Ion-exchange 第第7 7章章 离子交换法离子交换法什么是离子交换？什么是离子交换？离子交换树脂的分类？其主要的理化性离子交换树脂的分类？其主要的理化性质有哪些？质有哪些？离子交换的机理是什么？离子交换的机理是什么？什么是离子交换的选择性？其选择性受什么是离子交换的选择性？其选择性受哪些因素影响？哪些因素影响？基本的离子交换操作是怎样的？基本的离子交换操作是怎样的？通过本章学习应掌握以下内容通过本章学习应掌握以下内容：离子交换法是一种借助于离子交换法是一种借助于离子交换剂离子交换剂(ion (ion exchange resin)exchange resin)上的离子和废水中的离子进上的离子和废水中的离子进行交换反应而除去废水中有害离子的方法。行交换反应而除去废水中有害离子的方法。 离子交换过程也可以看成是一种特殊吸附过程，离子交换过程也可以看成是一种特殊吸附过程，所以在许多方面都与吸附过程类同。所以在许多方面都与吸附过程类同。 离子交换过程的特点在于离子交换过程的特点在于: :它主要吸附水中以它主要吸附水中以离子态存在的物质，并进行离子态存在的物质，并进行等当量等当量的离子交换的离子交换。 在废水处理中，离子交换主要用于回收和去除在废水处理中，离子交换主要用于回收和去除废水中金、银、铜、镉、铬、锌等金属离子，废水中金、银、铜、镉、铬、锌等金属离子，对于净化放射性废水及有机废水也有应用对于净化放射性废水及有机废水也有应用。 离子交换剂分为离子交换剂分为无机和有机无机和有机两大类。两大类。 无机的离子交换剂无机的离子交换剂有天然沸石和人工合成沸有天然沸石和人工合成沸石（硅铝酸盐矿物）。沸石既可作阳离子交换石（硅铝酸盐矿物）。沸石既可作阳离子交换剂，也能用作吸附剂。剂，也能用作吸附剂。 有机的离子交换剂有机的离子交换剂有磺化煤和各种离子交换有磺化煤和各种离子交换树脂。树脂。 磺化煤由烟煤或褐煤经发烟硫酸磺化处理后磺化煤由烟煤或褐煤经发烟硫酸磺化处理后得到的有机阳离子交换剂。得到的有机阳离子交换剂。 7.1 离子交换剂的分类及组成离子交换剂的分类及组成 离子交换树脂离子交换树脂是一类具有离子交换特性的是一类具有离子交换特性的有机高分子聚合电解质，是一种疏松的具有有机高分子聚合电解质，是一种疏松的具有多孔结构的固体球形颗粒，不溶于水，也不多孔结构的固体球形颗粒，不溶于水，也不溶于电解质溶液。溶于电解质溶液。 目前在水处理中广泛使用的是目前在水处理中广泛使用的是离子交换树离子交换树脂脂，它具有交换容量高；球形颗粒，水流阻，它具有交换容量高；球形颗粒，水流阻力小，交换速度快；机械强度和化学稳定性力小，交换速度快；机械强度和化学稳定性都较好都较好. .7.1 7.1 离子交换剂的分类及组成离子交换剂的分类及组成 一部分是一部分是一部分是一部分是不溶性的树脂本体不溶性的树脂本体不溶性的树脂本体不溶性的树脂本体(resin matrix)(resin matrix)。树脂。树脂。树脂。树脂本体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交本体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交本体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交本体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂的作用是使树脂本体形成立体的网状结构。联剂的作用是使树脂本体形成立体的网状结构。联剂的作用是使树脂本体形成立体的网状结构。联剂的作用是使树脂本体形成立体的网状结构。L L 离子交换树脂的结构离子交换树脂的结构 另一部分是另一部分是另一部分是另一部分是具有活性的交换基团具有活性的交换基团具有活性的交换基团具有活性的交换基团（也叫活性基团）。（也叫活性基团）。（也叫活性基团）。（也叫活性基团）。