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12.水质工程学III—水的软化与除盐 §2-3 离子交换法基本原理(上)(ppt文档)


二、 离子交换树脂
1、离子交换树脂的组成
离子交换树脂的化学结构分为不溶性树脂母体和活 性基团两部分。树脂母体为有机化合物和交联剂组成的 高分子共聚物。故离子交换树脂主要包括三个部分,即 单体(有机化合物)、交联剂、活性基团 1).单体:它是能聚合成高分子化合物的低分子有机 物,是离子交换树脂的主要成分,也称为母体。
离子交换树脂优先交换那些化合价数高的离子,即 化合价越大的离子被交换(吸附)的能力越强;在同价 离子中则优先交换原子序数大的离子。
在常温、低浓度水溶液中,常见离子的选择性顺序: 强酸性阳离子交换树脂:
Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+ 弱酸性阳离子交换树脂:
H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+ 强碱性阴离子交换树脂:
;
阴、阳离子交换树脂配合:除盐。
5、离子交换树脂的命名
离子交换树脂产品的型号是根据国家标准《离子交换 树脂产品分类、命名及型号》而制定。
1.名称 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架(或基 团)名称以及基本名称依次排列组成的。
2.型号 离子交换树脂产品 的型号以三位阿拉伯数字组成 :第一位数字代表产品分类,第二位数字代表骨架组成, 第三位数字为顺序号,用以区别活性基团或交联剂的差异 。
SO42—>NO3->Cl->OH->F->HCO3->HsiO3- 弱碱性阴离子交换树脂:
OH—>SO42—>NO3->Cl->HCO3->HsiO-3
(3)交换容量
交换容量表示离子交换树脂的交换能力,即可交换离子 量的多少,通用单位质量或单位体积的树脂所能交换离子的 摩尔数表示。
全交换容量:指单位质量的离子交换树脂中全部离子交 换基团的数量,其单位通常以mmol/g表示。
阳离子交 换树脂
阴离子交 换树脂
交换基团
化学式
名称
-SO3-H+ -COO-H+
磺酸基 羧酸基
==N+OH-
==N+OH==N2+OH---N3+OH-
季铵酸 叔胺酸 仲胺酸 伯胺酸
酸碱性 强酸性 弱酸性 强碱性
弱碱性
(2)按照离子交换树脂的孔型分类有:
凝胶型树脂:为均相高分子凝胶结构,在其所形成的球 体内部,由单体聚合成的链状大分子在交联剂的连接下组 成空间结构。
(4)密度:单位体积树脂的质量称为离子交换树脂的密度,密度单 位:g/mL,或kg/L。分为干态密度和湿态密度。湿态密度又分为湿 真密度和湿视密度(P398)。
湿态树脂的真体积是指湿态树脂本身所占的体积(不包括树脂 颗料之间的空隙)。离子交换树脂的反洗强度、膨胀率及分层特性
与湿真密度有关。一般1.04-1.3。
上,以化学键结合着许多交换基团,这
些交换基团(活性基团)也是由两部分
组成:固定部分和活动部分。
树 脂
交换基团中的固定部分被束缚在高
分子的基体上,不能自由移动,所以称
为固定离子;
交换基团的活动部分则是与固定SO3 Na
SO3 Na
SO3 Na
2、离子交换树脂的结构
(1)高分子骨架 由交联的高分子聚合物组 成;
(2)离子交换基团 它连在高分子骨架上, 带有可交换离子(称为反离子)的离子型官 能团或带有极性的非离子型官能团;
(3)孔 它是在干态和湿态的离子交换树脂 中都存在的高分子结构中的孔(凝胶孔)和 高分子结构之间的孔(毛细孔)。
在交联结构的高分子基体(骨架)
以苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂的合成为例
(1)高分子骨架的合成:用苯乙烯为单体,二乙烯苯为交联 剂,合成聚苯乙烯树脂,作为苯乙烯系离子交换树脂的骨架
CH=CH2
CH=CH2
n
+m
过氧化苯甲酰 引发剂
苯乙烯 单体
CH=CH2 二乙烯苯 交联剂
CH-CH2
CH-CH2-
n
-CH-CH2聚苯乙烯
高分子骨架
工作交换容量:指一个周期中单位体积树脂实现的离子 交换量,即单位体积树脂从再生型离子交换基团变为失效型 基团的量。一般为总交换容量的60%—70%。
影响工作交换容量的主要因素有:树脂种类、粒度、原 水水质、出水水质的终点控制、交换运行流速、树脂层高度 、再生方式等。
(4)热稳定性
离子交换树脂的热稳定性表示在受热作用下树脂保持理 化性能不变的能力。
水质工程学Ⅲ
第二章 水的软化与除盐
§2-3 离子交换法基本原理(上)
主讲:张立秋 副教授
§2-3 离子交换法基本原理
一.离子交换概述 二.离子交换树脂 三.离子交换树脂的性能 四.离子交换平衡 五.离子交换速度 六.离子交换过程 七.离子交换树脂层内的再生过程 八.离子交换树脂的选用和保管
一、 离子交换概述
其孔径大小与树脂的交联度和膨胀程度有关。交联 度越大,孔径越小;湿树脂孔径大,干树脂孔径小。
