雙流弱酸陽離子交換器原理

A. 離子交換的基本原理和裝置運行方式

離子交換的基本原理和裝置運行方式

藉助於固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進行交換，以達到提取或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬於傳質分離過程的單元操作。離子交換是可逆的等當量交換反應。下面一起來了解一下離子交換的基本原理和裝置運行方式：

1.1離子交換的基本原理

水處理中主要採用離子交換樹脂和磺化煤用於離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。

離子交換樹脂按結構特徵，分為：凝膠型、大孔型和等孔型;

按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強鹼型和弱鹼型。

⑴離子交換樹脂的構造

是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，

②交聯度

指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯度為7%～10%.

③含水率

指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶脹性

指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。

在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。

⑦有效PH范圍

由於樹脂的交換基團分為強酸強鹼和弱酸弱鹼，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱鹼只能在酸性溶液中以及弱酸在鹼性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。

⑨離子交換平衡

離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利於交換反應的進行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。

其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶於水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小於3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸鹼型耐熱好。

⑶樹脂層離子交換過程

以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

1.2離子交換裝置運行方式

離子交換裝置按運行方式不同，分為固定床和連續床

⑴固定床的構造與壓力濾罐相似，是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式，其特點是交換與再生兩個過程均在交換器中進行，根據交換器內裝填樹脂種類及交換時樹脂在交換器中的.位置的不同，可分為單層床、雙層床和混合床。

單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂，如果裝填的是陽樹脂，稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂，稱為陰床。

雙層床是離子交換器內按比例裝填強、弱兩種同性樹脂，由於強、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強型樹脂在下，在交換器內形成上下兩層。

混合床則是在交換器內均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂，由於陰、陽樹脂混雜，因此原水流經樹脂層時，陰、陽兩種離子同時被樹脂所吸附，其產物氫離子和氫氧根離子又因反應生成水而得以降低，有利於交換反應進行的徹底，使得出水水質大大提高。但其缺點是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。於是又發明了三層混床新技術，保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。

根據固定床原水與再生液的流動方向，又分為兩種形式，原水與再生液分別從上而下以同一方向流經離子交換器的，稱為順流再生固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。

順流再生固定床的構造簡單，運行方便，但存在幾個缺點：在通常生產條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍於理論值，再生效果也不太理想;樹脂層上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附，置換出來的反離子隨水流流經底層時，與未再生好的樹脂起逆交換反應，上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子，作為泄漏離子出現在本周期的出水中，所以出水剩餘被去除的離子較大;而到了了工作後期，由於樹脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規定，導致交換器過早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用於設備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。

逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補順流再生的缺點，而且出水質量顯著提高，原水水質適用范圍擴大，對於硬度較高的水，仍能保證出水水質，所以目前採用該法較多。

總起來說，固定床有出水水質好等優點，但固定床離子交換器存在三個缺點：一是樹脂交換容量利用率低，二是在同設備中進行產水和再生工序，生產不連續，三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻，上層的飽和程度高，下層的低。

為克服固定床的缺點，開發出了連續式離子交換設備，即連續床。

⑵連續床又分為移動床和流動床

移動床的特點是樹脂顆粒不是固定在交換器內，而是處於一種連續的循環運動過程中，樹脂用量可減少三分之一至二分之一，設備單位容積的處理水量還可得到提高，如雙塔移動床系統和三塔移動床系統。

流動床是運行完全連續的離子交換系統，但其操作管理復雜，廢水處理中較少應用。

B. 離子交換的基本原理

水處理中主要採用離子交換樹脂和磺化煤用於離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。
離子交換樹脂按結構特徵，分為：凝膠型、大孔型和等孔型氏蘆;
按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;
按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強鹼型和弱鹼型。
⑴離子交換樹脂的構造
是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可數孝交換離子。
⑵基本性能
①外觀
呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，
②交聯度
指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯度為7%～10%。
③含水率
指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。
④溶脹性
指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。
在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。
⑤密度
分為干真密度、濕真密度和濕視密度
⑥交換容量
是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。
⑦有效PH范圍
由於樹脂的交換基團分為強酸強鹼和弱酸弱鹼，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱鹼只能在酸性溶液中以及弱酸在鹼性溶液中有較高的交換能力。
⑧選擇性
即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。
⑨離子交換平衡
離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利於交換反應的進行。
⑩離子交換速率
主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。殲畢帶
其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶於水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小於3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸鹼型耐熱好。
⑶樹脂層離子交換過程
以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

