离子交换概述ppt课件

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1、第8章 离子交换,原理：交换剂在不同浓度下，对不同离子的亲和力不同。, 81 离子交换概述,目的：用来去除水中离子杂质，如钙、镁离子等（除硬度），或选择性地去除重金属；制纯水。 不溶性的电解质（离子交换剂）与水中溶解的电解质所进行的化学反应（或离子交换反应） 如： 特点：等当量地交换；同电荷符号交换。 R代表离子交换剂的固定部分。,离子交换剂包括：无机离子交换剂、磺化煤和有机合成离子交换树脂等。 软化与除盐的区别： （1）软化：去除或降低水中Ca2+，Mg2+离子的过程。 这个过程，有可能使阴离子也降低，即含盐量相应降低。也有可能阴离子不降低，即有别的阳离子Na+，K+替代Ca2+，Mg2+

2、。 （2）除盐：是减少水中盐类总量的过程。不特别指去除某种离子，只要非H+阳离子，即去除。但只要减少阳离子，必然有Ca2+，Mg2+的减少包含着软化。 所以除盐起到了软化作用。但软化不能代替除盐。,离子交换剂分类：,无机天然沸石，绿砂，合成沸石（如铝式硫酸盐） 碳质磺化煤 苯乙烯系 据单体种类分类 酚醛系 离子交换剂 丙烯酸系 凝胶型 据结构分类 大孔型 等孔型 有机 强酸SO2 合成 阳离子 中酸PO32 离子 据化学 交换树脂 弱酸COO 交换 性质分 阴离子 强碱CH2N+ 树脂 交换树脂 弱碱NH+,811 无机离子交换剂和磺化煤,无机离子交换剂：天然沸石和绿砂。（弱酸性阳离子交换剂）

3、 沸石铝硅酸盐类矿物。 分子式：Na2OAl2O3nSiO2mH2O。 结构：规则的空间晶格形态。 一部分Si4+离子被Al3+离子代替，使其缺少正电荷，此不足的电荷由Na、Ca2+等补足而成为可交换的活动离子。 属弱酸性阳离子交换剂。,特点：交换容量较小，不能吸取尺寸较大的离子，对不同大小的离子具有良好的选择性，（可以用来作为分子筛）,绿砂铁铝硅酸盐矿物。 无定形结构的凝胶体，有一部分是晶体结构。 交换离子：。 是弱酸性阳离子交换剂。 应用范围：pH值6.28.4。 特点：离子交换大多在表面进行，交换容量不大（100l50mmol/L，约为人工合成树脂的1/10）。,磺化煤： 制造：用发烟硫

4、酸对褐煤、无烟煤等进行磺化处理而合成的。 磺化煤中，引入大量磺酸基团SO3H，同其原有的COOH、OH基团，可进行离子交换。 属强酸性阳离子交换剂。（pH=2也能交换） 交换容量：约为合成树脂交换剂的1/3到1/4。 特点：为凝胶结构；其化学稳定性和机械强度不高（不理想），质量不易控制。 目前，天然无机交换剂和磺化煤已很少用。 水处理：主要用有机合成离子交换树脂。,骨架（母体）：固定部分，不 能自由移动，构成固定离子。 两部分 固定离子：如SO3 活性基团： 活动离子：如H+ 活性基团：活动部分，能在一定空间内自由移动， 并同溶液中同性离子进行交换反应。,812 有机合成离子交换树脂1离子交换

5、剂的结构,2，有机合成离子交换树脂的分类 （1）按活性基团性质：阳离子交换树脂；阴离子交换树脂 阳离子交换树脂树脂中可电离的交换离子是氢离子或金属离子； 阴离子交换树脂树脂中可电离的交换离子是氢氧根离子和酸根离子。 交换树脂可含有一种或数种离子基团； 按离子基团电离的难易程度：分为强性和弱性。,阳离子交换树脂的强弱顺序： 在相当低的pH值时磺酸基也能电离； 相反，如pH值稍有降低，（pH（56），液相中的H便明显地抑制羧酸基的电离，使其失去进行离子交换反应的能力。 磺酸基的阴离子基团（RSO3）的特点：对多数阳离子都具有相当高的亲合力；此类阳离子交换树脂的选择性低；再生剂的消耗大。,羧酸基的阴

