第 12章 离子交换
12.1 离子交换基本原理
12.2 离子交换软化方法与系统
12.3 离子交换软化设备及其计算
12.4 离子交换除盐方法与系统
12.1 离子交换基本原理
12.1.1离子交换树脂的类型及命名
12.1.1.1离子交换树脂的类型
2,离子交换树脂
1） 分类
2） 结构
3,磺化煤：兼有强酸性和弱酸性两种活性基团的阳离子交换剂
分类名称
12.1.1.2 命名
12.1.2离子交换树脂的基本性能
1,外观
粒径 0.3～ 1.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等
不透明或半透明球状颗粒
2．交联度：以 7~10%为宜
3．含水率
树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分
比（约 50%）
树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率
4．溶胀性
干树脂 +水 →湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度
5．密度
6.有效 PH值范围
由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的 pH
值势必对其交换容量产生影响。
表 12.1 各种类型树脂有效 pH值范围
树脂类型 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性
有效 pH值范围 1~14 5~14 1~12 0~7
12.1.3离子交换平衡
选择系数大于 1，说明该树脂对 B+的亲合力大与对 A+的亲合力，即有利于进行离
子交换反应。
选择系数用离子浓度分率表示：
二阶对一阶离子交换反应通式为：
12.1.4离子交换速度
膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？
慢者控制离子交换反应的速度．
(1) 浓度：浓度大于 0.1mol/l时，孔道扩散为控制步．
浓度小于 0.003mol/l时，膜扩散成为控制步
介于中间则取决于具体情况．
(2) 流速或搅拌速率,大，则水膜薄．膜扩散快．
但孔隙扩散基本不受影响．
(3) 树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比．
孔道扩散，速度与粒径２次方成反比．
(4) 交联度,交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显
著．
12.1.5 树脂层离子交换过程
12.1.6树脂的再生
再生液与水流方向相同
1．顺流再生
特点：⑴ 上部再生程度高，下部差，越是下部越差
⑵ 再生剂耗量大,2～ 3倍理论值时，效果仍不理想
⑶ 出水剩余硬度高
⑷ 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低
⑸ 适合于硬度较低的场合
2．逆流再生
再生液饱和程度
特点：⑴ 再生效果好，耗量可降低 20%以上
低 ⑵ 出水水质明显提高
↓ ⑶ 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水
仍能保
证出水水质
中 ⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低
↓ ⑸ 工作交换容量提高
高 ⑹ 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量
低等
3．移动床：再生液向下流，水流向上流的方式
适用：处理水量稳定，且不间断运行
12.2 离子交换软化方法与系统
12.2.1离子交换软化系统选择
1,Na＋ 离子交换软化法
2,H＋ 离子交换软化法
3,H－ Na串联及并联：
⑴ 并联：
12.2.2离子交换树脂的交换容量
1．交换容量：
1）全交换容量
（ 1）定义：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量
代表交换能力的大小
（ 2）测定方法：滴定测定与理论上计算
12.3离子交换软化设备及其计算
12.3.1逆流再生固定床
再生液饱和程度
特点：⑴ 再生效果好，耗量可降低 20%以上
低 ⑵ 出水水质明显提高
↓ ⑶ 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出
水水质
中 ⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低
