超純水機(jī)之離子交換劑
作者：admin 發(fā)布日期：2016/9/2 關(guān)注次數(shù)：
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（一）離子交換劑
一、什么叫離子交換劑？可分哪幾類？
凡是能夠與溶液中的陽離子或陰離子具有交換能力的物質(zhì)都稱為離子交換劑。
離子交換劑分無機(jī)質(zhì)類和有機(jī)質(zhì)類兩大類。無機(jī)質(zhì)類又可分天然的——如海綠砂；人造的——如合成沸石。有機(jī)質(zhì)類又分碳質(zhì)和合成樹脂兩類。其中碳質(zhì)類如磺化煤等；合成樹脂類分陽離子型——如強(qiáng)酸性和弱酸性樹脂；陰離子型——如強(qiáng)堿性（I、Ⅱ型）和弱堿性樹脂；其他類型的有氧化還原型樹脂、兩性樹脂和螯合樹脂等類。
二、離子交換樹脂發(fā)展的簡(jiǎn)況怎樣？
離子交換現(xiàn)象早在18世紀(jì)中期就為湯普森（Thompson）所發(fā)現(xiàn)。直至1935年亞當(dāng)斯（Aclams）和霍姆斯（Holmes）研究合成了具有離子交換功能的高分子材料，即第一批離子交換樹脂——聚酚醛系強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和聚苯胺醛系弱堿性陰離子交換樹脂。離子交換樹脂的大發(fā)展主要是在第二次世界大戰(zhàn)以后。當(dāng)時(shí)美國和英國一些公司成功地地合成了聚苯乙烯系陽離子交換樹脂，在此基礎(chǔ)上又陸續(xù)開發(fā)了交換容量高、物理-化學(xué)穩(wěn)定性好的其他聚苯乙烯系離子樹脂，相繼又開發(fā)了聚丙烯酸系陽離子樹脂。20世紀(jì)60年代，離子交換樹脂的發(fā)展又取得了重要突破，美國羅姆-哈斯公司（Rohm anes Hass）和德國拜耳公司（Bayer）合成了一系列物理結(jié)構(gòu)和過去完全不同的大孔結(jié)構(gòu)離子交換樹脂。這類樹脂除具有普通離子交換樹脂的交換基團(tuán)外，同時(shí)還有像無機(jī)和碳質(zhì)吸附劑及催化劑那樣的大孔型毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，使離子交換樹脂兼具了離子交換和吸附的功能，為離子交換樹脂的廣泛應(yīng)用開辟了新的前景。
離子交換樹脂和它的應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展一直是相互促進(jìn)、互相依賴的。承受離子交換樹脂的發(fā)展，樹脂應(yīng)用技術(shù)也在不斷改善，開始是間歇式工藝，很快就發(fā)展到固定床工藝，20世紀(jì)60年代后逆流技術(shù)及連續(xù)式離子交換工藝，雙層床技術(shù)等獲得了很快的發(fā)展，這些新的應(yīng)用技術(shù)和工藝的開發(fā)，使離子交換樹脂在許多領(lǐng)域的應(yīng)用更加有效的經(jīng)濟(jì)。20世紀(jì)70年代后，人們正以極大的興趣，注意著熱再生離子交換技術(shù)的發(fā)展。
三、什么叫離子交換？
所謂離子交換，就是水中的離子和離子交換樹脂上的離子，所進(jìn)行的等電荷摩爾量的反應(yīng)。
離子交換的反應(yīng)過程可以用H型陽離子交換樹脂HR和水中Na+交換反應(yīng)過程為例：
HR（R表示離子交換樹脂的交換基團(tuán)）Na+ NaR+H+
從上式可知：在離子交換反應(yīng)中，水中的陽離子（如Na+）被轉(zhuǎn)移到樹脂上去了，而離子交換樹脂上的一個(gè)可交換的H+轉(zhuǎn)入水中。Na+從水中轉(zhuǎn)移到樹脂上的過程中離子的置換過程。而樹脂上的H+交換到水中的過程稱游離過程。因此，由于置換和游離過程的結(jié)果，使得Na+與H+互換位置，這一變化，就稱為離子交換。
四、什么叫離子交換反應(yīng)的可逆性？
離子交換樹脂主要的化學(xué)性質(zhì)這一就是能進(jìn)行離子交換反應(yīng)，并且這個(gè)反應(yīng)是可塑的。
當(dāng)含有Na+的水與H型樹脂相遇時(shí)，即產(chǎn)生下述反應(yīng)：
RH+Na+→RNa+H+
這個(gè)反應(yīng)實(shí)際上是離子交換的制水過程，這個(gè)過程是遵循“等電荷摩爾量”（即等當(dāng)量）進(jìn)行的；反之，當(dāng)用鹽酸（或硫酸）通過Na型樹脂時(shí)，則會(huì)有下面的反應(yīng)：
