离子交换
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某一活性基团位置。 ③目的离子和活性基团中的可交换离子发生交换反应。 ④被交换下来的离子沿着与目的离子运动相反的方向扩散，
最后被主体水流带走。 上述几步中，交换反应速率与扩散相比要快得多。因此总 交换速度由扩散过程控制。由Fick定律，扩散速度可写成：
影响离子交换扩散速度的因素 1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。 2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面
在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正 工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离 子种类和浓度以及工作条件。
(f) H型树脂与水中Ca2+、Mg2+、Na+交换时水质变化
离子交换柱工作过程
进水初期，进水中所用阳离子均交换出H+，生成相当量的无机酸，出水 酸度保持定值。运行至a点时，Na+首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低， 当Na+泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性； 当Na+增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度 相等。至此，H离子交换结束，交换器开始进行Na+交换，稳定运行至b点之 后，硬度离子开始穿透，出水Na+含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬 度，出水Na+接近进水Na+，树脂层全部饱和。
H－Na串联及并联
2. 在除盐中
一级复床除盐系统 多极复床除盐系统
混合床除盐系统
3. 在处理工业废水中 多级阴阳离子交换系统
碱度是指水中吸收质子的能力，水中 碱度的形成主要是由于重碳酸盐、碳 酸盐及氢氧化物的存在，硼酸盐、磷 酸盐和硅酸盐也会产生一些碱度。此 外还有有机碱等。
❖ 离子交换过程
❖ 固定床离子交换器间歇工作过程 1. 离子交换过程
积增大，使扩散速度越快。 3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，
扩散速度越快。 4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变
薄，这些都有利于离子扩散。 5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快液
膜扩散，但不影响内孔扩散。 6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩散
离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别
❖ 树脂选择 选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换工艺以及 投资和运行费用等因素。
❖ 树脂保存 树脂宜在0～40℃下存放，通常强性树脂以盐型保存，弱酸 树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存。
❖ 树脂使用 树脂在使用前应进行适当的预处理，以除去杂质。最好分别 用水、5％HCl、2％～4％NaOH反复浸泡清洗两次，每次 4～8h。
(8—5)
式中qB/q0称为树脂的失效度;cB/c0为溶液中离子残留率。若以 qB/q0为纵坐标，以cB/c0为横坐标，作图可得某一K值下的等价 离子交换理论等温平衡线。
❖ 离子交换速度
离子交换过程： ①离子从溶液主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面液膜。 ②穿过液膜的离子继续在颗粒内交联网孔中扩散，直至达到
速度越慢。
第三节 离子交换工艺
❖ 离子交换系统及应用
❖ 离子交换过程
1. 固定床离子交换器间歇工作过程 2. 连续式离子交换器工作工程
❖ 离子交换系统及应用
在实际应用当中需根据原水水质、出水要求、生产能力等来确定
合适的离子交换工艺。
1. 在水的软化主要使用
Na＋离子交换软化法 H＋离子交换软化法
离子交换树脂的命名和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号
1、命名
2、型号 离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代
表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺 序号用以区别基因、交联剂等的差异。
离子交换树脂的性能
物理性能 1．外观
常用凝胶型离子交换树脂为透明或半透明的珠体，大孔树 脂为乳白色或不透明珠体。优良的树脂圆球率高，无裂纹， 颜色均匀，无杂质。 2．粒度