↓ ⑸ 工作交换容量提高
高 ⑹ 操作较复杂
从而使底部再生效果好及剂量低等
为何能降低出水硬度
（以 H型树脂与含钠盐进行交换为例，即能降低钠的泄漏）
逆流再生操作步骤：
⑴ 小反洗
⑵ 放水
⑶ 顶压 → 使床不乱 （为何需顶压，顺流时是否需顶压）
⑷ 进再生液
⑸ 逆向冲洗 （软化水，流速 5～ 7m/h）
⑹ 正洗
为何需软化水逆向冲洗：
逆流再生要用软化水清洗，否则底层已再生好的树脂在清洗过程中
又被消耗，导致出水质量下降，失去了逆流再生的特点。
逆流再生固定床的再生剂耗量与再生液浓度
再生剂 耗量 (g/mol) 浓度 (%)
NaCl 80～ 100 5～ 8
HCl 50～ 55 1.5～ 3
NaOH 55～ 65 1～ 3
钠离子交换器顺流、逆流再生盐耗量和出水水质
盐耗量 (g/mol) 出水硬度 c（ 1/2Ca2+）
umol/L
顺流 逆流 节约
（ %）
逆流再生
盐比耗
顺流 逆流
A厂 109.5 86.7 20.8 1.5 5~10 0
B厂 109.6 88 19.7 1.5 4~6 2
C厂 124 74.6 40 1.3 10~16 <3
12.3.2再生附属设备
1．食盐系统
2．酸系统
3．再生剂用量计算：
再生剂用量 G表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量（ g / L,kg
/ m3）
比耗,n mol / mol （再生剂 / 工作交换容量）
再生 1mol所需质量,R＝ n·MB
再生剂摩尔质量
G＝ q·R＝ q·n·MB （ g / L）
q:树脂工作交换容量
每台离子交换器再生一次所需要再生剂的总量等于：
式中 α—— 工业用酸或盐的浓度或纯度,%
12.3.3除二氧化碳器
1, 原理：
CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，且一般为 H床后,
2．构造和计算：
1） 构造：
2） 填料：常用瓷环 204 m2 / m3 空隙率 74%
3） 计算：
G＝ KF△ C kg／ h
G—— 单位时间能够去除 CO2的量（能力）
K—— 解吸系数 单位时间、单位接触面积、单位推动力下去
除的 CO2的数量瓷环面积
单位时间需去除量,
求 F—— 瓷环面积
（ 1）求体积 V V＝ F/E
（３）风量 20～ 30 m3/ m3（水） 瓷环阻力 0.3～ 0.5 KPa／ m，
据风量，风压选风机 其它局部阻力 0.4 KPa
结论：⑴ K—— 解析系数，温度高则其值大,CO2溶解度低，冬天鼓热
风
⑵ 水封高度大于风压
⑶ 进风口高于水面距离＞ 25cm，伸入内壁，防止水溅入风口
⑷ 通风管有一定坡向水面的坡度
⑸ 防止出水管不通，使水漫入鼓风机
⑹ 设备防腐
12.3.4固定床软化系统的设计计算
物料平衡关系式,Fh·q＝ QT·Ht
Q＝ ηqo
＝ {ηr －（ 1－ ηs） }qo
η：树脂实际利用率
ηr,树脂再生程度，再生度
ηs,树脂饱和程度，饱和度
12.4离子交换除盐方法与系统
12.4.1水的纯度概念
电阻率,1cm× 1cm× 1cm体积的水所测得的电阻（ Ω·cm）
1,淡化水：生活及生产用的淡水
2,脱盐水：含盐量为 1～ 5mg/l，强电解质大部分被去除
（普通蒸馏水） 25 0C 电阻率 0.1～ 1.0× 106Ω·cm
3,纯水：去离子水，含盐量为＜０,１ mg／Ｌ，强电解质绝大部
分被去除，弱电解质也去除到一定程度 25 0C,0.1～
1.0× 106Ω·cm。
４,高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微
生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。
含盐量＜ 0.1mg/L,250C,＞ 10× 106Ω·cm
12.4.2阴离子交换树脂的特性
1,强碱性阴树脂的工业特性（ ROH ）
ROH+H2SO4→RHSO4+H2O ①
2ROH+ H2SO4→R2SO4+2 H2O ②
ROH+HCl→RCl+ H2O
ROH +H2CO3→RHCO3+ H2O
ROH+H2SiO3→RHSiO3+ H2O
式①和式②一般同时进行,但当［ H2SO4］＞［ ROH］中 OH-浓度时，
①占优势，低浓度时②占优势。 R2SO4+H2SO4→2RHSO4-可以进
行，树脂由 R2SO4变成 RHSO4型。
1） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一
般顺序为：
