1、第七章第七章 离子交换基本知识离子交换基本知识v第一节第一节 离子交换树脂和离子交换原理离子交换树脂和离子交换原理v第二节第二节 离子交换速度离子交换速度v第三节第三节 动态离子交换的层内过程动态离子交换的层内过程第一节第一节 离子交换树脂和离子交换原理离子交换树脂和离子交换原理一、离子交换树脂的结构一、离子交换树脂的结构v 一类带有活性基团的网状结构高分子化合物。一类带有活性基团的网状结构高分子化合物。v 结构分为两个部分结构分为两个部分：v 骨架：骨架：高分子化合物所组成的基体，具有庞大的空间结构；高分子化合物所组成的基体，具有庞大的空间结构；v 可交换离子的可交换离子的活性基团：活性基团
2、：通过化学键结合在高分子骨架上，通过化学键结合在高分子骨架上，起提供可交换离子的作用。起提供可交换离子的作用。v 活性基团：一是活性基团：一是固定部分固定部分，与骨架牢固结合，不能自由移动，与骨架牢固结合，不能自由移动，故称固定离子；二是故称固定离子；二是活动部分活动部分，遇水可以离解，并能在一定，遇水可以离解，并能在一定范围内自由移动，可与周围水中的其他带有同种电荷的离子范围内自由移动，可与周围水中的其他带有同种电荷的离子进行交换反应，故称可交换离子进行交换反应，故称可交换离子。二、离子交换树脂的合成二、离子交换树脂的合成v 第一阶段为高分子聚合物骨架的制备第一阶段为高分子聚合物骨架的制备，
3、即将单体制备成球，即将单体制备成球状的高分子聚合物。其制备方法通常是将聚合物单体和分状的高分子聚合物。其制备方法通常是将聚合物单体和分散剂等放入水溶液中，通过搅拌使其在悬浮状态下聚合成散剂等放入水溶液中，通过搅拌使其在悬浮状态下聚合成球状物。此时的球状物还没有可交换基团，故也称为白球球状物。此时的球状物还没有可交换基团，故也称为白球或惰性树脂。或惰性树脂。v 第二阶段是在这种高分子聚合物上进行有机高分子反应，第二阶段是在这种高分子聚合物上进行有机高分子反应，引入活性基团，引入活性基团，成为反应性高分子材料，即离子交换树脂。成为反应性高分子材料，即离子交换树脂。v 也有些离子交换树脂是由已具备活
4、性基团的单体经过聚合，也有些离子交换树脂是由已具备活性基团的单体经过聚合，或在聚合过程中同步引入活性基团，或在聚合过程中同步引入活性基团，直接一步制得的，如直接一步制得的，如丙烯酸系树脂。丙烯酸系树脂。1 1、苯乙烯系离子交换树脂、苯乙烯系离子交换树脂v 应用最广泛的一种离子交换剂。应用最广泛的一种离子交换剂。（1 1）第一阶段：它是以苯乙烯和二乙烯苯聚合成的高分子化合物）第一阶段：它是以苯乙烯和二乙烯苯聚合成的高分子化合物为骨架。为骨架。v 二乙烯苯为交联剂二乙烯苯为交联剂，可以把两个苯乙烯聚合成的线性高分子交，可以把两个苯乙烯聚合成的线性高分子交联起来，使之成为体型高分子化合物。在聚合物中
5、起交联作用联起来，使之成为体型高分子化合物。在聚合物中起交联作用的二乙烯苯的质量百分率称为树脂的交联度，常用的二乙烯苯的质量百分率称为树脂的交联度，常用DVBDVB表示。表示。（2 2）第二阶段：引入活性基团，可以制得阳离子交换树脂，）第二阶段：引入活性基团，可以制得阳离子交换树脂，也可以制得阴离子交换树脂。也可以制得阴离子交换树脂。v 1 1）磺酸型苯乙烯系阳离子交换树脂）磺酸型苯乙烯系阳离子交换树脂v 2 2）苯乙烯系阴离子交换树脂）苯乙烯系阴离子交换树脂v 制造方法是先将聚苯乙烯氯甲基化，然后胺化。叔胺得强碱制造方法是先将聚苯乙烯氯甲基化，然后胺化。叔胺得强碱型。型。2 2、丙烯酸系离子
6、交换树脂、丙烯酸系离子交换树脂（1 1）第一阶段：它是以丙烯酸甲酯（甲基丙烯酸甲酯）与二）第一阶段：它是以丙烯酸甲酯（甲基丙烯酸甲酯）与二乙烯苯交联剂共聚而成。乙烯苯交联剂共聚而成。v 或写成或写成RCOOCH3RCOOCH3v 此聚合物上已带有活性基团，采用以下方法就可转化为阳此聚合物上已带有活性基团，采用以下方法就可转化为阳树脂或阴树脂树脂或阴树脂v 1 1）丙烯酸系羧酸型阳离子交换树脂）丙烯酸系羧酸型阳离子交换树脂v 2 2）丙烯酸系阴离子交换树脂）丙烯酸系阴离子交换树脂v 将将RCOOCH3RCOOCH3胺化。胺化。3RCOOCHRCOOH 2浓KOHH Ov 书写书写: :把树脂骨架
7、和固定离子用把树脂骨架和固定离子用R R表示，酸性树脂表示成表示，酸性树脂表示成RHRH，碱性表示成碱性表示成ROHROH；但这种方法不能反映出树脂酸碱性强弱，；但这种方法不能反映出树脂酸碱性强弱，v 有时写出固定离子，如：有时写出固定离子，如：v R-SOR-SO3 3H H，RCOOHRCOOH。v R-NR-N（CHCH3 3）3 3OHOH（I I），）， R-NR-N（CHCH3 3）2 2（C C2 2H H4 4OHOH）OHOH（IIII）。）。v RNHOHRNHOH（叔胺型），（叔胺型），RNHRNH2 2OHOH（仲胺型），（仲胺型）， RNHRNH3 3OHOH（伯胺型
