第十六章 离子交换1(“交换”相关文档)共48张

再生的方法有两种：一次再生法和二次 再生法。
强酸、强碱树脂大都是一次再生。
弱酸、弱碱树脂则大多是两次再生： 一次洗脱再生，一次转型再生。
它又决定于过滤速度。过滤速度大，离于供应速度也大。
所谓离子交换速度，就是单位时间内能完成交换历程的离子数 量。对于给定的树脂和废水，交换速度是一定值。
离子供应速度<=离子交换速度时，工作层厚度就小，树脂的利用 率就高。
反洗
• 达到饱和后，则先以部分处理水反沖 洗树脂交换床，以利后续树脂再生的 操作。
树脂中离子活度系数的比值为一常数，则交换反应的平衡关 系可用下式表示：
K--平衡系数,离子交换平衡选择系数。
根据K值的大小，可以判断交换树脂对某种离子吸着选 择性的强弱.
3.2 离子交换动力学 动力学过程： (1)交换离子从溶液中扩散到树脂表面；
(2)离子透过树脂颗粒表面的边界膜；
(3)离子在树脂颗粒内部孔隙中扩散到交换点； (4)离子在交换点进行交换反应； (5)被交换的离子沿相反方向迁移到溶液中去。
操作及贯穿曲线----穿透曲线
通常把厚度Z称为工作层或交换层。实际 装填高度>>Z，工作层不断下移。交换过 程中，整个树脂层就形成了上部饱和层(失 效层)、中部工作层、下部新料层三个部分。
貫穿點一般被設定於出流與進流濃度比(Ce/C0)＝0.05時
某一时刻，工作层前沿达到树脂底层下端，出水开 始出现B，这个临界点称为“穿透点”。
(4) 树脂的物理与化学稳定性
物理稳定性---指树脂受到机械作用时(包括在使用 过程中的溶胀和收缩)的磨损程度，还包括温度变 化时对树脂影响的程度。
化学稳定性--承受酸碱度变化的能力、抵抗氧化还 原的能力等。
(5) 粒度、密度
树脂粒度对水流分布、床层压力有很大影响。
密度对设计计算交换柱，对交换柱反洗强度以及 对混合床再生前分层分离状况等都有关系。
＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+。
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子置换下来，这就是离子交 换树脂能够再生的依据。
4)H+离子和OH-离子的交换势，取决于它们与固定离子所
形成的酸或碱的强度，强度越大，交换势越小。
5)金属在溶液中呈络阴离子存在时，一般来说交换势降低。
固定床
移动床
流动床
床层固定不 变，水流由上而 下流动。
工作时，定期从交换 柱排出部分失效树脂，送 到再生柱再生，同时补充 等量的新鲜树脂参与工作。
交换树脂再连 续移动中实现交换 和再生。
流动床离子交换器
4.2 工艺过程
一般包括过滤(工作交换)、反洗、再生和清洗等4个阶段， 依次进行，形成不断循环的工作周期
• 反洗的目的有：
- 打散成团树脂
- 去除床内过滤作用而截留的细微悬浮物
- 消除空气孔穴，避免短流现象
- 重组树脂交换床，使成均匀分布，以避免再 操作时水流的槽化现象
- 为了达到这两个目的，树脂层在反冲洗时 要膨胀30-40％。冲洗水可用自来水或废 再生液。
再生
• 借由再生剂使树脂恢复到原有的交换容量，通常会 使用强酸——阳离子交换树脂，强碱——阴离子交 换树脂。
一般交联度(7~8%)，
高交联度(12~20%)
2.4 离子交换树脂的性能
(1) 交换选择性--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，简称选择性。
选择性规律：---- 低浓度和常温 1) 离子的交换势(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：Th4+＞La3+＞Ca2+＞Na+。 2) 价数相同时，交换势随原子序数增加而增加。例如：Ba2+
操作及贯穿曲线----穿透曲线