PO43— ＞ SO42— ＞ NO3— ＞ Cl— ＞ OH— ＞ F— ＞ HCO3— ＞ HSIO3—
（ 1）电荷愈多，选择性愈好
（ 2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好
（ 3）还与离子交换基团的性质有关
（ 4）强酸性选择性好
2） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得：
ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH （几乎不能进行）
除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过 Na床，且通过 H型树脂应
减少漏钠量
ROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O H2O电离度极小
3） 阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（ 600C~800C），易受氧化剂
的影响而变质
如水中存在氧化剂时，则会使：
4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，
由于孔道分布
强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出
水导电率增加。
树脂孔道大小不一，水中的一些有机物（如腐殖酸等）在树脂
颗粒内交联紧密部位会被卡住，时间一长，把该部分交换基团遮
盖住，从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后，相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团（ -COOH）。
用碱再生时,R-COOH+NaOH→ RCOONa+H2O
正洗和反应时,R-COONa+H2O→ RCOOH+NaOH
从而正洗水量大大增加，同时由于正洗时阴离子与 ROH发生交换，
从而使运行时交换容量低。
? 5）强碱性阴树脂的运行过程
①,当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水
循环回收。
②．清洗水回收，刚洗好，就是因为树脂受到污染
RCOONa+ H2O→RCOOH+NaOH
（刚开始出水时，电导率会增加，所以需连续清洗，知道出水
达到要求，这就是清洗水回收阶段）
6）除 Si求：
①出水呈酸性； ②进水漏钠量低； ③再生条件高，提高温
度至（ 40-500C）有利于再生的进行。
2．弱,碱树脂的工艺特性：
R=NH2-OH R-NH3OH
仲胺型 伯胺型
1）,交换能力差，不能吸附弱酸阴离子。
只能吸附强酸阴离子：
2R-NH3OH+H2SO4→（ R-NH3） 2SO4+2H2O PH值（ 0～ 7）
R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2O PH值（ 0～ 7）
2R-NH3-OH+Na2SO4→2（ R-NH3） 2SO4+2NaOH （不能进行）
因为 PO43-＞ SO42-＞ NO3-＞ Cl-＞ F-＞ HCO3-＞ HSiO3-
2）,生容易,NaOH,NaHCO3,Na2CO3,NH4OH都可，实
际值是理论值的 1.2～ 1.4倍。
3）,交换容量大 可做强碱阴床前的预处理
4）,抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理
5）,出水呈碱性,NaHCO3,Na HSiO3存在,漏 SO42-,Cl-后出水呈酸性, Cl-,
首先泄漏。
12.4.3离子交换除盐方法与系统
1．复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目
的）
1）一级复床除盐 强酸 —— 脱气 —— 强碱系统
一级复床出水的特点：
①．呈弱碱性 PH= 8 ～ 9.5 （阳床微量 Na泄漏）
②, 出水电阻率 0.1 ～ 1.0× 106Ω*CM脱盐水（普通蒸馏水）
③, 如果阳床泄漏 Na过量的话，电导率会升高。
因而关键是控制阳床的 Na泄露，另外除硅时，可采用热碱液再生。
阴床设在阳床之后（为什么？）：
2）强碱 —— 弱碱 —— 脱气系统
事实上脱气放在后面是因为采用 NaCO3,NaHCO3再生时会产生
CO2气体，否则采用 NaOH再生时可放在前面后面都行。
①．出水呈酸性 6～ 6.8
②, 不能除 Si
③, 电阻率 5× 104达不到脱盐的标准
3）强酸 —— 脱气 —— 弱碱 —— 强碱系统
