理学离子交换法及其应用学习教案.pptx
会计学1理学离子交换理学离子交换(l z jio hun)法及其应用法及其应用第一页，共32页。1.1 离子交换法发展离子交换法发展(fzhn)历程历程n n70 年代中后期，“闭路循环工序化”发展(fzhn),即逆流漂洗-离子交换-蒸发浓缩的组合工艺 n n到了20 世纪80 年代,国内也出现了类似工艺，我国树脂法处理含铬废水始于20 世纪70 年代。n n1974 年,大孔苯乙烯叔胺型弱碱性阴离子交换树脂研制成功,被当时认为是电镀含铬废水处理技术的一大突破。n n工业上采用离子交换树脂处理含锌废水也比较成熟 n n离子交换树脂处理贵金属废水的经济效益显著，国内已有厂家成功地用“丙酮-盐酸-水”混合液进行树脂洗脱并回收金 第1页/共32页第二页，共32页。n n 离子交换(jiohun)法是利用离子交换(jiohun)剂和溶液中的离子发生交换(jiohun)反应进行分离的方法,主要以离子交换(jiohun)树脂为载体的。n n 实质：不溶性离子化合物（离子交换(jiohun)剂）上的可交换(jiohun)离子与溶液中的其他同性离子的交换(jiohun)反应，是一种特殊 的吸附过程，通常是可逆化学吸附1.2 离子交换离子交换(l z jio hun)法原理法原理第2页/共32页第三页，共32页。1.2 离子交换离子交换(l z jio hun)法原理法原理n n在平衡状态下，离子交换剂及溶液在平衡状态下，离子交换剂及溶液在平衡状态下，离子交换剂及溶液在平衡状态下，离子交换剂及溶液(rngy)(rngy)中的反应物浓中的反应物浓中的反应物浓中的反应物浓度符合下列关系式：度符合下列关系式：度符合下列关系式：度符合下列关系式：离子交离子交换是可逆反是可逆反应(kn-fnyng)，其反，其反应式式可表可表达达为：交换交换树脂树脂交换交换离子离子饱和饱和树脂树脂 K 值的大小能定量地反映离子交的大小能定量地反映离子交换剂对某某两个两个固定离子交固定离子交换选择性的大小。性的大小。第3页/共32页第四页，共32页。1.2 离子交换离子交换(l z jio hun)基本理论基本理论(1)离子交换过程离子交换过程 离子交换过程可以看作是固相的离子交换过程可以看作是固相的离子交换树脂与液相（废水）离子交换树脂与液相（废水）电解质之间的化学电解质之间的化学(huxu)置置换反应。换反应。其中：其中：R和和 R 代表阳、阴交换树脂代表阳、阴交换树脂(shzh)的本体的本体第4页/共32页第五页，共32页。1.3 离子交换离子交换(l z jio hun)剂剂n n 目前在水处理中广泛使用的离子交换剂是离子交换树脂，它具有交换容量高；球目前在水处理中广泛使用的离子交换剂是离子交换树脂，它具有交换容量高；球形颗粒，水流阻力小，交换速度快；机械强度和化学稳定性都较好形颗粒，水流阻力小，交换速度快；机械强度和化学稳定性都较好.n n 离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，它由不溶性的三维离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，它由不溶性的三维空间空间(snwikngjin)(snwikngjin)网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团上带有相反网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团上带有相反电荷的可交换离子三部分构成。电荷的可交换离子三部分构成。苯乙烯系阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 阳离子交换树脂第5页/共32页第六页，共32页。