2 离子交换动力学 低交联度(2~4%)， 1) 离子的交换势(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：Th4+＞La3+＞Ca2+＞Na+。 在废水处理的正常流速下，交换速度主要决定于膜扩散及孔隙扩散。 1)全交换容量(或称总交换容量)：指离子交换树脂内全部可交换的活性基团的数量； 思考：控速步骤？ (3) 树脂的溶胀性--离子交换树脂含有极性很强的交换基团，亲水性强,在溶液中有溶胀和收缩的性能,以溶胀率表示。 一般来说，溶液中交换离子浓度低时，膜扩散为控制因素； 这是一个常数，通常用滴定法测定。 2离子交换树脂的结构特征 当废水流经一段滤层之后，全部B都被交换成A，再往下便无变化地流过其余的滤层，此时出水中B离子浓度CB＝0 在废水处理的正常流速下，交换速度主要决定于膜扩散及孔隙扩散。 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。 达到穿透点时，最后一个工作层尚有一定的交换能力，若继续通入废水，仍能除去一定量的B离子，不过出水中的B离子浓度会越来越高，直到出 水和进水中的B离子浓度相等，这时整个柱的交换能力就算耗尽，也就是说达到了饱和点。 当废水进入交换柱后，首先与顶层的树脂接触并进行交换，B被吸着A被交换。 (5)被交换的离子沿相反方向迁移到溶液中去。
固定离子结合在-起，二者电性相反电
荷相等，处于电性中和状态。
离子交换剂
2.3 离子交换树脂的种类
功能基团性质：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、 含有胺羧基团等的螯合树脂、 含有氧化—还原基团的氧化还原树脂，
两性树脂。
活性基团电离强弱：强酸(如-SO3H)、弱酸(如-COOH)、
mol/g(干)。 每单位体积湿树脂所能交换的离子数量来表示，例如
mol/mL(湿)。
(3) 树脂的溶胀性--离子交换树脂含有极性很强的交换基团， 亲水性强,在溶液中有溶胀和收缩的性能,以溶胀率表示。
影响因素:1)品种； 2)同一种树脂，活动离子形式不同，其体积也不相同，
因此树脂在转型时就会发生体积改变； 3)外溶液的不同。
逆流再生时，新鲜的再生剂从交换柱下方进入，首先接触 的是失效程度不高的树脂；上升到顶层时，有一定程度失 效的再生剂却接触失效程度最高的树脂。这种逆流传质方
大八在整个交换柱内有比较均匀、比顺流再生更高的推动
力。所以，再生剂用量少。
固定床的再生方式--顺流再生；逆流再生。
逆流再生的缺点是：再生时为了避免扰动滤层，限制 了再生液的流速，延长了再生时间。为了克服这一缺 点，需要设置孔板、采用空气压顶等措施／但设备较 为复杂，操作也较烦。
3 .离子交换平衡与交换动力学
3.1、离子交换平衡 --质量作用定律解释离子交换平衡规律。
以阳离子交换为例，若R-A+代表阳离子交换树脂，R-表
示固定在树脂上的阴离子基团，A+为活动离子，电解质 溶液中的阳离子以B n+表示，则离子交换反应为：
若为稀溶液，各种离子活度系数接近于1；又假定离子交换
达到平衡状态时，交换树脂所能交换的离子数量，其值随外
界条件变化而异。
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3)工作交换容量(或称实用交换容量):是指在某一指定的应用
条件下树脂表现出来的交换容量。例如，在离子交换达到穿透点
时，交换树脂所达到的实际交换容量。故有时也称穿透交换容量。
排序？
排序:全交换容量最大>平衡交换容量>工作交换容量
单位: 每单位重量干树脂所能交换的离子数量表示，如
以阳离子交换为例若ra代表阳离子交换树脂r表示固定在树脂上的阴离子基团a为活动离子电解质溶液中的阳离子以bn表示则离子交换反应为若为稀溶液各种离子活度系数接近于1又假定离子交换树脂中离子活度系数的比值为一常数则交换反应的平衡关系可用下式表示k平衡系数离子交换平衡选择系数
废水的物化处理方法
---离子交换法
2.离子交换剂
2.1分类 无机离子交换剂--天然沸石和人造沸石
有机离子交换剂--高分子聚合物电解质，称为
离子交换树脂.
2.离子交换剂
2.2离子交换树脂的结构特征
骨架--结构主体,线型高分子有机化合物加上交联
剂,成空间网状结构.