适合于原水强酸阴离子含量较大 H2SO4
弱碱用于去除强酸阴离子 HCl
强碱用于去除 Si SiO32-
采用串联再生法，用 NaOH再生，可适当提高温度。
2．混合床除盐
1）原理与特点：
阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反
复脱盐，故其出水电率可达 5～ 10× 106Ω·Cm。
RH + ROH + NaCl → RNa + RCL +H2O
混合床的特点：
①, 阴、阳离子交换反应几乎同时进行
②, 出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水）
③,不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性）
④,失效终点分明
⑤, 设备小
缺点：
①, 再生时，难以彻底分层 。
②, 混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降
③, 一般常需进行预处理（混凝、沉淀,活性炭吸附）
④, 再生操作复杂
交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分
阳树脂转为 Na型，造成运行后 Na+泄漏。
三层混合床：（为了有利于分层）中间另装 10～ 15cm惰性树脂使其
分层彻底。
2） 混合床离子交换器装置及再生方式
a,装置
b,再生
再生方法有体内再生和体外再生体内再生又分为酸、碱同时再生
和酸、碱分别再生，现以酸、碱分别再生为例。
步骤,1、反洗分层
2、阴树脂再生
3、阴树脂正洗
4、阳树脂再生
5、阳树脂清洗
6、混合
7、最后正洗至 PH≈7，电阻率大于 5× 105Ω·cm，即可运行。
3),高纯水制备与终端处理：
强酸 —— 脱气 —— 强碱 —— 混合床系统
使用前终端处理有：紫外线，精制混床，超滤。
3.氢型精处理器：
强酸 —— 脱气 —— 强碱 —— 强酸
能彻底去除 Na，出水水质好，
流速高 100m/h
不能除 Si，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混合床提纯水
质。
4.离子交换双层床：
阳离子交换双层床
阴离子交换双层床
1) 阳离子交换双层床
采用逆流再生，耗酸量相当于全部是阳树脂来说从 3倍降到 1.1倍理论值。
适应于：原水硬度 =碱度的水，或硬度略大于碱度的水。
2) 阴离子交换双层床
（ 1）, 逆流再生，碱耗量低，理论值的 1.1倍。强碱是理论值的 3～ 4倍
（ 2）, 交换容量提高，出水量增加。
（ 3）,适应的含盐量范围可提高。
（ 4）,出水水质好。
缺点：要求再生条件严格，否则会出现如下现象，大量胶体硅（甚
至胶冻）聚积在弱碱树脂上，使出水水质严重恶化。
原因：再生时：下层强碱树脂：
在 NaOH存在的情况下，以 Na2SiO3,Na2CO3存在。
2R-NH3Cl + Na2SiO3 →2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO3
2R-NH3Cl + Na2CO3 →2R-NH3OH+2NaCl+H2CO3
从而使 PH值下降，出现大量 H2SiO3,从而析出胶体硅,粘附在弱
碱树脂上,故对再生条件要求严格,
立即再生,否则强碱性树脂硅酸发生聚合,会污染强碱性树脂
加热再生,400碱液 (避免产生胶体硅,降低出水硅含量 )
先低浓度后高浓度 1%～ 3%碱液或 (2% 快 —— 慢 )
思考题
1、与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水水质显著提高？
2、实现逆流再生的关键是什么？
3、为什么说在 Ht>Hc的条件下，经 H离子交换（到硬度开始泄漏）的周
期出水平均强酸酸度在数值上与原水 Hn相当？此时 H— Na离子交换系
统的 QH和 QNa表达式为何？若原水碱度大于硬度，情况又是如何？
4、在离子交换除盐系统中，阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前
后位置的布置应如何考虑？试说明理由。
3、在固定床逆流再生中，用工业盐酸再生强酸阳离子交换树脂。
若工业盐酸中 HCl含量为 31%，而 HCl含量为 3%，试估算强酸树脂
的极限再生度
4、试说明离子交换混合床工作原理，其除盐效果好的原因何在？
习 题,
1、如下图所示，当氢离子交换出水强酸酸度为零，与其相应，出
水 Na+含量应是多少？
2、在固定床逆流再生条件下，树脂工作交换容量能否由下式表示，
