离子交换实验.docx

1、离子交换实验专业： 情况工程 姓名： 王 义 学号： 3071401071 日期： 2010-4-2 地点： 中心北楼513 实验陈述之五兆芳芳创作课程名称：水处理工程实验指导老师：胡宏成绩：_实验名称：离子互换实验类型：_同组学生姓名： 陈巧丽、林蓓等一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操纵办法和实验步调五、实验数据记实和处理 六、实验结果与阐发（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求离子互换法是一种借助于离子互换剂上的离子和废水中的离子进行互换反响而除去废水中有害离子的办法.离子互换是一种特殊吸附进程，通常是可逆性化学吸附；其特点是吸附水中离

2、子化物质，并进行等电荷的离子互换.装 订 线离子互换剂分无机的离子互换剂如天然沸石，人工分解沸石，及有机的离子互换剂如磺化煤和各类离子互换树脂.在应用离子互换法进行水处理时，需要按照离子互换树脂的性能设计离子互换设备，决定互换设备的运行周期和再生处理.通过本实验希望达到下述目的：1)加深对离子互换根本理论的理解；学会离子互换树脂的辨别；2)学会离子互换设备操纵办法；3)学会使用手持式盐度计，掌握pH计、电导率仪的校正及丈量办法.二、实验内容和原理由于离子互换树脂具有互换基因，其中的可游离互换离子能与水中的同性离子进行等当量互换.用酸性阳离子互换树脂除去水中阳离子，反响式如下：nRH + M+n

3、 RnM+nH+M阳离子n离子价数R互换树脂用碱性阴离子互换树脂除去水中的阴离子，反响式如下：nROH + Yn RnY+ nOH-Y阴离子离子互换法是固体吸附的一种特殊形式，因此也可以用解吸法来解吸，进行树脂再生.本实验采取自来水为进水，进行离子互换处理.因为自来水中含有较多量的阴、阳离子，如Cl， NH4+，Ca2+，Mg2+，Fe3+，Al3+，K+，Na+等.在某些工农业生产、科研、医疗卫生等任务中所用的水，以及某些废水深度处理进程中，都需要除去水中的这些离子.而采取离子互换树脂来达到目的是可行的办法.本实验采取丈量水中电导率值或盐度的办法来直接地、近似地暗示离子的去除情况.三、主要仪

4、器设备离子互换树脂的辨别：30ml试管数支、吸管1支、5ml移液管数支，废液缸一个；1-1HCl溶液、5mol/L NH4OH溶液、-1NaOH溶液、10%CuSO4溶液，酚酞指示剂、甲基红指示剂；离子互换树脂对水中离子的互换作用：烧杯50ml 5只，METTLER TOLEDO 326电导率仪1台、PHS-9V型酸度计一台、手握式盐度计一支，清水、模拟废水，流量计，砂滤柱、阳树脂柱、阴树脂柱、混树脂柱装置一套.互换柱有效值：=9cm，h=100cm.图1 离子互换实验装置流程图四、操纵办法和实验步调离子互换树脂的辨别第一步：1)取试样树脂2g，置于20ml 试管中，用吸管吸去树脂的附着水；2

5、)参加-1HCl 5ml ，摇动12 分钟，将上部清液吸去，重复操纵23次；3)参加纯水，摇动后将上部清液吸去，重复操纵23 次；4)参加10%CuSO4 5ml，摇动一分钟，按3)充分用纯水清洗.第二步：经第一步处理，如树脂变成浅绿色，参加-1NH4OH 2ml，摇动一分钟，用纯水充分清洗.如树脂经处理后，颜色加深（深蓝）则为强酸性阳离子互换树脂.如树脂浅绿颜色不变，则为弱碱性阴离子互换树脂.第三步：经第一步处理后，如树脂不变色，则：1)参加-1NaOH 5ml，摇动一分钟后用纯水充分清洗洁净；2)参加酚酞5 滴，摇动一分钟，用纯水充分清洗；3)经此处理后，树脂呈白色，则为强碱性阴树脂.第四

6、步：经第三步处理后，树脂不变色，则：1)参加-1HCl 5ml，摇动一分钟，然后用纯水清洗23 次；2)参加5 滴甲基红，摇动一分种，用纯水充分清洗；3)经处理后，树脂呈桃白色，则为弱酸性阳树脂；如树脂不变色，则该树脂无离子互换能力.离子互换树脂对水中离子的互换作用1、熟悉离子互换柱的流程、阀门的位置和开阀的次序；2、测定原水pH，电导率，记入表中；3、打开进水阀，辨别调节在50L/h、20L/h的进水流量下进行实验；4、在相应的进水流量辨别稳定30、55分钟后，辨别取进水水样、阳柱出水水样、阴柱出水水量、混杂柱出水水样各20ml.测定各水样的pH、电导率，盐度.五、实验数据记实和处理表1 离

