离子交换水处理.ppt

Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司离子交换公用部张士敏Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司工业用水种类繁多，水质要求各不相同工业用水种类繁多，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、浪费燃料、烧损部件、爆炸爆炸（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Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司水的纯度（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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 离子交换树脂是指具有离子交换基团的高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分子化合物。它具有一般聚合物所没有的新功能功能离子交换功能，本质上属于反应性离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。聚合物。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司1 离子交换树脂的结构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的结构 离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网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。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。于或小于这一范围。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司图1-1树脂的网络骨架图1-2树脂的三维结构Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司图图1-2 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司高分子骨架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。离子交换基团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SO3Na+自由移动，可与其周围水中的同性离子进行交SO3Na+换反应，称为可交换离子或反离子SO3Na+固定离子反离子 离子交换基团Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司孔孔 孔是树脂在高分子结构中的凝胶孔和高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。离子交换树脂中都存在。1.2离子交换树脂的合成离子交换树脂的合成A、高分子骨架的合成、高分子骨架的合成B、离子交换基团的引入、离子交换基团的引入Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司聚合磺化交联剂交联作用活性基团聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂 R-SO3H+M+=R-SO3M +H+Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司在图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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司交联度的影响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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 附：附：强碱型阴离子交换树脂的制备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。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苯环可在路易氏酸如ZnCl2，AlCl3，SnCl4等催等催化下，与氯甲醚氯甲基化。化下，与氯甲醚氯甲基化。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 所得的中间产品通常称为所得的中间产品通常称为“氯球氯球”。用氯球可十。用氯球可十分分容易地进行胺基化反应。容易地进行胺基化反应。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司2 离子交换树脂的分类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。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的性质分类 按交换基团性质的不同，可将离子交换树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脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。大类。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 阳离子交换树脂可进一步分为强酸型、中酸型和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。如弱酸型三种。如RSO3H为强酸型，为强酸型，RPO(OH)2为为中酸型，中酸型，RCOOH为弱酸型。习惯上，一般将中酸为弱酸型。习惯上，一般将中酸型和弱酸型统称为弱酸型。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。阴离子交换树脂又可分为强碱型和弱碱型两种。如如R3NCl为强碱型，为强碱型，RNH2、RNRH和，和，RNR”2为弱碱型。为弱碱型。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司2.2按树脂的物理结构分类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。脂分为凝胶型、大孔型和均孔型三类。图图14 不同物理结构离子交换树脂的模型不同物理结构离子交换树脂的模型Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司1）凝胶型离子交换树脂）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，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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司2）大孔型树脂）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再生时不容易重新恢复交换能力，需要消耗较多的再生剂能力，需要消耗较多的再生剂。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司3）均孔型树脂）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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 所谓的所谓的“中毒中毒”是指其在使用了一段时间后，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，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，球状树脂反应主要为苯乙烯的自聚。结果，球状树脂内部的内部的交联密度不同交联密度不同，外疏内密外疏内密。在离子交换树脂使用中，体积较大的离子扩散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，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，造成树脂生交换，最终失去交换功能，造成树脂“中毒中毒”现现象。大孔型离子交换树脂不存在外疏内密的结构，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。从而克服了中毒现象。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司3 离子交换树脂的命名离子交换树脂的命名 我国前石油化学工业部于我国前石油化学工业部于1977年年7月月l日正式颁布日正式颁布了离子交换树脂的部颁标准了离子交换树脂的部颁标准HG2-884-886-76离子交离子交换树脂产品分类、命名及型号。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。称、骨架（或基团）名称和基本名称排列组成。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 离子交换树脂的基本名称为离子交换树脂。