试阐明其理由。
12.1 离子交换基本原理
12.2 离子交换软化方法与系统
12.3 离子交换软化设备及其计算
12.4 离子交换除盐方法与系统
12.1 离子交换基本原理
12.1.1离子交换树脂的类型及命名
12.1.1.1离子交换树脂的类型
2,离子交换树脂
1） 分类
2） 结构
3,磺化煤：兼有强酸性和弱酸性两种活性基团的阳离子交换剂
分类名称
12.1.1.2 命名
12.1.2离子交换树脂的基本性能
1,外观
粒径 0.3～ 1.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等
不透明或半透明球状颗粒
2．交联度：以 7~10%为宜
3．含水率
树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分
比（约 50%）
树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率
4．溶胀性
干树脂 +水 →湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度
5．密度
6.有效 PH值范围
由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的 pH
值势必对其交换容量产生影响。
表 12.1 各种类型树脂有效 pH值范围
树脂类型 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性
有效 pH值范围 1~14 5~14 1~12 0~7
12.1.3离子交换平衡
选择系数大于 1，说明该树脂对 B+的亲合力大与对 A+的亲合力，即有利于进行离
子交换反应。
选择系数用离子浓度分率表示：
二阶对一阶离子交换反应通式为：
12.1.4离子交换速度
膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？
慢者控制离子交换反应的速度．
(1) 浓度：浓度大于 0.1mol/l时，孔道扩散为控制步．
浓度小于 0.003mol/l时，膜扩散成为控制步
介于中间则取决于具体情况．
(2) 流速或搅拌速率,大，则水膜薄．膜扩散快．
但孔隙扩散基本不受影响．
(3) 树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比．
孔道扩散，速度与粒径２次方成反比．
(4) 交联度,交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显
著．
12.1.5 树脂层离子交换过程
12.1.6树脂的再生
再生液与水流方向相同
1．顺流再生
特点：⑴ 上部再生程度高，下部差，越是下部越差
⑵ 再生剂耗量大,2～ 3倍理论值时，效果仍不理想
⑶ 出水剩余硬度高
⑷ 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低
⑸ 适合于硬度较低的场合
2．逆流再生
再生液饱和程度
特点：⑴ 再生效果好，耗量可降低 20%以上
低 ⑵ 出水水质明显提高
↓ ⑶ 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水
仍能保
证出水水质
中 ⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低
↓ ⑸ 工作交换容量提高
高 ⑹ 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量
低等
3．移动床：再生液向下流，水流向上流的方式
适用：处理水量稳定，且不间断运行
12.2 离子交换软化方法与系统
12.2.1离子交换软化系统选择
1,Na＋ 离子交换软化法
2,H＋ 离子交换软化法
3,H－ Na串联及并联：
⑴ 并联：
12.2.2离子交换树脂的交换容量
1．交换容量：
1）全交换容量
（ 1）定义：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量
代表交换能力的大小
（ 2）测定方法：滴定测定与理论上计算
12.3离子交换软化设备及其计算
12.3.1逆流再生固定床
再生液饱和程度
特点：⑴ 再生效果好，耗量可降低 20%以上
低 ⑵ 出水水质明显提高
↓ ⑶ 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出
水水质
中 ⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低