8、）（伯胺型）。三、离子交换树脂的分类三、离子交换树脂的分类1 1、按、按活性基团的性质活性基团的性质分类分类v 阳离子交换树脂阳离子交换树脂：能与水中阳离子进行交换反应的称为阳离：能与水中阳离子进行交换反应的称为阳离子交换树脂；根据子交换树脂；根据H H离子电离的强弱程度分为：强酸性和弱离子电离的强弱程度分为：强酸性和弱酸性阳离子交换树脂酸性阳离子交换树脂v 阴离子交换树脂阴离子交换树脂：能与水中阴离子进行交换反应的称为阴离：能与水中阴离子进行交换反应的称为阴离子交换树脂。根据子交换树脂。根据OHOH根离子电离的强弱程度分为：强碱性和根离子电离的强弱程度分为：强碱性和弱碱性阴离子交换树脂弱碱性
9、阴离子交换树脂v 另外，按活性基团性质还可以分为螯合、两性和氧化还原等另外，按活性基团性质还可以分为螯合、两性和氧化还原等树脂。树脂。2 2、按、按树脂单体的种类树脂单体的种类分类分类v 有苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等有苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等3 3、按离子交换树脂孔结构分类、按离子交换树脂孔结构分类1 1）凝胶型树脂）凝胶型树脂v 许多不规则的网状高分子构成的，类似凝胶。许多不规则的网状高分子构成的，类似凝胶。v 孔径平均为孔径平均为12nm12nm，凝胶型树脂的孔眼由高分子链和交联剂，凝胶型树脂的孔眼由高分子链和交联剂相键合而形成，这些孔眼不是其原有的，而是当它浸入水中相键合而形成，这
10、些孔眼不是其原有的，而是当它浸入水中时，由于活性基团发生水化而显示出来的。时，由于活性基团发生水化而显示出来的。v 缺点：孔径小，交换速度较慢，易堵塞，易受有机物污染；缺点：孔径小，交换速度较慢，易堵塞，易受有机物污染；聚合反应总是二乙烯苯先反应完，所以机械强度较差。聚合反应总是二乙烯苯先反应完，所以机械强度较差。2 2）大孔型树脂）大孔型树脂(MR(MR型树脂型树脂) )v 2020一一100nm100nm以上。以上。v 大孔型树脂在制备高分子骨架时加入致孔剂，反应完成后再大孔型树脂在制备高分子骨架时加入致孔剂，反应完成后再抽取出来，这样就留下了永久网孔。不论是干的或湿的树脂，抽取出来，这样
11、就留下了永久网孔。不论是干的或湿的树脂，这些孔眼都可用电子显微镜看到。这些孔眼都可用电子显微镜看到。v 大孔型树脂的优点：孔径大，交换速度加快，能抗有机物的大孔型树脂的优点：孔径大，交换速度加快，能抗有机物的污染；交联度大，抗氧化性好和机械强度高。污染；交联度大，抗氧化性好和机械强度高。 v 缺点：是交换容量较低。缺点：是交换容量较低。第二代大孔型树脂第二代大孔型树脂1 1一一2020，四、离子交换树脂的命名四、离子交换树脂的命名v 根据国标根据国标GB 163179GB 163179离子交换树脂产品分类、命名及型号离子交换树脂产品分类、命名及型号制定。制定。v 1 1、全称、全称v 离子交换
12、树脂的全称由分类名称、骨架名称、基本名称依次离子交换树脂的全称由分类名称、骨架名称、基本名称依次排列组成。基本名称为离子交换树脂。大孔型树脂在全称前排列组成。基本名称为离子交换树脂。大孔型树脂在全称前加加“大孔大孔”两字。分类属酸性的在基本名称前加两字。分类属酸性的在基本名称前加“阳阳”字，字，分类属碱性的在基本名称前加分类属碱性的在基本名称前加“阴阴”字。字。v 2 2、型号、型号v 离子交换树脂产品的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数离子交换树脂产品的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品分类，第二位数字表示骨架组成，第三位数字为字代表产品分类，第二位数字表示骨架组成，第三位数字为顺
13、序号，用以区别活性基团或交联剂的差异。顺序号，用以区别活性基团或交联剂的差异。代号代号0 01 12 23 34 45 56 6分类名称分类名称强酸性强酸性弱酸性弱酸性强碱性强碱性弱碱性弱碱性螯合性螯合性两性两性氧化还原氧化还原性性骨架名称骨架名称苯乙烯苯乙烯系系丙烯酸丙烯酸系系酚醛系酚醛系环氧系环氧系乙烯吡啶乙烯吡啶系系脲醛系脲醛系氯乙烯系氯乙烯系第四位数字代表交联度（第四位数字代表交联度（% %）联结符号联结符号第三位数字代表顺序代号第三位数字代表顺序代号第二位数字代表骨架代号第二位数字代表骨架代号第一位数字代表分类（活第一位数字代表分类（活性基团）代号性基团）代号第三位数字代表顺序代号第