离子树脂三维空间立体结构离子树脂三维空间立体结构树脂的网络骨架树脂的网络骨架第6页/共32页第七页，共32页。一部分是不溶性的树脂本体(resin matrix)。树脂本体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂的作用是使树脂本体形成(xngchng)立体的网状结构。另一部分是具有活性的交换基团（也叫活性基团）。交换基团(functional group)由起交换作用的离子和与树脂本体联结的离子组成。如磺酸型阳离子交换树脂的组成为：RSO3H，其中R为树脂本体，SO3H为交换基团，H是可交换离子。1.3 离子交换(l z jio hun)剂第7页/共32页第八页，共32页。如如如如R RNH2NH2活性基团水合后形成活性基团水合后形成活性基团水合后形成活性基团水合后形成(xngchng)(xngchng)含有可离解的含有可离解的含有可离解的含有可离解的OHOH离子：离子：离子：离子：R RNH2NH2H2O H2O R RNH3NH3OHOH OH OH 可可可可以和其它阴离子交换以和其它阴离子交换以和其它阴离子交换以和其它阴离子交换离离子子交交换换(l z jio hun)树树脂脂 如如如如RRSO3HSO3H，酸性基团上的，酸性基团上的，酸性基团上的，酸性基团上的HH可以可以可以可以(ky)(ky)电离，能与其他阳离子进行等当量的离子交换电离，能与其他阳离子进行等当量的离子交换电离，能与其他阳离子进行等当量的离子交换电离，能与其他阳离子进行等当量的离子交换 阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的阳离子交换树脂内的活性基团是酸性的阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的阴离子交换树脂内的活性基团是碱性的阳离子交换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂(cation resin)(cation resin)阴离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂(anion resin)(anion resin)1.3 离子交换剂第8页/共32页第九页，共32页。离子交换离子交换(l z jio hun)树树脂的有效脂的有效pH范围范围树脂类型强酸性离子交换树脂弱酸性离子交换树脂强碱性离子交换树脂弱碱性离子交换树脂有效pH范围114514112072.交换交换(jiohun)容容量量v 淡淡黄黄色球色球状状颗粒；粒；v 化化学学稳定性好，耐磨性好；定性好，耐磨性好；v 在酸性、在酸性、碱碱性和中性介性和中性介质中都中都可使用；可使用；v 交交换反反应速度快；速度快；v 无机、有机无机、有机阴阴离子均可交离子均可交换。交换交换交换交换(jiohun)(jiohun)能力受酸度的影能力受酸度的影能力受酸度的影能力受酸度的影响较大响较大响较大响较大1.3 离子交换剂第9页/共32页第十页，共32页。1.4 离子交换(l z jio hun)反应的过程第10页/共32页第十一页，共32页。第11页/共32页第十二页，共32页。过程通常(tngchng)分为五个阶段:（a）交换离子从溶液中扩散到树脂颗粒(kl)表面（穿过颗粒(kl)表面的液膜）；（b）交换离子在树脂颗粒(kl)内部扩散（即交联网孔中，直至达到某一活性基团位置；（c）交换离子与结合在树脂活性基团上的可交换离子发生交换反应；（d）被交换下来的离子在树脂颗粒(kl)内部扩散；（e）被交换下来的离子在溶液中扩散。交换反应速度比扩散速度快的多，总的交换速度由扩散过程控制。