6-第三章第5节离子交换法
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强碱型：Cl—型、OH—型（不受PH值影响） 阴离子交换剂：
弱碱型：（在酸性溶液中有较高的交换容量） 强酸型：H+型、Na+型（不受PH值影响） 阳离子交换剂： 弱酸型：H+型、Na+型（在碱性溶液中有较
高的交换容量） 两性离子交换剂： 螯合型离子交换剂：
二、离子交换树脂
1、离子交换树脂的分类
按离子交换树脂物理结构的不同，离子交换树脂分为：
交联度：交联剂与单体的重量比。
3、离子交换树脂的物理性能
➢ 外观： ⑴ 颜色。离子交换树脂是一种透明或半透明的物质， 依其组成的不同，呈现的颜色也各异，苯乙烯系均呈黄色，其 他也有黑色及赤褐色的。 ⑵ 形状。离子交换树脂一般均呈球 形。树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率，称为圆球率。对 于交换柱水处理工艺来说，圆球率愈大愈好，它一般应达90% 以上。
➢ 溶胀性：当将干的离子交换树脂浸入水中时,其体积常常要变 大,这种现象称为溶胀。一般，强酸性阳离子交换树脂由Na转 变成H型，强碱性阴离子交换树脂由Cl型转变成OH型，其体积 均增加约5%。由于离子交换树脂具有这样的性能，因而在其交 换和再生的过程中会发生胀缩现象，多次的胀缩就容易促使树 脂颗粒碎裂。
d. 弱碱型阴离子交换树脂：具有较弱的反应基如氨基，仅能去 除Si强O42酸－则中无的法阴去离除子如SO42-，Cl－或NO3－，对于HCO3－，CO32－或
2、离子交换树脂的组成
✓ 不溶性树脂母体：有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。
✓ 活性基团：由起交换作用的离子与树脂母体联结的固定离子组 成。
➢ 密度 ：（1）干真密度：即在干燥状态下树脂本身的密度 ； （2）湿真密度：是指树脂在水中经过充分膨胀后，树脂颗粒 的密度： （3）湿视密度. 是指树脂在水中充分膨胀后的堆积 密度，湿视密度用来计算交换器中装载时所需湿树脂的质量。
➢ 含水率：指在水中充分膨胀的湿树脂中所含水分的百分数。树 脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交联度愈小。
4、离子交换反应为平衡可逆反应，反向 进行时称为再生反应。
3.5.3离子交换动力学
离子交换过程分五个阶段：
① 电解质离子由溶液扩散到离子交换剂表面。（膜 扩散过程）
② 电解质离子通过离子交换剂和溶液的界面或膜扩 散到离子交换剂的结构内部。（孔道扩散过程）
③ 被交换离子与交换剂上可交换离子进行离子交换 反应。
第五节 离子交换法
3.5.1离子交换法的定义
离子交换法是一种借助于离子交换剂上 的离子和水中的离子进行交换反应而 除去水中有害离子的方法。
3.5.2 离子交换的基本原理
阳离子交换树脂大都含有磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或 苯酚基（—C6H4OH）等酸性基团，其中的H+能与溶液中的金属 离子或其他阳离子进行交换。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物
a.凝胶型树脂：30埃以下，孔径极小，它只通过直径很小的离子; 直径较大的分子通过时容易堵塞孔道而影响树脂的交换能力。
b.大孔型树脂：孔径从几十到上万埃，可以使直径较大的分子通 行无阻，所以用它去除水中高分子有机物具有良好的效果。缺 点：离子交换基团含量相应减少，交换能力比凝胶型树脂低； 大孔型树脂的吸附能力强，与交换的离子结合较牢固，不容易 充分恢复其交换能力。
经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂，其结构式可简单表示
为R—SO3H，式中R代表树脂母体，其交换原理为:
2R—SO3H＋Ca2＋
（R—SO3）2Ca＋2H＋
阴离子交换树脂含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亚 胺基（—NR′H）等碱性基团。它们在水中能生成OH-离子，可 与各种阴离子起交换作用，其交换原理为
④ 交换后的离子从交换剂内部向外扩散。（ห้องสมุดไป่ตู้道扩 散过程）
⑤ 交换后的离子扩散到溶液中。（膜扩散过程）
3.5.4离子交换剂
一、离子交换剂的分类、组成和结构 1、根据母体材料不同，可分为：
无机离子交换剂：天然沸石、合成沸石。 有机离子交换剂：磺化煤、离子交换树脂、离子交换纤维等 2、根据功能基团化学性质的不同，可分为：
