水质工程（给水处理）讲义第十一章水的软化 第8章 离子交换 一教学目的及要求： 草挥离子交换的基本原理、基本反应：熟悉离子交换装置及其运行操作，了解离子交换的应用 二.教学内容及学时分配(12学时) 8.1离子交换概述 一、物质的量 1、物质的量的定义 (1)一系统中某物质B的基本单元数目等于6.023×10时，则其物质的量为 1mol。 (2)0.012Kg碳12所含的原子数目为6.023×10，故只要系统中单元B的原 子数目与0.012Kg碳12所含的原子数目相等，物质B的物质的量N就是1mol。 即：物质B的物质的量ns是比例于系统中单元B数目N的量，即：x %2 式中：L一一阿伏加德罗常数(6.023×10). (3)基本单元可以是原子、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的特 定组合。 (4)凡是说到B时，必须指明基本单元。包括由从导出的量，如摩尔质量M, 浓度等也必须指明基本单元。 (5)同样质量的物质，由于采用的基本单元不同，物质的量也不同。 即： %是 (6)在水处理中（或软化、除盐中），基本单元B的表示方法，可以采用Ca, Mg”,也可采用1/2Ca“,1/2Mg“,但以后者更为方便，它们之间的关系为： n(1/2ca")=2n(Ca") 其通式写成： m吃=ZM8 式中：2一一离子电荷数，在实用中，称之B为当量粒子，因为当选用当量粒了 作为基本单元时，以往的“meg/L”可代之以“mmol/L”而数值保持不变。因此在 第1贞共48贞
水质工程（给水处理）讲义第十一章水的软化 计算粒子平衡时，应用当量粒子概念比较方便 二、物质的量浓度C 是指单位体积溶液中所含溶质的物质的量。 6,=告 m P m=ngMg =caVMa pV 式中：n一一物质B的量浓度： m一一物质B的质量： M一一物质B的摩尔质量： 一一溶液体积： p一一物质B的质量浓度 P393例题（路） 三、水的硬度的概念 1)硬度盐类包括Ca“,Mg“,Fe“,Mn“,Fe,A1等易形成难溶盐类的金属阳离子。 通常以水中钙、镁离子的总含量称为水的总硬度Ht=碳酸盐使度Hc+非碳酸盐硬度 Hn. 2)使度的单位：meg/L,mmol/L,德国度、mgCaC(0,/L,它们之间的关系为 c(1/2Ca+1/2Mg+)=1mmo1/L=1meg/L=2.8德国度=50mg/LCaC0, 1德国度=10mg/LCa0 四、假想化合物 天然水中的阳离子主要是Ca”,Mg,Na(包括K),阴离子主要是HC0,S0, C1,其它离子含量一般都很少。就整个水体来说是电中性的，即水中阳离子的电 荷总数等于阴离子的电荷总数。这些离子在水中说不上结合哪些化合物，但我们 可以用假象化合物的概念，将这些离子按一定顺序结合起来：即水经过蒸发、浓 缩或化学变化，水中的某些阳离子和阴离子浓度的乘积达到它们的溶度积而先后 沉淀，水中的阳离子和阴离子将按一定的次序相结合而沉淀出来。总的说来，最 容易沉淀出来的是钙、镁的重碳酸盐，其次是钙、镁的硫酸盐，而钠盐沉淀析出 最难。在水处理中，往往根据这一现象，把有关离子假象的结合起来，写成化合 物的形式。若以当量粒子作为基本单元，则水中各种阳离子的量浓度总和应等于 各种阴离子的量浓度总和。如下图所示（浓度以mmol/L计）： 第2页共48页
水质工程给水处理)讲义第：十一章水的软化 c(1/2ca)=2.0 c(1/2Mg)=1.5 cNa)=2.5 c0HC0,)=3.0 c(1/2S0,)=1.5 c(C1)=1.5 e(1/2Ca(Hc0)=2.0c(1/2MgHc0)-1.0c1/2Wgs0J=0.5C(1/2Nas0)=1.0c(NaC1-1.5 图中清晰的表明水中各种离子的假象组合情况以及化合物含量的大小 离子交换剂分类： 离 磺化煤一一兼有弱酸性和强酸性两种活性基团 子 强酸性R-S0,H 交 阳离子交换树脂 离子交 .弱酸性R-COOH 按照活性 剂换树脂 强碱性R-OH 基团分类 阴离子交换树脂 弱城性R-NH,OH 「凝胶型 〔苯乙烯系 按结构特征 大孔型 按单体组成 酚醛系 等孔型 丙烯酸系 ·阳离子交换树脂的用途：常用于水的软化或脱碱软化：阴阳离子交换树脂 配合一起则用于水的除盐。 ·离子交换树脂的结构： 母体 + 活性基团 ·不溶性高分子物质 空间网状结构周定部分 活动部分 例：强酸性阳离子交换树脂：R一一SO RH" 树脂母体 固定离子 活动离子 ·离子交换的实质：不溶性的电解质（树脂）与溶液中的另一种电解质所进 行的化学反应。这一反应可以是中和反应、中性盐分解反应或复分解反应： R-S03H+NaOH←→R-S03Na+H20(中和反应) R-S0:H+NaCl R-S0:Na+HCI (中性盐分解反应) 2R-S0Na+CaCl+(R-S0)Ca+2NaCl(复分解反应) 五、离子交换树脂的命名与型号 第3贞共48贞
水质工程（给水处理）讲义第十一章水的软化 离子交换树脂的全名称：分类名称+骨架（或基团）名称+基本名称 为区分同一类树脂的不同品种，在全名称前冠以阿拉伯数字组成的型号。第 位数字代表分类名称，第二位数字为骨架（或基团）名称，第三位为顺序号： 在连接符之后的数字表示交联度：对于大孔离子交换树脂，可在树脂前加“D”表 示。 六、离子交换树脂的基本性能 一般的离子交换树脂是人工合成的有机高分子电解质凝胶，其骨架是由高分 子电解质和横键交联物（交联剂）所组成的不规则的空间网状物，上面结合者相 当数量的的活性离子交换基团。 离子交换树脂制造的两个基本途径： 1)由带有理解基团的高分子电解质直接聚合而成： 2)先由有机高分子单体聚合成树脂骨架结构，然后向其中导入可理解基团。 以苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂为例，介绍第二种方法。 它是由苯乙烯和二乙烯苯共聚，制成树脂后再用硫酸磺化导入磺酸基团，成 为苯乙烯强酸性阳离子交换树脂，其反应过程如下： CH-CH CH-CH CH-CH--CH-CH--CH-CH- ◇+〔 CH-CH -CH-CH- 苯乙烯 二乙烯苯 苯乙烯树脂 -CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2 -CH-CHz SO3H CH-CH -CH-CH2--CH-CH2-CH-CH: SOH SOaH CH-CH2- 苯乙希黄酸利父焕树脂 50 60目) 2、交联度：树脂结构骨架的交联程度取决于制造过程，交联作用是使树脂成 空间结构，增大机械强度，并在水中能溶胀，具有一定的空隙率。 对于苯乙烯树脂而言，它的交联度是以加入交联剂二乙烯苯的重量占苯乙烯 第4贞共48页
水质工程（给水处理）讲义第十一章水的软化 和二乙烯苯总重量的百分率表示的，以7~10%为宜，此时树脂的平均空隙宽度约 为20~40埃。 注：交联度对树脂的许多性能具有决定性的影响。交联度的大小将引起树脂 交换容量、含水率、溶胀性、机械强度等性能的改变。 3、含水率： 树脂含水率一般以每克湿树脂所含水分的百分数的百分比表示（约50%左右）， 并相应地反映了树脂网架中的空隙率，树脂交联度越小，孔隙率越大，含水率 也越大。 4、溶胀性 干树脂浸泡于水中时，成为湿树脂（绝对溶胀度）：湿树脂转型时，体积也有 变化（相对溶胀性），这种体积变化的现象称为溶胀。 溶胀的原因：1)活性基团過水而电离开的离子起水合作用生成水合离子，从 而使交联网孔胀大所致：2)由于水合离子的半径随不同离子而异，因而溶胀后体 积亦随之不同，交联度越小或活性基团越易电离或水合离子半径越大，则溶胀度 越大：3)溶液中电解质浓度增大，则溶胀度减小。 5、密度 真密度（湿真密度） 树脂密度 视密度（湿视密度） 湿真密度一一指树脂溶胀后的重量与其本身所占体积（不包括树脂颗粒之间 的空隙)之比。即： 湿树脂重量 湿真密度“树脂颗粒本号所古体积《®/） 注、苯乙烯强酸性树脂的涩真密度约为：1.3g/ml:强碱树脂约为1.1g/ml 湿视密度一一指树脂溶胀后的重量与其堆积体积（包括树脂颗粒之间的空隙） 湿树脂重量 之比。即：湿真密度树脂粒堆积休积（g 该值一般为0.6~0.8g/ml 说明：两项指标的意义及用途：树脂的湿真密度与树脂的反洗强度、膨胀率 以及混合床和双层床的树脂分层有关。而树脂的湿视密度则用料计算离子交换器 所需装填湿树脂的重量。 6、交换容量： 第5贞共48贞