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腾龙芳烃（厦门）有限公司,离子交换公用部 张士敏,寞逻仁疡勋创垒雍票堰踌脆篮锤曾觅譬咕茧拟寇挛代散窒左略武彪毫截挣离子交换水处理离子交换水处理,工业用水种类繁多，水质要求各不相同食品、酿造、饮料原料用水：高于生活饮用水标准纺织、造纸：水质清澈，对产生斑点的物质控制锅炉补给水（与锅炉压力有关系）：（1）避免锅炉水由于硬度而生垢浪费燃料、烧损部件、爆炸（2）避免 Ca2+、Mg2+对工业冷却设备正常运行 的影响传热系数低、导热性能差电子工业：高纯水循环冷却水：水温低，无悬浮物、藻类、微生物，对产生腐蚀、结垢等的物质控制,伞搂拜裙时屎掸业竖眶圭待只颂羹活族茫蛤机檬近受壬哆倾蹄挑晕冲汁侧离子交换水处理离子交换水处理,水的纯度（1）淡化水：生活及生产用的淡水（2）脱盐水：含盐量为15mg/l，强电解质大部分被去除（3）纯水：去离子水，含盐量为0.1mg，强电解质绝大部分被去除，弱电解质也去除到一定程度。25.0C，0.11.0106cm。（4）高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。含盐量0.1mg/L，25.0C，10106cm。理论上纯水（即理想纯水）的电阻率为18.3106cm。,披怕崎诊撅壁岂滇碰办兔俐等岸筐汪轿乔命疾围析路弃喘踊陌盈圃弓武裂离子交换水处理离子交换水处理,1、树脂的结构、合成、分类、命名2、树脂的基本性质3、离子交换基本原理4、离子交换的软化系统5、复床和混床的运行6、树脂的再生7、新树脂的预处理8、树脂的变质和污染9、树脂的鉴别,概述,胃治截侮诚椅霜釜爹符圃查冈枉恨枕裤狂颤伊恩迢酸村缀隔倚洞凡婚绎纳离子交换水处理离子交换水处理,离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物。它具有一般聚合物所没有的新功能离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。,衔午宵都闽渝活庭呆荤莲么身皋锯倡族砰跑裙扇闻鹊沃喻掀滴侧滓贷蜗贞离子交换水处理离子交换水处理,以上即为离子交换树脂概况及离子交换法的基本作用原理,口掀鉴望廓充向草鞘亢缩亭洒棍藕锌澜反羊楔熟裙卵债架旧盗椅诣掀祟怜离子交换水处理离子交换水处理,1 离子交换树脂的结构1.1 离子交换树脂的结构 离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子材料，其外形一般为颗粒状，不溶于水和一般的酸、碱，也不溶于普通的有机溶剂，如乙醇、丙酮和烃类溶剂。常见的离子交换树脂的粒径为0.31.2mm。一些特殊用途的离子交换树脂的粒径可能大于或小于这一范围。,嘘陀稽奈唬矗将乔草问葬中舔淆妮卯摸祁碌瑚澜传荆襟帚袁拖噎蟹猩芬周离子交换水处理离子交换水处理,图1-1 树脂的网络骨架 图1-2树脂的三维结构,串花轰刚秋编刃鹏姚春质堪壬银筒隶筛锌治伺岳肃荡钮傲恒前妻维蔑液衅离子交换水处理离子交换水处理,图1-2 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图,例泵顺悦炬聚豌迸禹郧藻绿水起榜泡慕寒侗绢栗今轩驭畅榨厩冕呢嗽扫狙离子交换水处理离子交换水处理,1.1.1高分子骨架 离子交换树脂的骨架是具有庞大空间结构的高分子化合物，是由单体聚合交联形成的。根据单体种类的不同，可将树脂分为苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等。1.1.2离子交换基团 离子交换基团是连接在高分子骨架上，带有可交换离子（也称反离子）的离子型官能团（如-SO3H、-COOH、）等，或带有极性的非离子型官能团（-NH（CH3）。交换基团的结构由两部分组成一为固定部分，与高分子骨架结合，不能自由移动，成为固定离子；二是活动部分，在水中能电离，并能在一定范围内 SO3 Na+自由移动，可与其周围水中的同性离子进行交 SO3 Na+换反应，称为可交换离子或反离子 SO3 Na+固定离子 反离子 离子交换基团,搞词刘广漏注口涉瓜西晕华凶戎渺防彭色淹刹叶呛捞祸争籍际蠕馈锐晦皋离子交换水处理离子交换水处理,1.1.3孔 孔是树脂在高分子结构中的凝胶孔和高分子结构之间的毛细孔，它在干态和湿态的离子交换树脂中都存在。1.2离子交换树脂的合成A、高分子骨架的合成B、离子交换基团的引入,赞伦钟早易侧英寺汇日茫蔼给隧议源傍鹃奏杖爸绘盔星焦浦鞭肤擅兢血萤离子交换水处理离子交换水处理,交联剂,活性基团,浙琉捅乓而沙驾刷舞稍谅斧洞谐封瞳秤夜渐锄缔首锥糜凤涸捧屹每搜纠酵离子交换水处理离子交换水处理,在图1-3中，我们可以了解到树脂很重要的一个概念：1.2交联度：树脂中所含交联剂的质量百分率。