将代入，得交换区移动速度可能最长操作时间离子交换操作计算以离子交换法制取软化水为例。计算主要包括交换柱的大小树脂用量交换柱工作周期④反洗和正洗的洗涤水用量再生剂的耗量。原水中的杂质主要包括三类悬浮物质用沉降过滤等方法去除胶体物质用混凝澄清等方法去除溶解物质离子用离子交换电渗析等方法去除。影响水质的主要成分是原水的硬度和碱度。水的硬度水中离子沉淀肥皂的能力。硬脂酸钠肥皂或硬脂酸钙或镁碱度水中离子与结合的能力。硬度的单位也常用德国度表示，水中含有为。。交换柱的直径和高度交换柱直径下列符号的意义水处理量交换柱空床流速滤水速度交换柱数目，取各交换柱直径相等交换柱直径交换柱截面积，。滤水速度的范围参见表。直径算出后，就可选用直径比较接近的定型交换柱。交换柱高度式中树脂床层高度般的最小值取，常用的是。树脂反洗膨胀率，般。树脂用量正洗水用量和时间单根树脂柱树脂用量式中树脂的装载密度，。正洗水量式中单位体积树脂的正洗水耗用量参见表。正洗分两段进行，第阶段采用的流速为洗涤时间为，耗水量为。第二阶段采用与交换操作相同的，则第二阶段的洗涤时间为，则有效工作量交换柱操作时间操作时间树脂的工作交换容量和有效工作容量或式中为校正系数，般可取。也可按下式计算阳离子交换树脂阴离子交换树脂式中原水温度原水值第级阳离子交换柱出水的值，般为树脂颗粒的平均直径原水硬度，。水中总阴离子浓度，。树脂的有效工作容量计算式为式中正洗水中阳离子或阴离子的浓度，。当用弱碱性阴离子交换树脂或用纯水正洗阴离子交换树脂时交换柱工作时间和反洗水的用量通过物料衡算可得交换柱工作时间为式中，的意义是对阳柱为阳离子总浓度减去后的浓度对阴柱为阴离子总浓度。交换柱的反洗水量为式中反洗水流速，般为反洗时间，般为。再生剂用量式中再生系数，般取再生剂的离子价数再生剂的相对分子质量，。例用阳离子交换柱处理原水，树脂为强酸阳离子树脂，水的处理量为。原水中的总浓度为，阳离子总浓度为，硬度为。，温度为。交换柱用再生，再生后用原水正洗，拟用台交换柱。试计算每台交换柱的直径和高度每台交换柱的树脂用量树脂的有效工作交换容量④交换柱操作时间。解交换柱的高度和直径原水硬度由表，选则交换柱直径为树脂层高度取则交换柱高度为故取。交换柱所需树脂量查表知，强酸树脂故树脂用量为有效工作交换容量查表知，强酸树脂的全交换容量最小值为，设湿树脂含水率为质量分数，则又查得则工作交换容量查表，取极大带电基团和另个可置换的小离子组成。根据活性基团的性质，分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。阳离子交换树脂合成树脂的本体上带有酸性活性基团，可被液相中的阳离子交换的树脂。功能团是些酸性基团，如磺酸基，羧酸基和酚基等。阴离子交换树脂合成树脂的本体上带有碱性活性基团，可被液相中的阴离子交换的树脂。功能团是些碱性基团，通常是些有机胺类。根据树脂的物理结构，离子交换树脂又可分为凝胶型和大孔型两类。凝胶型树脂为外观透明的均相高分子凝胶结构，孔径般在以下。大孔型树脂具有与般吸附剂样的毛细孔径，孔径从几纳米到几千纳米，且孔隙结构稳定。离子交换树脂的性能物理性质色泽形状交联度交联剂将可带活性基团的有机分子联结起来的物质。交联度交联剂在树脂总质量中所占的百分数。常用树脂的交联度是。般在树脂的牌号后用号联接个阿拉伯数字表示交联度。交联度对树脂物化性质的影响表现为交联度大，树脂空隙率小含水率高密度大选择性好机械强度高性质稳定。但交换速度慢，交换容量小。粒度树脂粒度般为目，即直径般为。含水率树脂的含水率般为左右，即干树脂可吸水。密度树脂的密度有湿真密度装载密度视密度和表观密度种表示方法。