交换基团交换基团交换基团交换基团(functional group)(functional group)由起交换作用的离子和与由起交换作用的离子和与由起交换作用的离子和与由起交换作用的离子和与树脂本体联结的离子组成树脂本体联结的离子组成树脂本体联结的离子组成树脂本体联结的离子组成。 如磺酸型阳离子交换树脂如磺酸型阳离子交换树脂如磺酸型阳离子交换树脂如磺酸型阳离子交换树脂的组成为：的组成为：的组成为：的组成为：R RSOSO3 3HH，其中，其中，其中，其中R R为树脂本体，为树脂本体，为树脂本体，为树脂本体，SOSO3 3HH为交换基团，为交换基团，为交换基团，为交换基团，HH是可交换离子。是可交换离子。是可交换离子。是可交换离子。L L 简写简写体型聚苯乙烯体型聚苯乙烯 交联体的合成阳离子交换树脂的制备阳离子交换树脂的制备 由于交联体中含有苯环，通过磺化反由于交联体中含有苯环，通过磺化反应可向交联体中的苯环上引入应可向交联体中的苯环上引入SO3H基基团，形成强酸性阳离子交换树脂。团，形成强酸性阳离子交换树脂。引入活性基团引入活性基团阴离子交换树脂的制备阴离子交换树脂的制备树脂的网络骨架树脂的网络骨架离子树脂三维空间立体结构离子树脂三维空间立体结构如如如如R RNHNH2 2活性基团水合后形成含有可离解的活性基团水合后形成含有可离解的活性基团水合后形成含有可离解的活性基团水合后形成含有可离解的OHOH离子：离子：离子：离子： R RNHNH2 2HH2 2O O R RNHNH3 3OHOH OH OH 可以和其它阴离子交换可以和其它阴离子交换可以和其它阴离子交换可以和其它阴离子交换离离子子交交换换树树脂脂 如如如如R RSOSO3 3HH，酸性基团上的，酸性基团上的，酸性基团上的，酸性基团上的HH可以电离，可以电离，可以电离，可以电离，能与其他阳离子进行等当量的离子交换能与其他阳离子进行等当量的离子交换能与其他阳离子进行等当量的离子交换能与其他阳离子进行等当量的离子交换 阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的阳离子交换树脂阳离子交换树脂(cation resin)阴离子交换树脂阴离子交换树脂(anion resin)（a）强酸性）强酸性(strong acid)阳离子交换树脂阳离子交换树脂 活性基团一般为活性基团一般为SO3H，故又称磺酸型阳，故又称磺酸型阳离子交换树脂。离子交换树脂。（b）弱酸性）弱酸性(weak acid)阳离子交换树脂阳离子交换树脂 活性基团一般为活性基团一般为COOH，故又称羧酸型，故又称羧酸型阳离子交换树脂。其中活性基团中的阳离子交换树脂。其中活性基团中的H可以可以被被Na代替，因此阳离子交换树脂又可分为代替，因此阳离子交换树脂又可分为氢型和钠型。氢型和钠型。 按活性基团中酸碱的强弱分按活性基团中酸碱的强弱分（c）强碱性）强碱性(strong base)阴离子交换树脂阴离子交换树脂 活性基团一般为活性基团一般为 NOH，故又称为季胺，故又称为季胺型阴离子交换树脂。型阴离子交换树脂。（d）弱碱性）弱碱性(weak base)阴离子交换树脂阴离子交换树脂 活性基团一般有活性基团一般有 NH3OH、NH2OH和和 NHOH之分，故分别又称伯胺型，仲胺之分，故分别又称伯胺型，仲胺型和叔胺型离子交换树脂。型和叔胺型离子交换树脂。 阴离子交换树脂中的氢氧根离子阴离子交换树脂中的氢氧根离子OH可可以用氯离子以用氯离子Cl代替。因此，阴离子交换树代替。因此，阴离子交换树脂又有氢氧型和氯型之分。脂又有氢氧型和氯型之分。具有特殊活性基团的离子交换树脂，如氧化还具有特殊活性基团的离子交换树脂，如氧化还原树脂，两性树脂（羧酸基和胺基），螯合树原树脂，两性树脂（羧酸基和胺基），螯合树脂（胺羧基）脂（胺羧基）根据离子交换树脂颗粒内部结构特点，又分为根据离子交换树脂颗粒内部结构特点，又分为凝胶型凝胶型(gel structure)和和大孔型大孔型(macroporous structure)两类。