离子交换过程中的控制因素

1. 在水处理中，影响离子交换选择性的因素有哪些

离子交复换树脂是一种高分子制化合物,多数用于水处理过程中.
离子交换树脂的选择性
水中的各种离子在和离子交换树脂进行交换时所表现出来的能力是不一样的,很容易被置换下来的离子却有可能难以被树脂吸附,然而很难被置换下来的离子却又有可能很容易的被树脂吸附,这种性能即被称作为离子交换树脂的选择性.
影响离子交换树脂选择性的三大因素
一.
离子被离子交换树脂吸附的容易与否,取决于离子所带电荷的多少.离子带的电荷越少,越不容易被吸附.举例来说,一价离子和二价离子相比较,一价电子不易被吸附,而二价离子则相对容易被吸附.
二.当离子所带电荷量相同时,比较容易被吸附的是原子序较大的离子,而原子序较小的离子则相对不容易被吸附.
三.溶液的稀释情况一样可以影响树脂的吸附.浓溶液同稀溶液相比较而言,浓溶液则使得原本不易被吸附的低价离子相对的容易被树脂所吸附.
离子交换树脂的选择性,对于分析和判断化学水处理过程是很重要的.罗门哈斯公司是专业生产树脂的知名企业,在树脂产品领域具有非常领先的科技.

2. 离子交换的原理

有两种理论可用于研究交换过程的选择性：
① 多相化学反应理论假定离子A1与A2之间有如下的交换反应：
式中Z1和Z2分别为离子A1和A2的化合价;A1和A2表示存在于溶液相中的离子；凴1和凴2表示存在于树脂相中的离子。以离子浓度C代替活度，依据质量作用定律,可得出离子交换平衡常数为： 式中C1、C2、叿1和叿2分别为A1、A2、凴1和凴2的离子浓度。此常数又称选择性系数。
②膜平衡理论认为树脂表面相当于半透膜, 所交换的离子能自由通过；而连接在树脂骨架上的离子不能通过。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈尔公式：
式中R为摩尔气体常数;T为绝对温度；α1、α2、ā1和ā2分别为离子A1、A2、凴1和凴2的活度；π为渗透压;堸为位于树脂相的离子的偏摩尔体积。由上式可以看出，化合价较高、体积较小（即水化半径较小）的离子，将优先与树脂结合。因此，溶液中各种离子的化合价及体积相差越大，离子交换过程的选择性越高。 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：
式中N为物质通量；D为扩散系数；F为法拉第常数；φ为电极电位。

3. 离子交换原理

离子交换的基本原理 离子交换的选择性定义为离子交换剂对于某些离子显示优先活性的性质。离子交换树脂吸附各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸附，但吸着后要把它置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的交联度、交换基团、可交换离子的性质、水中离子的浓度和水的温度等因素有关。离子交换作用即溶液中的可交换离子与交换基团上的可交换离子发生交换。一般来说，离子交换树脂对价数较高的离子的选择性较大。对于同价离子，则对离子半径较小的离子的选择性较大。在同族同价的金属离子中，原子序数较大的离子其水合半径较小，阳离子交换树脂对其的选择性较大。对于丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂来说，它对一些离子的选择性顺序为：H+>Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na十。 离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是在固态的树脂和溶液的接触界面间发生的。这种反应的可逆性使离子交换树脂可以反复使用。以D113型离子交换树脂制备硫酸钙晶须为例说明： D113丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂是一种大孔型离子交换树脂，其内部的网状结构中有无数四通八达的孔道，孔道里面充满了水分子，在孔道的一定部位上分布着可提供交换离子的交换基团。当硫酸锌溶液中的Zn2+，S042-扩散到树脂的孔道中时，由于该树脂对Zn2+选择性强于对Ca2+的选择性，，所以Zn2+就与树脂孔道中的交换基团Ca2+发生快速的交换反应，被交换下来的Ca2+遇到扩散进入孔道的S042-发生沉淀反应，生成硫酸钙沉淀。其过程大致为：
(1)边界水膜内的扩散 水中的Zn2+，S042-离子向树脂颗粒表面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂表面； (2)交联网孔内的扩散(或称孔道扩散) Zn2+，S042-离子进入树脂颗粒内部的交联网孔，并进行扩散，到达交换点；
(3)离子交换 Zn2+与树脂基团上的可交换的Ca2+进行交换反应；
(4)交联网孔内的扩散 被交换下来的Ca2+在树脂内部交联网孔中向树脂表面扩散；部分交换下来的Ca2+在扩散过程中遇到由外部扩散进入孔径的S042-发生沉淀反应，生成CaS04沉淀；
(5)边界水膜内的扩散 没有发生沉淀反应的部分Ca2+扩散通过树脂颗粒表面的边界水膜层，并进入水溶液中。 此外，由于离子交换以及沉淀反应的速度很快，硫酸钙沉淀基本在树脂的孔道里生成，因此树脂的孔道就限制了沉淀的生长及形貌，对其具有一定的规整作用。通过调整搅拌速度、反应温度等外界条件，可以使树脂颗粒及其内部孔道发生相应的变化，这样当沉淀在树脂孔道中生成后，就得到了不同尺寸和形貌的硫酸钙沉淀。