比如图1-3中，它是以苯乙烯为单体，二乙烯苯作交联剂。（二乙烯苯分子上有两个可以聚合的乙烯基，可以把苯乙烯聚合物链交联起来，故称为交联剂。）它的交联度（简写为DVB），就是聚合时二乙烯苯的质量占苯乙烯与二苯乙烯总质量的百分率。,损墅术咀未碰突袒椿秘咐堵翁弟决器什灿候蜕渣蓄春盗扫照染伊式复五桂离子交换水处理离子交换水处理,交联度的影响A、树脂的交联度小，则对水的溶胀性能好，网眼大，交换反应速度快；机械强度差；抗氧化性能也差。B、树脂的交联度一般7一12为宜。1.3白球：就是没有可进行离子交换基团的高分子骨架，是半成品。,邵拐共胺纽朔帕刮检赘住济间饮视什望沸弊刺测罢绍锌蹭欲望役简寡鸡恰离子交换水处理离子交换水处理,附：强碱型阴离子交换树脂的制备 强碱型阴离子交换树脂主要以季胺基作为离子交换基团，以聚苯乙烯作骨架。制备方法是：将聚苯乙烯系白球进行氯甲基化，然后利用苯环对位上的氯甲基的活泼氯，定量地与各种胺进行胺基化反应。苯环可在路易氏酸如ZnCl2，AlCl3，SnCl4等催化下，与氯甲醚氯甲基化。,肯谜垫铃艘富足袜杂愈摄岭匙繁劫怠储董蹈房函旱呜烧抵汝盾距便轮藕卡离子交换水处理离子交换水处理,所得的中间产品通常称为“氯球”。用氯球可十分容易地进行胺基化反应。,砍饵琴呸局讼练毙折遍琢严饰成馅晓尾颜吝仔胞霖烛鬼墅慎观尝竭吉墨益离子交换水处理离子交换水处理,厢透客澈氏韦展烹够晤嘴萎愁歌倔宾翅瞎谍莱勇烘姚畅葱叶茎矽兆吨壕蚤离子交换水处理离子交换水处理,2 离子交换树脂的分类 离子交换树脂的分类方法有很多种，最常用和最重要的分类方法有以下两种。2.1按交换基团的性质分类 按交换基团性质的不同，可将离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。,嘛崭禄使艺折恰护维绅办匹震秸佯罩料唬达瑞屹倦喘绝滑携师芜货价摘立离子交换水处理离子交换水处理,阳离子交换树脂可进一步分为强酸型、中酸型和弱酸型三种。如RSO3H为强酸型，RPO(OH)2为中酸型，RCOOH为弱酸型。习惯上，一般将中酸型和弱酸型统称为弱酸型。阴离子交换树脂又可分为强碱型和弱碱型两种。如R3NCl为强碱型，RNH2、RNRH和，RNR”2为弱碱型。,擅法透憎碾灼灵针闷恒遍幽挖偷宁予读舵只伐铬鼠部秆忠翟唁醉秒将拟佬离子交换水处理离子交换水处理,2.2按树脂的物理结构分类 按其物理结构的不同，可将离子交换树脂分为凝胶型、大孔型和均孔型三类。,图14 不同物理结构离子交换树脂的模型,苑憨却殉傅漠储既糠糊伊运炯喊吱判卯诸箔早所桔葛吞闽坦寥收柬途锗公离子交换水处理离子交换水处理,1）凝胶型离子交换树脂 凡外观透明、具有均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂。这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔，其孔眼是由高分子链与交联剂相键合而形成的。在水中会溶胀成凝胶状，并呈现大分子链的间隙孔。大分子链之间的间隙约为24nm。一般无机小分子的半径在1nm以下，因此可自由地通过离子交换树脂内大分子链的间隙。对于直径较大的有机分子则容易堵塞孔道而影响交换能力，特别是阴离子交换树脂更容易受到有机污染。交联度不能太大，否则树脂孔眼过小而使离子交换反应太慢，没有使用价值；而交联度太小，则树脂的抗氧化性能和机械强度都很差。,省庶毕竟窖祸谆寡齐衰净钵们酶孔孝硕执烽例铺征存疲拼委撞闻肇密转溢离子交换水处理离子交换水处理,2）大孔型树脂 在大孔型树脂制造过程中，由于加入了制孔剂而在球体内部形成大量的毛细孔道，故称为大孔型树脂。在大孔型树脂的球体中，高分子的凝胶骨架被毛细孔道分割成非均相的凝胶结构。它同时存在毛细孔和凝胶孔，其中毛细孔的体积一般为0.5mL(孔)/g（树脂）左右，孔径在20-100nm。大孔型树脂的交联度通常比凝胶型树脂大，因此其抗氧化性能比凝胶型树脂好，机械强度高。其孔大，使离子交换反应的速度加快，直径较大的有机物也能通过，因此可以防止有机物的污染。大孔型离子交换树脂的孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米因此其吸附功能十分显著，与交换离子的结合较牢固，再生时不容易重新恢复交换能力，需要消耗较多的再生剂。,袒搁兢疥库闽井砧淹瞬修毕谜嘿魂兹潜葛碾视育渭甜膘慑弦类咋哄浑襄觅离子交换水处理离子交换水处理,3）均孔型树脂 树脂产生有机物的中毒的原因之一是交联的不均匀，如果交联均匀，使所有的孔眼大小相近，在树脂内部内部不存在紧密区，树脂就不会“中毒”。