两者的区别在于结构中孔隙两类。两者的区别在于结构中孔隙的大小。的大小。凝胶型树脂不具有物理孔隙，只有在浸入水中凝胶型树脂不具有物理孔隙，只有在浸入水中时才显示出其分子链间的网状孔隙（时才显示出其分子链间的网状孔隙（2040）；而大孔树脂无论是干态或湿态，用电子显）；而大孔树脂无论是干态或湿态，用电子显微镜都能看到孔隙（微镜都能看到孔隙（20010000）其它离子交换树脂类型其它离子交换树脂类型7.2 离子交换树脂的性能指标离子交换树脂的性能指标（1）离子交换容量）离子交换容量交换容量交换容量(exchange capacity)是树脂交换能力是树脂交换能力大小的标准，可以用大小的标准，可以用重量法重量法和和容积法容积法两种方两种方法表示。法表示。 重量法重量法是指单位重量的干树脂中离子交换基是指单位重量的干树脂中离子交换基团的数量，用团的数量，用mmol/g或或mol/g来表示。来表示。 容积法容积法是指单位体积的湿树脂中离子交换基是指单位体积的湿树脂中离子交换基团的数量，用团的数量，用mmol/L或或mol/m3树脂来表示。树脂来表示。由于树脂一般在湿态下使用，因此常用的是由于树脂一般在湿态下使用，因此常用的是容积法。容积法。离子交换容量离子交换容量离子交换容量离子交换容量全交换容量全交换容量全交换容量全交换容量是指树脂中活性基团的总数。是指树脂中活性基团的总数。是指树脂中活性基团的总数。是指树脂中活性基团的总数。 工作交换容量工作交换容量工作交换容量工作交换容量是指在给定的工作条件下，实际所是指在给定的工作条件下，实际所是指在给定的工作条件下，实际所是指在给定的工作条件下，实际所发挥的交换容量，实际应用中由于受各种因素的发挥的交换容量，实际应用中由于受各种因素的发挥的交换容量，实际应用中由于受各种因素的发挥的交换容量，实际应用中由于受各种因素的影响，一般工作交换容量只有总交换容量的影响，一般工作交换容量只有总交换容量的影响，一般工作交换容量只有总交换容量的影响，一般工作交换容量只有总交换容量的6060606070707070。 有效交换容量有效交换容量有效交换容量有效交换容量是指出水到达一定指标时交换树脂是指出水到达一定指标时交换树脂是指出水到达一定指标时交换树脂是指出水到达一定指标时交换树脂的交换容量。的交换容量。的交换容量。的交换容量。（2 2 2 2）含水率）含水率）含水率）含水率含水率通常以每克湿树脂（去除表面水分后）所含水率通常以每克湿树脂（去除表面水分后）所含水率通常以每克湿树脂（去除表面水分后）所含水率通常以每克湿树脂（去除表面水分后）所含水分百分数来表示。含水分百分数来表示。含水分百分数来表示。含水分百分数来表示。（3 3）相对密度）相对密度离子交换树脂的相对密度有三种表示方法离子交换树脂的相对密度有三种表示方法: : 干真密度、湿真密度和湿视密度。干真密度、湿真密度和湿视密度。 干密度干密度是指在是指在115115真空干燥后的密度；真空干燥后的密度； 湿真密度湿真密度是指树脂在水中充分膨涨后的质是指树脂在水中充分膨涨后的质量与树脂所占体积（不包括空隙）之比；量与树脂所占体积（不包括空隙）之比； 湿视密度湿视密度是指树脂在水中充分膨涨后单位是指树脂在水中充分膨涨后单位体积树脂所具有的质量。体积树脂所具有的质量。（4 4）交联度）交联度 交联剂占单体质量的百分数称为交联度。交联剂占单体质量的百分数称为交联度。 交联度直接影响树脂的性能，交联度越高，交联度直接影响树脂的性能，交联度越高，树脂的机械强度就越大，对离子的选择性树脂的机械强度就越大，对离子的选择性就越强，但交换速度就越慢。就越强，但交换速度就越慢。（5 5）选择性）选择性离子交换树脂对水中某种离子能优先交换离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为的性能称为选择性选择性，它是决定离子交换法，它是决定离子交换法处理效率的一个主要因素。处理效率的一个主要因素。（6