离子交换

学 院 给
④.失效终点分明 ⑤. 设备小 缺点：
①. 再生时，难以彻底分层 。
排
②. 混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降
水
③. 一般常需进行预处理（混凝、沉淀 、活性炭吸附）
教
④. 再生操作复杂
研
室
38
水 资
思考题
源 1、与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交
院
给
排
水
教
研
室
2
8.1离子交换概述
水 资
一、离子交换剂：
源
无机离子交换剂（沸石）
与 环
磺化煤（煤磨碎后经浓硫酸磺化处理得到）
境 有机合成离子交换树脂
工
程 沸石——弱酸性阳离子交换剂，交换容量小，
学 院 给
不能吸取尺寸较大的离子—分子筛 磺化煤——强酸性阳离子交换剂，化学稳定性差
排
水
教
研
室
3
水 资 源 与 环 境 工 程 学 院 给 排 水 教 研 室
给
水质适应性差、再生剂比耗高
排
水
教
研
室
28
8.4离子交换的应用
水 一、水的软化
资 水中主要溶解杂质
源
离子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+)
与
HCO3-, SO42-, Cl-
环
一般Fe2+, SiO32-含量较少。
境
气体：CO2,O2
工
总硬度：Ca2+, Mg2+
程
碳酸盐硬度（暂时硬度）
学
非碳酸盐硬度
水
教
研
室
21
水 资
2、逆流再生离子交换器
源
水和再生液的流动方向不一致(水自上而下，再生液自下而上）
与
制水过程和顺流再生工艺一样
环
境
工
程
学
院
给
排
水
教
研
室
22
水
资
源
与
环 中间排液管
境 工
作用：
程
1）使向上流动的再生液和清洗水能均匀排除，防止树脂乱层
学
2）兼做小反洗进水装置和小正洗排水装置
院 压脂层
9
水 资
5.溶胀性、转型体积改变率
源 干树脂+水→湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度
与
环
境
工 程 学
6.耐磨性
每年损耗不超过3%--7% ，十年内应将树脂更换一遍
院 7.有效PH值范围（p239,表8-23）
给
排
由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的pH值
水
势必对其交换容量产生影响。
教
研
室
10
给
(2) 流速或搅拌速率： 大，则水膜薄．膜扩散快． 但孔隙扩散基本不受影响．
排 (3) 树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比．
水
孔道扩散，速度与粒径２次方成反比． (4) 交联度： 交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著．
教 (5）水的温度
研
室
16
水 资
小结：树脂的结构、分类、命名、性质
源
树脂的交换过程，速度及影响因素
源
离子交换树脂层在运行中是周期性移动的，定期排出一部分
与
失效的树脂同时补充等量再生好的树脂，被排出的已失效的树脂在
环
另一设备中再生。
境
制水过程和再生过程在不同的设备中同时进行，实现了连续制
工
水。
程
学 优点：运行流速高、树脂用量少且利用率高、连续制水、
院 缺点：运行终点较难控制、树脂损耗大、自动化要求高、易乱层、
与 环
顺流再生
单层床
境
逆流再生 按再生液流动方向
按树脂状态
双层床
工 程
分流再生
双室双层床
学
双室双层浮动床
院 给
混床
排 移动床
水
教
研
室
18
水 资
二、固定床离子交换器
源 1、顺流再生离子交换器
与
水和再生液的流动方向一致（自上向下）
环
运行周期分5步骤：反洗、进再生液、置换、正洗、制水
境
1）反洗 自下而上的短时（10~15min）强烈冲洗，直至冲洗排水清洁
20
水
资 源
顺流再生工艺特点：
与
⑴ 上部再生程度高，下部差，越是下部越差
环
⑵ 再生剂耗量大，2～3倍理论值时，效果仍不理想
境
⑶ 出水剩余硬度高
工
⑷ 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低
程
⑸ 适合于硬度较低的场合
学
院 给 排
阅读p248页相关内容，找出顺流再生工艺再生效果差的原 因，同时思考怎样解决这个问题。
给
排
水
教
研
室
6
水 资
3.命名
源
与
环
境
工 程
全名称：（微孔型态）（骨架名称）（基本名称）
学 凝胶型苯乙烯系强酸型阳离子交换树脂
院
给
排
水
教
研
室
7
水 资
4.离子交换树脂的基本性能
源 1． 外观
与 环 境
粒径0.3～1.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等 不透明或半透明球状颗粒 2．交联度：交联剂在树脂内的重量百分比，以7~10%为宜
与 环
离子交换速度有什么实际意义？影响离子交
境
换速度的因素有哪些？
工 程 学
强酸性阳树脂和弱酸性阳树脂的交换特性有 什么不同？在实际应用中应如何选择？