表8-2 未知树脂的鉴别
操作① 操作②
取未知树脂样品2mL，置于30mL试管中
加1N HCl15mL，摇1--2min，重复2--3次
操作③
水洗2～3次
操作④ 加1O％CuSO4(其中含1％H2SO4)5mL，摇1min，放5min
检查 操作⑤ 检查
浅绿色
加5N氨液2mL，摇1min，水
洗
深蓝
颜色不变
不变色
加1N NaOH15mL摇1min，水
洗，加酚酞，水洗
红色
不变色
结果 强酸性阳树脂 弱酸性阳树脂 强碱性阴树脂 弱碱性阴树脂
第二节 离子交换基本原理
❖ 离子交换平衡
一般交换反应的平衡关系
(8—1)
离子交换反应公式
(8—2)
式（8-4）适用于各种离子之间的交换。当ZA=ZB=1时,上式简 化为：
一般树脂粒径0.3～1.2mm有效粒径（d10）0.36～0.61， 均一系数（d40/d90）为1.22～1.66，均一系数的含义是筛 上体积为40％的筛孔孔径与筛上体积为90％的筛孔孔径之 比。
3．密度
4．含水率 树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百
分比（约50%），树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔 隙率。 5．溶胀性
干树脂+水→湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度
6. 机械强度 7. 耐热性 8. 孔结构
化学性能 1.再生：离子交换反应的可逆性交换的逆反应。 2.酸碱性：树脂在水中电离出H+和OH-,表现出酸碱性。树 脂的酸碱性受pH值影响，各种树脂在使用时都有适当 的pH值范围。 3.选择性：树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为 选择性，选择性大小用选择性系数来表征。 4.交换容量：表示树脂的交换能力。通常用EV（mmol/ml 湿树脂）表示，也可用EW（mmol/g干树脂）表示。 EV＝EW×（1-含水量）×湿视视密度
第八章 离子交换
第一节 离子交换剂 第二节 离子交换基本原理 第三节 离子交换工艺 第四节 离子交换设备及计算
第一节 离子交换剂
离子交换剂的分类、组成及结构
1、分类 ❖ 按母体材质分为：无机和有机两大类。 ❖ 按其他分类
2、组成和结构 离子交换树脂的化学结构可分为不溶性树脂母体和活性基团
两部分。树脂母体为有机化化合物和交联剂组成的高分子共聚 物。交联剂的作用是使树脂母体形成主体的网状结构。交联剂 与单体的重量比的百分数称为交联度。活性基团由起交换作用 的离子和与树脂母体联结的固定离子组成。
最后被主体水流带走。 上述几步中，交换反应速率与扩散相比要快得多。因此总 交换速度由扩散过程控制。由Fick定律，扩散速度可写成：
影响离子交换扩散速度的因素 1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。 2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面
在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真正 工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、离 子种类和浓度以及工作条件。
(f) H型树脂与水中Ca2+、Mg2+、Na+交换时水质变化
离子交换柱工作过程
进水初期，进水中所用阳离子均交换出H+，生成相当量的无机酸，出水 酸度保持定值。运行至a点时，Na+首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低， 当Na+泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性； 当Na+增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度 相等。至此，H离子交换结束，交换器开始进行Na+交换，稳定运行至b点之 后，硬度离子开始穿透，出水Na+含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬 度，出水Na+接近进水Na+，树脂层全部饱和。
H－Na串联及并联
2. 在除盐中
一级复床除盐系统 多极复床除盐系统
混合床除盐系统
3. 在处理工业废水中 多级阴阳离子交换系统
碱度是指水中吸收质子的能力，水中 碱度的形成主要是由于重碳酸盐、碳 酸盐及氢氧化物的存在，硼酸盐、磷 酸盐和硅酸盐也会产生一些碱度。此 外还有有机碱等。
❖ 离子交换过程
❖ 固定床离子交换器间歇工作过程 1. 离子交换过程
积增大，使扩散速度越快。 3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，
扩散速度越快。 4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变
