸性水(经过阳离子交换
Hale Waihona Puke 及除碳)中的负离子进行交换。所以在强碱性阴离子交换器内发生的
反应为：
1/2H2SO4 HNO3 1/2H2CO3 HCl 1/2H2SiO3 1/2SO4 NO3 +ROH→ R 1/2CO3 CI HSiO3
+ (CH3)3 N →
CI
CH CI 氯球 2
三甲基胺
CH2N (CH3)3
苯乙烯季胺盐阴树脂
2 离子交换树脂的命名
离子交换树脂产品型号是根据国家标准 GBl631—79《离子交 换树脂产品分类、命名及型号》而制定的。 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基团）名称、基本 名称依次排列组成。基本名称为离子交换树脂。大孔型树脂在全名称
1/2Ca2+ 1/2Mg2+ + Na+ 1/2 SO42NO3- + RH → CI HCO3
-
1/2 Ca R 1/2 Mg Na
1/2 H2SO4 HNO3 HCI 1/2 H2CO3





阳离子交换器的出水是酸性水。但当交换器运行失效时，其出水中就会有其 它阳离子的泄漏，而在诸多的阳离子中，首先漏出的阳离子是Na+，故习惯 上称之为漏钠。当出水中的Na+超过一个给定的极限值时，阳离子交换器被 判失效，需停运再生后才能投入运行。 为什么阳交换器失效时，首先发生漏钠，而不是漏Ca2+或Mg2+离子？这是因为 水中各种阳离子与树脂中H+发生交换反应时，因树脂对各种阳离子的吸收有 选择性，故被树脂吸收的离子在交换器内有分层现象，根据树脂对被吸收离 子的选择性顺序，最上层是最易被吸收的 Ca2+，次层以Mg2+为主，下层就是Na+。 当交换器不断进水，随离子交换的不断进行，由于水中的Ca2+比Mg2+、 Na+与树脂的亲合力更大，更易被树脂吸收，所以水中的Ca2+离子可和已吸 收了Mg2+的树脂进行交换反应，使Ca型树脂层向下扩展，而被置换下来的 Mg2+一起与Na+型树脂发生交换，使Mg2+型树脂层下移而Na+的交换区域也逐 渐下移。在运行过程中，这三层不同型态的交换剂的高度在不断地向下扩展， 如图3.7.2所示。 阳床整个制水周期(运行开始到交换器失效这段时间)中电导率、钠离子浓度、 酸度变化可用图3.7.3表示。 开始通水正洗时随水的不断通入，水质越来越好。因而电导率、酸度、钠离 子快速下降（a点前）。在ab为稳定制水过程，b点后树脂开始失效。此时水 中钠增加，氢离子减少而氢氧根增加，使酸度下降，电导率下降。
前加“大孔”两字。分类属酸性的，在基本名称前加“阳”字；分类
属碱性的，在基本名称前加“阴”字。 离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数字组成。第一位数字代
表产品分类，第二位数字代表产品骨架组成，第三位数字为顺序号，
用以区别功能基或交联剂的差异。代号数字的意义见表 3.5.1 和 3.5.2 。
代号 功能基