院 给 排
什么是树脂的工作交换容量？影响树脂工作 交换容量的因素有哪些？
水
教
研
室
17
8.3离子交换装置及运行
水 资
一、离子交换器类型
源 固定床
境
再生剂----食盐
工
出水硬度<0.03mmol/L
程
不产生酸性水，碱度基本不变
学
含盐量有所增加
院
给
排
水
教
研
室
31
水 2）H离子交换软化法----去除暂时硬度和永久硬度，去除碱度 资 开始时出水呈酸性。
源 Na＋开始泄漏时，
与 出水酸度急剧下降。
环 之后，RH交换转变为RNa型运
境 行模式，对Ca和Mg仍有交换能力。
水 资 源 与
8.选择性
选择性：对各种离子的亲和力不同，可优先交换某些离子
与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关系，同时 也受离子浓度和温度的影响。
环
境 在常温和低浓度时：
工
* 离子电荷愈多，愈易被交换
程
* 原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换：
学 院 给
Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+= NH4+ >Na+>Li+
境 （2）测定方法：滴定测定与理论上计算
工 程
2）工作交换容量
学 （1）定义：在一定工作条件下以及水质条件下，一个固定周期内单位
院
体积树脂的离子交换容量。
给 排
（2）影响因素：再生方式，再生剂浓度及用量，原水水质，原水流量 （流速），树脂层厚度
水 工作交换容量：全交换容量的60－70％
教
研
室
12
8.2离子交换反应
中两种离子含量比值的函数。
树脂相B离子含量↗，选择性系数↗
常见离子选择性系数，表8--4
室
13
水 资
2.树脂层离子交换过程
源 以固定床的工作过程为例
与 任意时刻树脂层存在三个区
环
饱和区（失效区）
境
交换区（交换带）：工作层
工
未交换区
程
学
院
给
排
水
教
研
室
14
水
资
6
源
与
5
出水硬度mmol/L
环
4
境
工
3
程 学
与
环
境
工
程
学
院
给
排
水
教 研
思考：为什么阴床放在阳床后面?
室
36
水 资
如果阴床在前会产生如下后果：
源 与 1）会在阴床形成CaCO3,Mg(OH)2沉淀 环 2）不利于除硅（酸性环境下容易）
境 3）阴床抗有机污染能力差
工 4）阴床负担增加（CO32-不能转化成气体去除）
程
学
院
给
排
水
教
研
室
37
水 （2）混合床（区分双层床）
水 离子交换反应是一个发生在固—液界面上的可逆反应
资 源 与
1.离子交换平衡
选择系数大于1， 说明该树脂对B+的亲合力
环 大与对A+的亲合力，
境 即有利于进行离子交换反应。
工
程 选择系数用离子浓度分率表示
学 （p242）
院 注意：式中各浓度均以一
给 价离子作为基本单元
排 水 教 研
选择性系数是平衡时液相和树脂相
工
目的：a、松动树脂层b、清除杂物
程
2）进再生液 一定浓度的再生液进入交换器，再生
学
3）置换 使水按再生液流过树脂层的流程及流速通过交换器
院
目的：充分利用再生液
给
4）正洗 按运行时出水流速进水，直至出水合格
排
目的：彻底清除再生产物
水
5）制水
教
研
室
19
水 资 源 与 环 境 工 程 学 院 给 排 水 教 研 室
水质工程学（1）
土
水木
资与
源环
与境 环工
第8章 离子交换
境程
学学
院院
给给
排水教研室排 水 教 研 室
1
水 资 源
讲授内容：离子交换剂、离子交换装置、离 子交换的应用
与 环
计划学时：4学时
境 难点：离子交换过程、各种离子交换工艺
工 程
参考教材：给水处理理论——许保玖主编
学
给水工程——严熙世主编
SO42->NO3->Cl->HCO3->HSiO3* H＋和OH－的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。
排
对于强酸阳树脂：H+>Li+
水
而对于弱酸阳树脂：H+>Fe3+
教
研
室
11
水 资
9.交换容量：
源 1）全交换容量
与 （1）定义：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量
环 代表交换能力的大小
4
水 二、离子交换树脂
资 1．结构
源 与
母体（骨架）：高分子化合物和交联剂经聚合反 应而生成的共聚物
环 境
根据组成母体的单体材料：苯 乙烯（最广泛）、丙烯酸、酚醛系列
工
程 学
活性基团：遇水电离，固定部分
院 给 排
活动部分 具有交换性 （可在一定范围内移动）
水
教
研
室
5
水 资
2.分类
源
与
环
境
工
程
学
院
程 5）逆流清洗 再生液进完后，继续用稀释再生剂的水进行清洗
学 6）小正洗 去除压脂层中的残留再生液
院 7）正洗
按运行方式进水正洗
给
排
水
教
研
室
24
水 资 源 与 环 境 工 程 学 院 给 排 水 教 研 室
25
水 资
逆流再生
源
特点：⑴ 再生效果好，耗量可降低20%以上
与
⑵ 出水水质明显提高
环
工 出水Na离子逐渐超过
程 原水中的浓度，呈碱性。