↓ ⑸ 工作交换容量提高
高 ⑹ 操作较复杂
从而使底部再生效果好及剂量低等
为何能降低出水硬度
（以 H型树脂与含钠盐进行交换为例，即能降低钠的泄漏）
逆流再生操作步骤：
⑴ 小反洗
⑵ 放水
⑶ 顶压 → 使床不乱 （为何需顶压，顺流时是否需顶压）
⑷ 进再生液
⑸ 逆向冲洗 （软化水，流速 5～ 7m/h）
⑹ 正洗
为何需软化水逆向冲洗：
逆流再生要用软化水清洗，否则底层已再生好的树脂在清洗过程中
又被消耗，导致出水质量下降，失去了逆流再生的特点。
逆流再生固定床的再生剂耗量与再生液浓度
再生剂 耗量 (g/mol) 浓度 (%)
NaCl 80～ 100 5～ 8
HCl 50～ 55 1.5～ 3
NaOH 55～ 65 1～ 3
钠离子交换器顺流、逆流再生盐耗量和出水水质
盐耗量 (g/mol) 出水硬度 c（ 1/2Ca2+）
umol/L
顺流 逆流 节约
（ %）
逆流再生
盐比耗
顺流 逆流
A厂 109.5 86.7 20.8 1.5 5~10 0
B厂 109.6 88 19.7 1.5 4~6 2
C厂 124 74.6 40 1.3 10~16 <3
12.3.2再生附属设备
1．食盐系统
2．酸系统
3．再生剂用量计算：
再生剂用量 G表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量（ g / L,kg
/ m3）
比耗,n mol / mol （再生剂 / 工作交换容量）
再生 1mol所需质量,R＝ n·MB
再生剂摩尔质量
G＝ q·R＝ q·n·MB （ g / L）
q:树脂工作交换容量
每台离子交换器再生一次所需要再生剂的总量等于：
式中 α—— 工业用酸或盐的浓度或纯度,%
12.3.3除二氧化碳器
1, 原理：
CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，且一般为 H床后,
2．构造和计算：
1） 构造：
2） 填料：常用瓷环 204 m2 / m3 空隙率 74%
3） 计算：
G＝ KF△ C kg／ h
G—— 单位时间能够去除 CO2的量（能力）
K—— 解吸系数 单位时间、单位接触面积、单位推动力下去
除的 CO2的数量瓷环面积
单位时间需去除量,
求 F—— 瓷环面积
（ 1）求体积 V V＝ F/E
（３）风量 20～ 30 m3/ m3（水） 瓷环阻力 0.3～ 0.5 KPa／ m，
据风量，风压选风机 其它局部阻力 0.4 KPa
结论：⑴ K—— 解析系数，温度高则其值大,CO2溶解度低，冬天鼓热
风
⑵ 水封高度大于风压
⑶ 进风口高于水面距离＞ 25cm，伸入内壁，防止水溅入风口
⑷ 通风管有一定坡向水面的坡度
⑸ 防止出水管不通，使水漫入鼓风机
⑹ 设备防腐
12.3.4固定床软化系统的设计计算
物料平衡关系式,Fh·q＝ QT·Ht
Q＝ ηqo
＝ {ηr －（ 1－ ηs） }qo
η：树脂实际利用率
ηr,树脂再生程度，再生度
ηs,树脂饱和程度，饱和度
12.4离子交换除盐方法与系统
12.4.1水的纯度概念
电阻率,1cm× 1cm× 1cm体积的水所测得的电阻（ Ω·cm）
1,淡化水：生活及生产用的淡水
2,脱盐水：含盐量为 1～ 5mg/l，强电解质大部分被去除
（普通蒸馏水） 25 0C 电阻率 0.1～ 1.0× 106Ω·cm
3,纯水：去离子水，含盐量为＜０,１ mg／Ｌ，强电解质绝大部
分被去除，弱电解质也去除到一定程度 25 0C,0.1～
1.0× 106Ω·cm。
４,高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微
生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。
含盐量＜ 0.1mg/L,250C,＞ 10× 106Ω·cm
12.4.2阴离子交换树脂的特性
1,强碱性阴树脂的工业特性（ ROH ）
ROH+H2SO4→RHSO4+H2O ①
2ROH+ H2SO4→R2SO4+2 H2O ②
ROH+HCl→RCl+ H2O
ROH +H2CO3→RHCO3+ H2O
ROH+H2SiO3→RHSiO3+ H2O
式①和式②一般同时进行,但当［ H2SO4］＞［ ROH］中 OH-浓度时，
①占优势，低浓度时②占优势。 R2SO4+H2SO4→2RHSO4-可以进
行，树脂由 R2SO4变成 RHSO4型。
1） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一
般顺序为：
PO43— ＞ SO42— ＞ NO3— ＞ Cl— ＞ OH— ＞ F— ＞ HCO3— ＞ HSIO3—
