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离子交换的速度

文章作者:dgyingyuan 发表时间:真人百家乐 浏览次数:

    离子交换平衡,是在某种具体条件下离子交换能达到的极限情况。在实际使用中,总是希望纯水设备离子交换设备能在水的高流速下运行,所以反应的时间是有限的,不可能让离子交换达到平衡状态。为此,研究影响纯水设备离子交换速度的因素,是有重要实践意义的。
离子交换过程,是在水中离子和离子交换
树脂的可交换基团间进行的。树脂的可交换基团不规则在分布在每一颗粒中,它不仅处于树脂颗粒的表面,而且大量处在树脂颗粒的内部,所以纯水设备离子交换的进行过程是比较复杂的,因为它不单是离子间交换位置的问题,还有离子在水中扩散到颗粒内部的过程。至于纯水设备离子交换化学反应本身的速度,属于离子间的反应,一般是很快的,所以通常说的离子交换速度,不单指此种化学反应,而是表示水溶液中离子浓度改变的速度。
各种运行条件如何影响交换速度的问题,虽然已进行了许多研究,但还是没有完全弄清楚。下面简要地叙述影响阳离子交换速度的一些因素。

(1)树脂交换基团。我们知道离子间的化学反应速度是很快的,所以一般说来,树脂交换基团的不同并不影响到交换速度。例如磺酸型阳离子交换树脂,不论其呈H、Na或其他的形态,对各种阳离子间的交换速度都很快,彼此的差别也非常小。但对于会形成弱电解质的离子交换树脂,情况就不同,像H型和盐型的交换速度就会有很大差别。

(2)树脂的交联度。树脂的交联度越大,网孔越小,则其颗粒内扩散越慢,交换速度就越慢,当水中有粒径较大的离子存在时,对交换速度影响就更为显著。

(3) 树脂的颗粒。树脂颗粒越小,交换速度越快。这是因为树脂的颗粒越小,内扩散的距离越短;同时颗粒越小,也等于扩大了膜扩散的表面积,从而加快交换速度。但树脂颗粒也不宜太小,因为太小会增大水流通过树脂层的阻力,且在反洗运行时容易流失。

(4)溶液的浓度。溶液浓度是影响扩散速度的重要因素,浓度越大,扩散速度越快。水溶液中离子浓度内扩散和膜扩散有不同程度的影响。当水溶液中离子浓度较大,膜扩散的速度就较快,此时交换速度主要受内扩散的支配,即内扩散是决定性阶段。这相当于水处理工艺中树脂再生时的情况。若水溶液中电解质的浓度较小,膜扩散的速度就变得非常慢,故交换速度受膜扩散的支配,这相当于用阳离子交换树脂进行水软化时的情况。当然,溶液中离子浓度变化时,树脂因膨胀或收缩也会影响到内扩散。

(5)水温。提高水温能同时加快内扩散和膜扩散,所以离子交换设备运行时,一般水温保持在20~40℃。但也不能过高,因为水温过高会影响交换剂的热稳定性,特别是强碱性阴树脂,不耐高温。

(6) 搅拌或提高流速。交换过程中的搅拌或提高水的流速,只能加快扩散,但不能影响内扩散。

(7)离子的本性。它对内扩散的速度影响较大,离子水合半径越大,内扩散越慢;离子电荷数越多,内扩散越慢,根据实验结果,阳离子增加一个电荷,其内扩散速度约减慢为原来的1/10。影响阴离子交换速度的因素与阳离子交换现象十分相似,对于阴离子交换树脂,膜扩散的问题现在还研究得很少,但可以推测,在很稀的溶液中,对于强碱性树脂,膜扩散是主要的;在浓溶液中,颗粒内扩散是主要的。树脂的交联度和离子的电荷对阴离子在树脂颗粒内部的扩散速度影响比对阳离子的影响要小得多,如阴离子每增加一个电荷对其内扩散速度的影响程度,仅为阳离子的1/2或1/3。当树脂的交联度从5%增加到15%时,一价阳离子的内扩散速度降低约为原来的1/10,而一价阴离子内扩散速度仅降低为1/2。大孔型树脂,其内扩散的速度要比普通树脂的快得多。

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