2RH ＋ Ca2＋
R2Ca ＋ 2H＋
b. 弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（－COOH 基），此离子交换树脂仅可交换部分阳离子；
c. 强碱型阴离子交换树脂：主要是含有较强的反应基，如季胺 基以－迅速N+(释C出H3)，3，以在进氢行氧交形换式，下强，碱－型N阴+(离CH子3)交3OH换-中树的脂氢可氧以离和子所可 有的阴离子进行交换去除。
➢ 粒度：树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。颗 粒大，交换速度就慢；颗粒小，水通过树脂层的压力损失就大。 如果各个颗粒的大小相差很大，则对水处理的工艺过程是不利 的。这首先是因为小颗粒堵塞了大颗粒间的孔隙，水流不匀和 阻力增大；其次，在反洗时流速过大会冲走小颗粒树脂，而流 速过小，又不能松动大颗粒。用于水处理的树脂颗粒粒径一般 为0.１～1mm。
➢ 机械强度：树脂应具备足够的强度，保证每年树脂的损耗量不 超过3%--7%。
➢ 耐热性：通常控制树脂的贮藏和使用温度在5—40OC。
➢ 孔结构：树脂的交换容量、交换速度等性能均与孔结构有关。
4、离子交换树脂的化学性能
➢ 离子交换反应的可逆性
离子交换反应是可逆的，例如当以有硬度的水通过H型离子交 换树脂时，其反就如下式：
R—N（CH3）3OH＋Cl-
R—N（CH3）3Cl＋OH-
1、离子交换：指固体离子交换剂与液体 之间的界面上发生的离子交换过程。
2、是一种特殊的吸附过程。
3、离子交换剂是由分子骨架和交换基团 所组成，交换基团在溶液中能电离出 能自由移动的可交换离子，可与溶液 中相应的其他同类型离子进行离子交 换——交换反应。
c.载体型树脂：以球形硅胶或玻璃球等非活性材料作为载体，把 它作为中心核，在其表面覆盖离子交换树脂薄层，从而得到载 体型离子交换树脂。
离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为 0.1~1mm，依其交换能力特征可分：
a. 强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基 （－SO3H），此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。
弱碱型：（在酸性溶液中有较高的交换容量） 强酸型：H+型、Na+型（不受PH值影响） 阳离子交换剂： 弱酸型：H+型、Na+型（在碱性溶液中有较
高的交换容量） 两性离子交换剂： 螯合型离子交换剂：
二、离子交换树脂
1、离子交换树脂的分类
按离子交换树脂物理结构的不同，离子交换树脂分为：
交联度：交联剂与单体的重量比。
3、离子交换树脂的物理性能
➢ 外观： ⑴ 颜色。离子交换树脂是一种透明或半透明的物质， 依其组成的不同，呈现的颜色也各异，苯乙烯系均呈黄色，其 他也有黑色及赤褐色的。 ⑵ 形状。离子交换树脂一般均呈球 形。树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率，称为圆球率。对 于交换柱水处理工艺来说，圆球率愈大愈好，它一般应达90% 以上。
➢ 溶胀性：当将干的离子交换树脂浸入水中时,其体积常常要变 大,这种现象称为溶胀。一般，强酸性阳离子交换树脂由Na转 变成H型，强碱性阴离子交换树脂由Cl型转变成OH型，其体积 均增加约5%。由于离子交换树脂具有这样的性能，因而在其交 换和再生的过程中会发生胀缩现象，多次的胀缩就容易促使树 脂颗粒碎裂。
d. 弱碱型阴离子交换树脂：具有较弱的反应基如氨基，仅能去 除Si强O42酸－则中无的法阴去离除子如SO42-，Cl－或NO3－，对于HCO3－，CO32－或
2、离子交换树脂的组成
✓ 不溶性树脂母体：有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。
✓ 活性基团：由起交换作用的离子与树脂母体联结的固定离子组 成。
➢ 密度 ：（1）干真密度：即在干燥状态下树脂本身的密度 ； （2）湿真密度：是指树脂在水中经过充分膨胀后，树脂颗粒 的密度： （3）湿视密度. 是指树脂在水中充分膨胀后的堆积 密度，湿视密度用来计算交换器中装载时所需湿树脂的质量。
➢ 含水率：指在水中充分膨胀的湿树脂中所含水分的百分数。树 脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交联度愈小。
4、离子交换反应为平衡可逆反应，反向 进行时称为再生反应。