6、离子基团（RCOO）：对阳离子的亲合力受阳离子的电荷数和水合半径影响较大，对阳离子的亲合力具有选择性，再生剂的消耗低。 阴离子交换树脂的强弱顺序：,选择性：强碱性的交换基团：对溶液中所有阴离子都有不同程度的亲合力（不具选择性）； 弱碱性的交换基团：只对溶液中的强酸根离子有交换吸付能力；对碳酸氢根、硫化氢等交换吸附能力微弱；对硅酸、苯酚、硼酸及氰酸等弱酸根无交换吸附能力；但是对OH却有很强的交换吸附能力（具有强选择性）。 弱碱性：再生能力比强碱性交换树脂要好。,（2）按结构特征分类：凝胶型、大孔型、均孔型树脂 1）凝胶型树脂特点： 具有均相高分子凝胶结构。空间结构由内部单体聚合成的链状大分子在交

7、联剂的联接组成。 离子交换基团分布在孔道的各个部位。称为化学孔或凝胶孔。 孔径大小：与树脂的交联度或膨胀程度有关。 交联度愈大，孔径愈小。 当树脂处于水合状态时：大分子链舒伸，链间距离增大，凝胶孔就扩大； 当树脂干燥失水时：凝胶孔就缩小。 引起凝胶孔径的改变因素：交换离子的性质、溶液的浓度及pH值的变化。,水处理中凝胶型树脂：容易受到大分子量有机物的污染，在阴离子交换树脂中尤为突出：有机物分子在树脂中的吸附力很强，一旦吸附后就不易洗脱，使交换树脂再生后交换容量下降。 这一现象称为交换树脂的中毒。 原因：凝胶型树脂所含孔隙过于微细，易于被有机物等大型分子堵塞。 2)大孔型和均孔型树脂： 大孔型树

8、脂：具有大量的毛细孔道。 制造中，加人了致孔剂，形成大量的毛细孔道，称为大孔树脂。是非均相凝胶结构，它同时存在着疑胶孔和毛细孔。,大孔型树脂：有利于直径较大的分子通行。可用于去除水中高分子有机物。效果良好。 大孔型树脂优点：具有孔径大；比表面积大（每克可达数百平方米）；具有一般吸附剂的特征。离子交换速度大（约为凝胶型的10倍）； 机械物理性能、化学稳定性能：高于凝胶型树脂。 可以防止有机污染中毒，常用于去除含有腐植酸、表面活性物质、木质素、酚等杂质的水处理过程。 缺点：交换能力比凝胶型树脂低；需较多的再生剂。离子交换设备的投资和运转费用大。树脂的价格较高，使用受限制。,均孔型树脂：其解决了大孔

9、树脂应用中的问题。 特征：所有孔隙都有大致相近的尺寸，均在数百埃左右，它保持了一般大孔型树脂的各种优点，在交换容量和再生方面的一些缺点还有所改善， 或应称：一种改良型的大孔型树脂。,（3）按单体种类分类 ：苯乙烯系；丙烯酸系。 3，离子交换树脂的命名 离子交换树脂产品分类、命名及型号(CB 163179) （1）名称: 全名称由分类名称、骨架（或基团）名称以及基本名称依次排列组成的。 基本名称为离子交换树脂。 大孔型在全名前加“大孔”。 分类属酸性的名称前加“阳”字； 分类属碱性的名称前加“阴”宇。,（2）型号：型号以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组成，第三位数

10、字为顺序号，用以区别活性基团或交联剂的差异。代号数字的意义见表81和表82。,大孔型树脂：在型号前加“大”字的汉语拼音首位字母“D”；凡属凝胶型树脂，在型号前不加任何字母，交联度值可在型号后用“”符号联接阿拉伯数字表示。 例，常用的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，型号为0017；大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，型号为D111、D113等。 4，几类常见的离子交换树脂（看书）,813 离子交换树脂的性质,1，物理性质 （1）外观 颜色：因其组成不同而异。 苯乙烯系骨架均呈黄色；其他有赤褐色、黑色等。凝胶型树脂呈透明或半透明状态；大孔型树脂呈不透明状态。 形状：均成球形，且按要求其圆球率（球状颗

11、粒数占总颗粒数的百分率）应达90以上。,（2）粒度：有效粒径和均一系数。粒度大，交换速度慢；粒度小，树脂的交换能力大，但树脂层的水流阻力大，反洗时清除所截留的悬浮杂质困难。 有效粒径：指筛上保留90（体积）树脂样品的相应试验筛筛孔孔径（mm），用符号d90表示。 均一系数：指筛上保留40（体积）树脂样品的相应试验筛筛孔孔径与保留90（体积）树脂样品的相应试验筛筛孔孔径的比值，用符号k40表示。 均一系数越趋于1，树脂的颗粒也越均匀。树脂的粒径通常在0.31.2mm范围。(1650目筛),（3）交联度：交联度是指交联剂在离子交换树脂内的重量百分含量。 交联度对树脂的许多性能将起到决定性的影响，