7、子互换实验数据记实表实验日期：2010年4月2日，星期五原水特性：温度15 pH 7.1 电导率 S/cm 盐度 15ppm 出水水质互换柱水流速度阳离子互换柱阴离子互换柱阴阳离子互换柱盐度(ppm)pH电导率(S/cm)盐度(ppm)pH电导率(S/cm)盐度(ppm)pH电导率(S/cm)50L/h258020L/h29800表2 离子互换实验盐度去除率表出水水质50L/h20L/h阳离子互换柱-66.7%-93.3%阴离子互换柱46.7%46.7%阴阳离子互换柱100%100%【纪律不雅察】由上图2至图6及表2可发明，同样的模拟NaCl废水，在水流速度辨别为50L/h、20L/h时，依次

8、经过阳离子互换柱、阴离子互换柱及阴阳离子互换柱后，出水水质的变更根本一致，各参数值相差也不大：pH值：模拟废水的pH本值为6.8-7.1，属于中性废水；经过阳离子互换柱后，pH均下降，出水呈现中酸性；再经过阴离子互换柱后，出水的pH值均上升至10左右，呈现中碱性；最后经过混离子互换柱后，出水的pH值又下降至8.5左右，呈现弱碱性.电导率：S/cm，经过阳离子互换柱后，电导率均上升至50S/cm左右；再经过阴离子互换柱后，出水的电导率却都下降至15S/cm左右；最后经过混离子互换柱后，出水的电导率又根本上下降至零.但是，仔细比较图4、图5，可发明不合水流速度下，电导率的变更相比而言有一定不同，就

9、是50L/h水流速度时阳、阴离子互换柱的出水电导率都小于20L/h水流速度时对应的电导率值；但阴阳离子互换柱出水却是20L/h水流速度时的电导率更低.盐度：模拟废水的盐度本底值为15ppm，经过阳树脂柱后，盐度都出现了明显的增大，辨别达到了25ppm、29ppm；再经过阴离子互换柱后，盐度却呈现出明显的减小，且均比原模拟废水的盐度小，降到了8ppm；最后经过混树脂柱后，盐度都降到了零.盐度去除率：模拟废水的盐度值根本保持不变，因而盐度去除率的变更趋势根本等同于出水盐度变更趋势；废水经过阳树脂柱后，盐度都明显增大使盐度去除率为负，再经阴树脂柱，出水盐度减小到比原模拟废水的盐度还要小，盐度去除率是

10、正值，最后经过混树脂柱后，出水盐度去除率都达到了100%.六、实验结果与阐发【离子互换树脂的辨别】辨别各类离子互换树脂的具体办法步调与产生的反响结果可由下图暗示：各步的反响机理为：判定前参加1mol/LHCl约5ml，目的是使树脂再生，本实验小组使用的是新鲜树脂，只需参加约1ml的盐酸便可，摇动后参加纯水清洗，再参加10%CuSO4ml，摇动再清洗，不雅察颜色：1)若为强酸性阳离子互换树脂，由于Cu2+互换势强于H+，参加的Cu2+会与H+产生离子互换，而Cu2+与树脂结合后生成水合铜离子，清洗之后树脂呈现浅绿色；2)若为弱碱性阴离子互换树脂，则水合铜离子与弱碱性阴离子互换树脂固定基团NH3O

11、H、NH2OH及NHOH中的-N-H中的氮原子配位形成类似于铜氨络离子的特殊结构，从而使树脂清洗后亦呈现浅绿色；3)若为弱酸性阳离子互换树脂（氢离子具有最强的互换势）或强碱性阴离子互换树脂，则不会有离子互换产生，清洗后树脂不会有颜色变更.若第一步处理后，树脂呈现浅绿色，则树脂可能是强酸性阳离子互换树脂或弱碱性阴离子互换树脂，再参加5mol/LNH4OH约2ml，摇动再清洗，不雅察颜色变更：1)若为强酸性阳离子互换树脂，则原先生成的浅绿色水合铜离子会与NH4OH持续反响生成蓝色的铜氨络离子，树脂颜色加深；2)若为弱碱性阴离子互换树脂，参加NH4OH后没有反响产生，无颜色变更，树脂仍呈浅绿色.若第

12、一步处理后，树脂不变色，再参加1mol/LNaOH约2ml再生后，纯水清洗，再参加2-3滴酚酞，充分摇动后再清洗，不雅察：1)若为强碱性阴离子互换树脂，再生后树脂上的OH-会与酚酞产生显色反响，呈现出白色；2)若为弱酸性阳离子互换树脂或树脂没有离子互换能力，参加酚酞之后都不会有显色反响的进行，树脂都不会有颜色变更.经第三步处理后，若树脂仍不变色，再参加1mol/LHCl约5ml再生后纯水清洗，再参加甲基红2-3滴，充分摇动后再清洗，不雅察：1)若为弱酸性阳离子互换树脂，再生后，树脂上的H+会与参加的甲基红产生显色反响，树脂呈桃白色；2)若树脂没有离子互换能力，再生后参加甲基红，树脂不会有颜色变