3.5.3离子交换动力学
离子交换过程分五个阶段：
① 电解质离子由溶液扩散到离子交换剂表面。（膜 扩散过程）
② 电解质离子通过离子交换剂和溶液的界面或膜扩 散到离子交换剂的结构内部。（孔道扩散过程）
③ 被交换离子与交换剂上可交换离子进行离子交换 反应。
第五节 离子交换法
3.5.1离子交换法的定义
离子交换法是一种借助于离子交换剂上 的离子和水中的离子进行交换反应而 除去水中有害离子的方法。
3.5.2 离子交换的基本原理
阳离子交换树脂大都含有磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或 苯酚基（—C6H4OH）等酸性基团，其中的H+能与溶液中的金属 离子或其他阳离子进行交换。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物
a.凝胶型树脂：30埃以下，孔径极小，它只通过直径很小的离子; 直径较大的分子通过时容易堵塞孔道而影响树脂的交换能力。
b.大孔型树脂：孔径从几十到上万埃，可以使直径较大的分子通 行无阻，所以用它去除水中高分子有机物具有良好的效果。缺 点：离子交换基团含量相应减少，交换能力比凝胶型树脂低； 大孔型树脂的吸附能力强，与交换的离子结合较牢固，不容易 充分恢复其交换能力。
经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂，其结构式可简单表示
为R—SO3H，式中R代表树脂母体，其交换原理为:
2R—SO3H＋Ca2＋
（R—SO3）2Ca＋2H＋
阴离子交换树脂含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亚 胺基（—NR′H）等碱性基团。它们在水中能生成OH-离子，可 与各种阴离子起交换作用，其交换原理为
④ 交换后的离子从交换剂内部向外扩散。（ห้องสมุดไป่ตู้道扩 散过程）
⑤ 交换后的离子扩散到溶液中。（膜扩散过程）
3.5.4离子交换剂
一、离子交换剂的分类、组成和结构 1、根据母体材料不同，可分为：
无机离子交换剂：天然沸石、合成沸石。 有机离子交换剂：磺化煤、离子交换树脂、离子交换纤维等 2、根据功能基团化学性质的不同，可分为：
2RH ＋ Ca2＋
R2Ca ＋ 2H＋
b. 弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（－COOH 基），此离子交换树脂仅可交换部分阳离子；
c. 强碱型阴离子交换树脂：主要是含有较强的反应基，如季胺 基以－迅速N+(释C出H3)，3，以在进氢行氧交形换式，下强，碱－型N阴+(离CH子3)交3OH换-中树的脂氢可氧以离和子所可 有的阴离子进行交换去除。
➢ 粒度：树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。颗 粒大，交换速度就慢；颗粒小，水通过树脂层的压力损失就大。 如果各个颗粒的大小相差很大，则对水处理的工艺过程是不利 的。这首先是因为小颗粒堵塞了大颗粒间的孔隙，水流不匀和 阻力增大；其次，在反洗时流速过大会冲走小颗粒树脂，而流 速过小，又不能松动大颗粒。用于水处理的树脂颗粒粒径一般 为0.１～1mm。
➢ 机械强度：树脂应具备足够的强度，保证每年树脂的损耗量不 超过3%--7%。
➢ 耐热性：通常控制树脂的贮藏和使用温度在5—40OC。
➢ 孔结构：树脂的交换容量、交换速度等性能均与孔结构有关。
4、离子交换树脂的化学性能
➢ 离子交换反应的可逆性
离子交换反应是可逆的，例如当以有硬度的水通过H型离子交 换树脂时，其反就如下式：
R—N（CH3）3OH＋Cl-
R—N（CH3）3Cl＋OH-
1、离子交换：指固体离子交换剂与液体 之间的界面上发生的离子交换过程。
2、是一种特殊的吸附过程。
3、离子交换剂是由分子骨架和交换基团 所组成，交换基团在溶液中能电离出 能自由移动的可交换离子，可与溶液 中相应的其他同类型离子进行离子交 换——交换反应。
c.载体型树脂：以球形硅胶或玻璃球等非活性材料作为载体，把 它作为中心核，在其表面覆盖离子交换树脂薄层，从而得到载 体型离子交换树脂。
离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为 0.1~1mm，依其交换能力特征可分：
a. 强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基 （－SO3H），此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。