离子交换原理ppt课件.pptx
3.2 离 子 交 换 Ion Exchange,概 述,一、离子交换法 离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换的一种特殊吸附现象。与其它吸附过程相比：主要吸附水中离子态物质；交换剂上的离子和水中离子进行“等当量”的交换。,二、发展,1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象；1876年Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系；1935年人工合成了离子交换树脂；1940年应用于工业生产；1951年我国开始合成树脂。,(一)给水处理 硬水软化、脱盐。纯水、高纯水的制备。(二)废水处理 废水中金属离子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+(三)工业生产 产品的提纯,三、应用,1 去除率高，净化效果好；2 可做到污染物的回收利用；3 对废水的预处理要求较高；4 树脂再生液需要进一步处置。,四、特点,第一节 离子交换树脂及其性能,固体球形颗粒，多孔网状结构；不溶于水；具有离子交换特性的有机高分子聚电解质。,一、离子交换树脂,(一)组成,(二)树脂分类按选择性,按结构,表 分类代号,表 骨架代号,例如：0017(凝胶型)苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7。1104(凝胶型)丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4。D201大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。,离子交换树脂的命名,二、树脂的性能,(一)外观 形状：透明或半透明的球状珠体。颜色：白、浅黄、赤褐色。,(二)含水率 树脂孔隙内所含的水分，一般在40%69%。与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，含水率高。,物理性能,(三)密度 干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密度)。单位均为mg/L.,(四)交联度 交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%10%。交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。在水中浸泡，形变小，较稳定。,(五)溶胀性 吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：,溶胀的原因 水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；活性基团离解形成水合离子。影响因素 树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。活性基团：离解程度越大，溶胀率越大；可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。,（一）有效PH值范围 由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的pH值势必对其交换容量产生影响。表 各种类型树脂有效pH值范围,化学性能,(二)交换容量 单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表示法)可发生交换的活性基团数量。容量表示法 EV：mmol/ml、mol/l。重量表示法 EW：mmol/g、mol/kg。EV=EW 湿比重(1-含水率)全交换容量：单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数。工作交换容量：在动态工作条件下，当出水水质达到交换终点时，树脂层达到的平均交换容量。,化学性能,（三）选择性对水中各种离子的交换能力不同一般选择性顺序分别为：强酸性阳离子交换树脂Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+H+弱酸性阳离子交换树脂H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+强碱性阴离子交换树脂SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3-弱碱性阴离子交换树脂OH-SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3-,化学性能,三、树脂的选择,根据处理对象选择对应类型的树脂。注意离子在水中的存在状态，如Cr6+在废水中的存在形式为 CrO42-或 Cr2O72-。,第二节 离子交换原理,一、离子交换反应,b(RA)a+aBb+a(RB)b+bAa+,特点：符合质量作用定律;等当量进行的同性离子的互换反应;具有饱和性;树脂母体和固定离子不发生变化。,二、离子交换平衡,b(RA)a+aBb+a(RB)b+bAa+,有：,式中：f 为活度系数。,三、离子交换选择性,平衡吸着率,选择性系数 K/C=K,影响离子交换的选择性 1 在常温、稀溶液中离子价数越高，与固定离子的静电引力越大，越优先交换。Cr3+Ca2+Na+PO43+SO42-Cl-同价离子原子序数越大，与固定离子的静电引力越大；稀土元素相反。2 在高浓度的溶液中 由于离子的水化作用不充分，水合离子的半径接近离子半径，原子序数越大，离子半径增大，离子表面电荷密度相对减小，与固定离子的静电引力越小。,3 树脂的结构和性质 树脂的交联度：交联度越高，选择性增加 强酸(碱)、弱酸碱树脂的交换 4 溶液的温度和pH温度升高，K值增大，离子和固定基团交换势增大。pH值：影响某些离子的存在状态，Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+影响弱酸、碱树脂固定基团的电离。,四、离子交换速度,树脂颗粒,水膜,B,B,(1),(2),(3),(A),(4),(5),(6),A,外 扩 散,薄膜扩散,内 扩 散,(一)交换过程,1 液膜扩散 离子浓度 溶液离子浓度低，树脂交换容量大时，液膜扩散受阻。溶液离子浓度过高，树脂易发生收缩现象，内扩散受阻。水流速度 水流速度增加，水膜变薄，液膜扩散加快。树脂颗粒的大小 树脂颗粒小，比表面积增加，利于液膜扩散。,(二)影响交换速度的因素,离子电荷 离子电荷越大，扩散系数越小，不利于液膜扩散。树脂交联度 交联度越低，树脂网孔越大，有利于离子的内扩散。离子的水化度 离子水化程度大，水合离子半径越大，不利于离子的内扩散。