6-2 离子交换反应特性在线视频

同学们好！在这一讲我们将介绍离子交换反应特性

首先我们来看看离子交换树脂的选择性

离子交换树脂的选择性指离子交换树脂对水中某种离子能选择交换的性能

是离子交换树脂重要的反应特性

它与水中的离子种类和浓度、树脂交换基团的性能等有关

在天然水中离子浓度和温度条件下，一般有以下规律

对于强酸性阳离子交换树脂，与水中阳离子交换的选择性顺序为

三价铁、三价铝、钙、镁、钾、铵、钠、氢

也就是说如果我们采用氢型强酸性阳离子交换树脂

树脂上的H+可以与水中以上排序在H+左侧的所有阳离子进行交换

而如果采用钠型树脂的话，可以对水中排序在钠离子左侧的所有阳离子进行交换

但如果是弱酸性阳树脂，就会优先交换H+，H+的交换顺序排在最前面

对强碱性阴离子交换树脂，交换顺序是

硫酸根、硝酸根、氯根、碳酸氢根、氢氧根、硅酸氢根

如果采用OH型强碱性阴离子交换树脂的话

可以与水中以上排序在OH-左侧的各种阴离子进行交换

但如果是弱碱性阴树脂，就会优先交换OH-，OH-的交换顺序排在最前面

接下来我们看看离子交换的平衡

离子交换是一种可逆反应，对于任何可逆反应来讲，都存在反应平衡

如果我们以一价对一价的离子交换为对象来进行考虑

离子交换反应通式可以用这个式子来表示

即离子交换树脂中的A离子与水中的B离子进行交换

B离子被交换到树脂上，而A离子被置换出来进入到了溶液相

对于这个离子交换的反应平衡，我们可以用离子选择性交换系数K来进行表示

K的计算式如这个式子所示

其中[R-B+]、[R-A+]代表树脂相中B离子和A离子的浓度

[B+]、[A+]代表溶液相中B离子和A离子的浓度

这个式子实际上表示了树脂中B离子和A离子的浓度的比值

与溶液中B离子与A离子的浓度的比值

如果选择性系数大于1，说明树脂对B离子的亲和力大于A离子

因此有利于交换反应向右进行

如果我们采用H型树脂与水中的钠离子进行交换

就会有以下的交换反应方程式

水中的钠离子被交换到树脂上，树脂中的氢离子被置换到溶液相

这个反应方程的离子交换选择系数可以用这个式子进行计算

这里我们给出了H型强酸性阳离子交换树脂对其他离子的交换选择性系数

选择性系数越大，说明对这个离子的交换能力越强

我们假设溶液中两种交换离子的总浓度为c0，溶液中B离子浓度为c

q0表示树脂全交换容量，q代表树脂中B离子浓度

这几种浓度之间的关系可以用这几个式子来进行计算

即c0等于溶液中的A离子浓度加B离子浓度

q0等于树脂中A离子浓度和B离子浓度之和

经过推导，我们得到一价对一价的离子交换平衡方程式如下

这个关系式中的q/q0代表了树脂中B+浓度与全交换容量的比例

而c/c0代表溶液中B+浓度与总离子浓度之比

如果我们以c/c0为横坐标，q/q0为纵坐标，根据不同的选择性系数

就可以得到一价对一价的离子交换平衡曲线，如这个图所示

图中曲线的形状与选择性系数K的大小有关

如果K等于1，B+在溶液中的浓度比例和在树脂中的浓度比例相等

说明离子交换不能进行

只有当K大于1，曲线向上方偏移

即B+在树脂中的浓度比例大于在溶液中的浓度比例，离子交换才能发生

但如果K小于1，即B+在溶液中的浓度比例大于其在树脂中的浓度比例

这反映了离子交换树脂的再生过程

如果是二价对一价的离子交换反应，交换反应通式可以用这个式子进行表示

