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离子交换是一种液固相反应过程,必然涉及物质在液相和固相中的扩散过程。在常温下,交换反应的速度很快,不是控制因素。如果进行交换的离子在液相中的扩散速度较慢,称为外扩散控制,如果在固相中的扩散较慢,则称为内扩散控制。
早期的研究系从斐克定律(见分子扩散)出发,所导出的速率方程式只适用于同位素离子的交换。实际上,离子交换过程至少有两种离子反向扩散。如果它们的扩散速率不等,就会产生电场,此电场必对离子的扩散产生影响。考虑到此电场的影响,F.G.赫尔弗里希导出相应的速率方程为:
离子交换
离子交换
式中N为物质通量;D为扩散系数;F为法拉*常数;φ为电极电位。
设备编辑
主要类型有:
①搅拌槽,适用于处理粘稠液体。当单级交换达不到要求时,可用多级组成级联。
②固定床离子交换器,也称离子交换柱,是用于离子交换的固定床传质设备,应用广。
③移动床离子交换器,是用于离子交换的移动床传质设备,由于技术上的困难尚未得到工业应用。
水处理中的应用编辑
EDI的工作原理
EDI(Electro-de-ionization)是一种将离子交换技术、离子交换膜技术和离子电迁移技术(电渗析技术)相结合的纯水制造技术。该技术利用离子交换能深度脱盐来克服电渗析较化而脱盐不彻底,又利用电渗析较化而发生水电离产生H和OH离子实现树脂自再生来克服树脂失效后通过化学药剂再生的缺陷,是20世纪80年代以来逐渐兴起的新技术。经过十几年的发展,EDI技术已经在北美及欧洲占据了相当部分的纯水市场。
EDI装置包括阴/阳离子交换膜、离子交换树脂、直流电源等设备。其中阴离子交换膜只允许阴离子透过,不允许阳离子通过,而阳离子交换膜只允许阳离子透过,不允许阴离子通过。离子交换树脂充夹在阴阳离子交换膜之间形成单个处理单元,并构成淡水室。单元与单元之间用网状物隔开,形成浓水室。在单元组两端的直流电源阴阳电极形成电场。来水水流流经淡水室,水中的阴阳离子在电场作用下通过阴阳离子交换膜被清除,进入浓水室。在离子交换膜之间充填的离子交换树脂大大地提高了离子被清除的速度。同时,水分子在电场作用下产生氢离子和氢氧根离子,这些离子对离子交换树脂进行连续再生,以使离子交换树脂保持佳状态。EDI装置将给水分成三股独立的水流:纯水、浓水、和较水。纯水(90%-95%)为终得到水,浓水(5%-10%)可以再循环处理,较水(1%)排放掉。
EDI装置属于精处理水系统,一般多与反渗透(RO)配合使用,组成预处理、反渗透、EDI装置的纯水处理系统,取代了传统水处理工艺的混合离子交换设备。EDI装置进水要求为电阻率为0.025-0.5MΩ·cm,反渗透装置完全可以满足要求。EDI装置可生产电阻率高达15MΩ·cm以上的纯水。
EDI技术的应用
EDI技术在国外广泛的应用有十几年的时间,大多用于制药行业、微电子行业、发电工业和实验室。在表面清洗、表面涂装、电解工业和化工工业的应用也日趋广泛。在我国应用时间只有2-3年,主要用于医药和微电子工业的纯水的处理,而在发电行业化学水处理系统中的应用刚刚兴起。
树脂是软化水设备中常用的一种滤料,主要是用于纯水的制作,如原水硬度过大,就是通常的钙镁离子过高,或碳酸盐硫酸盐过高,可用树脂,进行化学反应,原理是树脂中的钠(NA+)离子把水中的钙镁离子进行置换。当树脂上的钙镁离子达到饱和状态时,用NACL(工业盐)进行还原再生。下面就跟着天宇的小编一下来了解一下阴、阳离子树脂的具体内容吧
一.阳离子树脂的分类
1. 强酸性阳离子树脂
这类树脂含有大量的强酸性基团,如磺酸基-SO3H,*在溶液中离解出H+,故呈强酸性。树脂离解后,本体所含的负电基团,如SO3-,能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性阳离子树脂的离解能力很强,在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。
树脂在使用一段时间后,要进行再生处理,即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行,使树脂的官能基团回复原来状态,以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理,此时树脂放出被吸附的阳离子,再与H+结合而恢复原来的组成。
2. 弱酸性阳离子树脂
这类树脂含弱酸性基团,如羧基-COOH,能在水中离解出H+ 而呈酸性。弱酸性阳离子树脂离解后余下的负电基团,如R-COO-(R为碳氢基团),能与溶液中的其他阳离子吸附结合,从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱,在低pH下难以离解和进行离子交换,只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH5~14)起作用。弱酸性阳离子树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。
二.阳离子交换树脂的预处理步骤
首先用清水对树脂进行冲洗(好为反洗),洗至出水清澈无混浊、无杂质为止。而后用4 ~5%的HCl和4 ~5%的NaOH在交换柱中依次交替浸泡2 ~4小时,在酸碱之间用大量清水淋洗(好用高纯度去离子水进行淋洗)至出水接近中性,如此重复2~3次,每次酸碱用量为树脂体积的2倍。后一次处理应用4~5%的HCl溶液进行,用量加倍效果更好。放尽碱液,用清水淋洗至中性即可待用。
三.阴离子交换树脂交换能力依其交换能力特征可分:
1. 强碱型阴离子交换树脂:主要是含有较强的反应基如具有四面体铵盐官能基之-N+(CH3)3,在氢氧形式下,-N+(CH3)3OH-中的氢氧离子可以*释出,以进行交换,强碱型阴离子交换树脂可以和所有的阴离子进行交换去除。
如磺酸基-SO3H,*在溶液中离解出H+,故呈强酸性。树脂离解后,本体所含的负电基团,如SO3-,能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强,在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。
树脂在使用一段时间后,要进行再生处理,即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行,使树脂的官能基团回复原来状态,以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理,一般上使用盐酸以1:10的比例稀释后清洗,此时树脂放出被吸附的阳离子,再与H+结合而恢复原来的组成。
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离子交换树脂在现代制糖工业中起着很重要的作用。世界上许多糖厂制造精糖和食用糖浆,多数使用离子交换树脂将糖液脱色提纯,而过去传统用骨炭的精炼糖厂亦有逐渐转向使用离子交换树脂的趋势。
离子交换树脂是用于软化水的交换剂,在使用一段时间后,吸附的杂质接近饱和状态,就要进行再生处理,使之恢复原来的组成和性能。目前,国内树脂的再生常用化学药剂酸碱法:使失效的树脂恢复交换能力,酸的使用通常采用HCl或H2SO4,碱的使用一般采用NaOH。
钠离子交换软化处理的原理是将原水通过钠型阳离子交换树脂,使水中的硬度成分Ca2、Mg2与树脂中的Na相交换,从而吸附水中的Ca2、Mg2,使水得到软化。
当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后,树脂的软化能力下降,可以用氯化钠溶液流过树脂,此时溶液中的钠离子含量高,功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合,这样树脂就恢复了交换能力,这个过程叫作“再生”。
弱碱性阴离子树脂含有弱碱性基团,在水中能离解出OH-而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合,从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如pH1~9)下工作。