离子交换原理及设备--杜世新ppt课件.ppt

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1、严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。离子交换离子交换原理及设备原理及设备杜世新严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。离子交换器水经反渗透脱盐后，水经反渗透脱盐后，除去了绝大部分的溶除去了绝大部分的溶解盐类，但还有大约解盐类，但还有大约1%1%左右的溶解盐类尚左右的溶解盐类尚未除尽，用作锅炉补未除尽，用作锅炉补给水，还需进一步进给水，还需进一步进行深度除盐处理。深行深度除盐处理。深度除盐采用的是离子度除盐采用的是离子交换法。交换法。严格执行突发事件

2、上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。离子交换的定义及发展离子交换的定义及发展离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂及其分离原理 离子交换树脂的分类 离子交换树脂的理化性能 离子交换机理及动力学 离子交换装置及再生离子交换装置及再生主要内容主要内容严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。（一）定义（一）定义（一）定义（一）定义 利用离子交换剂与溶液中的离子发

3、生交换作用，使欲提取的利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用，使欲提取的利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用，使欲提取的利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用，使欲提取的组分与其它组分进行分离的单元操作组分与其它组分进行分离的单元操作组分与其它组分进行分离的单元操作组分与其它组分进行分离的单元操作 离子交换是一种新型的化学分离过程，是从水溶液中提取离子交换是一种新型的化学分离过程，是从水溶液中提取离子交换是一种新型的化学分离过程，是从水溶液中提取离子交换是一种新型的化学分离过程，是从水溶液中提取有用组分的基本单元操作。有用组分的基本单元操作。有用组分的基本单元操作。有用组分的基本单元操

4、作。树脂容量有限，若溶液中离子浓度太高，则树脂用量多，树脂容量有限，若溶液中离子浓度太高，则树脂用量多，树脂容量有限，若溶液中离子浓度太高，则树脂用量多，树脂容量有限，若溶液中离子浓度太高，则树脂用量多，设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。离子交换离子交换严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。（二）发展（二）发展1805年英国科学家发现了土壤中年英国科学家发现

5、了土壤中Ca2+和和NH4+的交的交换现象；换现象；1876年年Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系；计量关系；1935年人工合成了离子交换树脂；年人工合成了离子交换树脂；1940年应用于工业生产；年应用于工业生产；1951年我国开始合成树脂。年我国开始合成树脂。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。7严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。离子交换树脂离子交换树脂离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子

6、材料，在溶液中离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料，在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。结构：离子交换树脂是一类带有结构：离子交换树脂是一类带有功能基功能基的的网状结构网状结构的高分子化合的高分子化合物，它由不溶性的物，它由不溶性的三维空间网状骨架三维空间网状骨架、连接在骨架上的、连接在骨架上的功能基团功能基团和和功能基团上带有功能基团上带有相反电荷的可交换离子相反电荷的可交换离子三部分构成。三部分构成。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。(一)组成

7、 离子交离子交换树脂换树脂母体母体(骨架骨架）活性基团活性基团固固 定定 离离 子子可交换离子可交换离子苯乙烯苯乙烯(单体单体)+二乙烯苯二乙烯苯(交联剂交联剂)母体母体共聚共聚H2SO4功功能能基基反反应应R SO3 H固定离子固定离子可交换离子可交换离子母体母体严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。(二)分类按结构离子交离子交换树脂换树脂凝胶型凝胶型孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。大

8、孔型大孔型离子交离子交换树脂换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂(伯、仲、叔胺基伯、仲、叔胺基)强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂(季铵基团季铵基团)弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂(羧酸基团羧酸基团)强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂(磺酸基团磺酸基团)聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚-醛型醛型 树脂等；树脂等；按选择性按主要成分严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。凝胶型树脂凝胶型树脂大孔型树脂大

9、孔型树脂严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。12严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。凝胶型树脂凝胶型树脂 交换容量大、离子交换速度快和耐热性能较好等优点。交换容量大、离子交换速度快和耐热性能较好等优点。这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔。这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔。在水中会溶胀在水中会溶胀成凝胶状，成凝胶状，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔。湿润树脂的平均孔径为孔。湿

10、润树脂的平均孔径为24nm(210-6410-6mm)。在无水状态下在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过无机小分子无法通过。所以，这类离子交换树脂在干燥条件下。所以，这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能。或油类中将丧失离子交换功能。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。大孔型树脂大孔型树脂 针对凝胶型离子交换树脂的缺点，研制了大孔型离子交换树针对凝胶型离子交换树脂的缺点，研制了大孔型离子交换树脂。脂。大孔型离子交换树脂外观不