凡分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，在基本名称前加类中属酸性的，在基本名称前加“阳阳”字；凡分类中字；凡分类中属属碱性的，在基本名称前加碱性的，在基本名称前加“阴阴”字。此外，为了区别字。此外，为了区别离离子交换树脂产品中同一类中的不同品种，在全名前必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。须加型号。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表一位数字代表产品分类产品分类；第二位数字代表；第二位数字代表骨架结构骨架结构；第三位数字为第三位数字为顺序号顺序号，用于区别离子交换树脂树脂中，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，往往在型号后面握和制定。对凝胶型离子交换树脂，往往在型号后面用用“”和和一一个个阿阿拉拉伯伯树树脂脂相相连连，以以表表示示树树脂脂的的交交联联度度（质量百分数），而对大孔型树脂，则在型号前冠以（质量百分数），而对大孔型树脂，则在型号前冠以字母字母“D”。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司各类离子交换树脂的具体编号为：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强酸型阳离子交换树脂 100199 弱酸型阳离子交换树脂弱酸型阳离子交换树脂 200299 强碱型阴离子交换树脂强碱型阴离子交换树脂 300399 弱碱型阴离子交换树脂弱碱型阴离子交换树脂 400499 螯合型离子交换树脂螯合型离子交换树脂 500599 两性型离子交换树脂两性型离子交换树脂 600699 氧化还原型离子交换树脂氧化还原型离子交换树脂Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司编编号号骨架分骨架分类类0聚苯乙聚苯乙烯烯系系1聚丙聚丙烯烯酸系酸系2酚酚醛树醛树脂系脂系3环环氧氧树树脂系脂系4聚乙聚乙烯烯吡吡啶啶系系5脲醛树脲醛树脂系脂系6聚聚氯氯乙稀系乙稀系表表31 离子交换树脂骨架分类编号离子交换树脂骨架分类编号Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 例如，例如，D113树脂是水处理应用中用量很大的一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，这是种树脂。从命名规定可知，这是种大孔型种大孔型弱酸型丙烯酸系阳离子交换树脂；而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树脂则是指交联度为10%的强酸型苯乙烯系的强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂。阳离子交换树脂。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司4 离子交换树脂的基本性能离子交换树脂的基本性能4.1外形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（）。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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司4.3颜色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密度密度湿真密度和湿视密度Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司1）湿真密度湿真密度：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1.1g/ml。意义：1）决定反洗强度2）混合床水力分级2）湿视密度）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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司4.5含水率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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司4.6 溶胀性溶胀性 膨胀体积占全体积的百分率；分两个方面。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。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。子半径大的溶胀率大。B 转型时，树脂体积发生变化。转型时，树脂体积发生变化。RHRNa（为了运输方便）（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各种离子水合离子半径不同；带电的水合离子也不尽相同。相同。一般，强性树脂转型变化不大，弱性树脂转型变化较一般，强性树脂转型变化不大，弱性树脂转型变化较大。大。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司影响溶胀率有关因素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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司如，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。Dragon Aromatics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.Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司若推广到一般情况,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）Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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+Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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：1溶液中的Na+扩散到达树脂颗粒表面。此过程又叫膜扩散或2外扩散32Na+扩散透过树脂表面的半透膜进入树脂颗粒内部的网状结4构中，这一过程称颗粒扩散或内扩散53Na+和H+之间发生的交换反应。4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5内扩散离开树脂相5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6的溶液薄膜，即经外扩散后进入溶液主体。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司对于溶胀了的树脂，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Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司4.7机械强度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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司4.8总交换容量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45meq/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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司4.9 有效工作有效工作PH范围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。树脂类型强酸性阳离子树脂弱酸性阳离子树脂强碱性阳离子树脂弱碱性阳离子树脂有效PH值范围1-145-141-126-7Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司5离子交换基本原理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。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司5.2离子交换平衡和选择性系数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：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：选择性系数：对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子M+接触时接触时:选选择择性性系系数数值值的的大大小小表表示示树树脂脂对对金金属属离离子子M+的的亲亲和和力力的的大大小小，它与树脂的类型、离子的性质以及溶液的组成有关。它与树脂的类型、离子的性质以及溶液的组成有关。