第8章、离子交换

2、水的硬度高所造成的危害
在日用水或纺织洗染用水中，硬度会浪费肥 皂，降低产品质量。
对于锅炉用水，由于在蒸发浓缩过程中，水 中钙、镁离子不断与某些阴离子结合生成水 垢(或称水锈)，附着在锅炉受热面上，从而 降低锅炉效率，浪费燃料。
《生活饮用水水质标准》对总硬度的规定标 准为小于450mg/L(以CaCO3计)。当水的硬 度超过标准时，应进行软化处理。
适用：
①原水硬度不太大的情况，原水硬度小于6～8meq/L； ②原水碱度小于出水允许碱度； ③用于低压锅炉。
图8－4 单级钠离子交换软化系统
（2）双级 双级钠离子交换软化系统的出水残余硬度
≤0.01meq/L，再生剂耗量较少。 适用：进水总硬度＜10meq/L，且碱度较低。
2）设原水中含有Fe3+、Ca2+、Na+与RH树脂交换
①进水初期：各种离子在树脂层中有分层现象。 ②交换进行到中途：各种树脂层扩大往下移。 ③交换即将结束：Na+即将泄漏。
（2）再生过程
树脂的再生过程指用一定浓度的再生溶液通过树 脂层，使饱和树脂还原为原来的状态的过程。 R2Ca＋2NaCl→2RNa＋CaCl2 R2Ca＋2HCl→2RH＋CaCl2 R2Ca＋H2SO4→2RH＋CaSO4
（3）含水率
树脂含水率指每克湿树脂含水的百分率，即树 脂中的孔隙水占整个树脂层的百分率。一般树脂 的含水率为50％。
树脂的交联度越小，则含水率越大，孔隙率越 大。
（4）溶胀性
干树脂浸泡水中时，体积胀大，成为湿树脂； 湿树脂转型（例如阳树脂由Na型→H型），体积 也发生变化，这种体积发生变化的现象称为溶 胀。 • 绝对溶胀：干树脂→湿树脂 • 相对溶胀：湿树脂转型。
可见，离子交换反应速度主要由膜扩散、 孔隙扩散来控制。
图8－3 离子扩散过程示意
（2）影响因素

①交联度
交联度越大，孔隙越小，孔隙扩散慢，则孔
隙扩散起控制作用。

②水中离子浓度
离子浓度＞0.1mol/L时，膜扩散很快，孔隙扩散为控制因 素；
离子浓度＜0.003mol/L时，膜扩散很慢，膜扩散为控制因 素。
碳酸盐硬度为暂时硬度，可通过加热去除。
（2）药剂软化法
• 基于溶度积原理，即难溶化合物浓度大于其溶度积 时就产生沉淀，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，称为药剂软化 法或沉淀软化法。
• 在水的药剂软化中，石灰是最常用的投加剂。 • 生石灰投入水中消化后即成消石灰乳浆液
K＜1，水中离子亲和力小于树脂中离子亲和 力，但水中离子浓度较大，此时可进行再生。 例如用NaCl再生吸附饱和的Ca树脂。
8.2 离子交换反应
1、交换反应 （1）交换过程 1）设原水中仅有 Ca2+ 与 RNa 树 脂
交换 如图8－1所示，
在交换柱内进行交换 反应，经过一段时间 后，测定树脂中吸附 Ca2+含量及饱和度，
Q = QH + QNa
QH ⋅ S = QNa ⋅ A − Q ⋅ A' ⇒
QH
=
A − A' A+ S
Q
QNa
= Q − QH
=
S + A' A+ S
Q
（2）H－Na串联离子交换脱碱软化系统
H－Na串联离子交换脱碱软化系统见图8－6。
H－Na串联离子交换脱碱软化系统的流量分 配与并联情况一样。
离子交换是可逆反应，例如Na型树脂去除水中钙 离子的交换反应如下：
反应式的平衡常数为：
[[ ]] K
=
[R 2 Ca ] Na + 2 [RNa ]2 Ca 2+
在离子交换反应中，K称为离子交换选择系 数。选择性系数K＞1，表示钙离子的亲和力强，反 应向右进行。一般在常温低浓度下，有：
①原子价、电荷数越大的离子，对树脂的亲和力越 大；
（1）密度 :
湿真密度
ρt
=
湿树脂质量 树脂颗粒本身所占体积
（g
/ mL）
湿视密度ρ f = 树湿脂树堆脂积质体量积（g / mL）
（2）交联度
工业上常用的凝胶型树脂含有2％～12％的二乙 烯苯作为苯乙烯的交联剂。
苯乙烯树脂的交联度＝
二乙烯苯的质量 二乙烯苯质量＋聚苯乙
烯质量
×
100％
交联度越大，树脂的孔隙率越小，密度越大， 交换能力越小。水处理中用的离子交换树脂的交联 度一般为7％～10％。
