第8章离子交换全解

根据原水与再生液的流动方向，固定床又分两种 ★ 顺流再生固定床 ★ 逆流再生固定床
8.3.1 顺流再生固定床
工作过程：
运行操作包括交换、反洗、再生、清洗四个步骤。
★交换：交换过程就是软化过程。原水由 上部配水系统进入交换器，通过树脂层 交换后，软化水经下部配水系统流出。 当出水硬度刚刚出现泄漏时，交换过程 应立即结束，进入再生过程。
第8章 离子交换
8.1 概述 8.2 离子交换基本原理 8.3 离子交换装置 8.4 离子交换在水处理中的应用
8.1 概述
在水处理中的应用：水的软化、水的除盐 去除对象：水中的溶解性离子 ★ 水中所含的主要阳离子：Ca2+、Mg2+、Na+（K+） ★ 水中所含的主要阴离子：HCO3-、SO42-、Cl 水的软化：降低水中Ca2+、Mg2+含量。 ★ 总硬度（Ht）：水中Ca2+、Mg2+的总含量。 碳酸盐硬度（Hc），亦称为暂时硬度 ★ 总硬度（Ht） 非碳酸盐硬度（Hn），亦称为永久硬度 水的除盐：降低水中的含盐量（∑阳+∑阴） 水的纯度常以水中含盐量或水的电阻率来衡量 ★ 脱盐水：即普通蒸馏水。水中强电解质大部分去除。含盐量1～5mg/L。 ★ 纯水：亦称去离子水，水中的强电解质基本去除，而弱电解质也大部分 被去除。含盐量<1mg/L。 ★ 高纯水：称超纯水。水中导电介质几乎全部去除，而水中胶体微粒、微 生物、溶解性气体及有机物以去除到最低程度。含盐量<0.1mg/L。
优点：构造简单，运行方便。 缺点：再生液耗量大，安全性差。 适用条件：处理规模较小、原水硬度较低的场合。
8.3.2 逆流再生固定床
常见类型：水流向下流动，再生液向上流动。 再生操作过程：（气或水顶压再生工艺）
★小反洗：反洗水从中间排水装置进入，流速约为5～10m/h； ★放水：将中间排水装置上部的水放掉； ★顶压：从交换器顶部进入压缩空气，使气压维持在30～50kPa； ★进再生液：在有顶压的下，从交换器底部进再生液； ★逆流清洗：在有顶压的下，用软化水逆向清洗（流速为5～7m/h），直 到出水水质符合要求； ★正向清洗：以流速为10～15m/h的水流自上而下进行清洗，直到出水合 格，即可投入交换运行。
1）既去除硬度还能去除水中碱度。 ★ 特点： 2）Na+也参与交换。 3）软化水中含有游离酸，出水呈酸性。 ★ 适用范围：一般总是和Na离子交换联合使用，或与其它措施（如加碱 中和）相结合。
H-Na离子交换脱碱软化法
★ H-Na并联离子交换系统
因为只有一部分水过RNa，投资省。适用于碱度高的原水。 ★ H-Na串联离子交换系统 从运行来看，串联系统较安全可靠，更适合于处理高硬度的原水，能满 足低压锅炉对水质的要求。
★ 特点：1）只能降低或去除硬度，水中碱度则基本不变。 2）出水不呈酸性，但水中含盐量略有增加。 3）再生剂为食盐。 ★ 适用范围：适用于原水碱度低，只需要软化,不要求降低碱度的情况。
H离子交换软化法
原水
Ca(HCO3 )2 Mg(HCO3 )2 CaSO4 MgCl2 H2SO4 HCl
软化水
8.3 离子交换装置
离子交换装置由离子交换器和附属设备组成
单层床 只装一种类型树脂
固定床
双层床
装填强弱同性树脂
混合床 离子交换器 移动床
装填阴阳两种树脂
连续床 流化床
固定床逆流再生离子交换器 1-壳体；2-排气管；3-上配水装置 4-树脂装卸口；5-压脂层；6-中间 排液管；7-树脂层；8-视镜；9-下 配水装置；10-出水管；11-底脚
进水
进水
CO2
CO2
RNa
RH
除 碳 器
空气 出水
RH
除 碳 器 中间水池
空气
RNa
出水
水 池
8.4.2 水的除盐
复床式离子交换除盐系统 ★ 复床：将阳、阴离子交换器串联使用。 ★ 最常用的复床系统：
强 酸 脱 气 强 碱 系 统
进水 CO2
除 碳 器
中间 水池
强 酸 阳 床
空气
强 碱 阴 床
出水
强 酸 弱 碱 脱 气 系 统
进水 CO2
除 碳 器 水 池
强 酸 阳 床
弱 碱 Leabharlann Baidu 床
空气 出水
强 酸 脱 气
进水
CO2
弱 碱
强 碱 系 统
