第6章 離子交換

第6章離子交換法第一節(jié)離子交換基本知識第三節(jié)離子交換軟化第四節(jié)離子交換除鹽第二節(jié)

離子交換的工藝第五節(jié)離子交換在廢水處理中的應(yīng)用第一節(jié)離子交換基本知識

實(shí)質(zhì)：不溶性離子化合物(離子交換劑)上的可交換離子與溶液中的其他同性離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過程。離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為：交換樹脂交換離子飽和樹脂離子交換的特點(diǎn):它主要吸附水中以離子態(tài)存在的物質(zhì)，并進(jìn)行等當(dāng)量的離子交換。一、離子交換劑

給水處理中常用的有磺化煤和離子交換樹脂；

廢水處理中使用的主要是離子交換樹脂。煤磨碎后經(jīng)濃硫酸處理得到二、離子交換樹脂1.結(jié)構(gòu)2.主要性能1.結(jié)構(gòu)母體（空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架）

樹脂固定離子（與骨架牢固結(jié)合）活性基團(tuán)交換離子（與同性離子進(jìn)行交換反應(yīng)）

以強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂為例：表示R-SO3-H+：

R--母體

-SO3-H+--活性基團(tuán)

-SO3--固定離子

H+--交換離子

有時(shí)可以直接簡寫為RSO3H。樹脂類型

活性基團(tuán)的不同

強(qiáng)酸陽離子：RSO3H弱酸陽離子：RCOOH強(qiáng)堿陰離子：R≡NOH季胺弱堿陰離子：R≡NHOH叔胺R＝NH2OH仲胺R－NH3OH伯胺微孔形狀：凝膠型樹脂、大孔型樹脂、多孔型等等。（1）密度：對于一定含水率得濕樹脂而言。表示方法由兩種：真密度（又稱濕真密度）；視密度（濕視密度）2.離子交換樹脂主要性能不包括顆粒之間的空隙體積包括顆粒之間的空隙體積)/)/mlgmlg（樹脂堆積體積濕樹脂質(zhì)量濕視密度（積樹脂顆粒本身所占的體濕樹脂質(zhì)量濕密度==（2）交換容量：表示樹脂交換能力大小。單位是mol/kg（干樹脂）或mol/L（濕樹脂）。分為全交換容量和工作交換容量兩種全交換容量：是指一定量的樹脂所具有的活性基團(tuán)或可交換離子的的總數(shù)。工作交換容量：是指樹脂在給定工作條件下實(shí)際的交換能力。實(shí)際的交換容量只有總交換容量的60%~70%。重點(diǎn)重點(diǎn)（3）選擇性：對水中某種離子優(yōu)先交換的性能離子交換速度除了與溶液中交換離子的種類、樹脂上活性基團(tuán)的性能有關(guān)外，還受溫度和交換離子的濃度等的影響。水處理中，多為低濃度、水溫變化也大，在這種情況下，選擇性有以下規(guī)律為：①離子電荷愈多，愈易被交換；同價(jià)離子，原子序數(shù)愈大，愈易被交換：Th4+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>Li+PO43->SO42->NO3->Br->Cl->F->HCO3->HSiO3-②H＋和OH－的交換選擇性與樹脂交換基團(tuán)酸、堿性的強(qiáng)弱有關(guān)。對于強(qiáng)酸陽樹脂：H+>Li+；對于弱酸陽樹脂：H+>Fe3+。對于強(qiáng)堿陽樹脂：OH->F-；對于弱堿陽樹脂：OH->SO42-第二節(jié)

離子交換的工藝按運(yùn)行方式不同：

單層床：只裝一種樹脂，

固定床雙層床：裝強(qiáng)弱同性樹脂

離子交換裝置

混合床：陰陽兩種樹脂

移動床

連續(xù)床

流化床離子交換系統(tǒng)一般包括：預(yù)處理設(shè)備（去除懸浮物，防止樹脂受到污染和交換床堵塞，一般采用砂濾器）、離子交換器和再生附屬設(shè)備（再生液配制設(shè)備）

離子交換工藝的操作程序：（1）交換：（2）反洗：在離子交換樹脂失效后，逆向通入沖洗水，沖洗水可用自來水或廢再生液。目的：①松動樹脂層，②清洗樹脂層內(nèi)的雜物。反洗流速約15m/h，歷時(shí)15min。（3）再生：再生是借助高濃度的再生液流過樹脂層,，把已吸附的離子置換出來。目的：①恢復(fù)樹脂的交換能力；②回收有用物質(zhì)。重點(diǎn)再生劑的選擇

強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂可用HCl（4％-6％）或H2SO4（≦2％）等強(qiáng)酸及NaCl（5％-10％）等再生。弱酸性陽離子樹脂可以用HCl、H2SO4等再生。強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂可用NaOH等強(qiáng)堿及NaCl再生弱堿性陰離子樹脂可以用NaOH、Na2CO3、NaHCO3等再生。（4）清洗：用水正洗，水流方向與交換時(shí)一樣，清洗水最好用交換處理后的凈水、除鹽水。