4. 什么是离子交换过程,影响离子交换过程的因素有哪些

离子交换是借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的.它是一种属于传质分离过程的单元操作.
离子交换法
一、前言
离子交换法(ion exchange process)是液相中的离子和固相中离子间所进行的的一种可逆性化学反应,当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时,便会被离子交换固体吸附,为维持水溶液的电中性,所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中.
离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状,其大小约为0.1mm,其离子交换能力依其交换能力特征可分：
1.
强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基（－SO3H）,此离子交换树脂可以交换所有的阳离子.
2.
弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（－COOH基）,此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如Ca2+、Mg2+,对于强碱中的离子如Ca2+、K+等无法进行交换.
3.
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-中的氢氧离子可以迅速释出,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.
4.
弱碱型阴离子交换树脂：具有较弱的反应基如氨基,仅能去除强酸中的阴离子如SO42-,Cl－或NO3－,对于HCO3－,CO32－或SiO42－则无法去除.
不论是离子交换树脂或是沸石,都有其一定的可交换基浓度,称为离子交换容量(ion exchange capacity).对阳离子交换树脂而言,大约在200~500meq/100g.因为阳离子交换为一化学反应,故必须遵守质量平衡定律.离子交换树脂的一般方程式可以表示如下：
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离子交换的基本知识
为了除去水中离子态杂质,现在采用得最普遍的方法是离子交换.这种方法可以将水中离子态杂质清除得以较彻底,因而能制得很纯的水.所以,在热力发电厂锅炉用水的制备工艺中,它是一个必要的步骤.
离子交换处理,必须用一种称做离子交换剂的物质（简称交换剂）来进行.这种物质遇水时,可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换,离子交换剂的种类很多,有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分,大概情况如表所示.此外,按结构特征来分,还有大孔型和凝胶型等.
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5. 影响阳离子交换能力的因素有哪些

土壤溶液来中的阳离子进行交自换，称为阳离子的交换作用。影响因素有——（1）阳离子的代换能力随离子价数的增加而增大，因为高价阳离子的电荷量大、电性强所以代换能力也大，各种阳离子代换力的大小顺序：Na+<K+<NH4+<Mg2+<Ca2+<H+<Al3+<Fe3+（2）等价离子代换能力的大小，随原子序数的增加而增大（3）离子运动速度愈大，交换力愈强（4）阳离子的相对浓度及交换生成物的性质。
影响土壤阳离子交换量的因素有:阳离子交换量：每千克干土中所含的全部阳离子总量，以厘摩尔（+）每千克土或 c mol(+)kg的-1次幂表示。影响因素——（1）胶体的种类，有机胶体>无机胶体，有机质高的>有机质低的，次生铝硅酸盐（2:1>1:1）>次生氧化物（2）溶液的pH值（3）土壤质地，质地愈细交换量愈高。

6. 影响离子交换选择性的因素有

rightleder1.悬浮物和油脂 水中的悬浮物会堵塞树脂孔隙,油脂会包住树脂颗粒,它们都会使交换能力下降.

2.有机物
废水中某些高分子有机物与树脂活性基团的固定离子结合力很强,一旦结合就很难再生,结果降低树脂的再生率和交换能力,例如高分子有机酸与强碱性季胺基团的结合力就很大,难于洗脱.

3.高价金属离子
废水中Fc3+、AL3+、Cr3+等高价金属离广可能导致树脂中毒.当树脂受铁离子中毒时,会使树脂的颜色变深.高价金属离子易为树脂吸附,再生时难于把它洗脱下来,结果会降低树脂的交换能力.为了恢复树脂的交换能力可用高浓度酸液长时间浸泡.

4.pH值
离子交换树脂是由网状结构的高分子固体与附在母体上许多活性基团构成的不溶性高分子电解质.强酸和强碱树脂的活性基团的电离能力很强,交换能力基本上与pH值无关,但弱酸性树脂在低pH值时不电离或部分电离,因此在碱性条件下,才能得到较大地交换能力.弱碱性树脂在强酸性条件下才能有较大地交换能力.