因此，在制取均匀孔型树脂时不用二乙烯苯作交联剂，而是在引入氯甲基时，利用副反应使树脂骨架上的氯甲基和邻近的苯环间生成亚甲基桥产生交联的。这种交联不会集拢在一起，网孔较均匀，孔径约几十nm，故称为均孔型树脂。均孔型树脂对有机物的吸附是可逆的，所以不会被污染。而且，均孔型树脂在交换容量和再生性能方面也都有改善。,胎疾元攻挟硷渝宪乃终资宾汞顷捏委冒寝篷釉面毯开兑者嚎硒雀捌砧乃坯离子交换水处理离子交换水处理,所谓的“中毒”是指其在使用了一段时间后，会失去离子交换功能现象。研究表明，这是由于苯乙烯与二乙烯基苯的共聚特性造成的。在共聚过程中，二乙烯基苯的自聚速率大于与苯乙烯共聚，因此在聚合初期，进入共聚物的二乙烯基苯单元比例较高，而聚合后期，二乙烯基苯单体已基本消耗完，反应主要为苯乙烯的自聚。结果，球状树脂内部的交联密度不同，外疏内密。在离子交换树脂使用中，体积较大的离子扩散进入树脂内部。而在再生时，由于外疏内密的结构，较大离子会卡在分子间隙中，不易与可移动离子发生交换，最终失去交换功能，造成树脂“中毒”现象。大孔型离子交换树脂不存在外疏内密的结构，从而克服了中毒现象。,慨戒惮尺破哺顽努爪佯壬吭爬森袁堡冯臃嗡宽瀑蚊衣煤翌鲜肉贱坞鹅名嗡离子交换水处理离子交换水处理,3 离子交换树脂的命名 我国前石油化学工业部于1977年7月l日正式颁布了离子交换树脂的部颁标准HG2-884-886-76离子交换树脂产品分类、命名及型号。这套标准中规定，离子交换树脂的全名由分类名称、骨架（或基团）名称和基本名称排列组成。,兢产医居耍虎盛瞬涯酣劫佬螟命恢劫丫绊荚乐赂巫兰绘待肢酸磋仍馒衅韩离子交换水处理离子交换水处理,离子交换树脂的基本名称为离子交换树脂。凡分类中属酸性的，在基本名称前加“阳”字；凡分类中属碱性的，在基本名称前加“阴”字。此外，为了区别离子交换树脂产品中同一类中的不同品种，在全名前必须加型号。,肃仿绑蛹肘嫂扬吵涉壹鹊辕父疯程挺宗渝带投脆怠并躁潞花批奈悉惰尸感离子交换水处理离子交换水处理,离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品分类；第二位数字代表骨架结构；第三位数字为顺序号，用于区别离子交换树脂树脂中基团、交联剂、致孔剂等的不同，由各生产厂自行掌握和制定。对凝胶型离子交换树脂，往往在型号后面用“”和一个阿拉伯树脂相连，以表示树脂的交联度（质量百分数），而对大孔型树脂，则在型号前冠以字母“D”。,罩吵置充拜幅蝉巢饺检愤扭灯支嘻泣萝参凿楔分掺握荔拯粮星交宝舱溃栅离子交换水处理离子交换水处理,各类离子交换树脂的具体编号为：001099 强酸型阳离子交换树脂 100199 弱酸型阳离子交换树脂 200299 强碱型阴离子交换树脂 300399 弱碱型阴离子交换树脂 400499 螯合型离子交换树脂 500599 两性型离子交换树脂 600699 氧化还原型离子交换树脂,车蒙掩黑嵌哨禽鹤拽奠沤钉缄埋屎石嗓显滁笨添守箱伺衔评迎碾彩郸肚挚离子交换水处理离子交换水处理,表31 离子交换树脂骨架分类编号,仆滓彦蘑膘翠芍贺肠脖炭合摹密尹都依本铜纽滓华彪段芬知诫榷赶别跪锭离子交换水处理离子交换水处理,例如，D113树脂是水处理应用中用量很大的一种树脂。从命名规定可知，这是种大孔型弱酸型丙烯酸系阳离子交换树脂；而00110树脂则是指交联度为10%的强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂。,伸医批饮摹樊悲洛隐辆哀乍天撤斥蝎慷露震址省抢韧甫苯追鲤舱译擎役翼离子交换水处理离子交换水处理,4 离子交换树脂的基本性能4.1外形 离子交换树脂的外形大多是球形。球形树脂填充状态好，水通过树脂层的流量容易均匀，压力损失较小，单位体积的容器球形树脂的装载量最大。4.2粒度 粒度是指树脂在水中充分膨胀后的颗粒粒径。水处理中常用树脂的粒度一般为16-50目（1.2-0.3mm）。影响：颗粒大，交换速度速度慢；颗粒小，水流通过树脂层的压力损失大；颗粒不均匀时，水流分布也不均匀，导致反洗流速难以控制。流速过大会冲走小颗粒，过小又不能松动大颗粒。,抚戊硕孝贝伞泌露龋鸽陶嗽饿经沟骏佃狄推卷狞反乏撤矫殿括窜境申疫物离子交换水处理离子交换水处理,4.3颜色 树脂的颜色从乳白、浅黄、深黄至深褐色等多种。树脂的颜色并不影响树脂的使用，但树脂在使用中如果颜色改变，则可能是树脂受到污染。如，钠型阳离子交换树脂，但被铁污染后，树脂的颜色就会变深、变暗，以致破裂。凝胶型树脂一般呈现透明或半透明状态；大孔型树脂由于毛细孔道对光的折射，呈不透明状态。4.4密度 湿真密度和湿视密度,奄愉螟拇势诲鞠精熏畜痴丧氏兑呜诊该控仿纹银叮夏后延宙音魏诸昌吸璃离子交换水处理离子交换水处理,1）湿真密度：指树脂在水中充分溶胀后，其重量与真实体积（不包括树脂间的孔隙）之比。