1.4 离子交换反应(fnyng)的过程离子交换的总速度取决于扩散速度第12页/共32页第十三页，共32页。1.5 离子交换树脂离子交换树脂(shzh)的再生的再生n n离子交换与再生反应是一个可离子交换与再生反应是一个可逆反应逆反应(kn-fnyng)，树脂再，树脂再生就是使离子交换反应逆向进生就是使离子交换反应逆向进行，以恢复树脂的离子交换性行，以恢复树脂的离子交换性能。能。n n一般用适当浓度的酸或碱进行一般用适当浓度的酸或碱进行洗涤可恢复到原状态而重复使洗涤可恢复到原状态而重复使用。阳离子交换树脂可用稀硫用。阳离子交换树脂可用稀硫酸、稀盐酸淋洗；阴离子交换酸、稀盐酸淋洗；阴离子交换树脂可用氢氧化钠溶液处理再树脂可用氢氧化钠溶液处理再生。生。第13页/共32页第十四页，共32页。2 离子交换(l z jio hun)树脂处理重金属废水第14页/共32页第十五页，共32页。2 离子交换离子交换(l z jio hun)法处理重金法处理重金属废水属废水 n n离子交换树脂法具有交换、选择、吸附和催化等功能。近年来，使离子交换树脂在废水处理领域的应用不断扩大，越来越显示出它的优越性。n n应用离子交换树脂进行工业废水处理，不仅树脂可以再生，而且操作(cozu)简单、工艺条件成熟、流程短，目前在废水处理方面得到了大量应用。第15页/共32页第十六页，共32页。离子交离子交离子交离子交换换方式可分方式可分方式可分方式可分为为静静静静态态交交交交换换与与与与动态动态交交交交换换两种两种两种两种。静静静静态态交交交交换换是是是是将将将将废废水水水水与与与与交交交交换剂换剂同置于一耐腐同置于一耐腐同置于一耐腐同置于一耐腐蚀蚀的容器的容器的容器的容器内内内内，使，使，使，使它它它它们们充分接充分接充分接充分接触触触触（可（可（可（可进进行不行不行不行不断断断断搅搅拌）直至交拌）直至交拌）直至交拌）直至交换换反反反反应应(fnyng)(fnyng)达达达达到平衡到平衡到平衡到平衡状状状状态态。此法适用于平衡良。此法适用于平衡良。此法适用于平衡良。此法适用于平衡良好的交好的交好的交好的交换换反反反反应应(fnyng)(fnyng)。动态动态交交交交换换是指是指是指是指废废水水水水与与与与树树脂脂脂脂发发生相生相生相生相对对移移移移动动，它它它它又有塔又有塔又有塔又有塔式式式式(column)(column)（柱式）（柱式）（柱式）（柱式）与与与与连续连续式之分。在离子交式之分。在离子交式之分。在离子交式之分。在离子交换换系系系系统统中多采用柱式交中多采用柱式交中多采用柱式交中多采用柱式交换换法。法。法。法。离子交换离子交换(l z jio hun)吸附吸附第16页/共32页第十七页，共32页。2.1离子交换离子交换(l z jio hun)工艺过工艺过程示意图程示意图 反洗反洗废水水 反洗水反洗水 反洗反洗 树脂 原水原水原水原水出水出水出水出水失效失效失效失效区区区区交交交交换换区区区区未用未用未用未用区区区区B,CB,C0 0 出水中出水中开开始始(kish)有有B漏出，此漏出，此时树脂脂层穿透。穿透。继续，C达达C0时，全塔，全塔树脂交脂交换饱和。和。第17页/共32页第十八页，共32页。1 1 漂洗槽漂洗槽漂洗槽漂洗槽2 2 漂洗水池漂洗水池漂洗水池漂洗水池3 3 微孔微孔微孔微孔(wi(wi kn)kn)滤滤滤滤管管管管4 4 泵泵泵泵5 5，8 8 阳阳阳阳离子离子离子离子交交交交换树换树换树换树脂脂脂脂6 6 阴阴阴阴离子交离子交离子交离子交换树换树换树换树脂脂脂脂7 7 贮贮贮贮槽槽槽槽9 9 蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器10 10 电镀电镀电镀电镀槽槽槽槽2.1离子交换树脂(shzh)回收铬酸第18页/共32页第十九页，共32页。