第周，第22讲次课程名称：《水质工程学I》摘要S7-3离子交换基本原理授课题目（章、节）【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】S7-3离子交换基本原理原理：交换剂在不同浓度下，对不同离子的亲和力不同。一、离子交换：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：R—SO.H+NaOH-→R—SO.Na+H20（中和反应）R-SO,H+NaC1→RSO,Na+HC1（中性盐分解反应）2R—SO,Na+CaC12→（R—SOs）2Ca+2NaC1（复式分解反应）是交换剂上可交换的活动离子与溶液中的同性离子进行交换二、交换剂分类：
课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 22 讲次 摘 要 授课题目（章、节） §7-3 离子交换基本原理 【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。 【重 点】 【难 点】 内 容 【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】 §7-3 离子交换基本原理 原理：交换剂在不同浓度下，对不同离子的亲和力不同。 一、离子交换：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：R—SO3H+NaOH→R—SO3Na+H2O（中和反应） R—SO3H+NaCl→R—SO3Na+HCl（中性盐分解反应） 2R—SO3Na+CaCl2→（R—SO3）2Ca+2NaCl（复式分解反应） 是交换剂上可交换的活动离子与溶液中的同性离子进行交换。 二、交换剂分类：
（无机一天然沸石，合成沸石（如铝式硅酸盐）碳质一磺化煤厂苯乙烯系酚醛系据单体种类分类离子交换剂丙烯酸系一凝胶型大孔型据结构分类人L等孔型强酸—S02-（有机中酸—PO.-阳离子合成离子据化学交换树脂弱酸一COO交换性质分阴离子强碱一CH,N树脂交换树脂L弱碱一NH"三、离子交换树脂的构成骨架（母体）：固定部分，不能自由移动，构成固定离子。两部分C固定离子：如一S03-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。四、交换树脂的命名与型号：
无机—天然沸石，合成沸石（如铝式硅酸盐） 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—PO3 2－ 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+ 三、离子交换树脂的构成： 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。 四、交换树脂的命名与型号：
例：D001X7D一大孔型，可有可无0一第一位数代表分类代号；分类代号（第一位数字）表21-3号23代015分类名称强酸性弱酸性强碱性弱碱性整合性两性氧化还原0一第二位数代表骨架代号表；骨架代号（第二位数字）表21-4号代012345O骨架名称苯乙烯系丙烯酸系醛系环氧系乙烯吡啶系脉醛系氯之烯系1一顺序号7一交联度（后面介绍）五、离了交换树脂的基本性能1、外观：形状：球形Φ0.3~1.2mm（16~50目筛）颜色：乳白，淡黄，棕褐色，半透明状。2、交联度：指交联剂在树脂中所占的比例。不加交联剂的树脂为胶状体，交联剂一般为二乙烯苯。二乙烯苯（重量）交联度=苯乙烯+二乙烯苯水处理应用，一般为7～10%为宜，→使孔道宽度为2～4nm。交联度影响着树脂的：交换容量，含水率，溶胀性，机械强度等性能。3、含水率：以每克湿树脂所含水份的百分比表示（约50%）交联小→孔隙率大→含水率大
例： D001×7 D—大孔型，可有可无； 0—第一位数代表分类代号； 0—第二位数代表骨架代号表； 1—顺序号 7—交联度（后面介绍） 五、离了交换树脂的基本性能 1、外观：形状：球形 Φ0.3～1.2mm(16～50目筛) 颜色：乳白，淡黄，棕褐色，半透明状。 2、交联度：指交联剂在树脂中所占的比例。 不加交联剂的树脂为胶状体，交联剂一般为二乙烯苯。 ( ) % 苯乙烯 二乙烯苯 二乙烯苯 重量 交联度 + = 水处理应用，一般为7～10%为宜，→使孔道宽度为2～4nm。 交联度影响着树脂的：交换容量，含水率，溶胀性，机械强度等性能。 3、含水率：以每克湿树脂所含水份的百分比表示（约 50%） 交联小→孔隙率大 →含水率大
