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ZAZB ZBZA A BB 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 BK =1，则对A 、B 离子吸附性能相同，这种交换平衡；AB 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AB 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 AA B BA Z AZB 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AB 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 dtdQ-= 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ϕε-=1BS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。

运行中的钠离子交换器工作交换容量(E ）计算公式)/()(3m mol VH H Q E c -⋅=式中：Q —交换器的周期制水量，m 3； H —进水硬度，mmol/L ；c H — 出水硬度，mmol/L ； V —交换器中离子交换剂的体积，m 3；1. 钠离子软化-加酸系统在钠离子交换系统软化后，在出水中加入硫酸，以中和水中碱度（NaHCO 3），反应生成CO 2经除碳器除去。

该系统较为简单，但可以防治水呈酸性。

2．氢-钠离子并联系统该系统并联有氢型强酸性阳离子交换树脂和钠型强酸性阳离子交换树脂,原水一部分通过氢型强酸性阳离子交换树脂，另一部分通过钠型强酸性阳离子交换树脂，然后混合，利用氢型产生的H 2SO 4或HCl 来中和钠型出水中的HCO 3-。

反应产生的CO 2再用除碳器除去。

（二）复床系统复床指水依次通过阳离子交换器（阳床）和阴离子交换器（阴床），通过复床可以将水中的各种矿物盐基本除去。

为了保持较好的效果，一般阳离子交换器装有强酸性阳离子交换树脂，阴离子交换器装有强碱性阴离子交换树脂。

原水依次经过一次阳离子交换器和一次阴离子交换器处理，称为一级复床除盐。

当处理水质要求更高是，可以采用二级复床除盐处理。

（三）混合床系统为了进一步提高出水的纯水，可以采用混合床系统。

混合床系统就是将阴离子交换树脂、阳离子交换树脂按一定比例混合装在同一个交换器里，水一次通过混合床，就完成阴阳离子交换过程。

混合床一般置于复床之后，通常把复床称为一级除盐，混合床称为二级除盐。

混合床出水的电导率在0.3uS/cm 以下，SiO 2含量下于20ug/L 。

由于阴离子交换树脂的工作容量只有阳离子交换树脂的一般左右，所以混合床中阴离子交换树脂的填装体积一般为阳离子交换树脂的2倍。

2. 离子交换过程离子交换过程可以分为交换和再生两个步骤。

若两个步骤在同一设备中交替进行，这种过程称为间歇过程。

如果分别在两个设备中连续进行，这种过程称为连续过程。

(一) 固定床离子交换器工作过程 1.交换过程当含B 浓度为C 0的原水自上而下通过RA 树脂层时，顶层首先和B 交换，达到平衡时，这层树脂失效，称为失效层。

此后水中的B 交换过程移至下一层树脂，该层称为工作层。

在工作层中与上层接触的B 离子浓度高，故上层树脂的交换量大于下层树脂。

经过工作层后，水中B 离子浓度接近于0，故水流过工作层以下的床层时，床层的水质和树脂的形态保持不变，该层树脂称为保护层，见图9-4（a）。

交换器持续工作，失效层扩大，工作层下移，保护层缩小。

工作层下缘达到树脂层底部时（c），出水开始有B离子漏出，此时称为树脂层穿透。

从交换开始到穿透为止，树脂达到的交换容量称为工作容量，再继续运行，出水中B浓度迅速增加至于进水C0相同，此时，全部树脂饱和（b）。

2.再生过程再生是恢复树脂交换能力的过程，通常采用交换的逆过程，也可以回收有用物质。

根据再生方式分为顺流再生和逆流再生。

（1）顺流再生：再生液流向与运行水流一致的再生方式。

顺流再生固定床离子交换器的再生液流向与运行水流一样自上而下。

通常分为四步骤—大反洗、再生、置换、正洗。

（2）逆流再生：再生液流向与运行水流相反的再生方式，也称对流再生。

通常分为小反洗、再生、置换、小反洗、正洗。

下图为逆流再生操作步骤。

（二）连续式离子交换器工作过程简介为了保证连续生产，可以采用连续式离子交换设备，主要包括移动床和流动床。

1.移动床下图为三塔式移动床，主要包括交换塔、再生塔和清洗塔。

2.流动床流动床是一种较为先进的床型。

流动床内树脂和水流方向与移动床相同，树脂循环可用压力输送或重力输送，交换饱和树脂可以连续流出交换塔，再生好的树脂可由塔顶连续补充，实现交换产水再生树脂的连续进行。