树脂型号由三个阿拉伯数字组成，第一个数字 为分类代号，第二个数字为骨架代号，第三个 数字为顺序号，后面的“×”表示交联代号，其 后的阿拉伯数字为交联度。
例如001×7，表示凝胶型苯乙烯系强酸阳离子 交换树脂，交联度7％；D311表示大孔型丙烯 酸系弱碱阴离子交换树脂 。
三 离子交换的特性
1、离子交换树脂的物理性能
特点：适用于原水硬度高、碱度大的情况，且 该系统运行安全可靠，能减轻Na交换器的负 荷，提高软化水的质量，更适合于处理高硬度 水。
图8－6 H－Na串联离子交换脱碱软化系统
8.4 离子交换的应用
一、概述
1、水的纯度 水的纯度常以水中含盐量或水的电阻率来衡 量。 （1）表示方法 ①含盐量C：水中所含阴、阳离子总量。
江河水含盐量C＝1000～1500mg/L以下； 苦咸水含盐量C＝4000～5000mg/L； 海水含盐量C＝30000mg/L以上。
②电阻率ρ：指断面1cm×1cm，长1cm体积的水 所测得的电阻。其单位为Ω·cm或MΩ·cm。
第8章 离子交换
8.1 离子交换概述 一、概述
1、水的硬度 水中所含钙、镁离子的总量称为水的总硬度。 按照阳离子类别又可分为钙硬度和镁硬度。 按照水中阴离子组成又可把硬度分为碳酸盐硬度和非
碳酸盐硬度。 碳酸盐硬度即钙和镁的重碳酸盐和碳酸盐。碳酸盐硬
度在水煮沸后很容易成为沉淀物析出，故又称暂时硬 度。 碳酸盐以外的硬度盐类，如钙和镁的硫酸盐、氢化物 等非碳酸盐硬度，用一般煮沸方法不能从水中析出， 故又称永久硬度。
按其活性基团性质，可分为强酸性、弱酸性、 强碱性、弱碱性四种。
带有酸性活性基团的称为阳离子交换树脂； 带有碱性活性基团的称为阴离子交换树脂。
在水的软化过程中，离子交换反应就是阳离子交换 树脂上的可交换离子（Na+或H+）与水中钙、镁离 子之间的交换过程，即：
离子交换反应为可逆反应，遵守质量作用定律。离 子交换技术就是基于等当量交换与可逆反应来进行 交换与再生的。树脂失效后要进行再生，把树脂上 吸附的钙、镁离子置换出来，代之以新的可交换离 子。
②对相同价数的离子，原子序数越大，水合离子的 半径越小，亲和力越大。
但是，在高浓度下，是浓度起决定作用。
按选择性和离子浓度考虑，交换反应存在 以下三种情况：
K＞1，即水中离子亲和力大于树脂中离子亲和 力，且水中离子浓度较大，此时对交换都有 利，进行换型。例如H树脂转换为Na树脂。
K＞1，水中离子浓度不大，则为软化或除盐。
再生程度一般为80％～90％。再生方式有顺流 再生和逆流再生。
2、离子交换速度
（1）离子交换的历程 离子交换可分为五个步骤，如图8－3所示。 水中的Ca2+向树脂迁移并经过树脂表面的水膜 层（膜扩散）； Ca2+经过树脂孔隙（孔隙扩散）； Ca2+与Na+进行交换反应； Na+经过树脂孔隙； Na+经过膜扩散到溶液中。
树脂类型
有效pH值 范围
来自百度文库强酸 树脂
1～14
弱酸 树脂
5～14
强碱 树脂
1～12
弱碱 树脂
0～7
（3）离子交换树脂的选择性
在常温下，低浓度时，各种树脂对各种离子亲和
力大小可归纳如下几个规律：
1）强酸阳树脂的选择性顺序为： Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＝NH4+＞Na+＞H+＞Li+
2、离子交换树脂的化学性能
（1）交换容量 树脂的交换容量指树脂交换能力的大小，即
可交换的离子数量。干树脂的交换容量的单位 为 meq/g ， 湿 树 脂 的 交 换 容 量 的 单 位 为 meq/mL。 全交换容量Et：指单位质量树脂所具有可交换 离子的总数量。 工作交换容量Eop：指在给定条件下，单位质量 树脂实际可利用的可交换离子的数量。 Eop＝（60～80）％Et。
（2）离子交换树脂对pH值的适应性
• 强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容 量基本上与pH值无关。
• 弱酸树脂在水的pH值低时不电离或仅部分电离，因 而只能在碱性溶液中才会有较高的交换能力；