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司影响离子交换选择性的因素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；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；离子化合价：高价离子易于被吸附；溶液溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；交换容量；离子强度：越低越好；离子强度：越低越好；有机溶剂：不利于吸附；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；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；力等辅助力；Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，离子交换树脂树脂实验表明，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。亲和力大小有如下一些规律。n 金属离子的价数增大，亲和力增大。如金属离子的价数增大，亲和力增大。如 Na+Ca2+Al3+Th4+n 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。如大。如1价离子：价离子：Li+H+Na+NH4+K+Rb+Cs+Tl+Ag+；2价离子：价离子：Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+。n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，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：一般顺序为：PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSIO3Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司5.3 离子交换动力学离子交换动力学 离离子子交交换换是是在在固固相相与与液液相相之之间间完完成成，交交换换速速度度比比较较慢慢。一一般般的的离离子子交换过程有五个步骤：交换过程有五个步骤：溶液离子向树脂表面扩散（膜扩散）；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）；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）；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）。已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。M-SO3HMHDragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？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慢者控制离子交换反应的速度(1)浓度：浓度大于浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步时，孔道扩散为控制步浓度小于浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步时，膜扩散成为控制步介于中间则取决于具体情况介于中间则取决于具体情况(2)流速或搅拌速率：流速或搅拌速率：大，则水膜薄膜扩散快大，则水膜薄膜扩散快但孔隙扩散基本不受影响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交联度：交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司5.5交换过程分析方法：交换过程分析方法：n 在离子交换柱中装填在离子交换柱中装填Na型树脂，从上而下通过含有型树脂，从上而下通过含有一定浓度一定浓度Ca2+的硬水。交换的硬水。交换反应进行一段时间后，停止反应进行一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品，运行，逐层取出树脂样品，并测定其所吸附的钙离子含并测定其所吸附的钙离子含量，以量，以“饱和程度饱和程度”表示。表示。n 饱和程度：单位体积树饱和程度：单位体积树脂所吸附钙、镁离子量与其脂所吸附钙、镁离子量与其全交换容量之比，以百分比全交换容量之比，以百分比表示。表示。饱和程度曲线饱和程度曲线Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司6 交换过程：交换过程：（1）两个阶段：）两个阶段：n交换带形成阶段：饱和程度曲线形状不交换带形成阶段：饱和程度曲线形状不断变化随即形成一定形式的曲线。断变化随即形成一定形式的曲线。n交换带推移阶段：交换带推移阶段：“交换带交换带”：在某时刻正在进行交换反应：在某时刻正在进行交换反应的软化工作层。的软化工作层。“交换带厚度交换带厚度”：可理解为处于动态的软：可理解为处于动态的软化工作层厚。沿水流方向，以一定形式每化工作层厚。沿水流方向，以一定形式每刻都在推移。刻都在推移。l当硬度开始泄露时，树脂层分为两部分：当硬度开始泄露时，树脂层分为两部分：u 饱和层：交换容量得到充分利用；饱和层：交换容量得到充分利用；u 保护层：交换容量得到部分利用，相保护层：交换容量得到部分利用，相当于交换带厚：当于交换带厚：Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司（3）“交换带厚度交换带厚度”的影响因素：的影响因素：n流速：流速：nCa2+：硬度：硬度n树脂再生程度树脂再生程度l“交换带厚度交换带厚度”对树脂层的有效利用是有影响的。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，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。降低树脂层的利用率。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司6 离子交换软化方法与系统离子交换软化方法与系统6.1 Na离子交换软化法离子交换软化法nNa+摩尔质量大，蒸发残渣略有增加摩尔质量大，蒸发残渣略有增加n碱度不变碱度不变n适用于碱度低，只须软化的场合，硬度高，碱度高，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。难以满足要求。Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司 进水初期，进水中所用阳离子均交换出进水初期，进水中所用阳离子均交换出H H+，生成相当量的无机酸，出水酸度保持，生成相当量的无机酸，出水酸度保持定值。运行至定值。运行至a a点时，点时，NaNa+首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当NaNa+泄漏量增大到泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性；当出水开始呈现碱性；当NaNa+增加到与进水阳离子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，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 H离子交换结束，交换器离子交换结束，交换器开始进行开始进行NaNa+交换，稳定运行至交换，稳定运行至b b点之后，硬度离子开始穿透，出水点之后，硬度离子开始穿透，出水NaNa+含量开始下降，含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出水最后出水硬度接近进水硬度，出水NaNa+接近进水接近进水NaNa+，树脂层全部饱和。，树脂层全部饱和。(f)H(f)H型树脂与水中型树脂与水中CaCa2+2+、MgMg2+2+、NaNa+交换时水质变化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+Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司6.2 HNa串联及并联：串联及并联：Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司6.3 除碳器除碳器除碳器原理除碳器原理 由上式可知，水中由上式可知，水中H浓度越大，水中碳酸越不浓度越大，水中碳酸越不稳定，平衡向右移动。根据稳定，平衡向右移动。根据亨利定律亨利定律，在一定温度下，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，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，逸出。工业条件下，水中水中CO2逸出速度与下列条件有逸出速度与下列条件有关关：（：（1）水与空气的接触面积越大，逸出速度越快；）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）水温与其逸出条件下的沸点越接近，逸出速度越快；（快；（3）水中）水中pH越低，逸出速度越快。越低，逸出速度越快。CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷.(一般为一般为H床后床后)Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司Dragon Aromatics腾龙芳烃（厦门）有限公司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