水溶液的温度提高水温同时加快液膜扩散和颗粒内扩散,2 树脂颗粒内扩散,第三节 离子交换树脂的使用,选用（交换容量、原水水质、出水水质、水处理设备的类型）保管（新：保持树脂的水分、防止树脂受冻或受热、防止树脂劣化；旧：树脂转型、湿法存放、防止霉变）新树脂投运前的预处理（阴阳树脂不同）树脂的装填离子交换树脂的鉴别（阴阳、酸碱性强弱）,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040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、5HCl、24NaOH反复浸泡清洗两次，每次48h。,未知树脂的鉴别,第四节 离子交换树脂的变质、污染与复苏,变质阳离子交换树脂的氧化强碱性阴树脂的降解污染与复苏（铁、铝、钙、硅、油、有机物）现象、原因、鉴别方法、树脂的复苏、防止污染的方法,第五节 离子交换工艺过程,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 HNa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,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。,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。,离子交换柱工作过程,(f)H型树脂与水中Ca2+、Mg2+、Na+交换时水质变化,2.再生 通过树脂再生，一方面可恢复树胎的交换能力，另一方面可回收有用物质。固定床再生操作包括反洗，再生和正洗三个过程。有时再生后还需要对树脂作转型处理。影响再生效果和处理费用的因素如下:1)再生剂种类 强酸性阳树脂用HCl或H2SO4等强酸及NaCl、Na2SO4再生；弱酸性阳树脂用HCl、H2SO4再生；强碱性阴树脂用NaOH等强碱及NaCl再生，弱碱性阴树脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。2)再生剂用量 树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可以恢复树脂的交换容量，但实际上再生剂用量比理论值大得多。,实验证明，再生剂用量越多，再生效率越高。但当再生剂用量增加到一定值后，再生效率随再生剂用量增长不大。因此再生剂用量过高既不经济也无必要。图8-4为用2NaOH对交换了Cr6+的强碱性树脂的再生情况。,再生液与水流方向相同1顺流再生特点：上部再生程度高，下部差，越是下部越差 再生剂耗量大，23倍理论值时，效果仍不理想 出水剩余硬度高 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低 适合于硬度较低的场合2逆流再生特点：再生效果好，耗量可降低20%以上 出水水质明显提高 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出水水质 再生废液中再生剂有效浓度低 工作交换容量提高 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等3移动床：再生液向下流，水流向上流的方式适用：处理水量稳定，且不间断运行,树脂的再生,连续式离子交换器工作过程,固定床离子交换器的缺点：树脂不能边饱和边再生，树脂层厚度比交换区厚度大得多；再生和冲洗时必须停止交换。为了克服上述缺陷，发展了连续式离子交换设备，包括移动床和流动床。,右图为三塔式移动床，由交换塔、再生塔和清洗塔组成。运行时，原水由交换塔下部逆流而上，把整个树脂层承托起来并与之交换离子。一段时间后，当出水离子开始穿透时，停止进水，并由塔下排水。排水时树脂层下降(称为落床)，由塔底排出部分已饱和的树脂，同时浮球阀自动打开，放入等量已再生好的树脂。,第六节 离子交换工艺及设备,二、动态交换(一)装置类型 固定床系统 单床、复床、混合床 移动床和流化床,一、离子交换操作方式 静态交换 动态交换,(二)工艺流程及操作过程 工艺流程,运行过程,去除阳离子、阴离子,三、树脂层离子交换规律分层失效原理(一)废水中只有一种离子B+,(二)废水中有几种离子B1+、B2+、B3+且交换能力 B1+B2+B3+离子交换可对废水中不同离子进行分离。,(二)再生原理,b(RA)a+aBb+a(RB)b+bAa+,(二)影响再生的因素,再生剂再生剂的种类 H型阳树脂：再生剂HCl 或H2SO4，HCl 优于H2SO4。OH型阴树脂：再生剂Na2CO3或NaOH。再生剂的浓度 HCl 510%NaOH 1012%、48%再生剂用量 1.23.0倍树脂体积。,再生方式 顺流再生 优点：工艺简单；操作方便、可靠。缺点：有重复交换现象，再生剂用量高；工作交换容量低。,再生方式 逆顺流再生 优点：避免重复交换；再生剂用量少。树脂底层再生干净，工作 交换容量较高。缺点：设备较复杂。要求控制技术高。,四、离子交换设计,(一)根据废水水质和处理 要求，选择离子交换剂。(二)选择合适的再生剂，估算其用量。(三)根据去除对象确定工艺流程及工艺参数。1 工艺流程的确定 2 主要工艺参数 交换速度 1535m/h；反冲速度 15m/h 再生剂流速 1015m/h 再生效率 80%,(四)离子交换柱尺寸确定 1 离子交换柱高度H H=H1+H2+H3 H1树脂层高度；H2树脂层以上高度，膨胀率4080%；H3 底部配水区高度(0.4m)2 交换柱内径D 式中：Q处理水量；(D3m)n并联台数；u 交换速度。,(五)树脂用量确定 TQ(C0C)=n E工 f H1 V=(n n)f H1 式中：T 有效工作时间；Q 水量；C0、C 进、出水浓度；E工工作交换容量；f 交换柱截面积；V 树脂体积；n 备用台数。,第七节 应用,二 水的软化和除盐(一)水质软化 1 Na离子交换软化系统 2 RNa+Ca(HCO3)2=R2Ca+2NaHCO3 2RNa+CaSO4=R2Ca+Na2SO4 2 RNa+MgCl2=R2Mg+2NaCl2,2 强酸性H离子交换脱碱软化系统 2 RH+Ca(HCO3)2=R2Ca+2CO2+2H2O 2 RH+CaCl2=R2Ca+2HCl 2 RH+NaCl=RNa+2HCl 生成的CO2用CO2去除装置去除，HCl加碱中和。,(二)水的除盐,工艺流程：强酸RH+脱除CO2+强碱ROH,三 离子交换处理工业废水,(一)处理废水注意的问题 预处理 悬浮物或油类浓度大于510mg/L时，采用过滤或吸附法。有机污染和重金属污染 采用大孔树脂；再生时适当加入氧化剂；选用高浓度再生剂。pH值 不同性质树脂使用；废水中污染物的存在状态。水温 提高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可引起树脂降解。,(二)离子交换处理电镀含铬废水 1 废水的来源及水质特征 镀件 酸洗 清洗 镀槽 清洗 成品 废酸液 酸性水 废镀液 含铬废水 废电镀液：产生量少，浓度高。含铬废水：产生量多，浓度低，水质情况为：Cr6+浓度为20150mg/L，存在形式Cr2O72-和CrO42-。金属离子Cr3+、Fe3+等；阴离子有SO42-、Cl-等；pH46。,2 工艺流程及原理,