14、三位数字代表顺序代号第二位数字代表骨架代号第二位数字代表骨架代号第一位数字代表分类（活性基团）第一位数字代表分类（活性基团）代号代号大孔型代号大孔型代号凝胶型凝胶型大孔型大孔型0010017 7D301D301v 目前常用的四种交换树脂全称和型号分别为：目前常用的四种交换树脂全称和型号分别为：v 强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，型号为强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，型号为0010017 7；v 强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，型号为强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，型号为2012017 7；v 大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，型号为大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，型号为D113D113；v 大孔
15、型弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，型号为大孔型弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，型号为D301D301。 v GB/T1631-2008GB/T1631-2008离子交换树脂命名系统和基本规范离子交换树脂命名系统和基本规范增加增加了专用符号：了专用符号：R-R-软化器、软化器、MB-MB-混床、混床、FC-FC-浮床、浮床、SC-SC-双层床、双层床、MBP-MBP-凝结水混床、凝结水混床、P-P-凝结水单床、凝结水单床、TR-TR-三层混床用树脂。三层混床用树脂。五、离子交换树脂性能五、离子交换树脂性能1 1、物理性能、物理性能1 1）外观）外观v 颜色颜色。离子交换树脂是一种。离子交换树脂是一种
16、透明或半透明的物质透明或半透明的物质，依其组成，依其组成的不同，呈现的颜色也各异：的不同，呈现的颜色也各异：苯乙烯系均呈黄色苯乙烯系均呈黄色，其他也有，其他也有黑及赤褐色的。树脂的颜色和它的性能关系不大。一般地，黑及赤褐色的。树脂的颜色和它的性能关系不大。一般地，交联剂多的，原料中杂质多的，制出的树脂颜色稍深交联剂多的，原料中杂质多的，制出的树脂颜色稍深。树脂。树脂在使用中，由于可交换离子的转换或受杂质的污染等原因，在使用中，由于可交换离子的转换或受杂质的污染等原因，其颜色会发生变化，但这种变化不能确切表明它发生了什么其颜色会发生变化，但这种变化不能确切表明它发生了什么改变，所以只可以作为参考
17、。改变，所以只可以作为参考。v 形状形状。离子交换树脂一般均呈球形。树脂呈球状颗粒数占颗。离子交换树脂一般均呈球形。树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率，称为圆球率。对于交换柱水处理工艺来说，粒总数的百分率，称为圆球率。对于交换柱水处理工艺来说，圆球率愈大愈好，有利于树脂层中水流分布均匀和减小水流圆球率愈大愈好，有利于树脂层中水流分布均匀和减小水流阻力，它一般应达阻力，它一般应达9090以上。以上。2 2）粒度）粒度 树脂颗粒大小树脂颗粒大小v 树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。颗粒大，颗粒大，交换速度就慢；交换速度就慢；颗粒小，颗粒小，
18、水通过树脂层的压力损失就大。水通过树脂层的压力损失就大。 树脂颗粒均匀性树脂颗粒均匀性v 颗粒不均匀对水处理的工艺过程是不利的。颗粒不均匀对水处理的工艺过程是不利的。首先首先是因为小颗是因为小颗粒堵塞了大颗粒间的孔隙，水流不匀和阻力增大；粒堵塞了大颗粒间的孔隙，水流不匀和阻力增大；其次其次在反在反洗时流速过大会冲走小颗粒树脂，而流速过小，又不能松动洗时流速过大会冲走小颗粒树脂，而流速过小，又不能松动大颗粒。大颗粒。 树脂的粒度树脂的粒度v 表示树脂粒度的指标有：表示树脂粒度的指标有：有效粒径、均一系数、粒径范围有效粒径、均一系数、粒径范围。 v 有效粒径有效粒径是指有是指有90%90%树脂树脂