目的：將樹脂層內(nèi)殘留的再生液清洗掉。清洗水量一般為樹脂體積的4～13倍。工藝過程：

樹脂反洗廢水反洗水反洗樹脂再生液再生廢液再生樹脂產(chǎn)品水正洗廢液正洗樹脂進(jìn)水產(chǎn)品水交換第三節(jié)離子交換軟化水的軟化：是利用陽離子交換樹脂中可交換的陽離子（如Na+、Ca2+、Mg2+、

H+）把水中所含的鈣鎂離子交換出來。加熱法：去除暫時(shí)硬度軟化方法藥劑軟化離子交換：硬度去除比較徹底重點(diǎn)1.RH2.RNa3.弱酸RCOOH一、陽離子交換樹脂特點(diǎn)：(1)去除碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度，(2)堿度不變(3)總含鹽量有所變化，再生劑為食鹽適用范圍：原水堿度低。1.鈉型離子交換法

重點(diǎn)特點(diǎn)：（1）去除了碳酸鹽硬度，生成CO2、H2O，同時(shí)堿度也去除了。（2）去除非碳酸鹽硬度，生成H2SO4，HCl，出水酸性（3）用鹽酸（HCl）或硫酸（H2SO4）再生。由于氫離子交換出水經(jīng)常為酸性，運(yùn)行時(shí)一般總是和鈉離子交換聯(lián)合使用，或與其他措施（如加堿中和）相結(jié)合2.氫型離子交換法

重點(diǎn)H型離子交換器出水含有游離酸，呈酸性，而Na離子交換器起初是含堿度的水，若將這兩部分水相混合，則發(fā)生中和反應(yīng)，中和后產(chǎn)生的二氧化碳可用除二氧化碳器去除。這樣，既降低了堿度，又可去除硬度，使水的含鹽量有所降低，這就是強(qiáng)酸性H-Na離子交換軟化和脫堿聯(lián)合水處理系統(tǒng)的原理。3.H－Na離子交換脫堿軟化法

重點(diǎn)第四節(jié)離子交換除鹽

需求：高溫高壓的鍋爐的補(bǔ)給水，某些電子工業(yè)用水等。1.復(fù)合床除鹽2.混合床除鹽當(dāng)原水通過Ｈ型離子交換柱時(shí)，水中所有金屬離子M+被Ｈ+交換去除，Ｈ+與水中的陰離子結(jié)合成相應(yīng)的酸，其出水呈酸性，其中與HCO3-結(jié)合生成的CO2與原有的二氧化碳在除碳器中被脫除。1.復(fù)合床除鹽原理

水再進(jìn)入OH－陰離子交換柱時(shí)，水中的各類酸根被OH－交換除去，從而將水中溶解鹽類全部除去制得除鹽水。復(fù)合床：一個(gè)陽離子交換柱和一個(gè)陰離子交換柱的串聯(lián)裝置混合床：把陽、陰離子交換樹脂按一定比例混合均勻填充于同一個(gè)交換柱中的裝置原水通過交換柱時(shí)，金屬陽離子和陰離子分別被陽樹脂和陰樹脂交換，得到了脫鹽水。由于一般強(qiáng)堿陰樹脂的交換容量約為陽樹脂的一半，所以都按陰樹脂：陽樹脂＝2∶1的比例混合。混合床再生

需要先將陽、陰樹脂分層，再移出陽（或陰）樹脂，分別完成再生后在填充于同一個(gè)交換柱中。

由于陰樹脂的密度較陽樹脂的要小，反洗分層后陰樹脂在上，陽樹脂在下。2.混合床除鹽原理

第五節(jié)離子交換在廢水處理中的應(yīng)用一、離子交換處理工業(yè)廢水的特點(diǎn)二、應(yīng)用一、離子交換處理工業(yè)廢水的特點(diǎn)1.水質(zhì)復(fù)雜：含各種懸浮物、油類和有機(jī)物（進(jìn)行預(yù)處理）2.高價(jià)金屬離子：導(dǎo)致中毒，用高濃度酸浸泡3.pH值：影響某些雜質(zhì)在廢水中的存在狀態(tài)，影響樹脂交換基團(tuán)的離解。4.水溫：水溫高，可加速離子交換的擴(kuò)散，但會破壞樹脂，應(yīng)恰當(dāng)降溫。5.氧化劑：可采用交聯(lián)度大的樹脂或加入恰當(dāng)?shù)倪€原劑。6.有機(jī)污染：可采用大孔型樹脂7.再生：要考慮回收有用物質(zhì)。例如：處理含鉻廢水六價(jià)鉻：鉻酸根CrO42-和重鉻酸根Cr2O72-，兩種的比例與pH有關(guān)。酸性條件下，主要是Cr2O72-三價(jià)鉻：Cr3+陽樹脂去除三價(jià)鉻：

3RH+Cr3+---R3Cr+3H+陰樹脂去除六價(jià)鉻：

2ROH+CrO42---R2CrO4+2OH-2ROH+Cr2O72---R2Cr2O7+2OH-

二、應(yīng)用失效后再生：

R3Cr+3HCl----3RH+CrCl3R2CrO4+