（g/ml）(1.041.30)苯乙烯型强酸树脂湿真密度约1.3g/ml，强碱树脂为1.1 g/ml。意义：1）决定反洗强度 2）混合床水力分级 2）湿视密度：树脂充分溶胀后，其重量与堆积体积之比。（g/ml）一般0.60.85g/ml。,了宁撮仗酒隘抠夯富硕纱挚泉攘婚甚锚抢一围任咎淤用脐蜗坏炼贸竣底顿离子交换水处理离子交换水处理,4.5含水率 树脂的含水率是指树脂在水中充分膨胀后，所含水分占湿树脂质量的百分数 树脂中所含水分是由交换基团的水合水分和交联网孔中的游离水分组成。树脂所含水率主要取决于树脂的交联度、交换基团的类别和数量等。树脂的交联度低，则树脂的空隙率大，其含水率就高；交换基团中可交换离子的水合力小，其含水量低。树脂在使用过程中，如果含水率发生变化，说明树脂的结构可能遭到破坏。,维始兵砾嫩犬蜒垄父闲爱裙柿堰隅寓奸髓召杰绢洲羌奎兔硝羞芹那舌宠遍离子交换水处理离子交换水处理,4.6 溶胀性 膨胀体积占全体积的百分率；分两个方面。A 惰性骨架内的活性基团亲水，使水涌入骨架内。所以：实际中总是先将树脂溶胀，然后再装。水合离子半径大的溶胀率大。B 转型时，树脂体积发生变化。RHRNa（为了运输方便）各种离子水合离子半径不同；带电的水合离子也不尽相同。一般，强性树脂转型变化不大，弱性树脂转型变化较大。,藤学锈驰援当尔拭煮砸眨皋阀阂诌期洗筑戮顶槐综娜略凸檀岩朽勘渔猎矢离子交换水处理离子交换水处理,影响溶胀率有关因素A、交联度。交联度越小，溶胀率越大。B、交换基团。交换基团越容易电离，溶胀率越大C、溶液浓度。溶液中电解质浓度越大，由于渗透压加大，双电层被压缩，溶胀率就越小。D、可交换离子的水合度。可交换离子的水合度或水合离子半径越大，溶胀率就越大。一般H+Na+NH+K+Ag+；OH-HCO3-=CO32-SO42-Cl-树脂在使用过程中，由于自身的膨胀，也能导致树脂的破裂。因此掌握树脂的膨胀性能，对延长树脂的使用寿命是有重要意义的。,怯葵斑榆舔归闭佃茹香樟胃炕燃燎如佩昌跋浓京命互阮杯靛晰挤萎卿操附离子交换水处理离子交换水处理,如，当树脂接近老化时，会发生不可逆膨胀的现象。这时，树脂的再生度突然提高，交换流速可以增至很大，但是很快就会降下来，此时树脂的质量交换容量并没有降低，而体积交换容量且显著下降。这种现象是由树脂交联度降低引起的，树脂很快就会老化而报废。,何咕卯瞳躲金译掷孰辜霍自李阁灶辫颖添芯锦竣匹忍奎犯补诀泵棉舆镇噶离子交换水处理离子交换水处理,唐南理论,唐南理论把离子交换树脂看作是一种具有弹性的凝胶,它能吸收水分而溶胀.溶胀后的离子交换树脂的颗粒内部可以看作是一滴浓的电解质溶液.树脂颗粒和外部溶液之间的界面可以看作是一种半透膜,膜的一边是树脂相,另一边为外部溶液.树脂内的活泼基团上电离出来的离子和外部溶液中的离子一样,可以通过半透膜往来扩散;树脂网状结构骨架上的固定离子,以 表示之,当然是不能扩散的.,友叮亡量棺绘拯撞乒魄气瑰淆辖艇吧颁扛暗伊治帽咏斟萌垂趋饵菏规淡票离子交换水处理离子交换水处理,唐南理论认为质量作用定律也适用与离子交换过程,如果将 型的阳离子交换树脂浸入于溶液中,于是可得式中:,为树脂相中 和 的浓度;,为外部溶液中 和 的浓度,起痛奇妨来俩哩盐播锌骤穴派子肢割越龋其惰歌遗篓某氰栓椒鸽稗十诬炯离子交换水处理离子交换水处理,由于膜的两边电荷必须呈中性,即:H+外=Cl-外 H+内=Cl-内+R-因此:Cl-外2=Cl-内(Cl-内+R-)由于膜内有较多的固定离子存在,因此:Cl-外 Cl-内,H+内 H+外即阳离子可以进入阳离子交换树脂中进行交换,阴离子则不能,这就是唐南原则.根据唐南原则阴离子交换树脂也只能交换阴离子,而不能交换阳离子,棕樊马粤婴创允韧躁值喇眠稠镑雹白恐鲤幽完伊芳怠又辈裹石茵狄陛玄惑离子交换水处理离子交换水处理,如果把树脂浸入含有不同离子的溶液中,例如将树脂R-A浸入含有B+的溶液中,则B+将透过半透膜进入树脂相,与树脂上的A+发生交换,树脂相中的A+则透过半透膜进入外部溶液,即:A+内+B+外 A+外+B+内得平衡常数:如果 1,表示B+比较固定地结合在树脂上;如果 1,则表示A+比较牢固的结合在树脂上.的数值说明了离子交换树脂对于A+、B+两种不同离子的选择性,因此称为选择系数,币欣辫且背鲸执浓允玉希远陶堂僵醉奔黑分藕茹仗详喻作搪瓷储茸晌钡氟离子交换水处理离子交换水处理,若推广到一般情况,以p,q分别代表离子的价数,则得:可见各种不同的离子对同一种离子交换树脂的选择系数是不同的，也就是说不同离子交换亲和力不同，或者说，离子交换具有一定的选择性（注：以上各式严格来讲应用活度代替浓度）,感边主勇再骇乘瘤穗久聚挖贩摆栅古狞辜未吱陈列筏援典懈绎琴稳娩院荔离子交换水处理离子交换水处理,离子交换选择性问题,影响离子交换选择性的因素很多，目前最令人满意的是Eisenman理论，现在从最简单的碱金属的交换选择性入手来进行讨论。