学 然后硬度离子开始泄漏
院 给 排
出水中离子泄漏的顺序为： H＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋ 失效点控制： 脱盐，以Na泄漏为准
水 软化，以硬度离子泄漏为准。
教
研
室
32
水 资
3）H-Na离子交换脱碱软化法
源 （1）并联
与
环
境
工
程
学
院
给
排
水
教
研
室
33
水
H交换器出水呈酸性，Na交换器出水含碱度，应合理分配流量，
资
以保证出水不成酸性，并含一定碱度
源
与
环
境
工
程
学
院
给
排
水
教
研wk.baidu.com
室
34
水 资
（2）串联
源
与
环
境
工
程
学
院
给
排
水
教
研
室
35
水 三、离子交换除盐
资
离子交换除盐是指把水中的强电解质盐类全部或大部分去除
源 （1）复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目的，）
学 软化
院
(1)加热 去除暂时硬度
给
(2)药剂软化：根据溶度积原理
排
(3)离子交换：离子交换硬度去除比较彻底。
水 除盐
教
蒸馏法、电渗析法、反渗透法、离子交换法
研
室
30
水 资
二、离子交换软化水处理
源 利用阳离子交换树脂中可交换的阳离子把水中的钙镁离子交换出来。
与 1）钠离子交换软化
环
去除水中永久硬度和暂时硬度
⑶ 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保
境
证出水水质（出水端再生效果最好）
工
⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低
程
⑸ 工作交换容量提高
学
⑹ 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等
院
给
排
水
教
研
室
26
水 资
3、固定床离子交换设备的设计计算
源 参考课本p253
与
环
境
工
程
学
院
给
排
水
教
研
室
27
水 资
三、移动床离子交换器
2
院
1
给 排 水 教
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
时间/h
研
室
15
水 3.离子交换动力学及交换速度
资
源
与
环
境
工
程 膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？ 慢者控制离子交换反应的速度．
学 (1) 浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步．
院
浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步 介于中间则取决于具体情况．
资 阳、阴树脂按比例（体积比2：1 ）混合装在同一反应器内。
源 与 环
再生时分层再生，使用时均匀混合。 相当于许多阳、阴树脂交错排列而成的多级复床。 混合床的特点：
优点：
境
①. 阴、阳离子交换反应几乎同时进行
工
②. 出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水）
程
③.不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性）
给
惰性树脂
排
作用：
水
1）去除水中悬浮物
教
2）均匀分布压力
研
室
23
水 再生过程
资
1）小反洗 目的：去除运行时压脂层中的污物，但为了保持失效
源
后的树脂层不乱，只对中间排液管以上的压脂层反洗，由中间排液
与
管进水
环 2）放水
排除中间排液管上部的水
境 3）顶压
防止逆流再生时树脂乱层，气顶压、水顶压
工 4）进再生液
工
程
学
院
给 3．含水率
排
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
水
（约50%）
教
树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率
研
室
8
水 4.密度 资 源 与 环 境 工 程 反冲洗强度、分层特性与之有关，一般在1.04-1.30g/mL 学 院 给 排 水 教 用来计算交换器中所需树脂量，一般在0.6-0.85g/mL 研 室
院 含盐量：∑阳＋∑阴
给 软化：降低硬度
排
除碱：HCO3－（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸）
水 除盐：降低含盐量
教
研
室
29
水 水的纯度
资
以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆 厘米）
源
淡化水：高含盐量水经局部处理
与
脱盐水：相当于普通蒸馏水，含盐量1－5mg/L
环 境 工 程
纯水：亦称去离子水，含盐量<1mg/L 高纯水：含盐量<0.1mg/L 硬度单位 mmol/L, meq/L, 度（我国用德国度） 德国度＝10 mg CaO/L 美国度＝1mg CaCO3/L 软化和除盐基本方法