同样我们可以写出二价对一价的离子交换选择系数，用这个式子来表示

经推导，得到二价对一价的离子交换平衡方程如下

这里K乘q0除以c0是一个无量纲数，称为表观选择系数

同样地，我们以c/c0为横坐标， q/q0为纵坐标

做二价对一价的离子交换平衡曲线，如图所示

如果表观选择系数等于1

B+在溶液中的浓度比例和在树脂中的浓度比例是一样的，交换不能进行

只有表观选择系数增大，才有利于离子交换的进行

反之则有利于离子交换的再生反应

下面，我们来了解一下树脂层中的离子交换过程

假设离子交换柱中装填Na型阳离子交换树脂

从上面通入含有一定浓度Ca2+的原水

原水在流经树脂层的过程中，Ca2+被树脂中的Na+交换

从水中去除，而树脂层中的Na+被置换成Ca2+，成为Ca型树脂

图中的黑点代表Ca型树脂，白点代表Na型树脂

随着原水从离子交换柱上部不断流入，上部树脂逐渐被水中的Ca2+饱和

这个图表示了交换柱中不同高度上树脂层被Ca离子的饱和程度

在任意一个运行时刻，树脂层中通常存在三个区域

第一是饱和区，居于交换柱的顶部，在该区域的树脂已全部被Ca2+饱和

第二是交换区，仅部分树脂被Ca2+饱和

是正在进行离子交换反应的部分，其饱和程度顺着流向逐渐减少

第三是未交换区

如果把整个树脂层各点的饱和程度连成曲线

就可以得到如图所示的饱和程度曲线

随着运行时间的增加，饱和区逐渐向下移动

离子交换过程通常分为两个阶段

第一阶段，即刚刚开始交换反应的一段不长时间内

树脂饱和程度曲线的形状不断变化，随即形成一定形状的曲线

称为交换带形成阶段

第二阶段是形成的交换带随着运行时间的增加

沿水流方向以一定速度向下推移的过程

因此，离子交换过程的进行可以被认为是交换带下移的过程

当交换带移动到树脂层底部，硬度离子开始泄漏

此时，整个树脂层分成两部分

树脂交换容量得到充分利用的部分称为饱和层

树脂交换容量只是部分利用的部分称为保护层

由此，可以看到，交换带厚度相当于此时的保护层厚度

交换带厚度与进水水质和流速等条件有关

这个图表示了离子交换柱底部出水中硬度离子浓度随出水量

即运行时间的变化

可以看到，在b点前，出水中的硬度离子处于较低水平

而b点之后，硬度离子开始泄漏，表明树脂层交换带已移动到交换柱底部

如果继续运行，出水中硬度离子会急剧增加

最终达到与进水相等的水平，树脂层达到完全饱和

根据离子交换的平衡方程，我们可以计算离子交换过程中某些极限值

首先可以计算离子交换树脂在刚投入运行时出水的泄漏量

在离子交换初期，出水的组成和树脂底层组成处于平衡状态

即q为树脂底层经过再生后仍旧残留的B离子浓度

c为离子交换初期的出水B离子浓度

根据这个离子交换的平衡方程，我们就可以计算出c浓度

即离子交换初期，树脂层底部的出水B离子泄漏量

第二，可以计算离子交换树脂的极限工作交换容量

在离子交换后期，树脂饱和时，出水离子组成接近等于进水离子组成

即c等于进水中B离子浓度

因此，根据交换平衡方程，可以反推此时树脂层中B离子浓度

即可得到树脂的极限工作交换容量

第三，可以计算树脂再生度极限值

树脂再生度极限值是指已知浓度的再生液无限量地进行再生

而达到的树脂最大的再生程度

此时，再生液组成和树脂层组成达到平衡

如果知道再生液中的B离子浓度，就可以通过交换平衡方程

计算出树脂层经充分再生后残留的B离子浓度

即树脂所能达到的最大的再生程度