• 弱碱树脂则相反，在水的pH值高时不电离或仅部分 电离，只能在酸性溶液中才会有较高的交换能力。
表8－1 各种类型树脂的有效pH值范围
Ca(OH)2，当投入处理水中，即可与游离CO2和碳 酸盐硬度产生下列各反应：
• 由以上反应式可见，当投加石灰时，去除Ca2+和 除Mg去2+碳要酸消盐耗硬等度当，量亦的即HC只O能3-去。除因同此H，C石O灰3-等软当化量只的能 硬度。
• 如果水中的总硬度超过总碱度，存在非碳酸盐硬度 时，则需另外再投加苏打(即碳酸钠NaCO3)。此 时，石灰用以降低水的碳酸盐硬度，苏打用以降低 水的非碳酸硬度。
水的软化所采用的离子交换树脂常用阳离子交换树 脂或磺化煤(兼有强酸性和弱酸性两种活性基团)。
2、离子交换树脂的结构和命名
离子交换树脂是由空间网状结构骨架（即母体）
与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分
子化合物。
树脂
母体
聚苯乙烯（链条） 二乙烯苯（交联剂）
活性基团 固定部分：惰性离子（例如强酸阳树脂SO3-） 活动部分：可交换离子（例如强酸阳树脂H+）
2、H－Na离子交换脱碱软化系统
（1）H－Na并联离子交换脱碱软化系统 H－Na并联离子交换脱碱软化系统的流程见图
8－5。 特点：适用于原水硬度高、碱度大的情况，且
系统布置紧凑，投资较省，但系统安全可靠性 稍差。
图8－5 H－Na并联离子交换脱碱软化系统
在H－Na并联离子交换脱碱软化系统中， H 交换器和Na交换器的流量分配为：
2）弱酸阳树脂的选择性顺序为： H+＞Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＝NH4+＞Na+＞Li+
3）强碱阴树脂的选择性顺序为： SO42-＞CrO42-＞NO3-＞Cl-＞OH-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-
4）弱碱阴树脂的选择性顺序为： OH-＞SO42-＞CrO42-＞NO3-＞Cl-＞HCO3-＞HSiO3-
3、软化的基本方法
软化处理的目的是降低水的硬度，也就是减少 水中钙、镁离子含量。
硬度单位目前普遍采用mg当量/L。国外也有用 10mL/LCaO作为1度(德国度)，也有采用以 CaCO3mg/L表示的。它们之间的换算关系为： 1mg当量/L=2.8德国度＝50mg/L CaCO3
软化的主要方法有： （1）加热法
③水流速度v
④树脂颗粒尺寸
颗粒越小，表面积越大，孔隙通道越短，对膜扩 散、孔隙扩散均有利。
⑤水温t
8.3 离子交换装置及运行操作
1、钠离子交换软化系统
（1）单级 单级钠离子交换软化系统的流程见图8－4。 去除效果：
①能去硬度，残余硬度为0.03～0.05meq/L； ②不能脱碱； ③出水总硬度稍有增加。
• 药剂软化的处理工艺形式与常规处理基本相同，也 需经过混合、反应、沉淀、过滤等过程。
（3）离子交换法
基于离子交换原理，利用某些离子交换剂本身 所具有的阳离子（Na+或H+）与水中钙、镁离子进 行交换反应，称为离子交换软化法。
二、离子交换树脂的类型和结构特点
1、离子交换树脂的分类
离子交换树脂是由网状结构骨架(即母体)与附 属在骨架上的许多活性基因所构成的不溶性高 分子化合物。
树示％脂，。η饱 图s 和 中＝程 所（度 示80用 为～η饱90s 和）表
程度曲线。
图8－1
对整个交换过程 可分为两个阶段（如 图8－2所示）： ①交换带形成； ②交换带往下推移， 直到交换结束（即将 漏硬，即钙泄漏）， 在下端形成保护层， 此时交换带厚度相当 于保护层厚度。
图8－2 树脂层离子交换过程示意
聚苯乙烯为线团状，聚苯乙烯内有交联剂、孔隙
水组成白色小球，在白色小球上挂着活性基团（－ SO3H），SO3-总挂在网状结构上，H+可游离出来。 故写成R－SO3H，R代表母体，也可简写为R-H+，此 时R-表示母体及牢固结合在母体上的固定离子。
离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架名 称、产品顺序号、交联度等组成。