（ 1）电荷愈多，选择性愈好
（ 2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好
（ 3）还与离子交换基团的性质有关
（ 4）强酸性选择性好
2） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得：
ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH （几乎不能进行）
除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过 Na床，且通过 H型树脂应
减少漏钠量
ROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O H2O电离度极小
3） 阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（ 600C~800C），易受氧化剂
的影响而变质
如水中存在氧化剂时，则会使：
4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，
由于孔道分布
强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出
水导电率增加。
树脂孔道大小不一，水中的一些有机物（如腐殖酸等）在树脂
颗粒内交联紧密部位会被卡住，时间一长，把该部分交换基团遮
盖住，从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后，相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团（ -COOH）。
用碱再生时,R-COOH+NaOH→ RCOONa+H2O
正洗和反应时,R-COONa+H2O→ RCOOH+NaOH
从而正洗水量大大增加，同时由于正洗时阴离子与 ROH发生交换，
从而使运行时交换容量低。
? 5）强碱性阴树脂的运行过程
①,当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水
循环回收。
②．清洗水回收，刚洗好，就是因为树脂受到污染
RCOONa+ H2O→RCOOH+NaOH
（刚开始出水时，电导率会增加，所以需连续清洗，知道出水
达到要求，这就是清洗水回收阶段）
6）除 Si求：
①出水呈酸性； ②进水漏钠量低； ③再生条件高，提高温
度至（ 40-500C）有利于再生的进行。
2．弱,碱树脂的工艺特性：
R=NH2-OH R-NH3OH
仲胺型 伯胺型
1）,交换能力差，不能吸附弱酸阴离子。
只能吸附强酸阴离子：
2R-NH3OH+H2SO4→（ R-NH3） 2SO4+2H2O PH值（ 0～ 7）
R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2O PH值（ 0～ 7）
2R-NH3-OH+Na2SO4→2（ R-NH3） 2SO4+2NaOH （不能进行）
因为 PO43-＞ SO42-＞ NO3-＞ Cl-＞ F-＞ HCO3-＞ HSiO3-
2）,生容易,NaOH,NaHCO3,Na2CO3,NH4OH都可，实
际值是理论值的 1.2～ 1.4倍。
3）,交换容量大 可做强碱阴床前的预处理
4）,抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理
5）,出水呈碱性,NaHCO3,Na HSiO3存在,漏 SO42-,Cl-后出水呈酸性, Cl-,
首先泄漏。
12.4.3离子交换除盐方法与系统
1．复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目
的）
1）一级复床除盐 强酸 —— 脱气 —— 强碱系统
一级复床出水的特点：
①．呈弱碱性 PH= 8 ～ 9.5 （阳床微量 Na泄漏）
②, 出水电阻率 0.1 ～ 1.0× 106Ω*CM脱盐水（普通蒸馏水）
③, 如果阳床泄漏 Na过量的话，电导率会升高。
因而关键是控制阳床的 Na泄露，另外除硅时，可采用热碱液再生。
阴床设在阳床之后（为什么？）：
2）强碱 —— 弱碱 —— 脱气系统
事实上脱气放在后面是因为采用 NaCO3,NaHCO3再生时会产生
CO2气体，否则采用 NaOH再生时可放在前面后面都行。
①．出水呈酸性 6～ 6.8
②, 不能除 Si
③, 电阻率 5× 104达不到脱盐的标准
3）强酸 —— 脱气 —— 弱碱 —— 强碱系统
