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佳木斯大学理学院
环境科学
环境工程原理作业第九章离子交换
离子交换的概述
第一节概述
定义：离子交换法是通过离子交换剂与水中的可溶性无机离子发生交换反响。
使用范围：主要用于制备软化水、纯水和去除水中有害离子，也常用于工业废水的贵重离子回收、放射性废水和有机废水处理。
离子交换剂分类
按母体材质：
无机离子交换剂：包括自然沸石和合成沸石，属于硅质阳离子交换剂。
有机离子交换剂：可分为碘化煤和离子交换树脂。其中离子交换树脂相比于其他离子交换剂具有较大的交换容量。
离子交换树脂分类
按活性基团分为：阳离子交换树脂分为强酸性和弱酸性两类；
阴离子交换树脂分为强碱性和弱碱性两类；
特别活性基团的交换树脂如氧化复原树脂、两性树脂、螯合树脂。
按树脂类型和孔构造的不同：凝胶型树脂、大孔型树脂、多孔凝胶型树脂、巨孔型树脂、高巨孔型树脂等。
离子交换树脂构造
离子交换树脂构造分为两大局部：一是 换反响；二是连接在骨架上的活性基团，带不溶性树脂母体局部，称为骨架，不参与交 可交换离子参与离子交换反响。
离子交换树脂性能
物理性质：
外观:凝胶型树脂为透亮或半透亮珠体，大孔型树脂为乳白色后不透亮珠体
粒度：粒度影响着离子交换速率
密度：
湿树脂质量 湿树脂质量
湿真密度?
(g/mL)
湿视密度?
(g/mL)
湿树脂的真体积〔不包括空隙体积〕 湿树脂积存体积〔包括空隙体积〕
含水量：在水中充分溶胀的湿树脂所含溶胀水质量占湿树脂质量比例
溶胀性：干树脂浸入水中，由于活性基团的水合作用使交联网孔增大，体积膨胀现象。
机械强度：取决于交联度与溶胀率。
耐热性：每种树脂耐受的温度均有肯定范围。
化学性质：
可逆性：使离子交换树脂可以重复使用。
酸碱性：由于活性集团的解离与pH有关，因此每种树脂都有适当的pH范围。
选择性：不同被交换的离子和树脂的活性基团的亲和力不同，使的树脂对各种树脂具有不同交换力量。
〔4〕交换容量：表示离子交换树脂的交换力量大小。公式：E=E×(1-含水量)×湿视密度。
v w
〔5〕交换特性：H型强酸性阳离子交换树脂可以同时和强酸盐和弱酸盐阳离子进展交换；
H型弱酸性阳离子交换树脂自能和弱酸盐阳离子交换；
OH型强碱性阴离子交换树脂可以同时和水中各种阴离子进展交换；
OH型弱酸性阴离子交换树脂只是在酸性条件下可以和强酸盐离子交换。3．离子交换树脂命名
命名由“国家标准号、根本名称和单项组”组成。国家标准号即GB1631；
根本名称：离子交换树脂，属于酸性的前面加“阳”，属于碱性的前面加“阴”；单项组：包括6个字符组。
字符组1：树脂形态分为凝胶型和大孔型，以D表示大孔型；
字符组2：代表官能团分类； 字符组3：代表骨架分类；
字符组4：挨次号，区分基团、交联剂等差异，交联度用“×”连接阿拉伯数字表示；字符组5：不同床型应用的树脂代号； 字符组6：特别用途树脂代号。
其次节离子交换的根本原理
离子交换平衡
离子交换平衡是描述离子交换的根本规律，与化学平衡不同，它符合质量作用定律。以树脂〔RA〕交换B离子为例，ZZ表示A和B离子的电荷数。
A、B
ZRA+ZB≒ZRB+ZA
A A A B
在稀溶液中，活度系数接近于1，液相中的A、B离子活度均可用各自的浓度表示，于是有
式中：[A]、[B]—分别表示水溶液中A离子、B离子的浓度，mmol/L；
[RA]、[RB]—分别表示单位质量干树脂中A离子、B离子的物质的量，mmol/[g干树脂]。
KA定义为A交换B的选择性系数，其表征了离子交换树脂对A、B离子的选择性吸附性能。KA=1，
B B
则对A、B离子吸附性能一样，这种交换平衡；KA＞1，则对B有选择性，数值越大，选择性越强，
B
这种为有利平衡；假设KA＜1，对A有选择性，不利于B的吸附，这种为不利平衡。
B
有上式可以推出
上式具有通性，适用于不同价态之间的交换。[RA]+[RB]代表树脂全交换容量，[A]+[B]代表水溶液中的离子浓度。
当Z=Z=1时，可简化为
B
在y可被称为树脂的失效度，x
B
相当于溶液中离子残留率。
离子交换速率
离子交换过程分为五个连续步骤，以A离子交换水中B离子为例。
B离子从溶液主体向树脂颗粒外表集中，到达并穿过颗粒外表液膜。
穿过液膜的B离子连续在树脂颗粒内交联网中集中，直到到达某一活性基团所在位置。
B离子和活性基团中