20 2.1离子交换(l z jio hun)树脂回收铬酸 电镀电镀电镀电镀(dind)(dind)的的的的工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程废水池废水池废水池废水池过滤器过滤器过滤器过滤器 除去除去除去除去(ch q)(ch q)悬浮悬浮悬浮悬浮物物物物阳离子交换柱，除去阳离子交换柱，除去阳离子交换柱，除去阳离子交换柱，除去CrCr3+3+、FeFe3+3+、CuCu2+2+、离子，同时降低废水离子，同时降低废水离子，同时降低废水离子，同时降低废水pHpH值值值值阴离子交换柱，除去阴离子交换柱，除去阴离子交换柱，除去阴离子交换柱，除去CrCr2 2OO7 72-2-和和和和CrOCrO4 42-2-离子离子离子离子再生液，含再生液，含再生液，含再生液，含NaNa2 2CrCr2 2OO7 7和和和和NaNa2 2CrOCrO4 4 阳离子交换柱，生成阳离子交换柱，生成阳离子交换柱，生成阳离子交换柱，生成H H2 2CrCr2 2OO7 7和和和和H H2 2CrOCrO4 4 蒸发器，使铬酸浓缩，达到蒸发器，使铬酸浓缩，达到蒸发器，使铬酸浓缩，达到蒸发器，使铬酸浓缩，达到要求的浓度后回用要求的浓度后回用要求的浓度后回用要求的浓度后回用阳阳阳阳离子交离子交离子交离子交换换器器器器5 5的作用：除去金的作用：除去金的作用：除去金的作用：除去金属属属属离子及离子及离子及离子及杂质杂质，减减减减少少少少对对阴阴阴阴离子离子离子离子树树脂的脂的脂的脂的污污染（重金染（重金染（重金染（重金属属属属离子离子离子离子对树对树脂脂脂脂氧氧氧氧化分解起催化化分解起催化化分解起催化化分解起催化作用）；降低作用）；降低作用）；降低作用）；降低废废水水水水pHpH值值，使，使，使，使CrCr6+6+以以以以CrCr2 2OO7 72-2-存在。存在。存在。存在。第19页/共32页第二十页，共32页。2.2含氰废水含氰废水(fishu)的处理的处理n n氰化水中多种金属氰化络合物对阴离子交换树脂(shzh)有很强的亲和力,用 ROH 代表处理的阴离子交换树脂(shzh)n n交换反应过程如下：n n ROH+CN-RCN+OH-n n 2ROH+Zn(CN)42-R2Zn(CN)4+2OH-n n 2ROH+Cu(CN)32-R2Cu(CN)3+2OH-n n 4ROH+Fe(CN)64-R4Fe(CN)6+4OH-第20页/共32页第二十一页，共32页。处理流程处理流程(lichng)(lichng)如下：如下：2.2 含氰废水(fishu)的处理第21页/共32页第二十二页，共32页。2.2 含氰废水含氰废水(fishu)的处理的处理n nPb(CN)42-、Ni(CN)42-、Au(CN)2-、Ag(CN)2-等吸附与上述类似(li s)。n n在强碱性阴离子交换树脂上,含氰废水中几种阴离子的吸附能力为：Zn(CN)42-Cu(CN)32-SCN-CN-SO42-n n再选取合适的酸度和解吸剂，将其分别解吸，就可达到回收的目的，大大降低含氰废水的危害。第22页/共32页第二十三页，共32页。2.3.废水废水(fishu)中金属的提取中金属的提取 n n应用于金属加工工业方面有3个优点，n n第一，可回收金属；n n第二，所用设备不大，可大大地减少废物体积；n n第三(d sn)，回收的水可再利用。第23页/共32页第二十四页，共32页。n n镀铜废水镀铜废水,其中主要含其中主要含Cu(NH3)42+Cu(NH3)42+络合离子，呈强络合离子，呈强碱性碱性,须在酸性条件下使其转化为铜离子，才可被阳须在酸性条件下使其转化为铜离子，才可被阳柱交换。在柱交换。