环境工程原理 第九章 离子交换

佳木斯大学 理学院 环境科学 环境工程原理作业 第九章 离子交换

第一节 概述

1. 离子交换的概述

1.1定义：离子交换法是通过离子交换剂与水中的可溶性无机离子发生交换反应。

1.2使用范围：主要用于制备软化水、纯水和去除水中有害离子，也常用于工业废水的贵重离子回收、放射性废水和有机废水处理。 1.3离子交换剂分类 1.3.1 按母体材质：

（1）无机离子交换剂：包括天然沸石和合成沸石，属于硅质阳离子交换剂。

（2）有机离子交换剂：可分为碘化煤和离子交换树脂。其中离子交换树脂相比于其他离子交换剂具有较大的交换容量。 1.3.2 离子交换树脂分类

（1）按活性基团分为：阳离子交换树脂分为强酸性和弱酸性两类； 阴离子交换树脂分为强碱性和弱碱性两类；

特殊活性基团的交换树脂如氧化还原树脂、两性树脂、螯合树脂。

（2）按树脂类型和孔结构的不同：凝胶型树脂、大孔型树脂、多孔凝胶型树脂、巨孔型树脂、高巨孔型树脂等。

1.4离子交换树脂结构

离子交换树脂结构分为两大部分：一是

不溶性树脂母体部分，称为骨架，不参与交换反应；二是连接在骨架上的活性基团，带可交换离子参与离子交换反应。

2. 离子交换树脂性能 2.1 物理性质：

（1）外观:凝胶型树脂为透明或半透明珠体，大孔型树脂为乳白色后不透明珠体 （2）粒度：粒度影响着离子交换速率 （3）密度：)/(mL g 括空隙体积）湿树脂的真体积（不包湿树脂质量湿真密度=

)

/(mL g 空隙体积）

湿树脂堆积体积（包括湿树脂质量

湿视密度= （4）含水量：在水中充分溶胀的湿树脂所含溶胀水质量占湿树脂质量比例

（5）溶胀性：干树脂浸入水中，由于活性基团的水合作用使交联网孔增大，体积膨胀现象。 （6）机械强度：取决于交联度与溶胀率。

（7）耐热性：每种树脂耐受的温度均有一定范围。 2.2 化学性质：

（1）可逆性：使离子交换树脂可以重复使用。

（2）酸碱性：由于活性集团的解离与pH 有关，因此每种树脂都有适当的pH 范围。

（3）选择性：不同被交换的离子和树脂的活性基团的亲和力不同，使的树脂对各种树脂具有不同交换能力。

（4）交换容量：表示离子交换树脂的交换能力大小。公式：E v =E w ×(1-含水量)×湿视密度。 （5）交换特性：H 型强酸性阳离子交换树脂可以同时和强酸盐和弱酸盐阳离子进行交换； H 型弱酸性阳离子交换树脂自能和弱酸盐阳离子交换；

OH 型强碱性阴离子交换树脂可以同时和水中各种阴离子进行交换； OH 型弱酸性阴离子交换树脂只是在酸性条件下可以和强酸盐离子交换。 3．离子交换树脂命名

命名由“国家标准号、基本名称和单项组”组成。 国家标准号即GB 1631；

基本名称：离子交换树脂，属于酸性的前面加“阳”，属于碱性的前面加“阴”； 单项组：包括6个字符组。

字符组1：树脂形态分为凝胶型和大孔型，以D 表示大孔型；

字符组2：代表官能团分类； 字符组3：代表骨架分类；

字符组4：顺序号，区别基团、交联剂等差异，交联度用“×”连接阿拉伯数字表示； 字符组5：不同床型应用的树脂代号； 字符组6：特殊用途树脂代号。

第二节 离子交换的基本原理

1. 离子交换平衡

离子交换平衡是描述离子交换的基本规律，与化学平衡不同，它符合质量作用定律。以树脂（RA ）交换B 离子为例，Z A 、Z B 表示A 和B 离子的电荷数。

Z A RA+Z A B ≒Z A RB+Z B A

在稀溶液中，活度系数接近于1，液相中的A 、B 离子活度均可用各自的浓度表示，于是有

ZA

ZB ZB

ZA A B

B RA A RB K ]

