離子交換的基本原理

水處理中主要采用離子交換樹脂和磺化煤用于離子交換。其中離子交換樹脂應(yīng)用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強(qiáng)酸型和弱酸型交換基團(tuán)的陽離子交換劑。

離子交換樹脂按結(jié)構(gòu)特征，分為：凝膠型、大孔型和等孔型;

按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

按其交換基團(tuán)性質(zhì)，分為：強(qiáng)酸型、弱酸型、強(qiáng)堿型和弱堿型。

⑴離子交換樹脂的構(gòu)造

是由空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團(tuán)所構(gòu)成的不溶性高分子化合物?；钚曰鶊F(tuán)遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結(jié)合，不能自由移動(dòng)，構(gòu)成所謂固定離子，活動(dòng)部分，能在一定范圍內(nèi)自由移動(dòng)，并與其周圍溶液中的其他同性離子進(jìn)行交換反應(yīng)，稱為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，

②交聯(lián)度

指交聯(lián)劑占樹脂原料總重量的百分?jǐn)?shù)。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機(jī)械強(qiáng)度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯(lián)度為7%～10%.

③含水率

指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯(lián)度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶脹性

指干樹脂用水浸泡而體積變大的現(xiàn)象。一般來說，交聯(lián)度越小，活性基團(tuán)越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質(zhì)濃度越高，樹脂溶脹率就越小。

在生產(chǎn)中應(yīng)盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數(shù)，以延長樹脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹脂最重要的性能，是設(shè)計(jì)離子交換過程裝置時(shí)所必須的數(shù)據(jù)，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。

⑦有效ph范圍

由于樹脂的交換基團(tuán)分為強(qiáng)酸強(qiáng)堿和弱酸弱堿，所以水的ph值對其電離會產(chǎn)生影響，影響其工作交換容量。弱堿只能在酸性溶液中以及弱酸在堿性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能。除與樹脂類型有關(guān)外，還與水中濕度和離子濃度有關(guān)。

⑨離子交換平衡

離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)，服從質(zhì)量作用定律和當(dāng)量定律。經(jīng)過一定時(shí)間，離子交換體系中固態(tài)的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應(yīng)達(dá)到平衡，其平衡常數(shù)也稱為離子交換選擇系數(shù)。降低反應(yīng)生成物的濃度有利于交換反應(yīng)的進(jìn)行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過程中離子擴(kuò)散過程的影響。

其他性能：如溶解性、機(jī)械強(qiáng)度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶于水，機(jī)械強(qiáng)度用年損耗百分?jǐn)?shù)表示，一般要求小于3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機(jī)械強(qiáng)度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機(jī)械強(qiáng)度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸堿型耐熱好。

⑶樹脂層離子交換過程

以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標(biāo)，以樹脂的飽和度為縱坐標(biāo)，可繪得某一時(shí)刻的飽和度曲線。就整個(gè)交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個(gè)階段。

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