19、体积体积未能通过未能通过的筛孔孔径（的筛孔孔径（mmmm），用），用d d9090表示。表示。v 均一系数均一系数是指有是指有40%40%树脂树脂体积体积未能通过未能通过的筛孔孔径（用的筛孔孔径（用d d4040表示）表示）与与d d9090之比值，用之比值，用K K4040表示。表示。v 均一系数越小，树脂颗粒也越均匀。均一系数越小，树脂颗粒也越均匀。v 粒径范围粒径范围一般为一般为0.3151.250mm0.3151.250mm。 v 注：树脂通常是湿态下使用，所以在进行树脂粒度分布测定时，注：树脂通常是湿态下使用，所以在进行树脂粒度分布测定时，是将完全水化的树脂在湿态下进行筛分测定。是将
20、完全水化的树脂在湿态下进行筛分测定。3 3）密度）密度v 离子交换树脂的密度是水处理工艺中的实用数据。离子交换离子交换树脂的密度是水处理工艺中的实用数据。离子交换树脂的密度有以下几种表示法：树脂的密度有以下几种表示法：v (1)(1)干真密度。干真密度即在干燥状态下树脂本身的密度：干真密度。干真密度即在干燥状态下树脂本身的密度：v 真体积是指树脂的排液体积，不包括颗粒内的孔隙和颗粒间真体积是指树脂的排液体积，不包括颗粒内的孔隙和颗粒间的空隙。求真体积时，用不会使树脂溶胀的溶剂，如甲苯。的空隙。求真体积时，用不会使树脂溶胀的溶剂，如甲苯。v 此值一般为此值一般为1.61.6左右，在实用上意义不大
21、，常用在研究树脂性左右，在实用上意义不大，常用在研究树脂性能方面。能方面。g/ml干树脂质量干真密度树脂的真体积(2)湿真密度。是指树脂在水中经充分膨胀后的真密度： 这里的湿树脂真体积，是指颗粒在湿状态下的体积，即包括这里的湿树脂真体积，是指颗粒在湿状态下的体积，即包括颗粒网孔的体积，但颗粒和颗粒间的孔隙不应算入。颗粒网孔的体积，但颗粒和颗粒间的孔隙不应算入。 湿真密度和树脂在水中的沉降性能有关，它是影响其实际应湿真密度和树脂在水中的沉降性能有关，它是影响其实际应用性能的一个指标。此数值一般在用性能的一个指标。此数值一般在1.04-1.31.04-1.3之间。之间。阳树脂常阳树脂常比阴树脂的湿
22、真密度大。比阴树脂的湿真密度大。(3)(3)湿视密度。是指树脂在水中经充分膨胀后的堆积密度：湿视密度。是指树脂在水中经充分膨胀后的堆积密度： 湿视密度用来计算交换器中装载树脂时所需湿树脂的质量，湿视密度用来计算交换器中装载树脂时所需湿树脂的质量，此值一般在此值一般在0.600.850.600.85之间。密度与骨架及交换基团性质、之间。密度与骨架及交换基团性质、交联度等有关。交联度等有关。g/ml湿树脂质量湿真密度湿树脂的真体积g/ml湿树脂质量湿视密度湿树脂的堆体积4 4）含水率）含水率v树脂的含水率通常是把湿树脂表面的游离水除树脂的含水率通常是把湿树脂表面的游离水除去后，用单位质量湿树脂颗粒
23、网孔内，所含水去后，用单位质量湿树脂颗粒网孔内，所含水分的百分率来表示，一般在分的百分率来表示，一般在50%50%左右。左右。v它可以反映交联度和网眼中的孔隙率。树脂的它可以反映交联度和网眼中的孔隙率。树脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交联度愈含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交联度愈小。小。5 5）溶胀性）溶胀性v 当干的离子交换树脂浸入水中时，其体积会膨胀，这种现当干的离子交换树脂浸入水中时，其体积会膨胀，这种现象称为象称为溶胀溶胀。溶胀是高分子材料在某些溶剂中常表现出的。溶胀是高分子材料在某些溶剂中常表现出的现象。一是现象。一是不可逆不可逆的，即新树脂经溶胀后，如重新干燥，的，即新树脂
24、经溶胀后，如重新干燥，它不再恢复到原来的大小；另一种是它不再恢复到原来的大小；另一种是可逆可逆的，即当树脂浸的，即当树脂浸入水时就会溶胀，干燥时又会恢复。影响溶胀的因素有：入水时就会溶胀，干燥时又会恢复。影响溶胀的因素有：交联度交联度，交联度越大，溶胀性越小。，交联度越大，溶胀性越小。活性基团，此基团越容易电离，树脂溶胀性越强；此基团活性基团，此基团越容易电离，树脂溶胀性越强；此基团越多，交换容量越大，吸水性越强，溶胀性越强。越多，交换容量越大，吸水性越强，溶胀性越强。溶液浓度，溶液中离子浓度越大，树脂溶胀性越小。溶液浓度，溶液中离子浓度越大，树脂溶胀性越小。可交换离子，可交换离子价可交换离子