Rna+H+→RH+Na+
這個(gè)反應(yīng)實(shí)際上是陽離子樹脂失效后的再生反應(yīng)。
需要說明的是，上述兩個(gè)反應(yīng)向哪個(gè)方向進(jìn)行，決定于當(dāng)時(shí)水中各種離子的濃度。
將上述兩個(gè)反應(yīng)式合并表示如下：
運(yùn)行
RH+Na+ →RNa+H+
再生
離子交換反應(yīng)的可逆性是離子交換樹脂能夠反復(fù)使用的重要原因。
五、失效樹脂為什么可以通過再生重新獲得交換能力？
為了說明上述問題，以Na型樹脂交換水中Ca2+，制取軟化水來加以說明。
當(dāng)把含有Ca2+的水通入Na型離子交換樹脂時(shí)，Na型樹脂即吸著水中的Ca2+，并把本身含有的Na+釋放出來：
2Rna+Ca2+→R2Ca+2Na+
交換反應(yīng)的結(jié)果，除去了水中的Ca2+。
當(dāng)上述交換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，可得出：
KNaCa=R2Ca]·[Na+]2/[RNa]2·[Ca2+]
式中 KNaCa——平衡常數(shù)；
[R2Ca]、RNa]——分別表示反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，樹脂中Ca2+，Na+的濃度，mol/L；
[Ca2+]、[Na+]——分別表示反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，水中的Ca2+，Na+濃度，mol/L。
當(dāng)運(yùn)行到出水中Ca2+含量開始上升時(shí)，表示樹脂失效了。為了使樹脂重新獲得交換能力，就要用NaCl對(duì)樹脂進(jìn)行再生：
2NaCl+R2Ca→2Rna+CaCl2
此時(shí)，盡管KNaCa>1，不利于樹脂的再生，但由于再生時(shí)，NaCl的濃度很高，而Ca2+的濃度又很小，就可以使再生反應(yīng)進(jìn)行下去。
所以在化學(xué)水處理中，就是通過提高再生劑的濃度，反復(fù)利用離子交換平衡的移動(dòng)，使失效的樹脂重要獲得交換能力。
一、什么叫離子交換劑？可分哪幾類？
凡是能夠與溶液中的陽離子或陰離子具有交換能力的物質(zhì)都稱為離子交換劑。
離子交換劑分無機(jī)質(zhì)類和有機(jī)質(zhì)類兩大類。無機(jī)質(zhì)類又可分天然的——如海綠砂；人造的——如合成沸石。有機(jī)質(zhì)類又分碳質(zhì)和合成樹脂兩類。其中碳質(zhì)類如磺化煤等；合成樹脂類分陽離子型——如強(qiáng)酸性和弱酸性樹脂；陰離子型——如強(qiáng)堿性（I、Ⅱ型）和弱堿性樹脂；其他類型的有氧化還原型樹脂、兩性樹脂和螯合樹脂等類。
二、離子交換樹脂發(fā)展的簡(jiǎn)況怎樣？
離子交換現(xiàn)象早在18世紀(jì)中期就為湯普森（Thompson）所發(fā)現(xiàn)。直至1935年亞當(dāng)斯（Aclams）和霍姆斯（Holmes）研究合成了具有離子交換功能的高分子材料，即第一批離子交換樹脂——聚酚醛系強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和聚苯胺醛系弱堿性陰離子交換樹脂。離子交換樹脂的大發(fā)展主要是在第二次世界大戰(zhàn)以后。當(dāng)時(shí)美國和英國一些公司成功地地合成了聚苯乙烯系陽離子交換樹脂，在此基礎(chǔ)上又陸續(xù)開發(fā)了交換容量高、物理-化學(xué)穩(wěn)定性好的其他聚苯乙烯系離子樹脂，相繼又開發(fā)了聚丙烯酸系陽離子樹脂。20世紀(jì)60年代，離子交換樹脂的發(fā)展又取得了重要突破，美國羅姆-哈斯公司（Rohm anes Hass）和德國拜耳公司（Bayer）合成了一系列物理結(jié)構(gòu)和過去完全不同的大孔結(jié)構(gòu)離子交換樹脂。這類樹脂除具有普通離子交換樹脂的交換基團(tuán)外，同時(shí)還有像無機(jī)和碳質(zhì)吸附劑及催化劑那樣的大孔型毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，使離子交換樹脂兼具了離子交換和吸附的功能，為離子交換樹脂的廣泛應(yīng)用開辟了新的前景。