在PH=45PH=45时，发生反应时，发生反应.n nRCOOH+Cu2+NH3+NH4OH=(RCOO)2Cu+RCOOH+Cu2+NH3+NH4OH=(RCOO)2Cu+2H+NH3+NH4OH 2H+NH3+NH4OH n n由于由于EDTAEDTA体系镀铜已成为取代剧毒体系镀铜已成为取代剧毒(j d)(j d)的氰化镀的氰化镀铜及焦磷酸盐镀铜的新工艺铜及焦磷酸盐镀铜的新工艺,带来大量的带来大量的Cu-EDTACu-EDTA络络合废水合废水,废水再经阴离子交换树脂，发生以下反应：废水再经阴离子交换树脂，发生以下反应：n n 4RCl+Y4-R4Y+4Cl-4RCl+Y4-R4Y+4Cl-n n 3RCl+HY3-R3HY+3Cl-3RCl+HY3-R3HY+3Cl-n n 2RCl+CuY2-R2CuY+2Cl-2RCl+CuY2-R2CuY+2Cl-n n 2R2CuY+Y4-R4Y+2CuY2-2R2CuY+Y4-R4Y+2CuY2-n n 3R2CuY+2HY3-2R3HY+3CuY2-3R2CuY+2HY3-2R3HY+3CuY2-n n再通过再通过10%10%的的NaClNaCl再生，即可实现再生，即可实现CuCu和游离和游离EDTAEDTA的的富集分离。富集分离。2.4电镀业中镀铜废水(fishu)的处理第24页/共32页第二十五页，共32页。流程图,可如下(rxi)表示:2.4电镀(dind)业中镀铜废水的处理第25页/共32页第二十六页，共32页。2.5 汽车触媒(ch mi)中贵金属的处理主要(zhyo)含有Pt、Pd、Rh第26页/共32页第二十七页，共32页。3 离子交换法应用离子交换法应用(yngyng)前前景景当前离子交换法研究的主要方向一是合成适用于处理各种废水的树脂，以获得交换容量大、洗脱率高、洗脱峰集中、抗污染能力强的树脂；二是是离子交换设备小型化、系列化、并向生产装置连续化、操作自动化发展，以降低(jingd)投资、减少用地，简化管理。第27页/共32页第二十八页，共32页。3.1 离子交换离子交换(l z jio hun)法的优缺法的优缺点点n n离子交换法优点离子交换法优点:n n 离子的去除效率高，设备较离子的去除效率高，设备较简单，操作容易简单，操作容易(rngy)控控制。制。n n目前在应用中存在的问题目前在应用中存在的问题:n n 应用范围还受到离子交换剂应用范围还受到离子交换剂品种、产量、成本的限制，品种、产量、成本的限制，对废水的预处理要求较高，对废水的预处理要求较高，另外，离子交换剂的再生及另外，离子交换剂的再生及再生液的处理有时也是一个再生液的处理有时也是一个难以解决的问题。难以解决的问题。第28页/共32页第二十九页，共32页。目前在应用中存在的问题：一次投资高，操作要求严管理必须跟得上有的还存在再生废水问题、树脂中毒和老化问题等但是应当说，有的问题已有相应的解决办法例如:排水有机(yuj)物和氨氮的含量,必须经过深度处理，可用活性碳吸附大部分有机(yuj)物和氨氮中的大部分有机(yuj)胺，再用大孔离子交换树脂吸附剩余有机(yuj)物和氨氮中的剩余有机(yuj)胺和无机胺是切实可行的办法 3.1离子交换(l z jio hun)法的优缺点第29页/共32页第三十页，共32页。从目前掌握的离子交换法应用的实践以及当前技术发展考虑，离子交换树脂法处理废水的发展方向在于:选择并开发具有高选择性、易于解吸、耐磨率高、不易污染的新型功能树脂或复合树脂 在选择离子交换树脂时，应考虑各种树脂的优点(yudin)及适用范围，必要时采用几种树脂的组合处理 开发智能化的集成设备以控制离子交换树脂法的吸附、解吸及再生过程 3.2 离子交换法的应用(yngyng)前景第30页/共32页第三十一页，共32页。第31页/共32页第三十二页，共32页。