25、，可交换离子价数越高，溶胀性越差数越高，溶胀性越差；水；水合合能力越强，溶胀性越强能力越强，溶胀性越强，对于强酸和强碱性离子交换树，对于强酸和强碱性离子交换树脂，溶胀率大小的次序为：脂，溶胀率大小的次序为：v H H+ +NaNa+ +NHNH4 4+ +K K+ +AgAg+ +v OHOH- -HCOHCO3 3- -COCO3 32-2-SOSO4 42-2-C1C1- -v 当树脂当树脂由一种离子型转为另一种离子型时由一种离子型转为另一种离子型时，其体积就会，其体积就会发生变化，此时树脂体积改变的百分数称为发生变化，此时树脂体积改变的百分数称为树脂转型体树脂转型体积改变率。积改变率。v
26、 由于离子交换树脂具有这样的性能，因而在其交换相再由于离子交换树脂具有这样的性能，因而在其交换相再生的过程中会发生胀缩现象，多次的胀缩就容易促使树生的过程中会发生胀缩现象，多次的胀缩就容易促使树脂颗粒碎裂脂颗粒碎裂。6 6）机械强度）机械强度v 树脂在使用过程中，由于相互摩擦、挤压及周期性的转型使树脂在使用过程中，由于相互摩擦、挤压及周期性的转型使其体积胀缩等，都可能致使树脂颗粒的破裂，影响树脂的正其体积胀缩等，都可能致使树脂颗粒的破裂，影响树脂的正常使用。因此，离子交换树脂必须具有良好的机械强度。常使用。因此，离子交换树脂必须具有良好的机械强度。v 树脂机械强度的指标，采用行业标准规定的树脂
27、机械强度的指标，采用行业标准规定的磨后圆球率磨后圆球率和和渗渗磨圆球率磨圆球率。v 磨后圆球率：按规定称取一定量的磨后圆球率：按规定称取一定量的湿树脂湿树脂，放入装有瓷球的，放入装有瓷球的滚筒中滚磨，磨后的滚筒中滚磨，磨后的树脂圆球颗粒占样品总量的质量百分数树脂圆球颗粒占样品总量的质量百分数。v 渗磨圆球率：将树脂用渗磨圆球率：将树脂用酸碱反复转型酸碱反复转型，然后用前述方法测得，然后用前述方法测得的树脂磨后圆球率。表示的树脂磨后圆球率。表示树脂耐渗透压能力树脂耐渗透压能力。新标准用新标准用此法表示凝胶和大孔树脂机械强度。此法表示凝胶和大孔树脂机械强度。7 7）耐热性）耐热性v 各种树脂所能承
28、受的温度都有限度，超过此温度，各种树脂所能承受的温度都有限度，超过此温度，树脂热树脂热分解的现象就很严重。分解的现象就很严重。由于各种树脂的耐热性能不一，所由于各种树脂的耐热性能不一，所以对每种树脂能承受的最高温度，应由鉴定试验来确定。以对每种树脂能承受的最高温度，应由鉴定试验来确定。v 一般规律是：一般规律是：阳树脂阳树脂比阴树脂耐热性强。比阴树脂耐热性强。盐型树脂盐型树脂要比游离酸或碱型树脂耐热性强。要比游离酸或碱型树脂耐热性强。I I型型强碱树脂比强碱树脂比IIII型强碱树脂耐热性强。型强碱树脂耐热性强。弱碱性基团弱碱性基团比强碱性基团耐热性强。比强碱性基团耐热性强。苯乙烯系苯乙烯系强碱
29、性树脂比丙烯酸性强碱性树脂耐热性强。强碱性树脂比丙烯酸性强碱性树脂耐热性强。v 一般苯乙烯系磺酸型阳树脂可耐一般苯乙烯系磺酸型阳树脂可耐100100或更高的温度；苯乙或更高的温度；苯乙烯系阴树脂，强碱性的约可耐烯系阴树脂，强碱性的约可耐6060，弱碱性的可耐，弱碱性的可耐8080以以上，丙烯酸系强碱阴树脂的使用温度应低于上，丙烯酸系强碱阴树脂的使用温度应低于38 38 。8 8）导电性）导电性v干燥的离子交换树脂不导电，湿树脂因有离解干燥的离子交换树脂不导电，湿树脂因有离解的离子可以导电，阳树脂的导电率比阴树脂大，的离子可以导电，阳树脂的导电率比阴树脂大，这一点可用在混合树脂分离的检测上。树脂
30、的这一点可用在混合树脂分离的检测上。树脂的导电性在离子交换膜的应用上也很重要。导电性在离子交换膜的应用上也很重要。2 2、化学性能、化学性能1 1）可逆性）可逆性v 离子交换反应是可逆的，例如当以含有硬度的水通过离子交换反应是可逆的，例如当以含有硬度的水通过H H型离型离子交换树脂时，其反应如下式：子交换树脂时，其反应如下式：2RH+Ca2RH+Ca2+2+RR2 2Ca+2HCa+2H+ + v 当反应进行到失效后，为了恢复离子交换树脂交换能力，当反应进行到失效后，为了恢复离子交换树脂交换能力，就可以利用离子交换反应的可逆性，用硫酸或盐酸溶液通就可以利用离子交换反应的可逆性，用硫酸或盐酸溶液
31、通过此失效的离子交换树脂，以恢复其交换能力，其反应如过此失效的离子交换树脂，以恢复其交换能力，其反应如下式：下式：R R2 2Ca+2HCa+2H+ + 2RH+Ca 2RH+Ca2+2+ v 离子交换反应的可逆性，是离子交换树脂可以反复使用的离子交换反应的可逆性，是离子交换树脂可以反复使用的重要性质。重要性质。2 2）酸、碱性）酸、碱性v H H型阳离子交换树脂和型阳离子交换树脂和OHOH型阴离子交换树脂的性能与电解质型阴离子交换树脂的性能与电解质酸、碱相同。在水中有电离出酸、碱相同。在水中有电离出H H+ +和和OHOH- -的能力。因此，根据此的能力。因此，根据此能力的大小可以有强弱之分