2—工作层； 3—尚未工作的树脂层



工作层的下一个区域是尚未工作的A型树脂层，在离子交换进行过程 中，这三层实际上无时不在变化，所以不可能找出明显的分界线，图 中的分界线是为说明问题而大致划分的。 在交换过程中，工作层不断下移，当下移到交换柱底部最后一层时， 此时出水中就有B离子，也就说B离子开始穿透，交换柱开始失效了。 所以最后一层离子交换容量未能充分发挥，只起保证出水质量的作用， 为保护层。 如果保护层厚度大，则交换柱的工作交换容量就小；反之，交换柱的 工作交换容量就大。
混合床可以看做是由许多阴、阳树脂交错排列而组成的多级式复床。在运行 中，由于运行时阴、阳树脂是相互混匀的，所以阴离子的交换反应和阳离子的交 换反应几乎是同时同地进行的。因此，经阳离子交换所产生的H+和阴离子交换产 生的OH-不会累积起来，而是马上互相中和生成H2O，这使得交换反应进行得十 分彻底，出水水质很好。 以NaCl通过混床为例，其方程为： RH+R'OH+ NaCl →RNa+R'Cl+H2O 为了区分阳树脂和阴树脂的骨架，R代表阳树脂骨架，R‘代表阴树脂骨架。 以CaSO4为例，其方程式为： RH+R'OH+ CaSO4 →R2Ca+R‘2SO4+H2O 树脂失效后，用较高浓度的酸（5%）和碱（4%），可将附在树脂上的阴阳离子置 换下来，使失效的阳、阴树脂转为H型和Na型，其反应式实际就是软化除盐的逆 反应式。以NaCl和CaSO4，阴阳树脂再生的反应式为： RNa+R'Cl+ H+ + OH-→ RH+R'OH+ NaCl R2Ca+R‘2SO4+ H+ + OH- → RH+R'OH+ CaSO4
聚苯乙烯高分子骨架的制备：
—CH－CH2—
CH=CH2 + n 苯乙烯 m
CH=CH2 …—CH—CH2— CH—…
过氧化苯甲酰
CH=CH2
二乙烯苯
—CH—CH2— CH—… 聚苯乙烯
苯乙烯阳树脂的制备 磺化反应
…—CH—CH2—CH— CH2—… +H2SO4 100℃，Ag2SO4 聚苯乙烯 —CH—CH2— CH—…
弱碱性阴树脂对HCO3－交换能力很差，对HSiO3－甚至不交换，弱碱 阴树脂的选择性顺序为： OH－> SO4 2－>NO3－>Cl－>HCO3－ 根据以上顺序可以看出，对于强酸性阳树脂，最先漏出的离子是Na+， 对于强酸性阴树脂，最先漏出的是HSiO3－，故一般通过监测钠离子 和硅酸根的量来判断交换器失效终点。 在浓溶液中由于离子间的干扰较大，且水和半径的大小顺序与在稀溶 液中有些差别，其结果使得在溶液中各离子间的选择性差别较小，有 时甚至出现相反的顺序。
4、离子交换树脂的选择性




离子交换树脂吸着各种离子的能力不同，有些离子易被树脂吸着，吸 着后很难把它置换下来；而另一些离子较难被吸着，但却比较容易被 置换下来，这种性能就是离子交换树脂的选择性。在离子交换水处理 中，离子交换树脂的选择性影响着树脂的制水和再生过程，是树脂应 用中的一个重要性能。 离子交换树脂的选择性主要取决于被交换离子的结构，有两个规律： 一是离子带的电荷越多，则越易被树脂吸着；二是对于带有相同电荷 的离子，水合离子半径越小者较易被吸着。此外，还与树脂的交联度、 溶液浓度有关。 在离子交换水处理中，往往需要知道水中何种离子优先被树脂吸着， 何种离子较难被吸着，即所谓的选择性顺序，根据这个顺序，可以判 断水通过交换器时何种离子最易容易泄露于出水中。 强酸性阳树脂在稀溶液中对常见阳离子选择性顺序为：
Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>H+


强碱阴树脂的选择性顺序为： SO4 2－>NO3－>Cl－>OH－>F－>HCO3－>HSiO3－
弱酸性阳树脂对H+有特别强的亲和力，在稀溶液中对常见阳离子选择 性顺序为：



H+ >Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+
+2H2O
根据强碱阴树脂的交换规律，HSiO3-集中在交换器中树 脂的底部。所以当强碱性OH型阴离子交换器失效时， HSiO3-先漏出来，致使出水的硅含量升高。 为了减轻阴离子交换器的负担，往往在进入阴床前设置 脱碳器，减少水中的CO32-
图3.7.4 强碱性OH型离子 交换器出水水质变化
8、混合床除盐
离子交换除盐
离子交换法是指当某些材料遇水时，能将本身具有 的离子与水中带同类电荷的离子进行交换反应的方法， 这些材料称为离子交换剂。在离子交换技术的应用初期， 采用的只是天然的和无机质的交换剂，目前普遍应用于 水处理中的离子交换剂是合成的离子交换树脂。 水处理中常用到的离子交换有Na离子交换、H离子 交换和H-OH离子交换，根据应用目的的不同，它们的 组合工艺有：为除去水中硬度的Na离子交换软化处理， 为除去硬度并降低碱度的H- Na离子交换软化降碱处理， 以及为除去水中全部溶解盐类的H-OH离子交换除盐处 理。