11、透明，表面粗糙，为非均相凝胶大孔型离子交换树脂外观不透明，表面粗糙，为非均相凝胶结构。内部的结构。内部的孔隙又多又大孔隙又多又大，表面积很大表面积很大，活性中心多，孔径，活性中心多，孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米因此因此其其吸附功能十分显著吸附功能十分显著。离子交换反应的速度快，约比凝胶型。离子交换反应的速度快，约比凝胶型树脂快约十倍。而且树脂快约十倍。而且能抗有机物的污染能抗有机物的污染（因为被截留的有机物容（因为被截留的有机物容易在再生时通过这些孔道除去）。易在再生时通过这些孔道除去）。即使在干燥状态，内部也

12、存在即使在干燥状态，内部也存在不同尺寸的毛细孔，因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。不同尺寸的毛细孔，因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。大孔型树脂的缺点是交换容量较低，再生时酸、碱的用量较大和大孔型树脂的缺点是交换容量较低，再生时酸、碱的用量较大和售价较贵等。售价较贵等。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。粒度（珠状颗粒型）：0.315-1.2mm 含水量（凝胶树脂）：30%-80%交换容量：单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能交换离子相当于 一价离子的物质的量离子交换选择性：,mmol/g 或者 对不同离子的

13、选择性，例：(三)离子交换树脂的性能苯乙烯强酸阳离子型（对阳离子的选择性）Fe3+Ca2+Na+依价数高优先Ba2+Pb2+Ca2+同价位时，依半径大优先，因为水化半径小，与固定离子的静电引力越大热稳定性，最高使用温度，如苯乙烯强酸阳离子 120 丙烯酸弱酸阳离子 200 mmol/mL15严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。几类树脂性能的比较 类型类型性能性能阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性强酸性弱酸性弱酸性强酸性强酸性弱酸性弱酸性活性基团活性基团磺酸磺酸羧酸羧酸季胺季胺伯胺、仲胺伯胺、

14、仲胺pH的影响的影响无无酸性交换力小酸性交换力小无无碱性交换力小碱性交换力小再生剂用量再生剂用量35倍倍1.52倍倍35倍倍1.22倍倍交换速率交换速率快快慢慢快快慢慢严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。离子交换机理 离子交换机理B+A+树脂离子交换过程包括离子交换过程包括5步：步：1.A+自溶液扩散到树脂表面；自溶液扩散到树脂表面；2.A+从树脂表面扩散到树脂内部从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心；的活性中心；3.A+在活性中心发生交换反应；在活性中心发生交换反应；4.解吸离子解吸离子B+自树脂内部的活性自树脂内部的

15、活性中心扩散到树脂表面；中心扩散到树脂表面；5.B+从树脂表面扩散到溶液；从树脂表面扩散到溶液；液膜严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。脱盐工作原理脱盐工作原理 在离子交换过程中，水中的在离子交换过程中，水中的阳离子阳离子（如（如Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Fe3+等）与阳离子交换树脂上的等）与阳离子交换树脂上的H+进行交换，水中阳离子被转移到树脂上，而进行交换，水中阳离子被转移到树脂上，而树脂上的树脂上的H+交换到水中。交换到水中。水中的水中的阴离子阴离子（如（如Cl-、HCO3-等）与阴离子交换树脂上的等）与

16、阴离子交换树脂上的OH-进行交换，进行交换，水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH-交换到水中。而交换到水中。而H+与与OH-相相结合生成水，从而达到脱盐的目的结合生成水，从而达到脱盐的目的(见下页图见下页图)。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。H2O 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H+Na+OH-Cl-NaCl H2O 离子交换原理示意图离子交换原理示意图 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制

17、度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。离子交换动力学离子交换动力学当溶液中的当溶液中的A与树脂内离子与树脂内离子B发生交换反应时，整个反应历发生交换反应时，整个反应历将经历五个阶段：将经历五个阶段：（1）膜扩散过程）膜扩散过程 在树脂微粒周围包围着一层静止的液膜，离子必须通在树脂微粒周围包围着一层静止的液膜，离子必须通过这个膜方能到达树脂表面，这叫膜扩散过程过这个膜方能到达树脂表面，这叫膜扩散过程（2）粒扩散过程）粒扩散过程 A离子由表面进入树脂内部，进入交换位置离子由表面进入树脂内部，进入交换位置（3）化学交换反应过程）化学交换反应过程（4）B离子由树脂内部