32、。例如：能力的大小可以有强弱之分。例如：v 强酸性阳树脂：磺酸型强酸性阳树脂：磺酸型RSORSO3 3H H；v 弱酸性阳树脂：羧酸型弱酸性阳树脂：羧酸型RCOOHRCOOH；v 强碱性阴树脂：季铵型强碱性阴树脂：季铵型RNOHRNOH；v 弱碱性阴树脂：伯胺型弱碱性阴树脂：伯胺型R-NHR-NH3 3OHOH，仲胺型，仲胺型R RNHNH2 2OHOH， 叔胺型叔胺型RNHOHRNHOH。v 也有些离子交换树脂介于上述强弱之间，例如也有些离子交换树脂介于上述强弱之间，例如RPORPO3 3H H2 2（膦酸（膦酸基）型离子交换树脂就是中等酸性的。基）型离子交换树脂就是中等酸性的。3 3）中和
33、与水解）中和与水解v 离子交换树脂的中和与水解的性能和通常的电解质一样。离子交换树脂的中和与水解的性能和通常的电解质一样。H H型离子交换树脂和碱溶液会进行中和反应，如下式：型离子交换树脂和碱溶液会进行中和反应，如下式：RSORSO3 3H+NaOHRSOH+NaOHRSO3 3Na+HNa+H2 2O Ov 因此，因此，H H型离子交换树脂酸性的强弱，和一种化合物酸性的型离子交换树脂酸性的强弱，和一种化合物酸性的强弱一样。可用测定滴定曲线的办法来求得。强弱一样。可用测定滴定曲线的办法来求得。v 它的水解反应也和通常电解质的水解反应一样，当水解产物它的水解反应也和通常电解质的水解反应一样，当水
34、解产物有弱酸或弱碱时，水解度就较大如下式：有弱酸或弱碱时，水解度就较大如下式：RCOONa + HRCOONa + H2 2ORCOOH+NaOHORCOOH+NaOHRNHRNH3 3Cl+HCl+H2 2ORNHORNH3 3OH+HCl OH+HCl v 所以，具有弱酸性基团和弱碱性基团的离子交换树脂的盐型，所以，具有弱酸性基团和弱碱性基团的离子交换树脂的盐型，容易水解。容易水解。4 4）选择性）选择性v 离子交换树脂吸着各种离子的能力不一，有些离子易被交换离子交换树脂吸着各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸着，但吸着后要把它置换下来就比较困难；而另一些树脂吸着，但吸着后要把它置换
35、下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的离子交换的选择性选择性。选择性会影响到离子交换树树的。选择性会影响到离子交换树树的交换和交换和再生再生过程，故在实际应用中是一个很重要的问题。过程，故在实际应用中是一个很重要的问题。v 离子交换树脂的选择性主要取决于离子交换树脂的选择性主要取决于被交换离子的结构被交换离子的结构。v 一是离子带的电荷数，离子所一是离子带的电荷数，离子所带电荷数越多，则越易被吸着带电荷数越多，则越易被吸着，这是因为离子电荷数越多，与活性基团固定离子间的静电引这是因为离子电荷数越
36、多，与活性基团固定离子间的静电引力越大，因而亲和力也越大；力越大，因而亲和力也越大；v 二是对于带有相同电荷的离子，二是对于带有相同电荷的离子，原子序数大者较易于被吸着原子序数大者较易于被吸着，这是因为原子序数大者，形成的水合离子半径小，与活性基这是因为原子序数大者，形成的水合离子半径小，与活性基团固定离子间的引力大。团固定离子间的引力大。v 此外离子交换树脂的选择性还与树脂的交联度、活性基团、此外离子交换树脂的选择性还与树脂的交联度、活性基团、可交换离子的性质、水中离子浓度等因素有关可交换离子的性质、水中离子浓度等因素有关。树脂在常温、稀溶液中对常见离子的选择性顺序如下：树脂在常温、稀溶液中
37、对常见离子的选择性顺序如下：v 强酸性阳离子交换树脂：强酸性阳离子交换树脂：v 弱酸性阳离子交换树脂：弱酸性阳离子交换树脂：v 强碱性阴离子交换树脂：强碱性阴离子交换树脂：v 弱碱性阴离子交换树脂：弱碱性阴离子交换树脂：33224FeAlCaMgKNHNaH33224HFeAlCaMgKNHNa24333SONOClOHHCOHSiO2433OHSONOClHCO5 5）交换容量）交换容量v 离子交换树脂的交换容量表示离子交换树脂交换能力大小离子交换树脂的交换容量表示离子交换树脂交换能力大小的一项性能指标，指的是单位质量或体积的离子交换树脂的一项性能指标，指的是单位质量或体积的离子交换树脂所具