4、溶胀性：干树脂浸水后体积膨胀一一称绝对溶胀树脂转型号时（如由钠型转换为氢型）体积也有变化一一称为相对溶胀。溶胀原因：活性基团遇水而电离出的离子起水合作用生成水合离子，使交联网孔胀大。5、密度：湿真密度：树脂溶胀后的重量和本身所占体积之比（不包括粒间空隙）（计算树指体积用）强酸约为1.3g/ml强碱约为1.1g/ml湿树脂质量湿真密度：(g/ml)树脂颗粒本身所占体积湿视密度：树脂溶胀后的重量和其堆积体积之比（包括粒间空隙）（也称堆密度）一般为0.60~0.85g/ml（计算填装数量用）湿树脂质量湿视密度=树脂堆积体积(g/ml)6、交换容量：表示树脂离子交换能力大小的量度，单位：mmol/g（干树脂）或mmol/L（湿树脂）（1）总交换容量：单位重量或体积的树脂，所具有的全部可交换离子（交联度占去
4、溶胀性： 干树脂浸水后体积膨胀——称绝对溶胀。 树脂转型号时（如由钠型转换为氢型）体积也有变化——称为 相对溶胀。 溶胀原因：活性基团遇水而电离出的离子起水合作用生成水合离 子，使交联网孔胀大。 5、密度： 湿真密度：树脂溶胀后的重量和本身所占体积之比（不包括粒间空隙） （计算树指体积用） 强酸约为 1.3g/ml 强碱约为 1.1g/ml (g / ml) 树脂颗粒本身所占体积 湿树脂质量 湿真密度 = 湿视密度：树脂溶胀后的重量和其堆积体积之比（包括粒间空隙） （也称堆密度） 一般为 0.60～0.85g/ml(计算填装数量用) (g / ml) 树脂堆积体积 湿树脂质量 湿视密度 = 6、交换容量： 表示树脂离子交换能力大小的量度，单位：mmol/g（干树脂） 或 mmol/L（湿树脂） （1）总交换容量： 单位重量或体积的树脂，所具有的全部可交换离子（交联度占去
8%）的mol数。="mmol /L或qm="mmoll gqy=Vm以当量粒子为基本单元。qi=qm×（1-含水率%）×湿视密度（2）工作交换容量：Qop树脂在给定工作条件下的实际交换能力与工作条件有关：再生方式，原水含盐量组成，水流速度，树脂层高度，再生剂用量等。一般由模拟实验确定。或参考相似工作环境数据。7、有效PH范围：强酸、强碱型电离能力强，对PH无要求。弱酸型在PH值低时，不易离解：要求PH=5～14弱碱型在PH值高时，不易离解：要求PH=0～7各种类型树脂有效pH 值范围强酸性羽酸性强碱性明碱性树脂类型1~120~7有效pH值范圈1-145~148、其它性能：耐腐性，耐热性，抗氧化性等。六、离子交换平衡：1、离子交换平衡式：R—A+B* R—B+A（1）离子交换所遵循的规律：
8%）的 mol 数。 mmol g m n mmol L q V n q B m B V = / 或 = / 以当量粒子为基本单元。 qv=qm×（1-含水率%）×湿视密度 （2）工作交换容量：qop 树脂在给定工作条件下的实际交换能力。 与工作条件有关：再生方式，原水含盐量组成，水流速度，树脂 层高度，再生剂用量等。 一般由模拟实验确定。或参考相似工作环境数据。 7、有效PH范围： 强酸、强碱型电离能力强，对PH无要求。 弱酸型在PH值低时，不易离解：要求 PH=5～14 弱碱型在PH值高时，不易离解：要求 PH=0～7 8、其它性能： 耐腐性，耐热性，抗氧化性等。 六、离子交换平衡： 1、离子交换平衡式： R—A+B+ R—B+A+ （1）离子交换所遵循的规律：
i反应等当量地进行。（电子数的平衡）ii反应是可逆的。（2）离子交换进行的条件：i只有降低生成物离子的浓度，反应才进行彻底。i当树脂失效时，可再生（逆反应原理）。2、离子交换的选择性：（1）定义：树脂对水中浓度大致相同的两种同性离子，有不同的结合能力，对其中一种优先交换，这就叫树脂的选择性。（2）离子交换选择性系数：一 cR-B+dAaR —A*+bB* :据质量作用定律：[R- B+.[A+的K-AB+[R- B+I[R-A+或：KB*[B]7Mp一价对一价离子交换：R—A*+B*R—B+A（B"）一浓度，mmol/L（R—B*）一树脂相中离子浓度。一称为B换A的选择系数
ⅰ反应等当量地进行。（电子数的平衡） ⅱ反应是可逆的。 （2）离子交换进行的条件： ⅰ只有降低生成物离子的浓度，反应才进行彻底。 ⅱ当树脂失效时，可再生（逆反应原理）。 2、离子交换的选择性： （1）定义：树脂对水中浓度大致相同的两种同性离子，有不同的结 合能力，对其中一种优先交换，这就叫树脂的选择性。 （2）离子交换选择性系数： aR — A + +bB+ cR—B + +dA+ 据质量作用定律： a b c d B A K A B R B A K + + + + − − = + + 或： d b a c B A A B R A R B K + + + + − − = + + 一价对一价离子交换： R—A + +B+ R—B + +A+ 〔B +〕—浓度，mmol/L 〔R—B +〕—树脂相中离子浓度。 — 称为B +换A +的选择系数