C. 混合離子交換器的工作原理是什麼

陽、陰兩種離子交換樹脂，互相充分地混合在一個離子交換器內，同時進行陽、陰離子交換的設備。簡稱混床。所謂混床，就是把一定比例的陽、陰離子交換樹脂混合裝填於同一交換裝置中，對流體中的離子進行交換、脫除。由於陽樹脂的比重比陰樹脂大，所以在混床內陰樹脂在上陽樹脂在下。

一般陽、陰樹脂裝填的比例為1：2，也有裝填比例為1：1.5的，可按不同樹脂酌情考慮選擇。混床也分為體內同步再生式混床和體外再生式混床。同步再生式混床在運行及整個再生過程均在混床內進行，再生時樹脂不移出設備以外，且陽、陰樹脂同時再生，因此所需附屬設備少，操作簡便。混合床離子交換法，就是把陰、陽離子交換樹脂放置在同一個交換器中，在運行前將它們均勻混合，所以可看著是由無數陰、陽交換樹脂交錯排列的多級式復床，水中所含鹽類的陰、陽離子通過該項交換器，則被樹脂交換，而得到高度純水。在混合床中，由於陰、陽樹脂是相互混勻的，所以其陰、陽離子交換反應幾乎同時進行，或者說，水的陽離子交換和陰離子交換是多次交錯進行的，經H型交換所產生的H+和經過OH型交換所產生的OH-都不能積累起來，基本上消除反離子的影響，交換進行得比較徹底。由於進入混合床的初級純水質較好，交換器的負載較輕，樹脂的交換能力很長時間才被子耗竭。本混合床採用體內再生法，再生時首先利用兩種樹脂的比重不同，用反洗使用權陰、陽離子交換樹脂完全分離，陽樹脂沉積在下，陰樹脂浮在上面，然後陽樹脂用鹽酸（或硫酸）再生，陰樹脂用燒鹼再生。

D. 陽樹脂進完酸後置換時出水呈紅色的原因

煤氣發電化水站各個水處理設備運行工況已經趨於其最佳工況，但是陽離子交換器在運行中出現失效後再生效果差的問題，主要表現為按照正常的逆流再生程序難以實現再生，必須依靠高濃度(7%-10%)的酸進行浸泡再生，酸耗比增大(再生中酸的用量增大)，同時在再生過程中發現陽樹脂顏色較深，呈鐵紅色(陽樹脂正常顏色為米黃色，顏色較淡)，初步分析為鐵污染較為嚴重，嚴重影響了正常的生產。現從其交換原理，再生方式，再生液的濃度，水源水質等幾個方面逐一進行分析，尋找原因。

一、陽離子交換器(陽床)交換原理

化水站選用的陽離子交換器中的陽樹脂為強酸性H樹脂，簡稱H型樹脂。強酸性H樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料。在溶液中它能將本身的離子與溶液中的陽離子進行交換。強酸性H樹脂是一種人造有機聚合物產品。聚合反應生成具有三度空間立體網狀結構的聚合物骨架(樹脂母體)，再於骨架上導入不同的化學活性基而成。由於它的活性基如磺酸基(-SO3H)、羧基(-COOH)等都含有活性強酸性H離子可在水中解離出來，用於與其它陽離子進行交換。H型陽離子交換樹脂不溶於水和一般溶劑。化學性質相當穩定摸起來硬而有彈性，機械強度也足夠承受相當壓力，顏色淺呈透明狀。

離子交換的選擇性是指離子交換劑對於某些離子顯示優先活性的性質。離子交換樹脂吸附各種離子的能力不同，有些離子易被交換樹脂吸附，但吸著後要把它置換下來就比較困難，而另一些離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子交換的選擇性。離子交換樹脂對水中不同離子的選擇性與樹脂的交聯度、交換基團、可交換離子的性質、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關。離子交換作用即溶液中的可交換離子與交