[][][][= 式中：[A]、[B]—分别表示水溶液中A 离子、B 离子的浓度，mmol/L ；

[RA]、[RB]—分别表示单位质量干树脂中A 离子、B 离子的物质的量，mmol/[g 干树脂]。

A B K 定义为A 交换B 的选择性系数，其表征了离子交换树脂对A 、B 离子的选择性吸附性能。A B

K =1，则对A 、B 离子吸附性能相同，这种交换平衡；A

B K ＞1，则对B 有选择性，数值越大，选择性越强，

这种为有利平衡；若A

B K ＜1，对A 有选择性，不利于B 的吸附，这种为不利平衡。 有上式可以推出

B A

A B B

A Z A

Z

B Z B Z A Z Z y y x x B A RB RA K ⋅=⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛++-][][][][ 上式具有通性，适用于不同价态之间的交换。[RA]+[RB]代表树脂全交换容量，[A]+[B]代表水溶液中

的离子浓度。

当Z A =Z B =1时，可简化为

A

B A B x x K y y ⋅= 在B y 可被称为树脂的失效度，B x 相当于溶液中离子残留率。 2. 离子交换速率

离子交换过程分为五个连续步骤，以A 离子交换水中B 离子为例。

（1） B 离子从溶液主体向树脂颗粒表面扩散，达到并穿过颗粒表面液膜。

（2） 穿过液膜的B 离子继续在树脂颗粒内交联网中扩散，直到达到某一活性基团所在位置。 （3） B 离子和活性基团中的可交换A 离子发生交换反应。

（4） 被交换下来的A 离子在树脂颗粒内交联网孔中向树脂颗粒表面扩散。 （5） 被交换下来的A 离子在树脂颗粒表面扩散穿过液膜进入液体主体。

上述几步中，第三步是离子间的交换反应，速率很快；而第一、第五步是A 或B 离子在液膜中扩散，称为膜扩散；第二、第四步是A 或B 离子在树脂颗粒内交联网孔中的扩散，称为内扩散，由于交换反应速率比扩散快得多，因此总离子交换速率由扩散过程控制。

δ/)(21S c c D dt

dQ

-= 式中:21c c 、—表示扩散界面层两侧的离子浓度，1c ＞2c ,mmol/L ；

δ—界面层厚度，相当于总扩散阻力的厚度，m ；

D —总扩散系数，m 2

/s ；

S —树脂的体积比表面积，m 2

/m 3

，与树脂颗粒有效直径ϕ、孔隙率ε有关，可由下式

计算

ϕ

ε

-=1B

S

式中，B —与粒度均匀程度有关的系数。 3. 影响离子交换扩散速率的因素 1. 树脂交联度

交联度越大，网孔越小，内扩散越慢，交换速率越慢。大孔型树脂的内扩散速率比凝胶树脂快。 2. 树脂颗粒大小

树脂颗粒越小，扩散速率越快。颗粒越小，内扩散距离越短，树脂比表面积越大，膜扩散表面积增大，促进扩散速率增加。 3. 水温

提高温度能使离子的动能增加，加快内扩散和膜扩散，同时水的粘度减少，液膜变薄，这些有利于离子扩散。

4. 溶液离子浓度

液膜两侧浓度差越大，扩散速率越大。 5. 搅拌或提高流速

搅拌或提高流速，增加流体的湍流程度，使液膜变薄，加快膜扩散，但对内扩散无影响。 6. 被交换离子的的电荷数和水合半径

被交换离子的的电荷数和水合半径越大，离子在树脂内扩散的速率越慢。

第三节 离子交换的系统与过程

1. 离子交换系统

在水处理过程中，需根据原水水质、出水要求、生产能力等来确定合适的离子交换工艺。常见的交换系统有钠离子交换系统、复床系统、混合床系统。 （一）钠离子交换系统

改系统主要用于降低Ca 2+、Mg 2+

含量（水的软化），其经常采用的离子交换剂为钠型强酸性阳离子交换树脂或磺化煤。