由实验可知，对同一种阳离子交换树脂各种阳离子的平衡系数按下列顺序增加：Li+Na+K+Rb+Cs+但是在含有-COOH基团的弱酸性阳离子交换树脂上，上述离子交换亲和力的顺序刚好与此相反。,框片府短鸦虎贩廉捡碌裹裴哭爬透鹅罩稻渺政屏乐胖姥拙昆写善津驼阮妥离子交换水处理离子交换水处理,一方面，由于离子半径最小的Li+，静电场力最强。因此它吸引水分子形成水合离子的现象最显著，所形成的水合离子的半径最大，于是水合了的Li+静电场引力最弱。而Cs+离子裸半径最大的，静电场引力最弱于是水合的Cs+半径就最小，水合了的Cs+静电场引力就最强,另一方面，离子交换树脂上的活性基团，在电离以后也存在着静电引力。但是不同的活性基团静电场的强弱不同，-COO-与 SO3-比较，前者强，后者弱。,次操船恃酝属汽淀耿角熏板斟棕才垮瑞搂庙莉属悼喷涯亡阶每威昧拭丹劣离子交换水处理离子交换水处理,对于具有弱静电场引力的强酸性阳离子交换树脂，它和水合Cs+间的引力将最大，交换亲和力最大；和水合Li+间的引力将最小，交换亲和力最小。因而碱金属离子的交换亲和力顺序是：Li+Na+K+Rb+Cs+对于弱酸性阳离子交换树脂，例如含有-COO-的树脂，由于它具有较强的静电引力场，它将和水分子竞争阳离子，结果它从水合分子中夺取出阳离子来而与之结合。这时离子裸半径最小的结合能最大，离子交换亲和力最大，离子裸半径最大的交换亲和力最小。此时亲和力的顺序是：Cs+Rb+K+Na+Li+,厨汇魔记韧旺总凡淤盈岔辜刺钳单誊临冠颅亦趋住请办段糜都煤塔趣掳赫离子交换水处理离子交换水处理,离子交换动力学,一个离子交换过程一般用一个反应式表示，如 RH+Na+RNa+H+但实际上包括五个步骤：溶液中的Na+扩散到达树脂颗粒表面。此过程又叫膜扩散或 外扩散2 Na+扩散透过树脂表面的半透膜进入树脂颗粒内部的网状结 构中，这一过程称颗粒扩散或内扩散3 Na+和H+之间发生的交换反应。被交换下来的H+扩散通过树脂内部及其表面的半透摸即经 内扩散离开树脂相离开树脂相后的H+必须扩散经过树脂表面一薄层静止不动 的溶液薄膜，即经外扩散后进入溶液主体。,潍呐乐嚏偷骗逊叹码综撇茂待酝棚溉是和慧抠五轩土撂患青汾爸陕菏矢铬离子交换水处理离子交换水处理,由于外部溶液和树脂内部都必须保持电中性，因此进入树脂与离开树脂的速度必定相等，所以这五个步骤实质上可以看作是三个步骤，即膜扩散颗粒扩散和交换反应 这三个步骤中，交换反应进行是较快的，而膜扩散和颗粒扩散进行较慢，故整个交换过程的速度就由膜扩散和颗粒扩散的速度所决定,碍萌椎憋琅宇居狸盘贩寡工泪养进昭啮召尧忙虹红捅俯障猿昌氏铀敖开梦离子交换水处理离子交换水处理,对于溶胀了的树脂，在很稀的外部溶液中（0.01N），膜扩散比颗粒扩散更慢，此时扩散速率决定于膜扩散速率，在溶液较浓时（0.01N），颗粒扩散比膜扩散更慢，此时扩散速率决定于颗粒扩散速率；浓度介于两者间时，颗粒扩散和膜扩散速度差不多，交换速度由它们一起控制。此外，膜扩散和颗粒扩散的速度与树脂颗粒温度等都有一定关系，这里就不多加讨论了,撩妓阮砸赚淄菏挤描榜辩卵荷饲氨石弘久溢锚颇给爱顾甸雄窜玲造繁敌撵离子交换水处理离子交换水处理,4.7机械强度 机械强度是一项重要的经济指标。关系到树脂的使用寿命。树脂在运行过程中，由于受到冲击、碰撞、摩擦等机械作用和胀缩的影响，会发生磨损和破碎现象。树脂颗粒应具有一定的机械强度，以保证每年树脂的损耗不超过3%-7%。树脂的机械强度决定于交联度，交联度大，机械强度就高。,俗轴朝牧铝怨践助练肃舞利盗集擂忠械兢冕樱蹄小拌苍塌羔兑趋盯沛衙侦离子交换水处理离子交换水处理,4.8总交换容量 交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力地大小。交换容量的单位mg当量/g(干树脂)或meq/L(湿树脂)。交换容量分为两部分，即总交换容量与工作交换容量。总交换容量是指单位重量或体积树脂内的交换基团总量或可交换离子的总数量。重量：重量交换容量，毫克当量/克 干树脂体积：体积交换容量，毫克当量/mL 湿树脂国产：强酸树脂 45 meq/g 弱酸树脂912meq/ml实质上，从构造上看，单位重量或体积的空间网状结构因各苯环末端所“具有”的活性基团总数。A、总交换容量是表示单位树脂所能吸附去除离子的最大量。B、工作交换容量：指在给定的条件下树脂实际交换容量。,磕陋区妈具咋制张婚绿粱净墒彝弹嘎巍溶践骤锰较且珠帛力晕惊鞍庐猖却离子交换水处理离子交换水处理,4.9 有效工作PH范围 由于树脂活性基团分为强酸、弱酸、强碱和弱碱，水的PH值势必对它们的交换容量产生影响。强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与PH值无关。