E. 離子交換器參數的工作原理是什麼

工作原理就是離子的交換。運行時：陽樹脂 (h-r) (m ) --> ：(m-r) (h )陰樹脂 (oh-r) (x-) --> ：(x-r) (oh-)其中m 為金屬離子版，x-為陰離子。再生過權程為其逆過程。

F. 陰陽離子交換樹脂的工作原理

離子交換樹脂原理即是離子交換樹把溶液中的鹽分脫離出來的過程：

離子交換樹脂作用環境中的水溶液中，含有的金屬陽離子（Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等)與陽離子交換樹脂(含有的磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基團，在水中易生成H+離子)上的H+進行離子交換，使得溶液中的陽離子被轉移到樹脂上，而樹脂上的H+交換到水中，（即為陽離子交換樹脂原理）。

水溶液中的陰離子(Cl-、HCO3-等)與陰離子交換樹脂（含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亞胺基（—NH2）等鹼性基團，在水中易生成OH-離子）上的OH-進行交換，水中陰離子被轉移到樹脂上，而樹脂上的OH-交換到水中，（即為陰離子交換樹脂原理）。而H+與OH-相結合生成水，從而達到脫鹽的目的。

(6)雙流弱酸陽離子交換器原理擴展閱讀：

離子交換樹脂使用方法：

1、預選。離子交換樹脂的粒度一般控制在20-35目，有些可達到50目，因此在使用前要先乾燥，粉碎，過篩，通常乾燥時在烘箱中進行，亦可在裝有五氧化二磷、氧化鈣或者濃硫酸的乾燥器中進行，粉碎時不要分得過細，否則影響實驗收率。

2、預處理。強鹼性離子交換樹脂應先用20倍樹脂體積的4%氫氧化鈉水溶液處理，然後用10倍體積的水洗，再用10倍量4%鹽酸處理，最後用蒸餾水洗至中性，然後將氯型轉化成OH型，再轉化成氯型，最後用10倍4%氫氧化鈉水溶液處理。弱鹼性離子交換樹脂處理時只需用10倍量蒸餾水洗即可，不必洗至中性。

3、裝柱。將處理好的樹脂至於燒杯中，加水充分攪拌除掉氣泡，靜置幾分鍾待樹脂大部分沉降後，傾去上層泥狀顆粒；反復操作直至上層液澄清後，即可裝柱。注意要在柱子底部放1cm後的玻璃絲，用玻璃棒將其壓平，將樹脂倒入柱子中，還要注意防止氣泡產生。

4、樹脂交換。將樣品配製成一定濃度的水溶液，以適當流速通過柱子，亦可將樣品溶液反復通過柱子，直到成分交換完全。用顯色法檢驗成分是否交換徹底。

5、樹脂洗脫。注意親和力弱的成分先被洗下來，常用的離子交換樹脂洗脫劑有強酸、強鹼、鹽類、不同pH緩沖溶液、有機溶液等，可選擇梯度洗脫或者單一濃度洗脫。

6、樹脂再生。

G. 陽離子交換樹脂的工作原理是怎麼樣的

陽離子交換樹脂吸附交換原理

強酸性陽離子樹脂

這類樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強酸性。樹脂離解後，本體所含的負電基團，如SO3－，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或鹼性溶液中均能離解和產生離子交換作用。

樹脂在使用一段時間後，要進行再生處理，即用化學葯品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結合而恢復原來的組成。

弱酸性陽離子樹脂

這類樹脂含弱酸性基團，如羧基－COOH，能在水中離解出H+ 而呈酸性。樹脂離解後餘下的負電基團，如R-COO－(R為碳氫基團)，能與溶液中的其他陽離子吸附結合，從而產生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進行離子交換，只能在鹼性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。這類樹脂亦是用酸進行再生(比強酸性樹脂較易再生)。

其實陽離子交換樹脂在我們實際使用過程中，一般都是將樹脂變味其他離子形式進行運行，以滿足各種場景使用需求。例如經常會將強酸性的陽離子交換樹脂和NaCl一起轉變為鈉型的樹脂後再投入使用，當樹脂置換過程中就會放出Na+與溶液中的Ca2+、Mg2+等陽離子交換吸附，除去這些離子。反應時沒有放出H+，可避免溶液pH下降和由此產生的副作用(如蔗糖轉化和設備腐蝕等)。