13、更.本次实验中，我们小组鉴此外是D号树脂，判定步调及各步的反响结果如右图示，判定结果为：D树脂是强碱性阴离子互换树脂.【不合离子互换柱出水性质变更探讨阐发】废水在阳离子互换柱中，水中阳离子（本实验模拟废水中主要是Na+）与H+产生如下离子互换：RSO3-H+ + Na+ RSO3-Na+ + H+由此易知阳离子互换柱出水的pH值会因水中H+的大量增加而下降；原废水的电导率及盐度的主要奉献者就是Na+、Cl-，而H+的电导率、迁移率均比Na+的高，不是因为H+的离子半径较小，而是因为“A hydrogen ion, H+(or OH-), could make a new bond with a

14、 nearby water molecule. The water molecule then releases a new hydrogen ion off its other side, resulting in the apparent motion of a hydrogen ion without any single ion actually moving. This process continues through the solution, resulting in high conductivities for H+ and OH”，因而等量H+与Na+离子互换后，阳离子互

15、换柱出水的电导率会明显增大；又电导率与盐度存在一定的正相关性（见水样盐度与电导率关系阐发），则其出水盐度也会出现明显的增大.阴离子互换柱中，水样中阴离子（本实验模拟废水中主要是Cl-）与OH-产生离子互换，进入水样中的OH-立即会与废水流经阳离子互换柱产生的H+反响，促进了离子互换的进行，因而阴离子互换柱的出水呈碱性，pH大于7；虽然导电机制类似，但是OH-的电导率、迁移率均比H+的低，且水样中OH-、H+浓度都很低，“The most important fact for measuring seawater salinity is that anything that is not pre

16、sent at relatively high concentrations just doesnt contribute significantly to the total. Even H+ and OH, with their high inherent conductivities, do not contribute much because they are present at very low concentrations”，故此时阴离子互换柱出水的电导率和盐度都下降，且比原废水还要小.流经阴阳离子混杂柱后，水样中Na+、Cl-进一步与H+、OH-产生离子互换，相互促进直至水样

17、中Na+、Cl-根本被互换完毕，之前阴离子互换柱出水中的OH-被部分中和，混杂柱出水的pH下降至接近中性，也因其根本只含很少量的H+、OH-，故电导率及盐度下降至几近于0.【不合流量对互换柱出水性质的影响探讨】废水流量增大则互换柱水流速度增大，会导致两方面的变更：废水在离子互换柱内的停留时间削减；互换柱内水流的湍动程度增大，进而使废水中阴阳离子扩散速度增大.离子互换的总速度取决于离子扩散速度，因为离子互换的反响速度比较大，因而废水流量的增大可在一定程度上增大离子互换的总速度.由图4图6可看出，废水流量不合，停留时间不合，虽然出水水质的变更根本一致，各参数值相差也不大，但总体来讲，阳、阴离子互换

18、柱出水的主导离子浓度，不管是H+或OH-，20L/h流量时总要大于50L/h流量时，因而出水的pH比较会如图4所示，电导率和盐度也是20L/h流量时大于50L/h流量时；而在流经混杂柱后20L/h流量的出水pH更接近中性且其电导率更低.由此可知，停留时间（废水与离子互换柱的接触时间）是离子互换量的主要影响因素之一.【水样盐度与电导率关系阐发】提取本实验中各水样的电导率、盐度测定数据，以水样电导率（S/cm）为横坐标，水样盐度（ppm）为纵坐标，描点后可发明数据点大致呈直线散布，线性拟合后可得到线性回归方程Y=X，相关系数R高达0.997，且达到了极显著水平（PCrO42-柠檬酸根酒石酸根NO3

19、-AsO43-PO43-MoO42- 醋酸根、I-、Br- Cl- F-.但弱碱性阴离子互换树脂对碳酸根和硫离子的互换能力很弱，对硅酸、苯酚、硼酸和氰酸等弱酸不起反响.5)对强碱性阴离子互换树脂，离子的互换势随树脂的性质而异，没有一般性的纪律；6)OH-对阴离子互换树脂的互换势决定于树脂类型：对弱碱性阴离子互换树脂，OH-居于互换序列的首位；对强碱性阴离子互换树脂，OH-互换势介于氯离子和氟离子之间.7)离子价位高的有机离子和金属络合离子的互换势特别大；8)大孔型树脂具有很强的吸附性能，往往可以吸附废水中的非离子型杂质.例如，弱碱性阴离子互换树脂能吸附废水中的氯苯酚.9)高浓度时，上述次序不再适用.再生时，提高Na+的浓度，可使Na+置换C