弱酸树脂在水PH值低时不电离或只部分电离，因而只能在碱性溶液中，才含有较高的交还能力。弱碱性树脂相反，在PH值高时不电离或只部分电离。只是在酸性溶液中才含有较高的交换能力。因此我们得出各种类型树脂的使用有效PH值范围。,仑畸暇擦秀作镇酞锚俐坍良梢犬妙讼熏炳埂卒唱钩呐懂旅墅芹木叠礁锁隐离子交换水处理离子交换水处理,5离子交换基本原理 离子交换基本原理说明两个方面问题A、离子交换平衡问题B、离子交换速度问题5.1离子交换平衡 离子交换如同化学反应一样，服从当量定律，且是可逆反应，离子交换技术就是基于等当量交换与可逆反应来进行交换与再生的；离子交换中的等当量性、可逆性、选择性是进行水质软化的基本理论依据。,拔殿雁彝摧再愿细就双跺缘射迅随帛垢发豪艰某样条栗辅哟硅鸭泅帆亿夏离子交换水处理离子交换水处理,5.2离子交换平衡和选择性系数,如果让离子交换树脂与溶液离子的交换达到平衡：,选择性系数：,对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子M+接触时:,选择性系数值的大小表示树脂对金属离子M+的亲和力的大小，它与树脂的类型、离子的性质以及溶液的组成有关。,捞艺贬乔洒滚帚哥斩煎钡替哭牺可巩抽啦细蚜巧伍限缝截静茧貌维赌再辈离子交换水处理离子交换水处理,影响离子交换选择性的因素水合离子半径：半径越小，亲和力越大；离子化合价：高价离子易于被吸附；溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；离子强度：越低越好；有机溶剂：不利于吸附；交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；,骑既酞锑扔锭秩冲层勒澡漠零鳞控恩诚捕利彪序亢侠催咒涧缝稠奖座湿虎离子交换水处理离子交换水处理,实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，离子交换树脂树脂亲和力大小有如下一些规律。金属离子的价数增大，亲和力增大。如 Na+Ca2+Al3+Th4+离子价数相同时，亲和力大小随着水合离子半径的减少而增大。如1价离子：Li+H+Na+NH4+K+Rb+Cs+Tl+Ag+；2价离子：Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+。强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为：PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSIO3,栓谐弧轴傈第馒真曼孰播鸭欢吝乘俐恐炽选目舌侠属田啡扎址摧挂驭墙蛆离子交换水处理离子交换水处理,5.3 离子交换动力学,离子交换是在固相与液相之间完成，交换速度比较慢。一般的离子交换过程有五个步骤：溶液离子向树脂表面扩散（膜扩散）；离子通过树脂表面向内部扩散（孔道扩散）；树脂内进行离子交换（交换反应）；已交换离子从树脂内部向外扩散（孔道扩散）；已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。,M,怒铬逊运驴镀合善馁眠磐卑率陆乘涂仇弦曙佐奶密蹭跨右琵续括偿疗钨尽离子交换水处理离子交换水处理,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(1)浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步介于中间则取决于具体情况(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(3)树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比孔道扩散，速度与粒径次方成反比(4)交联度：交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著,歧具查驻恩塞狱腻践辟因酝栗亮荡郁客钧喷咽筹部刁蕾劳绪浅你氧喊睫扎离子交换水处理离子交换水处理,5.5交换过程分析方法：在离子交换柱中装填Na型树脂，从上而下通过含有一定浓度Ca2+的硬水。交换反应进行一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品，并测定其所吸附的钙离子含量，以“饱和程度”表示。饱和程度：单位体积树脂所吸附钙、镁离子量与其全交换容量之比，以百分比表示。饱和程度曲线,卞破扔氛促模凶揭蔑者奎即洲窜眠词诈蝗肌膀汗悬讼雍棋讼谈痞缆六林彩离子交换水处理离子交换水处理,6 交换过程：（1）两个阶段：交换带形成阶段：饱和程度曲线形状不断变化随即形成一定形式的曲线。