38、有的（或发挥作用的）离子交换基团的数量。所具有的（或发挥作用的）离子交换基团的数量。v 其表示单位有以下两种：其表示单位有以下两种：v 一种是一种是质量表示法质量表示法，通常用，通常用mmolmmolg g表示；表示；v 另一种是另一种是体积表示法体积表示法，通常用，通常用mmolmmolL L表示，这里的体积指表示，这里的体积指湿状态下树脂的堆体积。湿状态下树脂的堆体积。v 今将常用的全交换容量、工作交换容量叙述如下。今将常用的全交换容量、工作交换容量叙述如下。（1 1）全交换容量）全交换容量v 此指标表示离子交换树脂中所有此指标表示离子交换树脂中所有活性基团上可交换离子活性基团上可交换离子
39、的总量的总量，对于同一种离子交换树脂来说，它是常数。这，对于同一种离子交换树脂来说，它是常数。这种交换容量主要用于离子交换树脂的研究方面。种交换容量主要用于离子交换树脂的研究方面。v 交换容量的质量表示法和体积表示法之间的关系如下：交换容量的质量表示法和体积表示法之间的关系如下：v 式中式中q qv v为体积交换容量，为体积交换容量，mmol/L(mmol/L(湿树脂湿树脂) )；q qm m为质量交为质量交换容量，换容量，mmol/g(mmol/g(干树脂干树脂) )；W W为含水率；为含水率；s s为湿视密度。为湿视密度。(1)vmsqqW（2 2）工作交换容量）工作交换容量v 表示树脂在
40、给定的工作条件下，表示树脂在给定的工作条件下，实际发挥的交换容量，单实际发挥的交换容量，单位用体积表示法位用体积表示法。所谓工作条件一般指在柱式交换中，一。所谓工作条件一般指在柱式交换中，一定浓度溶液以一定速度通过一定高度的树脂层，至流出液定浓度溶液以一定速度通过一定高度的树脂层，至流出液中被去除离子泄漏量得到一定值时，树脂所表现出来的交中被去除离子泄漏量得到一定值时，树脂所表现出来的交换能力。所以工作交换容量是一种工艺指标。换能力。所以工作交换容量是一种工艺指标。v 树脂工作交换容量除了与树脂本身性能有关外，还与工作树脂工作交换容量除了与树脂本身性能有关外，还与工作条件有关，工作条件通常包括
41、进水水质，终点控制标准、条件有关，工作条件通常包括进水水质，终点控制标准、树脂层高、再生剂种类、再生剂用量、再生方式等。树脂层高、再生剂种类、再生剂用量、再生方式等。6 6）化学稳定性）化学稳定性v 树脂的化学稳定性主要是树脂的化学稳定性主要是指活性基团的稳定性指活性基团的稳定性，以及，以及它的它的抗氧化性能抗氧化性能和和抗辐射性能抗辐射性能。v 各种氧化剂对树脂都有氧化作用，会破坏树脂的交联各种氧化剂对树脂都有氧化作用，会破坏树脂的交联及活性基团。树脂耐氧化性能差别很大。通常，聚苯及活性基团。树脂耐氧化性能差别很大。通常，聚苯乙烯系树脂比酚醛系树脂耐氧化性好；乙烯系树脂比酚醛系树脂耐氧化性好
42、；大孔型树脂比大孔型树脂比凝胶型树脂抗氧化性好；交联度高的树脂抗氧化性好凝胶型树脂抗氧化性好；交联度高的树脂抗氧化性好。交联度增加，阳树脂抗氧化能力明显增加，但对阴树交联度增加，阳树脂抗氧化能力明显增加，但对阴树脂不明显。脂不明显。六、离子交换树脂的交换原理六、离子交换树脂的交换原理v 离子交换树脂具有凝胶状结构，其离子交换过程可用离子交换树脂具有凝胶状结构，其离子交换过程可用双双电层理论电层理论解释。解释。v 双电层理论认为，树脂分子上的可交换离子在水溶液中双电层理论认为，树脂分子上的可交换离子在水溶液中能发生电离，从而使树脂活性基团上留有与可交换离子能发生电离，从而使树脂活性基团上留有与可
43、交换离子符号相反的电荷，形成符号相反的电荷，形成正电场或负电场正电场或负电场，在，在静电引力和静电引力和浓差扩散推动力浓差扩散推动力两种相反力的作用下，形成双电层结构，两种相反力的作用下，形成双电层结构，其情形与胶体的双电层结构相同。离子交换作用发生在其情形与胶体的双电层结构相同。离子交换作用发生在水溶液中的离子和双电层中的反离子之间。水溶液中的离子和双电层中的反离子之间。 如磺酸型阳树脂能离解出可如磺酸型阳树脂能离解出可交换离子，这种离子可在较大交换离子，这种离子可在较大的范围内自由移动，扩散到溶的范围内自由移动，扩散到溶液中，同时，在溶液中的同类液中，同时，在溶液中的同类电荷离子也能从溶液
44、中扩散到电荷离子也能从溶液中扩散到整个树脂的网孔内，在两种离整个树脂的网孔内，在两种离子之间的浓度差推动力作用下，子之间的浓度差推动力作用下，它们进行扩散和相互交换。改它们进行扩散和相互交换。改变离子交换环境条件，使树脂变离子交换环境条件，使树脂上的可交换离子发生可逆反应上的可交换离子发生可逆反应。v 、离子交换过程、离子交换过程v 离子交换过程不单是离子间交换位置，还包括离子在水溶液和离子交换过程不单是离子间交换位置，还包括离子在水溶液和树脂颗粒内部的扩散过程。以水溶液中离子与树脂中离子树脂颗粒内部的扩散过程。以水溶液中离子与树脂中离子的交换反应过程为例，实际包括个步骤，具体步骤如下：的交换