離子交換樹脂和它的應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展一直是相互促進(jìn)、互相依賴的。承受離子交換樹脂的發(fā)展，樹脂應(yīng)用技術(shù)也在不斷改善，開始是間歇式工藝，很快就發(fā)展到固定床工藝，20世紀(jì)60年代后逆流技術(shù)及連續(xù)式離子交換工藝，雙層床技術(shù)等獲得了很快的發(fā)展，這些新的應(yīng)用技術(shù)和工藝的開發(fā)，使離子交換樹脂在許多領(lǐng)域的應(yīng)用更加有效的經(jīng)濟(jì)。20世紀(jì)70年代后，人們正以極大的興趣，注意著熱再生離子交換技術(shù)的發(fā)展。
三、什么叫離子交換？
所謂離子交換，就是水中的離子和離子交換樹脂上的離子，所進(jìn)行的等電荷摩爾量的反應(yīng)。
離子交換的反應(yīng)過程可以用H型陽離子交換樹脂HR和水中Na+交換反應(yīng)過程為例：
HR（R表示離子交換樹脂的交換基團(tuán)）Na+ NaR+H+
從上式可知：在離子交換反應(yīng)中，水中的陽離子（如Na+）被轉(zhuǎn)移到樹脂上去了，而離子交換樹脂上的一個(gè)可交換的H+轉(zhuǎn)入水中。Na+從水中轉(zhuǎn)移到樹脂上的過程中離子的置換過程。而樹脂上的H+交換到水中的過程稱游離過程。因此，由于置換和游離過程的結(jié)果，使得Na+與H+互換位置，這一變化，就稱為離子交換。
四、什么叫離子交換反應(yīng)的可逆性？
離子交換樹脂主要的化學(xué)性質(zhì)這一就是能進(jìn)行離子交換反應(yīng)，并且這個(gè)反應(yīng)是可塑的。
當(dāng)含有Na+的水與H型樹脂相遇時(shí)，即產(chǎn)生下述反應(yīng)：
RH+Na+→RNa+H+
這個(gè)反應(yīng)實(shí)際上是離子交換的制水過程，這個(gè)過程是遵循“等電荷摩爾量”（即等當(dāng)量）進(jìn)行的；反之，當(dāng)用鹽酸（或硫酸）通過Na型樹脂時(shí)，則會(huì)有下面的反應(yīng)：
Rna+H+→RH+Na+
這個(gè)反應(yīng)實(shí)際上是陽離子樹脂失效后的再生反應(yīng)。
需要說明的是，上述兩個(gè)反應(yīng)向哪個(gè)方向進(jìn)行，決定于當(dāng)時(shí)水中各種離子的濃度。
將上述兩個(gè)反應(yīng)式合并表示如下：
運(yùn)行
RH+Na+ →RNa+H+
再生
離子交換反應(yīng)的可逆性是離子交換樹脂能夠反復(fù)使用的重要原因。
五、失效樹脂為什么可以通過再生重新獲得交換能力？
為了說明上述問題，以Na型樹脂交換水中Ca2+，制取軟化水來加以說明。
當(dāng)把含有Ca2+的水通入Na型離子交換樹脂時(shí)，Na型樹脂即吸著水中的Ca2+，并把本身含有的Na+釋放出來：
2Rna+Ca2+→R2Ca+2Na+
交換反應(yīng)的結(jié)果，除去了水中的Ca2+。
當(dāng)上述交換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，可得出：
KNaCa=R2Ca]·[Na+]2/[RNa]2·[Ca2+]
式中 KNaCa——平衡常數(shù)；
[R2Ca]、RNa]——分別表示反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，樹脂中Ca2+，Na+的濃度，mol/L；
[Ca2+]、[Na+]——分別表示反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，水中的Ca2+，Na+濃度，mol/L。
當(dāng)運(yùn)行到出水中Ca2+含量開始上升時(shí)，表示樹脂失效了。為了使樹脂重新獲得交換能力，就要用NaCl對(duì)樹脂進(jìn)行再生：
2NaCl+R2Ca→2Rna+CaCl2
此時(shí)，盡管KNaCa>1，不利于樹脂的再生，但由于再生時(shí)，NaCl的濃度很高，而Ca2+的濃度又很小，就可以使再生反應(yīng)進(jìn)行下去。
所以在化學(xué)水處理中，就是通過提高再生劑的濃度，反復(fù)利用離子交換平衡的移動(dòng)，使失效的樹脂重要獲得交換能力。
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