大于1：对B亲合力>对A亲合力，反应向右进行；小于1：对B亲合力<对A亲合力，反应向左进行（3）用离子浓度分率表示选择系数：令：Co=（A*）+(Bt)溶液中两交换离子总浓度mmo1/LCg= (B*)溶相中（B）浓度mmol/Lqo= (R—A") + (R-B")树脂全交换容量mmol/Lqe= (R—B")固相中（B）浓度mmol/L则：代入上式中得：式中：
大于 1：对 B +亲合力>对 A +亲合力，反应向右进行； 小于 1：对 B +亲合力<对 A +亲合力，反应向左进行。 （3）用离子浓度分率表示选择系数： 令：C0=〔A +〕+〔B +〕 溶液中两交换离子总浓度 mmol/L CB=〔B +〕 溶相中〔B +〕浓度 mmol/L q0=〔R—A +〕+〔R—B +〕 树脂全交换容量 mmol/L qB=〔R—B +〕 固相中〔B +〕浓度 mmol/L 则： 代入上式中得： 式中：
一树脂中B离子浓度与其全部交换容量之比。一溶液中B离子浓度与其总离子浓度之比交换平衡曲线：二价对一价离子交换反应通式：2R—A*+B2R2—B2*+2A选择系数：或：交换平衡曲线（4）交换选择性顺序：强酸性树脂：（位于前边的离子可以从树脂上交换出后序离子）Fe3>A1">Ca*>Mg**>NH**>Na>H">Li
—树脂中 B +离子浓度与其全部交换容量之比。 —溶液中 B +离子浓度与其总离子浓度之比。 交换平衡曲线： 二价对一价离子交换反应通式： 2R—A + +B2+ R2—B 2++2A+ 选择系数： 或： 交换平衡曲线 （4）交换选择性顺序： 强酸性树脂：（位于前边的离子可以从树脂上交换出后序离子） Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>NH4+>Na+ >H+ >Li+
规律：i离子化合价高对树脂亲合力强（注：适用稀溶液）ii同族元素，原子序数大不被吸附的能力强。3、浓度的影响：当增大液相中被置换离子浓度时，可使离子交换向相反方向进行。可再生。（因可逆反应的平衡常数不变）4、离子交换出水泄漏量的计算：在离子交换初期，出水的组成与树脂底层处离子交换剂的组成处于平衡状态，出水有一定的离子泄漏量。其计算用式：（上述两式）其中：9B一代入树脂底层再生后仍残留的B离子浓度mmo/L；CB一即求出的交换初期出水的B离子浓度，即出水离子泄漏量mmol/L。5、树脂极限工作交换容量计算：在离子交换最后节段，出水离子组成接近等于进水离子组成。这时，离子交换剂中的B离子浓度达到最大值，视为极限工作交换容量一qB
规律： ⅰ离子化合价高对树脂亲合力强（注：适用稀溶液） ⅱ同族元素，原子序数大不被吸附的能力强。 3、浓度的影响： 当增大液相中被置换离子浓度时，可使离子交换向相反方向进 行。可再生。（因可逆反应的平衡常数不变） 4、离子交换出水泄漏量的计算： 在离子交换初期，出水的组成与树脂底层处离子交换剂的组成 处于平衡状态，出水有一定的离子泄漏量。 其计算用式：（上述两式） 其中：qB—代入树脂底层再生后仍残留的 B +离 子浓度 mmo/L； CB—即求出的交换初期出水的 B +离子浓 度，即出水离子泄漏量 mmol/L。 5、树脂极限工作交换容量计算： 在离子交换最后节段，出水离子组成接近等于进水离子组成。 这时，离子交换剂中的B +离子浓度达到最大值，视为极限工作交换容 量—qB
即式中：qB一树脂极限工作交换容量即树脂吸附B离子浓度的最大值mmol/L。C一用进水中的B离子浓度mmol/L。6、再生度根限值的计算：树脂再生度极限值一用已知浓度的再生液，无限量地进行再生而达到的树脂最大再生程度。式中各符号：qB一经再生后树脂上仍残留的B离子浓度mmol/L。CB一新鲜再生液中含有的B离子浓度mmol/L。七、离子交换速度树脂上有层水膜1、离子交换过程分为五个步骤：（1）溶液中待交换的离子迁移通过树脂的边界水膜。（2）待交换离子在树脂孔道内
即式中：qB—树脂极限工作交换容量即树脂吸 附 B +离子浓度的最大值 mmol/L 。 CB—用进水中的 B +离子浓度 mmol/L。 6、再生度根限值的计算： 树脂再生度极限值—用已知浓度的再生液，无限量地进行再生而 达到的树脂最大再生程度。 式中各符号： qB—经再生后树脂上仍残留的 B +离子 浓度 mmol/L 。 CB—新鲜再生液中含有的 B +离子浓度 mmol/L。 七、离子交换速度 树脂上有层水膜 1、离子交换过程分为五个步骤： （1）溶液中待交换的离子迁 移通过树脂的边界水膜。 （2）待交换离子在树脂孔道内