離子交換作用和溫度的關系

⑴ 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。

⑵ 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。

⑶ 什麼是離子交換過程，影響離子交換過程的因素有哪些

離子交換過程歸納為如下幾個過程
1. 水中離子在水溶液中向樹脂表面擴散
2. 水中離子進入樹脂顆粒的交聯網孔，並進行擴散
3. 水中離子與樹脂交換基團接觸，發生復分解反應，進行離子交換
4. 被交換下來的離子，在樹脂的交聯網孔內向樹脂表面擴散
5. 被交換下來的離子，向水溶液中擴散

影響交換的主要因素有流速、原料液濃度、溫度等。
流速
原料液的流速實際上反映了達到反應平衡的時間，在交換過程中，離子進行擴散—交換—擴散一系列步驟，有效地控制流速很重要。一般，交換液流速大，離子的透析量就高，未來及交換而通過樹脂層流失的量增多。因此，應根據交換容量等選擇適宜的流速。

原料液濃度
樹脂中可交換的離子與溶液中同性離子既有可能進行交換，也有可能相斥，液相離子濃度高，樹脂接觸機會多，較易進入樹脂網孔內，液相濃度低，樹脂交換容量大時，則相反。但液相離子濃度過高，將引起樹脂表面及內部交聯網孔收縮，也會影響離子進入網孔。實驗證明，在流速一定時，溶液濃度越高，溶質的流失量液越大。

溫度
溫度越提高，離子的熱運動越劇烈。單位時間碰撞次數增加，可加快反應速率。但溫度太高，離子的吸附強度會降低，甚至還會影響樹脂的熱穩定性，經濟上不利，實際生產中採用室溫操作較宜。

⑷ 水的溫度對於陰陽離子交換樹脂有沒有影響

吸附本身屬於熱力學過程，因此一定是與溫度有關系的，具體要看屬於哪種吸附方程式，簡單點說在某種區間范圍內溫度高點好，但過高會影響到樹脂本身的熱穩定性，60度算很高的溫度了

⑸ 影響陽離子交換能力的因素有哪些

土壤溶液來中的陽離子進行交自換，稱為陽離子的交換作用。影響因素有——（1）陽離子的代換能力隨離子價數的增加而增大，因為高價陽離子的電荷量大、電性強所以代換能力也大，各種陽離子代換力的大小順序：Na+<K+<NH4+<Mg2+<Ca2+<H+<Al3+<Fe3+（2）等價離子代換能力的大小，隨原子序數的增加而增大（3）離子運動速度愈大，交換力愈強（4）陽離子的相對濃度及交換生成物的性質。
影響土壤陽離子交換量的因素有:陽離子交換量：每千克干土中所含的全部陽離子總量，以厘摩爾（+）每千克土或 c mol(+)kg的-1次冪表示。影響因素——（1）膠體的種類，有機膠體>無機膠體，有機質高的>有機質低的，次生鋁硅酸鹽（2:1>1:1）>次生氧化物（2）溶液的pH值（3）土壤質地，質地愈細交換量愈高。

⑹ 離子交換的原理

有兩種理論可用於研究交換過程的選擇性：
① 多相化學反應理論假定離子A1與A2之間有如下的交換反應：
式中Z1和Z2分別為離子A1和A2的化合價;A1和A2表示存在於溶液相中的離子；凴1和凴2表示存在於樹脂相中的離子。以離子濃度C代替活度，依據質量作用定律,可得出離子交換平衡常數為： 式中C1、C2、叿1和叿2分別為A1、A2、凴1和凴2的離子濃度。此常數又稱選擇性系數。
②膜平衡理論認為樹脂表面相當於半透膜, 所交換的離子能自由通過；而連接在樹脂骨架上的離子不能通過。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈爾公式：
式中R為摩爾氣體常數;T為絕對溫度；α1、α2、ā1和ā2分別為離子A1、A2、凴1和凴2的活度；π為滲透壓;堸為位於樹脂相的離子的偏摩爾體積。由上式可以看出，化合價較高、體積較小（即水化半徑較小）的離子，將優先與樹脂結合。因此，溶液中各種離子的化合價及體積相差越大，離子交換過程的選擇性越高。 離子交換是一種液固相反應過程，必然涉及物質在液相和固相中的擴散過程。在常溫下，交換反應的速度很快，不是控制因素。如果進行交換的離子在液相中的擴散速度較慢，稱為外擴散控制，如果在固相中的擴散較慢，則稱為內擴散控制。
早期的研究系從斐克定律（見分子擴散）出發，所導出的速率方程式只適用於同位素離子的交換。實際上，離子交換過程至少有兩種離子反向擴散。如果它們的擴散速率不等，就會產生電場，此電場必對離子的擴散產生影響。考慮到此電場的影響，F.G.赫爾弗里希導出相應的速率方程為：
式中N為物質通量；D為擴散系數；F為法拉第常數；φ為電極電位。