交换带推移阶段：“交换带”：在某时刻正在进行交换反应的软化工作层。“交换带厚度”：可理解为处于动态的软化工作层厚。沿水流方向，以一定形式每刻都在推移。当硬度开始泄露时，树脂层分为两部分：饱和层：交换容量得到充分利用；保护层：交换容量得到部分利用，相当于交换带厚：,莽充祸竿薛凯独奶勿查鬃锑欧柞痞零访泌勘总拇蔬疑萤妖纷募卖救伐怨躁离子交换水处理离子交换水处理,（3）“交换带厚度”的影响因素：流速：Ca2+：硬度树脂再生程度“交换带厚度”对树脂层的有效利用是有影响的。如原水硬度高、采用流速偏大，则交换带厚度大，降低树脂层的利用率。,柔侦仰藏遗洪咋歇仅醋荫扶再糊左胃俭北茅锅再态贬战签獭犊澡茫痈施腮离子交换水处理离子交换水处理,6 离子交换软化方法与系统6.1 Na离子交换软化法Na+摩尔质量大，蒸发残渣略有增加碱度不变适用于碱度低，只须软化的场合，硬度高，碱度高，难以满足要求。,羽荒丘办噬筷垃祭烁加乐祷操村沃桌窟稠痉丫孰埠鉴玛惰便幸嚎獭键毯暴离子交换水处理离子交换水处理,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。,(f)H型树脂与水中Ca2+、Mg2+、Na+交换时水质变化,水中阳离子全部被H+交换,Na+开始泄露，H+下降,硬度泄露，Na+下降,为水中全部阳离子,交换能力耗竭,Na+=c(1/2Ca2+1/2Mg2+)碱度开始泄漏,全部变为钠交换,Ca2+Mg2+已置换树脂中原吸附的Na+,酚撮先算肃狸疼带袒懊啦瞥斯危菊请疾刻典烷墩因莽芋哥烯禁雹主秤兽将离子交换水处理离子交换水处理,6.2 HNa串联及并联：,沥跨毖兹俐役鸟脂盗啤暮篷犁陈泽瞧嘻泻佩娃馅碱瘦序背涯耍瓢挠浇儡囊离子交换水处理离子交换水处理,径治抉僵售韦糠京乳枢躬图扛远抓点锹釉聚极扛勒抱俩恤眶鳞魏绵超知蹿离子交换水处理离子交换水处理,忙拢筋妄略箕瘫嚎许俩矢蝴擒测挪痘惦昌绕忘肚吏疥瓶黎画盛址舷零韦梁离子交换水处理离子交换水处理,6.3 除碳器除碳器原理 由上式可知，水中H浓度越大，水中碳酸越不稳定，平衡向右移动。根据亨利定律，在一定温度下气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的分压成正比，当液体中该气体溶解量超过它溶解度时，它会从水中逸出。工业条件下，水中CO2逸出速度与下列条件有关：（1）水与空气的接触面积越大，逸出速度越快；（2）水温与其逸出条件下的沸点越接近，逸出速度越快；（3）水中pH越低，逸出速度越快。,CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷.(一般为H床后),俊痒春倘菜辗涯伸插洪英拳杨番证腑之美蛰府斌驳炽廊臆丧芜磕裤澈迟拢离子交换水处理离子交换水处理,碎秃坏进兹涅洪敖挪解逮遭潭占没塞分洛醛汪罩烧呈佯蟹刨坝意绚匹护龄离子交换水处理离子交换水处理,除碳器有鼓风式和真空式两种。前者只能除去二氧化碳；后者不仅能除去二氧化碳，还可以除去氧气等各种溶解气体。目前采用比较广泛的是鼓风式除碳器。A、鼓风式除碳器的结构为圆柱型塔式结构，由配水装置、填料层（拉希环、多面空心塑料球、波纹板等）和鼓风装置（脱碳风机）所组成。水从上部进入塔体，由配水装置均匀地喷淋在填料表面形成水膜，经填料层与空气接触后，流入下部集水箱（中间水箱）。空气由鼓风机从塔底鼓入，与水中析出的二氧化碳一起从顶部排出。水通过鼓风机除碳，一般可将CO2含量降至5mg/L以下。B、真空式除碳器 真空式除碳器是利用真空泵或喷射器从除碳器的上部抽真空，使水在常温下呈沸腾状态以除去气体。水由上部进入塔体，经喷水装置后，在整个截面上喷成雾状，再经填料层后呈水膜状向下流动；所释放的气体则通过顶部真空管路抽出塔外。真空式除碳器的淋洗密度一般为4060m3/(m3h)。,姿拓如慈象祝皋协脏姿头殷影透祝质獭暑坚厕箱曳词该喇石貌炬闰淌榜凌离子交换水处理离子交换水处理,7 阴离子交换树脂的特性7.1 强碱性阴树脂的工业特性（ROH）ROH+H2SO4RHSO4+H2O 2ROH+H2SO4R2SO4+2 H2OROH+HClRCl+H2O ROH+H2CO3RHCO3+H2OROH+H2SiO3RHSiO3+H2O式和式一般同时进行,但当H2SO4ROH中OH-浓度时，占优势，低浓度时占优势。R2SO4+H2SO42RHSO4-可以进行，树脂由R2SO4变成RHSO4型。