强 酸 阳 床
除 碳 器
中间 水池
空气
弱 碱 阴 床
强 碱 阴 床
出水
混合床离子交换器除盐
★ 混合床：阴、阳离子交换树脂按一定比例均匀混合装在同一交换器内。 ★ 除盐原理：使用时混合均匀，可以看作是由许多阳床与阴床串联一起，构成无数微 型复床，反复脱盐，出水纯度高。 1 2 3 4 5 6 7 NaOH 除盐水 除盐水 除盐水 排水 排气 原水 ★ 再生操作： 需阴、阳树脂分层。 体内酸、碱分别再生操作步骤： 体外再生 再生方法 阴 1.反洗分层：采用水力分选法， 阴 阴 体内再生：分酸、碱同时再生和酸、碱分别再生 阳 反洗流速约10 m/h。由于阴树 阳 脂的密度较阳树脂小，分层后 HCl 反冲水 除盐水 除盐水 阴树脂在上，阳树脂在下。
2
Ca2+ Na+
边界水膜
2RH R 2Mg 2H
应着重指出：在高浓度溶液中，浓度的高低则成为决定离子交换反应方向 的关键因素。
离子交换反应为可逆反应。当树脂失效以后，利用高浓度再生液（HCl 或 NaCl），使交换反应逆向进行， Na+ 或H+ 把树脂上吸附的 Ca2+、Mg2+置 换出来，从而使树脂重新恢复交换能力，这个过程称为树脂再生。
阴离子交换树脂
ROH
强碱性
可电离的交换离子 OH-或酸根离子（如Cl-）
弱酸性
8.2.3 离子交换树脂的命名
如：凝胶型苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂
树脂的全名称由分类名称、骨架名称、基本名称依次排列组成的。
8.2.4 离子交换树脂的基本性能
1.外观：呈透明或半透明的球形，粒径为0.3~1.2 mm。颜色有乳白色、淡黄 色、黄色，褐色等。 2.交联度：常用的凝胶型树脂以二乙烯苯作为交联剂。
RH
★ 强酸性H型离子交换树脂的软化反应如下：
对于碳酸盐硬度：2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2CO2+2H2O
2RH+Mg(HCO3)2 R2Mg+2CO2+2H2O
对于非碳酸盐硬度： 2RH+CaSO4 R2Ca+H2SO4
2RH+MgCl2 R2Mg+2HCl RH+NaCl RNa+HCl
苯乙烯系树脂的交联度指二乙烯苯的质量占苯乙烯和二乙烯苯总量的百 分数。
改变交联度，树脂的交换容量、含水率、溶胀度、机械强度等性能均会 改变。水处理中，交联度宜为7%～10%。 3.含水率：指每克湿树脂在水中充分膨胀后所含水分的百分比。 树脂含水率取决于树脂的交联度、活性基团的类型和数量等。交联度越 小，孔隙率越大，含水率越高。 一般树脂的含水率为40%～60%，故在贮存树脂时，冬季应注意防冻。 4.溶胀性：树脂因为吸水或转型等条件改变而引起的体积变化。 5.酸碱性 强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与pH值无关。 弱酸、弱碱树脂的活性基团电离能力弱，其交换容量与pH值有关系。
再生剂
H型阳树脂：HCl、H2SO4
Na型阳树脂：NaCl、Na2SO4
弱酸阳树脂： HCl、H2SO4
强碱阴树脂：NaOH 、NaCl
弱碱阴树脂：NaOH、Na2CO3、NaHCO3
8.4 离子交换在水处理中的应用 8.4.1 水的软化
Na离子交换软化法
原水
Ca(HCO3 )2 Mg(HCO3 )2 CaSO4 MgCl2 NaHCO3 Na2SO4 NaCl
水的软化处理方法 ★ 药剂软化法：基于溶度积原理，向原水中加入一定量的某些药剂（如石 灰、苏打等），使之与水中的Ca2+、Mg2+反应生成沉淀物析出，以达到 去除水中大部分Ca2+、Mg2+目的。 ★ 离子交换软化法：基于离子交换原理，利用离子交换剂所具有的可交换 阳离子与水中Ca2+、Mg2+进行离子交换反应，降低水中的Ca2+、Mg2+含
量，以达到水的软化目的。
水的除盐方法 ★ 离子交换法、电渗析法、反渗透法 离子交换剂 无机离子交换剂（天然沸石、绿砂） ★ 类型 磺化煤 人工合成有机离子交换树脂 已很少应用
水处理中应用
8.2 离子交换基本原理