适合于原水强酸阴离子含量较大 H2SO4
弱碱用于去除强酸阴离子 HCl
强碱用于去除 Si SiO32-
采用串联再生法，用 NaOH再生，可适当提高温度。
2．混合床除盐
1）原理与特点：
阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反
复脱盐，故其出水电率可达 5～ 10× 106Ω·Cm。
RH + ROH + NaCl → RNa + RCL +H2O
混合床的特点：
①, 阴、阳离子交换反应几乎同时进行
②, 出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水）
③,不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性）
④,失效终点分明
⑤, 设备小
缺点：
①, 再生时，难以彻底分层 。
②, 混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降
③, 一般常需进行预处理（混凝、沉淀,活性炭吸附）
④, 再生操作复杂
交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分
阳树脂转为 Na型，造成运行后 Na+泄漏。
三层混合床：（为了有利于分层）中间另装 10～ 15cm惰性树脂使其
分层彻底。
2） 混合床离子交换器装置及再生方式
a,装置
b,再生
再生方法有体内再生和体外再生体内再生又分为酸、碱同时再生
和酸、碱分别再生，现以酸、碱分别再生为例。
步骤,1、反洗分层
2、阴树脂再生
3、阴树脂正洗
4、阳树脂再生
5、阳树脂清洗
6、混合
7、最后正洗至 PH≈7，电阻率大于 5× 105Ω·cm，即可运行。
3),高纯水制备与终端处理：
强酸 —— 脱气 —— 强碱 —— 混合床系统
使用前终端处理有：紫外线，精制混床，超滤。
3.氢型精处理器：
强酸 —— 脱气 —— 强碱 —— 强酸
能彻底去除 Na，出水水质好，
流速高 100m/h
不能除 Si，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混合床提纯水
质。
4.离子交换双层床：
阳离子交换双层床
阴离子交换双层床
1) 阳离子交换双层床
采用逆流再生，耗酸量相当于全部是阳树脂来说从 3倍降到 1.1倍理论值。
适应于：原水硬度 =碱度的水，或硬度略大于碱度的水。
2) 阴离子交换双层床
（ 1）, 逆流再生，碱耗量低，理论值的 1.1倍。强碱是理论值的 3～ 4倍
（ 2）, 交换容量提高，出水量增加。
（ 3）,适应的含盐量范围可提高。
（ 4）,出水水质好。
缺点：要求再生条件严格，否则会出现如下现象，大量胶体硅（甚
至胶冻）聚积在弱碱树脂上，使出水水质严重恶化。
原因：再生时：下层强碱树脂：
在 NaOH存在的情况下，以 Na2SiO3,Na2CO3存在。
2R-NH3Cl + Na2SiO3 →2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO3
2R-NH3Cl + Na2CO3 →2R-NH3OH+2NaCl+H2CO3
从而使 PH值下降，出现大量 H2SiO3,从而析出胶体硅,粘附在弱
碱树脂上,故对再生条件要求严格,
立即再生,否则强碱性树脂硅酸发生聚合,会污染强碱性树脂
加热再生,400碱液 (避免产生胶体硅,降低出水硅含量 )
先低浓度后高浓度 1%～ 3%碱液或 (2% 快 —— 慢 )
思考题
1、与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水水质显著提高？
2、实现逆流再生的关键是什么？
3、为什么说在 Ht>Hc的条件下，经 H离子交换（到硬度开始泄漏）的周
期出水平均强酸酸度在数值上与原水 Hn相当？此时 H— Na离子交换系
统的 QH和 QNa表达式为何？若原水碱度大于硬度，情况又是如何？
4、在离子交换除盐系统中，阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前
后位置的布置应如何考虑？试说明理由。
3、在固定床逆流再生中，用工业盐酸再生强酸阳离子交换树脂。
若工业盐酸中 HCl含量为 31%，而 HCl含量为 3%，试估算强酸树脂
的极限再生度
4、试说明离子交换混合床工作原理，其除盐效果好的原因何在？
习 题,
1、如下图所示，当氢离子交换出水强酸酸度为零，与其相应，出
水 Na+含量应是多少？
2、在固定床逆流再生条件下，树脂工作交换容量能否由下式表示，
试阐明其理由。