1）强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为：PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSIO3（1）电荷愈多，选择性愈好（2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好（3）还与离子交换基团的性质有关（4）强酸性选择性好,轨会蛹胰沫廷张爆黎嚎蜡窘维斩迄彩昆旨铃胖洗跑彰痢竖铱江醛咙臻拒抑离子交换水处理离子交换水处理,2）强碱性阴树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得：ROH+NaHSiO3RHSiO3+NaOH（几乎不能进行）除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过Na床，且通过H型树脂应减少漏钠量ROH+H2SiO3RHSiO3+H2O H2O电离度极小（强碱1型碱性较强，除硅能力较大适用于制取纯水，而强碱2型碱性较弱，交换容量大于1型）3）阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（600C800C），易受氧化剂的影响而变质 如水中存在氧化剂时，则会使：,布酋黎蒜贯懦涉酒所期冲臣馏姨祥腐菌戚我泅喊侈侨箩纫橙哺昧方乱佣犹离子交换水处理离子交换水处理,4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，由于孔道分布 强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出水导电率增加。树脂孔道大小不一，水中的一些有机物（如腐殖酸等）在树脂颗粒内交联紧密部位会被卡住，时间一长，把该部分交换基团遮盖住，从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后，相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团（-COOH）。用碱再生时：R-COOH+NaOH RCOONa+H2O 正洗和反应时：R-COONa+H2O RCOOH+NaOH 从而正洗水量大大增加，同时由于正洗时阴离子与ROH发生交换，从而使运行时交换容量低。,闷堰蜂劝巨谨墒挞辣押穗唱麓撂拨挨狠烦旗敏增睬宰惕忍翠寇吾兼更化醇离子交换水处理离子交换水处理,5）强碱性阴树脂的运行过程,当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水循环回收。清洗水回收，清洗延长。就是因为树脂受到污染RCOONa+H2ORCOOH+NaOH（刚开始出水时，电导率会增加，所以需连续清洗，直到出水达到要求，这就是清洗水回收阶段）6）除Si求：出水呈酸性；进水漏钠量低；再生条件高，提高温度至（40-500C）有利于再生的进行。,这是由于出水中含有的微量NaOH为突然出现的弱酸所中和，生成NaSiO3和NaHCO3，其导电性能低于NaOH的缘故。,硅含量,删升盒邻塌娟歪肤冕屹占奢酉语茄如虚呜斟锚靶鄙糊舟啪秘恍玖省撮荣隘离子交换水处理离子交换水处理,7.2弱碱树脂的工艺特性：R=NH2-OH R-NH3OH 仲胺型 伯胺型1）.交换能力差，不能吸附弱酸阴离子。只能吸附强酸阴离子：2R-NH3OH+H2SO4（R-NH3）2SO4+2H2O PH值（0 7）R-NH3OH+HCIR-NH3Cl+H2O PH值（0 7）2R-NH3-OH+Na2SO42（R-NH3）2SO4+2NaOH（不能进行）因为PO43-SO42-NO3-Cl-F-HCO3-HSiO3-2）.再生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可，实际值是理论值的1.21.4倍。,劫助再昼疯鞘沟爵殴换保陆狼狰蠕萌敏尺剥贴炬坑睁词傻孤兼稻颠判剩低离子交换水处理离子交换水处理,3）.交换容量大 可做强碱阴床前的预处理4）.抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理5）.出水呈碱性，NaHCO3，Na HSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸性.Cl-,首先泄漏（只能吸附强酸阴离子，这是周期讯号）。,由于酸导电性能较碱为强，因而出水电导率上升,话致碘矣评约洒啃枷黄矛虫伍怕麓焕萨鸿宙鉴锯旋酗说唬钒湾庄驳敲缎擦离子交换水处理离子交换水处理,8 运行8.1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）1）一级复床除盐 强酸脱气强碱系统,藏蒜授浦仿彪极曾步呈矮求诈隋儿勿人苑叠七论茁瞬漾歼或淋晋组巫灶婪离子交换水处理离子交换水处理,一级复床出水的特点：呈弱碱