而且這類樹脂以鈉型狀態運行使用後，可直接用鹽水對樹脂進行再生(不用強酸)。

H. 離子交換器的工作原理

工作原理就是離子的交換。
運行時：陽樹脂(H-R)+(M+)-->：(M-R)+(H+)
陰樹脂(OH-R)+(X-)-->：(X-R)+(OH-)
其中M+為金屬離子，X-為陰離子。
再生過程為其逆過程。
離子交換器的失效控制
離子交換除鹽水處理最簡單的流程為 陽床-陰床 組成的一級復床除鹽系統。有的一級復床除鹽系統採用單元制，即每套一級復床除鹽系統包括 陽床、（除碳器）、陰床各一台，在離子交換除鹽運行過程中，無論是陽床還是陰床先失效，都是同時再生；還有的一級復床除鹽系統採用母管制，即陽床與陽床或陰床與陰床是並聯運行的，哪一台交換器失效就再生哪一台。
1 檢測和控制原理
強酸性陽樹脂對水中各種陽離子的吸附順序為：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ；由此可知，水中金屬離子Na+被吸附的能力最弱，所以當離子交換時樹脂層的各種離子吸附層逐漸下移，H+.最後被其他陽離子置換下來，當保護層穿透時，首先泄漏的是最下層的Na+；因此監督陽離子交換器失效是以漏鈉為標準的；其反應方程為（A代表金屬陽離子,R為樹脂基團）：
An+ +nRH=RnA+n H+
HCO3- + H+ =H2O+CO2↑
強鹼性陰樹脂對水中各種陰離子的吸附順序為：SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以當離子交換時樹脂層的各種離子吸附層逐漸下移，OH-.被其他陰離子置換下來，當保護層穿透時，首先泄漏的是最下層的HSiO3-；因此監督陰離子交換器失效是以漏硅為標準的；其反應方程為（B代表酸根陰離子，R為樹脂基團）：
Bm- +mROH=RmB+mOH-
2 控制點和控制方法
由於母管制系統包含了單元制系統,而且它具有能充分使用樹脂、提高交換器的出水能力、降低酸鹼消耗等優點，我們在研究中主要討論以這種結構為基礎的離子交換除鹽水處理系統。
以成都生物製品研究所蛋白分離車間純水站為例，該系統為母管制水處理系統，系統的結構為：砂濾-活性炭過濾-粗濾-陽床- 一陰-二陰-混床-精濾-純水罐，系統產水能力為5 t/h，在系統的失效控制研究中，我們提出單元失效控制概念，也就是充分利用了母管制制水系統的優點對系統進行失效控制。
（1）RO對各有機溶質的去除率大於NF膜。（2）不同有機溶質的去除率不相同，有的甚至相差很大（例如，RO和NF膜對乙酸的吸光度去除率分別為95.34%、81.45%，而對苯胺的吸光度去除率則分別為61.50%、46.82%）。
3 出水水質
原水經一級復床除鹽後，電導率（25℃）低於10μS/cm，水中硅含量低於100μg/L。

I. 陽離子交換膜的原理是什麼

離子交換膜是對離子具有選擇透過性的高分子材料製成的薄膜,陽離子膜通常是磺酸型的,帶有固定基團和可解離的離子 如鈉型磺酸型:固定基團是磺酸根 解離離子是鈉離子
陽離子交換膜可以看作是一種高分子電解質,他的高分子母體是不溶解的,而連接在母體上的磺酸集團帶有負電荷和可解離離子相互吸引著,他們具有親水性
由於陽膜帶負電荷,雖然原來的解離正離子受水分子作用解離到水中,但在膜外我們通電通過電場作用,帶有正電荷的陽離子就可以通過陽膜,而陰離子因為同性排斥而不能通過,所以具有選擇透過性
簡單知道下原理,對電滲析或EDI設備維護很有幫助
樓上說的是離子交換樹脂的原理,寫的非常好,但跑題了