8.2.1 离子交换树脂的结构
离子交换树脂是由空间网状结构骨架(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。 母体（空间网状结构骨架） 树脂的结构 固定离子（与骨架牢固结合）
活性基团
可交换离子 （可与周围水中的同性离子进行交换）
以强酸性阳离子交换树脂（R-SO3-H+）为例： R（代表母体） R-SO3-H+ -SO3-H+（活性基团） R-SO3-H+可以直接简写为R-H+
-SO3-（固定离子） H+（可交换离子）
8.2.2 离子交换树脂的类型
按结构特征：凝胶型、大孔型、均孔型
单位为：mmol／L（湿树脂）或 mmol／g（干树脂）
8.选择性：离子交换树脂对水中各种离子具有不同的亲和力，它可以优先交
换水中某种离子，这种现象称为离子交换树脂的选择性。 在常温、低浓度条件下，各类型离子交换树脂对一些常见离子的选择性 顺序为： ★强酸性阳离子交换树脂 Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞H+
树脂类型 有效pH值范围
强酸性 0~14
弱酸性 5~14
强碱性 0~14
弱碱性 0~7
6.密度：分为湿真密度和湿视密度两种。 湿真密度：指在单位真体积（不包括树脂颗 湿树脂质量 湿真密度 （g/mL） 湿树脂颗粒本身体积 粒间孔隙体积）内湿态离子交换树脂的质量。 湿真密度一般为1.1～1.3 g/mL，用于确定反冲洗强度。 湿视密度：指在单位视体积（包括树脂颗粒 湿树脂质量 湿视密度 湿树脂堆积体积 （g/mL） 间孔隙体积）内湿态离子交换树脂的质量。 湿视密度一般为0.6～0.85 g/mL，用于计算树脂用量。 7.交换容量：一定数量的离子交换树脂所具有的可交换离子的数量。 定量表示树脂交换能力的大小的一项重要指标。分两种： ★全交换容量：一定量的树脂所具有的可交换离子的总数量。采用滴定 法测定 ★工作交换容量：在给定的工作条件下，树脂的实际交换容量。根据模 拟试验确定
★弱酸性阳离子交换树脂
H+＞Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+ ★强碱性阴离子交换树脂 SO42-＞NO3-＞Cl-＞OH-＞F-＞HCO3-＞HSiO3★弱碱性阴离子交换树脂 OH-＞SO42-＞NO3-＞Cl-＞HCO3-＞HSiO3-
意义：位于顺序前列的离子可以从树脂上取代位于后列的离子。
软化水
RNa
★ Na离子交换是最常用、最简单的一种软化方法，其反应如下： 对于碳酸盐硬度： 2RNa+Ca(HCO3)2 R2Ca+2NaHCO3
2RNa+Mg(HCO3)2 R2Mg+2NaHCO3
对于非碳酸盐硬度： 2RNa+CaSO4 R2Ca+Na2SO4
2RNa+MgCl2 R2Mg+2NaCl
★反洗：反洗水（用原水）由下部配水系 统自下而上对树脂层进行反洗，目的是使树脂层产生膨胀以清除树脂层内的杂质。
★再生：为保持再生液的浓度，再生前应先排水，然后进再生液。再生液浓度：食 盐一般为5～10％；盐酸为4～6％；硫酸不应大于2％。
★清洗：为清除树脂层中残存的再生残液，再生完毕后，应使用软化水对树脂层进 行正向清洗。清洗完毕，即转入交换过程。
2RNa Mg 2 R 2 Mg 2Na
离子交换的实质就是离子交换树脂上的可交换离子与水中其它的同性离子 进行的交换反应。
★ 例如水的软化就是利用阳离子交换树脂上的可交换离子（Na+）交换去 除水中的Ca2+、Mg2+。 ★ 其离子交换反应如下：
树脂颗粒
树脂上可交换离子
Ca 2 2RNa R 2Ca 2Na Mg 2 2RNa R 2Mg 2Na Ca 2 2RH R 2Ca 2H Mg
按单体种类：苯乙烯系、丙烯酸系
按活性基团的性质： 阳离子交换树脂 RH或RNa 可电离的交换离子 H+或金属离子（如Na+） R-SO3-H+ 磺酸型 R-COO-H+ 羧酸型 R N+OH季胺型 R NH3+OH- 伯胺型 R NH2+OH- 仲胺型 R NH+OH- 叔胺型
强酸性
弱酸性
离子交换 树脂的类型