薄，这些都有利于离子扩散。 5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快液
膜扩散，但不影响内孔扩散。 6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩散
离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别
❖ 树脂选择 选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换工艺以及 投资和运行费用等因素。
❖ 树脂保存 树脂宜在0～40℃下存放，通常强性树脂以盐型保存，弱酸 树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存。
❖ 树脂使用 树脂在使用前应进行适当的预处理，以除去杂质。最好分别 用水、5％HCl、2％～4％NaOH反复浸泡清洗两次，每次 4～8h。
(8—5)
式中qB/q0称为树脂的失效度;cB/c0为溶液中离子残留率。若以 qB/q0为纵坐标，以cB/c0为横坐标，作图可得某一K值下的等价 离子交换理论等温平衡线。
❖ 离子交换速度
离子交换过程： ①离子从溶液主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面液膜。 ②穿过液膜的离子继续在颗粒内交联网孔中扩散，直至达到
速度越慢。
第三节 离子交换工艺
❖ 离子交换系统及应用
❖ 离子交换过程
1. 固定床离子交换器间歇工作过程 2. 连续式离子交换器工作工程
❖ 离子交换系统及应用
在实际应用当中需根据原水水质、出水要求、生产能力等来确定
合适的离子交换工艺。
1. 在水的软化主要使用
Na＋离子交换软化法 H＋离子交换软化法
离子交换树脂的命名和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号
1、命名
2、型号 离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代
表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺 序号用以区别基因、交联剂等的差异。
离子交换树脂的性能
物理性能 1．外观
常用凝胶型离子交换树脂为透明或半透明的珠体，大孔树 脂为乳白色或不透明珠体。优良的树脂圆球率高，无裂纹， 颜色均匀，无杂质。 2．粒度
表8-2 未知树脂的鉴别
操作① 操作②
取未知树脂样品2mL，置于30mL试管中
加1N HCl15mL，摇1--2min，重复2--3次
操作③
水洗2～3次
操作④ 加1O％CuSO4(其中含1％H2SO4)5mL，摇1min，放5min
检查 操作⑤ 检查
浅绿色
加5N氨液2mL，摇1min，水
洗
深蓝
颜色不变
不变色
加1N NaOH15mL摇1min，水
洗，加酚酞，水洗
红色
不变色
结果 强酸性阳树脂 弱酸性阳树脂 强碱性阴树脂 弱碱性阴树脂
第二节 离子交换基本原理
❖ 离子交换平衡
一般交换反应的平衡关系
(8—1)
离子交换反应公式
(8—2)
式（8-4）适用于各种离子之间的交换。当ZA=ZB=1时,上式简 化为：
一般树脂粒径0.3～1.2mm有效粒径（d10）0.36～0.61， 均一系数（d40/d90）为1.22～1.66，均一系数的含义是筛 上体积为40％的筛孔孔径与筛上体积为90％的筛孔孔径之 比。
3．密度
4．含水率 树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百
分比（约50%），树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔 隙率。 5．溶胀性
干树脂+水→湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度
6. 机械强度 7. 耐热性 8. 孔结构
化学性能 1.再生：离子交换反应的可逆性交换的逆反应。 2.酸碱性：树脂在水中电离出H+和OH-,表现出酸碱性。树 脂的酸碱性受pH值影响，各种树脂在使用时都有适当 的pH值范围。 3.选择性：树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为 选择性，选择性大小用选择性系数来表征。 4.交换容量：表示树脂的交换能力。通常用EV（mmol/ml 湿树脂）表示，也可用EW（mmol/g干树脂）表示。 EV＝EW×（1-含水量）×湿视视密度
第八章 离子交换
第一节 离子交换剂 第二节 离子交换基本原理 第三节 离子交换工艺 第四节 离子交换设备及计算
第一节 离子交换剂
离子交换剂的分类、组成及结构
1、分类 ❖ 按母体材质分为：无机和有机两大类。 ❖ 按其他分类
2、组成和结构 离子交换树脂的化学结构可分为不溶性树脂母体和活性基团
两部分。树脂母体为有机化化合物和交联剂组成的高分子共聚 物。交联剂的作用是使树脂母体形成主体的网状结构。交联剂 与单体的重量比的百分数称为交联度。活性基团由起交换作用 的离子和与树脂母体联结的固定离子组成。