5、离子交换原理
树脂的离子交换是一种可逆反应，反应式可表示为： RA+B = RB+A 与任何化学平衡一样，上述反应遵循质量作用定律，它的逆反应就是 A型树脂的再生。平衡常数表达式： KBA=[RB]· [A]/（[RA]· [B]） 在实际运行时，交换树脂分为几个区域， 上层全部转为B型树脂，是失效层。失 效层的下一个区域为工作层，水经过工 作层时，离子交换反应就在这一层进行， 在这一层中的树脂是A型和B型的混合物， 随着交换的进行，工作层树脂被B离子饱 和，也就是说工作层变成了失效层，工作 层又下移到下一区域， 图3.6.2 树脂层交换层工作状况 可见交换柱中的工作层是自上而下不 1—失效层； 断移动的。
…—CH—CH2—CH— CH2—… SO3H
SO3H —CH—CH2— CH—… 苯乙烯系磺酸型阳树脂

苯乙烯阴树脂的制备 氯甲基化反应：
……—CH－CH2—……
+CH2OCH2CI→ ……—CH－CH2—…… 聚苯乙烯 氯甲醚 +CH3OH CH2CI 氯甲基聚苯乙烯（氯球）
氨化反应：
……—CH－CH2—…… ……—CH－CH2—……


苯乙烯系树脂的制备： 树脂制备过程可分为高分子聚合物骨架的制备和在高分子聚合物 骨架上引入可交换的基团的两个反应阶段。苯乙烯系树脂是以苯乙烯 和二乙烯苯为单体共聚而合成的高分子聚合物骨架。 聚苯乙烯就是苯乙烯系树脂的高分子骨架，也称白球。 二乙烯苯在高聚物中起的是空间架桥作用，使聚合物形成网状交联， 聚合物中二乙烯苯的含量愈多，白球的网状结构就愈坚固。我们通常 把聚合物中二乙烯苯的质量百分数叫做交联度。如交联度为7，就是 指白球中二乙烯苯的质量占 7%。白球制备出来以后，再将白球通过 磺化反应，引入 —SO3H 活性基团，制得强酸性阳离子交换树脂 RSO3H;通过氯甲基反应和胺化反应，即可分别得到阴离子交换树脂。 下面就分别介绍。
6、阳离子交换


进入一级除盐系统的水是经预处理、预脱盐的水，水中只含有少 量的溶解性杂质。溶解性杂质包括阳离子、阴离子、少量胶体硅等。 其中水中的阳离子主要由Ca2+、Mg2+、K+、Na+和极少量的Al3+、Fe3+离 子组成，阴离子主要由HCO3－、SO42-、Cl－和少量的NO3-、HSiO3-离子 组成。 当水通过强酸性H型阳交换器时，水中所有的阳离子都被强酸性H 型树脂吸收，活性基团上的H+被置换到水中，与水中的阴离子组合生 成酸。其反应式：
0 强酸性
1 弱酸性
2 强碱性
3 弱碱性
4 螯合性
5 两性
6 氧化还原
表3.5.1 分类代 代号 0 1 2 酚醛系 3 4 5 脲醛系 6 氯乙烯系
骨架类型 苯乙烯系 丙烯酸系
环氧系 乙烯吡啶系
表3.5.1 骨架代号
例如：001×7——(凝胶型)苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 。 110×4——(凝胶型)丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4。 D201——大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。
1. 离子交换树脂的结构及合成

离子交换树脂是由高聚物骨架和连结在骨架上的可交换基 团（简称功能团）组成的。骨架具有庞大的空间网络结构， 它是有许多低分子化合物（称为单体）聚合而形成的不溶 于水的高分子化合物，高分子链上有各种可交换功能基团。 功能团也是由两部分组成：一是固定部分，与骨架牢固结 合，不能自由移动，称为固定离子；第二部分是活动部分， 遇水可以电离，并能在一定范围内自由移动，与周围水中 的其他带同类电荷的离子进行交换反应，称为可交换离子。 根据单体的的种类树脂可分为苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛 系等。下面以苯乙烯系树酯为例讨论。
3. 离子交换树脂的特性





（1）粒度 颗粒应大小适中，若颗粒太小，则水流阻力大；若太大，则交换速度 慢。若颗粒大小不均，小颗粒夹在大颗粒之间，会使水流阻力增加， 其次也不利于树脂的反洗，因为若反洗强度大，会冲走小颗粒，而反 洗强度小，又不能松动大颗粒。 （2）密度 离子交换树脂的密度是指单位体积树脂所具有的质量。因为离子交换 树脂是多孔粒状物质，所以其密度有真密度和视密度之分。真密度是 相对于树脂的真体积而言，视密度是相对于树脂的堆积体积而言。由 于在水处理工艺中，树脂都是在湿状态下使用，所以与水处理工艺有 密切关系的是树脂的湿真密度和湿视密度。 （3）含水量 （4）溶胀和体积转型改变率 （5）交换容量 （6）机械强度