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第七节 离子交换

本节介绍三方面的内容：
1、离子交换基本原理
2、离子交换装置
3、离子交换在水处理中的应用
一、离子交换的基本原理
（一）、离子交换树脂
离子交换树脂是由空间网状结构骨架与附属骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分子化合物。
母体（空间网状结构骨架）
树脂 固定离子 （与骨架牢固结合）
活性基团
交换离子（与同性离子进行交换反应）
以强酸性阳离子交换树脂为例：
表示R-SO3-H+：R—母体
-SO3 --固定离子
-SO3-H+-活性基团
H+-----交换离子
有时可以直接简写为R H。
树脂类型：（1）强酸性阳离子交换树脂；
（2）弱酸性阳离子交换树脂
（3）强碱性阴离子树脂（ROH）
（4）弱碱性阴离子交换树脂
（二）离子交换树脂得基本性能
1、外观：呈透明或半透明得球形，颜色由乳白色、
淡黄色，黄色，褐色等。粒径：0.3-
1.2mm。
2、密度：对于一定含水率得湿树脂而言。
表示方法由两种：
真密度（又称湿真密度）；
视密度（湿视密度）
3、 交换容量
定量表示树脂交换能力大小
分两种：
（1）全交换容量：一定量树脂所具有得可交换离子总数量 （理论值）
（2）工作交换容量：一定量树脂在给定得工作条件下实际交换容量。（实际值）
交换容量单位qN:m mol/L（湿树脂）qM：m mol/L(干树脂)
PV=PM（1-含水率（%））
4、有效PH值范围
强酸、强碱型与PH值无关，弱酸型在碱性环境下，有较高得交换能力，弱碱型在酸性环境中有较高得交换能力。
强酸：PH=1-14，弱酸：5-14，强碱：1-12， 弱碱0-7
5、选择性：对水中某种离子优先交换的性能
常温、低浓度条件下，选择性顺序为：

意义：位于顺序前离子可以从树脂上取代位于后 列的离子。
如：Ca2++Rna=R2Ca+Na+
Mg2++Rna=R2Mg+Na+
应当指出：当浓度高时，顺序的前后变成次要问题，浓度大小成为决定反应方向的关 键因素。
应用：离子交换是可逆反应，当交换结束后，应增大生成物体浓度（Na+）可使逆反应进行树脂再生。
（四）离子交换树脂的特性
1、 H型强酸性阳离子交换树脂
能与水种所有阳离子交换。出水呈酸性。
用途：（1）除盐（2）与Na 型树脂联合，脱碱软 化。
2、 Na型树脂
用途：（1）水的软化 （2）与 H型树脂联合， 脱碱软化
3、弱酸性树脂
用途：（1）与Na 型联合用于脱碱软化
（2）与H型联合

4、强碱性树脂
用途：设在阳床之后，用于水的除盐。
5、弱碱性树脂
用途：设在强酸阳床之后，强碱阳床之前，用于 水的除盐。具体情况见第二部分：水处理中应用。
（五）离子交换过程
以Na型树脂为例：软化处理
随着交换时间的延续，工作层不断向下移层，当工作层的底部移到树脂层底部时，硬度开始泄漏，应进行再生，此时整个树脂层分成两部分：容量充分利用的为饱和层，容量不是充分利用的为保护层。
二 离子交换装置：
按运行方式不同：
固定床 单层床：只装一种树脂， 双层床：装强弱同性树脂 混合床：阴阳两种树脂
离子交换装置
连续床 移动床 流化床
本节只介绍固定床。
根据原水与再生池前流动方向分两种：
顺流再生固定床，逆流再生固定床。
（一）顺流再生固定床
操作过程：
（1）交换过程，（2）再生过程，包括反洗、再生、清洗
（二）逆流再生固定床
常见：再生池向上流动，水流向下流动。
操作过程：
（1）交换过程
（2）再生操作过程，如图所示（气顶压再生工艺）
a：小反洗：冲洗压脂层（截留水种杂质）
b：放水：从中间排水装置将上部水放掉
c：顶压：从顶部进压缩空气
d：进再生液：从 底部进再生池
e：逆向清洗：用软化水将废水排出
f：正洗：顺向清洗到出水合格后进行交换操作。
再生溶液与饱和度低底层树脂接触，然后再生饱和程度很高的中上层树脂再生液的充分利用，再生剂用量显著降低（顺流再生低20%以上）并保证底部充分再生。
新发展：无顶压逆流再生工艺
（三）交换器的设计计算
基本计算公式：F h q =Q T H t式中：
F——交换器的截面积（m2）
h——树脂层的高度（m）
q——树脂工作交换容量mmol/l
Q——处理水量（m3/h）
T——软化时间（h）
Ht ——原水的硬度mmol/l
离子交换器为定型产品，即主要尺寸和树脂装填高度已相应规定，由式可算出一台设备处理水量，然后再由总水量算出所需的台数和工作时间。台数不应少于两台，以便检修和再生。
三、离子交换在水处理中的应用
（一）水的软化处理
1、Na 离子交换软化法：
对于碳酸盐硬度：
2RNa+Ca（HCO3）2 =R2Ca+2NaH CO-3
对于非碳酸盐的硬度：
2RNa+CaCl2=R2Ca+2NaCl 2RNa+CaSO4= R2Ca+Na2SO4
特点：（1）去除硬度，碱度
（2）不产酸性水

（3）再生剂为食盐
适用范围：原水碱度低，只需要软化场合。1、H离子交换软化法
对于碳酸盐硬度：
2RH+Ca(HCO3)2=R2Ca+2CO2+2H2O
对于非碳酸硬度：
2RH+CaSO4=R2Ca+h2SO4
2RH+CaCl2=R2Ca+2HCl
特点：（1）既去除硬度，又去除碱度。
(2）水呈酸性，故不能单独自成系统。
3、H-Na 离子交换系统
H-Na 并联离子交换系统分
H-Na 串联离子交换系统。（1）H-Na并联离子交换系统
该系统如图：
原水一部分流经Na 离子交换器（Qna）呈碱性，另一部分流经H离子交换器（QH）呈酸性，两股水经过混合（中和）后除CO2器混合后软化水应含量有少量的碱度。
其流量分配如下式计算：
QH..C（SO2-4+CL-）=（Q- QH）C（HCO3-）-Qar
Q---总流量（m3/h）
C（SO2-4+CL-）----原水硫酸根和氯根含量，m mol/l
QH----进入H离子交换器流量（m3/h）
C（HCO3-）--原水碱度m mol/l.
Ar—混合后软化水剩余碱度0.5m mol/l.
QH----进入H离子交换器流量（m3/h）
C（HCO3-）--原水碱度m mol/l.
Ar—混合后软化水剩余碱度0.5m mol/l.
上式移项后，得：

（2）H-Na串联离子交换系统流量分配计算同并联：
（二）水得除盐
1、复床除盐：
复床：阳阴离子交换器串联使用，阳离子交换
器称阳床，阴离子交换器称为阴床。
（1）强酸-脱气-强碱系统：（阳床-除气- 阴床）
（2）强酸-弱减-脱气
（3）强酸-脱气-弱减-弱减系统
2、混合床除盐
阴阳离子交换树脂装填同一交换器内，使用时 混合均匀，好象许多阳床与阴床串联一起，构成无数微型复床，反复脱盐，出水纯度高，再生时分层再生。