活性基团--固定离子:固定在树脂骨架上;
活动离子(或称交换离子):静电引力与
（一） 交换阶段
（二）
反冲洗阶段
（三）
再生阶段
利用离子交换 树脂的交换能力， 从废水中分离脱 除需要去除的离 子。
目的是松动树脂， 使再生液能均匀渗入 层中，与交换剂颗粒 充分接触；把过滤过 程中产生的破碎粒子 和截留的污物冲走。
恢复交换能力
（四） 清洗阶段
洗涤残留的再生液 和再生时可能出现 的反应产物。
• 被洗出的离子数=操作阶段被交换的离子数，但一般再 生的情况无法达到100%。
• 再生效率定义为：再生时从树脂中移除的总离子数和再 生剂溶液中所含有的总离子数的比值。
• 再生操作通常仅回复部分有效的交換容量(30-65%)。
再生原理：
如果急剧增加B+，在浓差的作用卞，大量的B+离子进 入树脂与固定离子建立平衡，从而松动了对An+离 子的束缚力，使之脱离固定离子，并扩散进入外溶 液相。
操作及贯穿曲线----穿透曲线
如以树脂RA处理含离子B的废水： ➢当废水进入交换柱后，首先与顶层的树脂 接触并进行交换，B被吸着A被交换。
➢废水继续流过下层树脂时，水中B浓度逐渐 降低，而A逐渐升高。 ➢当废水流经一段滤层之后，全部B都被交 换成A，再往下便无变化地流过其余的滤层， 此时出水中B离子浓度CB＝0
强碱(如-N(CH3)3+、0H-)、弱碱(如-NH2)树脂。
出厂型式即活动离子的名称：简称为H型、Na型、
OH型、Cl型树脂等等。
树脂类型和孔结构：
凝胶型树脂，
大孔型树脂， 多孔凝胶型树脂， 巨孔型(MR型)树脂，
高巨孔型(超MR型)树脂等。
树脂交联度(交联剂含量的百分数)大小：
低交联度(2~4%)，
4.1、离子交换设备 离子交换操作----在装有离子交换剂的交 换柱中以过滤方式进行的.
固定床
床层固定不变，水 流由上而下流动。
固定床离子交换器
固定床
移动床
床层固定不 变，水流由上而 下流动。
工作时，定期从交 换柱排出部分失效树 脂，送到再生柱再生， 同时补充等量的新鲜 树脂参与工作。
移动床离子交换器
(2)离子交换树脂的交换容量--离子交换树脂交换能力的大
小,表示树脂所能吸着(交换)的交换离子数量。
3种表示法：
1)全交换容量(或称总交换容量)：指离子交换树脂内全部可交
换的活性基团的数量；此值决定于树脂内部组成，与外界溶液条件 无关。这是一个常数，通常用滴定法测定。
2)平衡交换容量：指在一定的外界溶液条件下，交换反应
达到穿透点时，最后一个工作层尚有一定的交换 能力，若继续通入废水，仍能除去一定量的B离子，
不过出水中的B离子浓度会越来越高，直到出水 和进水中的B离子浓度相等，这时整个柱的交换 能力就算耗尽，也就是说达到了饱和点。
思考：工作停止点？
一般废水处理中，交换柱到穿透点时就停止工作，要进 行树脂再生。但为了充分利用树脂的交换能力，可采 用所谓"串联柱全饱和工艺"。这种操作制度是：当交 换柱达到穿透点时，仍继续工作，只是把该柱的出水 引入另一个已再生后投人工作的交换柱，以便保证出 水水质符合要求，该柱则工作到全部树脂都达到饱和 后再进行再生。
弱酸、弱碱树脂而言，除浓度差作用外，还由于它 们分别对H+和OH-离子的亲和力较强，所以用酸和
碱再生时，比强酸、强碱树脂更容易再生，所使用的 再生剂浓度也较低。
固定床的再生方式--顺流再生；逆流再生。
顺流再生的优点是设备简单，操作方便，工作可靠。但 缺点是再生剂用量大，再生后的树脂交换容量低，出水 水质差。
学习内容
1.概述 2.离子交换剂 3.离子交换平衡与交换动力学 4.离子交换工艺 5.离子交换系统的设计
1.概述
离子交换法
利用固相离子交换剂 功能基团所带的可交换离 子，与接触交换剂的溶液 中相同电性的离子进行交 换反应，以达到离子置换、 分离、去除、浓缩等目的。
1.概述
1.2离子交换的基本原理 RA+B+=RB+A+
思考：单柱时，交换树脂利用率影响因 素？
阴影面积置S1代表工作交换容量，S2代 表到穿透点时尚来利用的交换容量，则 树脂的利用率η为：
工作层厚度——供应速度——滤速
利用率主要决定于工作层的厚度和树脂层高宽尺寸比例。交换柱尺寸
一定时，工作层厚度z越小，树脂利用率越高。
工作层的厚度主要取决于离子供应速度和离子交换速度的相互关系。 所谓离子供应速度，就是单位时间内通过某一树脂层的离子数量，
思考：控速步骤？ 离子交换反应是瞬时完成的，其余步骤离子扩散
过程，所以离子交换速度实际上由传质过程所控制。
在废水处理的正常流速下，交换速度主要决定于膜扩散及孔
隙扩散。一般来说，溶液中交换离子浓度低时，膜扩 散为控制因素；浓度高时，则孔隙扩散为控制因素 。
如何提高离子交换过程的速度？？
4.离子交换工艺及设备