18、进入到树脂表面离子由树脂内部进入到树脂表面（5）B离子从表面通过液膜进入外界溶液离子从表面通过液膜进入外界溶液 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。影响扩散速度的因素影响扩散速度的因素1 树脂颗粒大小树脂颗粒大小颗粒越小、内扩散距离短、内扩散速度快颗粒越小、内扩散距离短、内扩散速度快2 树脂交联度树脂交联度交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢3 温度温度温度升高、有利于提高扩散速度温度升高、有利于提高扩散速度4交换离子的大小交换离子的大小交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢交联

19、度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢5溶液浓度溶液浓度稀溶液中决定的是膜扩散速度、加大浓度、扩散速度加快。稀溶液中决定的是膜扩散速度、加大浓度、扩散速度加快。浓度过高后，粒扩散速度成为反应速度决定阶段。最后反应趋向于已极限值浓度过高后，粒扩散速度成为反应速度决定阶段。最后反应趋向于已极限值严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。按照操作方式分类按照操作方式分类 操作方式有操作方式有静态静态(与与动态动态交换交换设备两种交换交换设备两种 静态设备为一带有搅拌器的反应罐，目前已较少使用静态设备为一带有搅拌器的反应罐，目前已较少使

20、用 动态设备分为间歇操作的固定床和连续操作的流动床两大类动态设备分为间歇操作的固定床和连续操作的流动床两大类离子交换装置严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。离子交换装置一级化学除盐系统由阳离子交换器、除碳器和阴离子交换器所组成，其组合方一级化学除盐系统由阳离子交换器、除碳器和阴离子交换器所组成，其组合方式分为单元制和母管制。式分为单元制和母管制。OHOH H H C COHOH H H C CHHHCCOHOHOH单元制单元制母管制母管制图图3 3 一级复床除盐系统一级复床除盐系统1 1阳床水泵；阳床水泵；2 2强酸性

21、强酸性H H型阳离子交换器；型阳离子交换器；3 3除碳器；除碳器；4 4中间水箱；中间水箱；5 5中间水泵；中间水泵；6 6强碱性强碱性OHOH型阴离子交换器型阴离子交换器23严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。进入一级除盐系统的水是经预处理、预脱盐的水，水中只含有少量进入一级除盐系统的水是经预处理、预脱盐的水，水中只含有少量的溶解性杂质。溶解性杂质包括阳离子、阴离子、少量胶体硅等。其中的溶解性杂质。溶解性杂质包括阳离子、阴离子、少量胶体硅等。其中水中的阳离子主要由水中的阳离子主要由CaCa2+2+、MgMg2+2+、

22、K K+、NaNa+和极少量的和极少量的AlAl3+3+、FeFe3+3+离子组成，阴离子主要由离子组成，阴离子主要由HCO3HCO3、SOSO4 42-2-、ClCl和少量的和少量的NONO3 3-、HSiOHSiO3 3-离子组成。离子组成。当水通过强酸性当水通过强酸性H H型阳交换器时，水中所有的阳离型阳交换器时，水中所有的阳离子都被强酸性子都被强酸性H H型树脂吸收，活性基团上的型树脂吸收，活性基团上的H H+被置换到被置换到水中，与水中的阴离子组合生水中，与水中的阴离子组合生 ，阳离子交换器的出水是阳离子交换器的出水是酸性水。酸性水。阳离子交换器24严格执行突发事件上报制度、校外活动

23、报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。排水装置排水装置压脂层压脂层200mm进水装置进水装置反洗空间反洗空间中间排液装置中间排液装置树脂层树脂层1600mm逆流再生阳离子交换器结构图逆流再生阳离子交换器结构图进水装置的作用进水装置的作用是均匀分布进水于交换是均匀分布进水于交换器的过水断面上。另一个作用是均匀收器的过水断面上。另一个作用是均匀收集反洗排水集反洗排水。排水装置的作用排水装置的作用是均匀收集处理好的水；是均匀收集处理好的水；另一个作用是均匀分配反洗进水。另一个作用是均匀分配反洗进水。中间排液装置的作用中间排液装置的作用：中间排液装置对：中间排液

24、装置对逆流再生离子交换器运行效果有较大影逆流再生离子交换器运行效果有较大影响，其作用是均匀排出再生液，防止树响，其作用是均匀排出再生液，防止树脂乱层、流失外，还应有足够的强度，脂乱层、流失外，还应有足够的强度，安装时应保证在交换器内呈水平状态，安装时应保证在交换器内呈水平状态，阳离子交换器（阳床）阳离子交换器（阳床）压脂层的作用压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机过滤掉水中的悬浮物及机械杂质；使进水通过压脂层均匀作用于械杂质；使进水通过压脂层均匀作用于树脂层表面；防止树脂在逆流再生中乱树脂层表面；防止树脂在逆流再生中乱层。层。25严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时