5.水温
水温高虽可加速离子地交换扩散,但各种离子交换树脂都有一定的允许使用温度范围.水温超过允许温度时,合使树脂交换基团被分解破坏,从而降低树脂的交换能力,所以温度太高时,应进行降温处理.

6.氧化剂
废水中如果含有氧化剂(如Cl2,O2,H2Cr2O7)时,会使树脂氧化分解.强碱阴树脂容易被氧化剂氧化,使交换基团变成非碱性物质,可能完全丧失交换能力.氧化作用也会影响交换树脂的母体,使树脂加速老化,结果使交换能力下降.为了减轻氧化剂对树脂的影响,可选用交联度大的树脂或加入适当的还原剂.

7. 影响离子交换树脂再生的因素有哪些

离子交换树脂再生长度的好坏,和许多因素有关,再生剂用量、浓度、温度和流速等都是影响再生过程的主要因素.
（1）再生剂的用量
从理论分析,再生剂用量应与树脂工作交换容量相当,但实际上由于交换反应是可逆的,再生剂用量需远远超过理论用量才能满足足够的再生度要求,再生剂的比耗增加,可以提高交换树脂的再生程度,但当比耗增加到一定程度后,再继续增加比例,再生程度提高很少,所以用过高的比耗是不经济的,因此,实际操作过程中通常再生剂用量为理论用量的3-4倍,树脂的工作交换容量可以恢复到原来的70%-80%.
（2）再生剂浓度
一般而言,再生剂的浓度越大,再生程度越高,但当再生剂的用量一定时,再生剂浓度增高,会使再生液的体积流量减少,与树脂的接触时间缩短而且可能产生不均匀的再生反应,再生效果下降,导致制水周期缩短,再生次数增加,酸碱用量增大,所以生产上需要合理的控制再生剂的浓度.
（3）再生剂的流速
再生剂的流速应控制适宜以保证再生反应充分,再生反应流速主要取决于离子的扩散速度,但同时与离子的价态有关,一般价态越高所需反应时间越长,再生剂流速过快,有利于离子的扩散,但却减少再生剂与树脂的接触时间,再生效果反而可能降低,流速太小则不利于离子扩散,再生效果也会受到影响,
（4）再生液温度
提高再生液的温度,能同时加快内扩散和外扩散,虽然对提高树脂再生效果有利,同时提高温度能大大改善对树脂中的铁、铜以及其氧化物和硅杂质的清除程度,但由于树脂热稳定性的限制,再生剂的温度不宜过高,一般控制在25-40度为宜.

8. 影响离子交换树脂的因素

1.悬浮物和油脂 水中的悬浮物会堵塞树脂孔隙，油脂会包住树脂颗粒，它们都会使交换能力下降。
2.有机物 废水中某些高分子有机物与树脂活性基团的固定离子结合力很强，一旦结合就很难再生，结果降低树脂的再生率和交换能力，例如高分子有机酸与强碱性季胺基团的结合力就很大，难于洗脱。
3.高价金属离子 废水中Fc3+、AL3+、Cr3+等高价金属离广可能导致树脂中毒。当树脂受铁离子中毒时，会使树脂的颜色变深。高价金属离子易为树脂吸附，再生时难于把它洗脱下来，结果会降低树脂的交换能力。为了恢复树脂的交换能力可用高浓度酸液长时间浸泡。
4.pH值 离子交换树脂是由网状结构的高分子固体与附在母体上许多活性基团构成的不溶性高分子电解质。强酸和强碱树脂的活性基团的电离能力很强，交换能力基本上与pH值无关，但弱酸性树脂在低pH值时不电离或部分电离，因此在碱性条件下，才能得到较大地交换能力。弱碱性树脂在强酸性条件下才能有较大地交换能力。
5.水温 水温高虽可加速离子地交换扩散，但各种离子交换树脂都有一定的允许使用温度范围。水温超过允许温度时，合使树脂交换基团被分解破坏，从而降低树脂的交换能力，所以温度太高时，应进行降温处理。
6.氧化剂 废水中如果含有氧化剂(如Cl2,O2,H2Cr2O7)时，会使树脂氧化分解。强碱阴树脂容易被氧化剂氧化，使交换基团变成非碱性物质，可能完全丧失交换能力。氧化作用也会影响交换树脂的母体，使树脂加速老化，结果使交换能力下降。为了减轻氧化剂对树脂的影响，可选用交联度大的树脂或加入适当的还原剂。