12、交联度越小，空隙率越大，含水率越高； 交联度越大，聚合物结构紧密，弹性差，溶胀性越小。 水处理中常用的离子交换剂的交联度710。,（4）密度：离子交换树脂的密度可分为干态密度和湿态密度两种，而每和密度又分为真密度和视密度，其定义如下： 1）湿真密度：指在单位真体积（不包括树脂颗粒间空隙的体积）内湿态离子交换树脂的质量，单位是g/mL或kg/L。 离子交换剂的反洗强度、分层特性与湿真密度有关，一般湿真密度在1.041.30 g/mL或（kgL）之间，且阳树脂的湿真密度大于阴树脂的湿真密度。,2）湿视密度：指单位视体积内紧密无规律排列的湿态离子交换树脂的质量，单位是g/mL或kg/L。 湿视密度是

13、用来计算离子交换器中装载树脂时所需湿树脂量的主要数据。 一股湿视密度在0.60.85 g/mL之间。,（5）含水率：指在水中充分膨胀的湿树脂中所含水分的百分数。 反映离子交换树脂的交联度和网眼中的孔隙率。 含水率愈大，树脂的孔隙率愈大，其交联度愈小。 一般树脂的含水率在4060之间，（贮存树脂时，冬季应注意防冻）。,（6）溶胀性和转型体积改变率：干离子交换树脂浸人水中，其体积膨胀，这种现象称为溶胀。 造成溶胀原因：是活性基团上可交换离子的溶剂化作用。离子交换树脂颗粒内部存在着很多极性活性基团，由于离子浓度的差别，在颗粒中与外围水溶液之间，产生渗透压，这种渗透压可使颗粒从外围水溶液中吸取水分来降

14、低其离子浓度，表现出溶胀现象。 当树脂由一种离子型转为另一种离子型时，其体积就会发生改变，此时树脂体积改变的百分数称树脂转型体积改变率。,（7）耐磨性：树脂颗粒在使用中，由于相互摩擦和胀缩作用，会产生破裂现象。 耐磨性是影响其实用性能的指标之一。一般情况下，树脂每年的耗损应不超过37。,2离子交换树脂的化学性质 （1）酸碱性：离子交换树脂在水溶液中发生电离，例如： 反应表明：离子交换树脂在水溶液中能发生电离使其呈酸性或碱性。 强型离子交换剂的离子交换能力不受pH值的影响； 弱型离子交换剂的离子交换能力受溶液pH值的影响很大。,各类型离子交换剂交换电离反应的pH值范围如表83所示。,（2）选择性

15、：离子交换树脂对各种离子具有不同的亲和力，（多种离子浓度相同时）它可以优先交换溶液中某种离子，这种现象称为离子交换树脂的选择性。 规律：化合价越大交换能力越强； 同价离子中，原子序数大优先交换 也同样影响再生过程。 常温低浓时，离子的选择性顺序：,（3）交换容量： 一定数量的离子交换树脂所具有的可交换离子的数量称为离子交换树脂的交换容量。单位：mmol/g， 包括全交换容量和工作交换容量。 1）全交换容量：指单位质量的离子交换树脂中全部离子交换基团的数量。 可通过滴定法测定，也可理论计算得到。 例，交联度为10苯乙烯强酸性阳离子交换剂，单元结构为CH(C6H4SO3H)CH2 ，分子量为184.2，那么每184.2g树脂中含有1mol可以用于交换的H，,全交换容量: 2）工作交换容量：指在一定的工作条件及水质条件下，一个固定周期中单位体积树脂实现的离子交换容量。 实际工程运转中所用的交换容量，与运行条件如再生方式、原水水质、原水流量以及树脂层厚度等有关。 交换容量可用单位质量(Em)或单位体积(Ev)表示。其关系如下：,（4）热稳定性：指在受热情况下，离子交换树脂保持理化性能不变的能力。 强酸阳离子交换剂最高使用温度：100120；当高于150时树脂会发生磺酸基脱落现象。 弱酸阳离子交换树脂的工作温度可达到200。各种树脂的热稳定