25、发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。阳离子交换器的出水是酸性水。阳离子交换器的出水是酸性水。但当交换器运行但当交换器运行失效时，其出水中就会有其它阳离子的泄漏，而失效时，其出水中就会有其它阳离子的泄漏，而在诸多的阳离子中，首先漏出的阳离子是在诸多的阳离子中，首先漏出的阳离子是Na+，故，故习惯上称之为漏钠。当出水中的习惯上称之为漏钠。当出水中的Na+超过一个给定超过一个给定的极限值时，阳离子交换器被判失效，需停运再的极限值时，阳离子交换器被判失效，需停运再生后才能投入运行。生后才能投入运行。为什么阳交换器失效时，首先发生漏钠，而不是漏为什么阳交换器失效时，首先发生漏钠，而不是漏Ca2

26、+或或Mg2+离子？离子？26严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。运行时的交换情况运行时的交换情况27严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1 1）小反洗。小反洗。只对压脂层进行反只对压脂层进行反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污染物。染物。2 2）放水放水。3 3）进再生液进再生液4 4）逆流再生逆流再生5 5）小正洗小正洗。水从上部进入，控。水从上部进入，控制适当的流速，洗去再生后压脂制适当的流速，洗去再生后压脂层中残留

27、的再生废液和杂质。层中残留的再生废液和杂质。6 6）正洗正洗。用水自上而下进行正。用水自上而下进行正洗，直到出水水质合格，即可投洗，直到出水水质合格，即可投入运行。入运行。树脂的再生树脂的再生压脂层压脂层进进水水再再生生液液出出水水逆流固定床制水和再逆流固定床制水和再 生流向图生流向图再生废液再生废液进进水水再再生生液液出出水水28严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。3.阴离子交换器阴离子交换器(阴床阴床)1/2H1/2H2 2SOSO4 4 1/2SO 1/2SO4 4 HNO HNO3 3 NO NO3 31/2H

28、1/2H2 2COCO3 3 +ROHR 1/2CO +ROHR 1/2CO3 3+2H+2H2 2O OHCl CIHCl CI1/2H1/2H2 2SiOSiO3 3 HSiO HSiO3 3阴离子交换实质上是阴树脂中的阴离子交换实质上是阴树脂中的OH与酸性水与酸性水(经过阳离子交换及除碳经过阳离子交换及除碳)中的负中的负离子进行交换。所以在强碱性阴离子交换器内发生的反应为：离子进行交换。所以在强碱性阴离子交换器内发生的反应为：图图3.7.4 3.7.4 强碱性强碱性OHOH型离子型离子 交换器出水水质变化交换器出水水质变化根根据据强强碱碱阴阴树树脂脂的的交交换换规规律律，HSiOHSiO

29、3 3-集集中中在在交交换换器器中中树树脂脂的的底底部部。所所以以当当强强碱碱性性OHOH型型阴阴离离子子交交换换器器失失效效时时，HSiOHSiO3 3-先先漏漏出出来来，致致使使出出水水的的硅含量升高。硅含量升高。因强碱因强碱阴树脂的选择性顺序为：阴树脂的选择性顺序为：SOSO4 42 2NONO3 3ClClOHOHFFHCOHCO3 3HSiOHSiO3 329严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。压脂层压脂层进水装置进水装置反洗空间反洗空间中间排液装置中间排液装置树脂层树脂层2500mm排水装置排水装置逆流再生

30、阴离子交换器示意图逆流再生阴离子交换器示意图阴离子交换器与阳离子交换阴离子交换器与阳离子交换器一样是逆流再生工艺，其器一样是逆流再生工艺，其操作步骤与阳离子交换器相操作步骤与阳离子交换器相同。其交换器结构示意图与同。其交换器结构示意图与阳离子交换器也相同。阳离子交换器也相同。30严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。31严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。混床除盐步骤v1 反洗分层反洗分层 u 水力筛分法u 借反洗的水力将树脂悬浮起来分层v2 再生再生u体内再生 体外再生 阴树脂外移v3阴阳树脂的混合阴阳树脂的混合u树脂再生和清洗后，重新混合v4正洗正洗v5制水制水32严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。谢谢！