特点:孔径极小,平均为1~2nm。只能通过直径很 小的离子,直径较大的分子通过时,则容易堵塞孔道而影 响树脂交换能力
大孔型树脂:制造过程加入致孔剂(甲苯、汽油等), 以致形成大量的毛细孔。
两者的区别在于结构中孔隙的大小。凝胶型树 脂不具有物理孔隙,只有在侵入水中时才显示其分子链 间的网状孔隙;而大孔树脂无论在干态或湿态,用电子 显微镜都能看到孔隙,其孔径为20~100nm以上,而凝 胶型孔径仅1~2nm。
湿树脂的视体积是指离子交换树脂以紧密的无规律排列方式在量 器中占有的体积,包括树脂颗粒的固有体积及颗粒间的空隙体积。 湿视密度是用来计算离子交换器中装载树脂时所需湿树脂量的主要 数据。一般0.60-0.85mg/L。
(5)含水率 树脂的含水率是指在水中充分膨胀的湿树脂中所
含水分的百分数。
含水率和树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交 换容积、离子形态等有关。它可以反映离子交换树脂的 关联度和网眼中的空隙率。
常用的凝胶型树脂含有2-12%的交联剂(二乙烯苯)。 交联度取决于制造过程,并对树脂交换容量、含水率、溶胀 度、机械强度等性能产生影响。水处理用离子交换树脂的交 联度7%-10% (8)耐磨性由于相互摩擦和胀缩作用,会产生破裂现象。
2. 交换树脂的化学性能
(1)酸碱性:离子交换树脂是一种不溶性的高分子电解 质,在水溶液中能发生电离,有的电离出H+,有的电离 出OH-,因此,呈现出不同强弱的酸碱性。
D
顺序号 骨架代号 分类代号 大孔型符号
大孔型离子交换树脂的型号
D111—大孔型弱酸性丙烯酸系阳离 子交换树脂
凡属于大孔型树脂,在其型号前加字母“D”;凡属于凝胶型树 脂,在型号前面不加任何字母。交联度可在型号后面用“×”连阿 拉伯数字表示。
强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂,型号为001×7
强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂,型号为201×7
离子交换剂包括:无机离子交换剂(天然: 海绿沙、合成:泡沸石)、有机离子交换剂[人造碳 质:磺化煤、有机合成离子交换树(阳离子交换树 脂和阴离子交换树脂)]等。当前,普遍应用于水处 理的离子交换剂的物质是有机合成离子交换树脂。
离子交换树脂作为水处理中最常用的离子 交换剂,其是由交联结构的高分子骨架(称为母体 )与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性 高分子电解质。
离子交换树脂热稳定性顺序为:
SO3 Na
SO3 Na
SO3 Na
以离子键结合的符号相反的离子,称为 固定离子
反离子
反离子或可交换离子。
离子交换基团
3、 生产过程:
我们先简单介绍一下离子交换树脂的生产方法与过 程,将有助于了解其构造和性质。
其生产方法有两种:
1)、先合成母体,在引入活性基团。 2)、先合成含有活性基团的单体,在 聚合,一般常用第一种方法。
离子交换树脂也能进行水解反应,若其水解后 树脂的交换基团为弱酸或弱碱时,则该树脂的水解 度较大,例如:
RCOONa+H2O→RCOOH+NaOH
RNH2CL+H2O→RNH2OH+HCL
(2)选择性:离子交换树脂对水中各种离子的交换能力不 相同。有些离子易被离子交换树脂吸着,但吸着后要把 它解吸下来就比较困难;有些离子则难被离子交换树脂 吸着,但易被解吸,这种性能称为离子交换的选择性。
大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂,型号D113
大孔型弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂,型号为D301
三、离子交换树脂的基本性能
1. 交换树脂的物理性能
(1)颜色:离子交换树脂依其组成 不同,呈现的颜色也各不相同:黄色 、赤褐色、黑色等。一般交联剂多、 杂质多,树脂的颜色就深。
凝胶型树脂呈透明半透明状态;大孔型树脂由于毛线 孔道对光的折射作用,则呈不透明状态。
1)强碱性阴树脂:其中的强碱基团在受热时易发生分解反 应,结果使树脂的交换容量降低。不同强碱性阴离子树脂的 最高使用温度见表11-6。
2)弱碱性阴树脂:弱碱基团在受热时会发生脱落现象 ,其热稳定性比强碱基团高。
3)强酸性阳树脂:其最高使用温度为100-1200C。
4)弱酸性阳树脂 :其热稳定性更高一些,工作温度可 达2000C 。
2).交联剂:它是能在线性结构分子缩聚时起架桥作用 ,而使其分子中的基团键合成不溶的网状体结构的物质 。常用的交联剂是二乙烯苯
CH=CH2
CH=CH2
3).交换(活性)基团:它是联结在单体上的具有活性 离子(可交换离子)的基团。它可以由有离解能力的低 分子[如硫酸H2SO4、有机胺 N(CH3)3等] 通过化学反应引 接到树脂内;也可由带有离解基团的单体(如甲基丙烯 酸)直接聚合。
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