⑺ 離子交換原理

離子交換的基本原理 離子交換的選擇性定義為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一，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換基團上的可交換離子發生交換。一般來說，離子交換樹脂對價數較高的離子的選擇性較大。對於同價離子，則對離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價的金屬離子中，原子序數較大的離子其水合半徑較小，陽離子交換樹脂對其的選擇性較大。對於丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂來說，它對一些離子的選擇性順序為：H+>Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na十。 離子交換反應是可逆反應，但是這種可逆反應並不是在均相溶液中進行的，而是在固態的樹脂和溶液的接觸界面間發生的。這種反應的可逆性使離子交換樹脂可以反復使用。以D113型離子交換樹脂制備硫酸鈣晶須為例說明： D113丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂是一種大孔型離子交換樹脂，其內部的網狀結構中有無數四通八達的孔道，孔道裡面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團。當硫酸鋅溶液中的Zn2+，S042-擴散到樹脂的孔道中時，由於該樹脂對Zn2+選擇性強於對Ca2+的選擇性，，所以Zn2+就與樹脂孔道中的交換基團Ca2+發生快速的交換反應，被交換下來的Ca2+遇到擴散進入孔道的S042-發生沉澱反應，生成硫酸鈣沉澱。其過程大致為：
(1)邊界水膜內的擴散 水中的Zn2+，S042-離子向樹脂顆粒表面遷移，並擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面； (2)交聯網孔內的擴散(或稱孔道擴散) Zn2+，S042-離子進入樹脂顆粒內部的交聯網孔，並進行擴散，到達交換點；
(3)離子交換 Zn2+與樹脂基團上的可交換的Ca2+進行交換反應；
(4)交聯網孔內的擴散 被交換下來的Ca2+在樹脂內部交聯網孔中向樹脂表面擴散；部分交換下來的Ca2+在擴散過程中遇到由外部擴散進入孔徑的S042-發生沉澱反應，生成CaS04沉澱；
(5)邊界水膜內的擴散 沒有發生沉澱反應的部分Ca2+擴散通過樹脂顆粒表面的邊界水膜層，並進入水溶液中。 此外，由於離子交換以及沉澱反應的速度很快，硫酸鈣沉澱基本在樹脂的孔道里生成，因此樹脂的孔道就限制了沉澱的生長及形貌，對其具有一定的規整作用。通過調整攪拌速度、反應溫度等外界條件，可以使樹脂顆粒及其內部孔道發生相應的變化，這樣當沉澱在樹脂孔道中生成後，就得到了不同尺寸和形貌的硫酸鈣沉澱。

⑻ 離子交換樹脂的交換原理

離子交換樹脂的內部結構，由三部分組成，分別是：

1、高分子骨。

由交聯的高分子聚合物組成；

2、離子交換基團。

它連在高分子骨架上，帶有可交換的離子（稱為反離子）的離子型官能團或帶有極性的非離子型官能團；

3、孔。

它是在干態和濕態的離子交換樹脂中都存在的高分子結構中的孔（凝膠孔）和高分子結構之間的孔（毛細孔）。

在交聯結構的高分子基體（骨架）上，以化學鍵結合著許多交換基團。這些交換基團也是由兩部分組成：固定部分和活動部分。

交換基團中的固定部分被束縛在高分子的基體上，不能自由移動，所以稱為固定離子；交換基團的活動部分則是與固定離子以離子鍵結合的符號相反的離子，稱為反離子或可交換離子。反離子在溶液中可以離解成自由移動的離子，在一定條件下，它能與符號相同的其他反離子發生交換反應。

1、離子交換的選擇性定義：

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一，有些離子易被交換樹脂吸附，但吸著後要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換基團上的可交換離子發生交換。一般來說，離子交換樹脂對價數較高的離子的選擇性較大。對於同價離子，則對離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價的金屬離子中，原子序數較大的離子其水合半徑較小，陽離子交換樹脂對其的選擇性較大。對於強酸性陽離子交換樹脂來說，它對一些離子的選擇性順序為：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。離子交換反應是可逆反應，但是這種可逆反應並不是在均相溶液中進行的，而是在固態的樹脂和溶液的接觸界面間發生的。這種反應的可逆性使離子交換樹脂可以反復使用。

2、以001×7強酸陽離子交換樹脂為例說明：

001×7強酸陽離子交換樹脂是一種凝膠型離子交換樹脂，其內部的網狀結構中有無數四通八達的孔道，孔道裡面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團。當原水當中的Ca2+，Mg2+等陽離子-擴散到樹脂的孔道中時，由於該樹脂對Ca2+，Mg2+等陽離子選擇性強於對H+的選擇性，所以H+就與進入樹脂孔道中的Ca2+，Mg2+等陽離子發生快速的交換反應，Ca2+，Mg2+等陽離子被固定到樹脂交換基團上面，被交換下來的H+向樹脂的孔道中-擴散，最終擴散到水中。

（1）邊界水膜內的擴散

水中的Ca2+，Mg2+等陽離子向樹脂顆粒表面遷移，並擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面；

（2）交聯網孔內的擴散（或稱孔道擴散）

Ca2+，Mg2+等陽離子進入樹脂顆粒內部的交聯網孔，並進行擴散，到達交換點；

（03）離子交換

Ca2+，Mg2+等陽離子與樹脂基團上的可交換的H+進行交換反應；

（4）交聯網孔內的擴散

被交換下來的H+在樹脂內部交聯網孔中向樹脂表面擴散。

（5）邊界水膜內的擴散

最終擴散到水中。

鑒於離子交換樹脂反應的可逆性，反應後的樹脂通過處理，重新轉化為原來的離子交換樹脂，這樣又可以進入下一循環，其循環次數視所用樹脂類型不同而定。