45、反应过程为例，实际包括个步骤，具体步骤如下： 主体水溶液中离子向树脂表面扩散；主体水溶液中离子向树脂表面扩散； 离子扩散通过树脂表面边界水膜；离子扩散通过树脂表面边界水膜； 离子在树脂颗粒孔眼中扩散到达有效位置；离子在树脂颗粒孔眼中扩散到达有效位置； 在交换位置上离子与离子进行交换反应；在交换位置上离子与离子进行交换反应； 被交换下来的离子在树脂颗粒网孔中向颗粒表面扩散；被交换下来的离子在树脂颗粒网孔中向颗粒表面扩散； 离子扩散通过树脂表面边界水膜；离子扩散通过树脂表面边界水膜； 离子从树脂表面扩散进入主体溶液。离子从树脂表面扩散进入主体溶液。第二节离子交换速度第二节离子交换速度v 、均是离子
46、的扩散过程，均是离子的扩散过程，其中、步是离子在其中、步是离子在边界水膜中的扩散，称边界水膜中的扩散，称为膜扩散；为膜扩散；v 、步是离子在树脂、步是离子在树脂颗粒内网孔中的扩散，颗粒内网孔中的扩散，称为颗粒内扩散或内扩称为颗粒内扩散或内扩散。散。、速度控制步骤、速度控制步骤v 由于水不断在树脂颗粒间流动，起到了一种混合或搅由于水不断在树脂颗粒间流动，起到了一种混合或搅拌的作用，这就使上述、两个过程很快地完成而拌的作用，这就使上述、两个过程很快地完成而不至影响交换速度。第步属于离子间的化学反应，不至影响交换速度。第步属于离子间的化学反应，通常是很快完成的。所以，控制离子交换速度的步骤通常是很快
47、完成的。所以，控制离子交换速度的步骤通常是膜扩散或颗粒内扩散过程。当然，也有可能是通常是膜扩散或颗粒内扩散过程。当然，也有可能是两种过程都影响交换速度的中间状态。两种过程都影响交换速度的中间状态。、影响离子交换速度的工艺条件、影响离子交换速度的工艺条件v 离子交换速度受许多工艺条件的影响，如果速度控制离子交换速度受许多工艺条件的影响，如果速度控制步骤不同，则各种工艺条件对离子交换速度影响的差步骤不同，则各种工艺条件对离子交换速度影响的差别也是很明显的。下面讨论离子交换柱运行工况对离别也是很明显的。下面讨论离子交换柱运行工况对离子交换速度的影响。子交换速度的影响。）溶液浓度）溶液浓度v 浓度梯度
48、是离子扩散的推动力，所以溶液浓度是影响浓度梯度是离子扩散的推动力，所以溶液浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，扩散速度越快。水扩散速度的重要因素，浓度越大，扩散速度越快。水溶液中离子浓度对溶液中离子浓度对内扩散和膜扩散内扩散和膜扩散有不同程度的影响。有不同程度的影响。v 当水溶液中离子浓度较大，在当水溶液中离子浓度较大，在0.1mol/L0.1mol/L以上时，膜扩散以上时，膜扩散的速度已较快，此时交换速度主要受内扩散的支配，即的速度已较快，此时交换速度主要受内扩散的支配，即内扩散是决定性阶段内扩散是决定性阶段，这相当于水处理工艺中树脂，这相当于水处理工艺中树脂再生再生时的情况。若水溶液中
49、电解质的浓度较小，在时的情况。若水溶液中电解质的浓度较小，在0.003 0.003 mol/Lmol/L以下时，膜扩散的速度就变得非常慢，故以下时，膜扩散的速度就变得非常慢，故交换速交换速度受膜扩散支配度受膜扩散支配，这相当于离子交换除盐时的情况。当，这相当于离子交换除盐时的情况。当然，溶液中离子然，溶液中离子浓度变化浓度变化时，树脂时，树脂因膨胀或收缩也会影因膨胀或收缩也会影响到内扩散响到内扩散。1nIn1nIn）流速和搅拌速率）流速和搅拌速率v 交换过程中的搅拌或提高水的流速，只能加快交换过程中的搅拌或提高水的流速，只能加快膜扩散膜扩散，但但不能影响内扩散不能影响内扩散。这是由于。这是由于
50、边界水膜厚度反比与流边界水膜厚度反比与流速或搅拌速度速或搅拌速度，而颗粒，而颗粒内扩散内扩散过程基本上过程基本上不受流速或不受流速或搅拌速度变化影响。搅拌速度变化影响。v 在离子交换设备运行中，提高水的流速不仅可以提高在离子交换设备运行中，提高水的流速不仅可以提高设备出力还可以加快离子交换速度。当然，水流速度设备出力还可以加快离子交换速度。当然，水流速度也不是越快越好，也不是越快越好，流速太大时流速太大时，水流，水流阻力阻力也会迅速也会迅速增增加，加，出水水质可能恶化。通常，出水水质可能恶化。通常，再生过程受颗粒内扩再生过程受颗粒内扩散控制散控制，因此，再生液流速的提高，因此，再生液流速的提高