湿真密度树脂吸水膨胀后，树脂颗粒的密度般阳离子交换树脂的湿真密度约为，阴离子交换树脂的湿真密度约为。装载密度视密度单位体积湿树脂的质量般阳离子交换树脂的视密度多为，阴离子交换树脂的视密度多为。溶胀性化学性质酸碱性活性基团的酸性强弱次序如下酚基活性基团碱性强弱次序如下≡≡交换选择性离子价数越高，选择性越强价数相同时，离子水合半径越小，原子序数越大，选择性越强阳离子交换选择性强弱规律为阴离子交换选择性强弱规律为树脂的交联度越大,选择性越强。交换容量全交换容量理论交换容量可交换的基团总数工作交换容量工作状态下的交换容量再生交换容量再生后树脂的交换容量。交换容量般用单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能交换的价离子量表示，即或。离子交换树脂命名系统由三位数字组成代码第位数分类第二位数骨架强酸性苯乙烯系弱酸性丙烯酸系强碱性酚醛系弱碱性环氧系螯合物乙烯吡啶系两性脲醛系氧化还原型氯乙烯系第三位数表示序号，区别功能团和交联度的种类。举例树脂型号为。则该树脂为强酸性苯乙烯系树脂，交联度为。国产主要离子交换树脂的型号与性能见表。离子交换机理其中液相总传质系数，。由上式可知，当溶液的总浓度时即总交换传质率由外扩散速率控制。离子交换操作及设备离子交换操作离子交换通常在固定床交换柱内进行。以离子交换法制取软化水为例。操作循环包括两步吸附交换阶段和淋洗再生阶段。吸附交换阶段情况类似于吸附，交换区不断移动。漏点穿透点在流出液中开始有被交换离子出现时流出液的总体积。交换柱内离子交换区的高度和移动速度的计算，与吸附类似，即般，ε及式中，交换柱的液相入口浓度，交换柱的液相出口浓度。通常生产中对交换区的高度定义为在交换区内使溶液中交换离子浓度从降至。应用上的两种操作提纯用于种或种以上的溶质与溶剂分离分离用于两种以上的溶质间的分离。各种离子在树脂层中的分布与离子交换能力的关系料液流动方向交换能力大的离子交换能力小的离子以含有的水通过阳柱为例交换能力离子的分布情况淋洗再生阶段树脂再生将失效树脂恢复到交换前的状态，即除去所吸附的离子的的过程。要先反洗，后再生。再生方法有以下两种酸碱再生法应用最广泛。电解再生法较少采用。再生需要定量的再生剂。再生剂耗量定体积或质量失效树脂的交换容量恢复到定程度时所耗的再生剂总量，或理论耗量再生剂的量与吸附离子量相等时的消耗量以价计。般，再生剂的实际消耗量要比理论消耗量大几倍。再生后的树脂，再以洗涤水正洗，排出树脂层中残留的再生剂后，即可进行下个操作循环。离子交换装置分类固定床离子交换设备主要有单床复床和混合床三种。复床阴阳离子交换柱串联使用混合床阴阳离子交换树脂混合起来装在个床内。流动床离子交换设备流动床离子交换的特点是树脂与原料液均处于流动状态，属于连续逆流式交换。再生清洗过程中树脂和溶液也都始终处于流动状态。参见下图例用种强酸氢离子交换树脂的固定床进行糖液的脱盐精制，床层高，空隙率为。床层截面积为，树脂粒度为。将浓度为的溶液由交换柱上方通入，流量为。树脂交换容量为，系统平均传质系数为，平衡常数。试计算交换区高度交换区移动速度固定床可能的最长操作时间。解交换区高度本题为等价交换，平衡交换方程为离子交换平衡离子交换反应置换反应≒是个可逆反应，存在化学平衡。影响平衡的主要因素有交换离子的性质稀溶液中，离子电荷愈大，吸附交换能力愈强，吸附速度愈快大离子比小离子与树脂的亲和能力强，吸附速度快水合能力大的离子与树脂亲和能力也强，吸附速度亦快。树脂的性质树脂活性基团的酸碱性以及交联度对交换速度平衡浓度及选择性都有影响。溶液的性质溶液中交换离子的浓度和非交换离子及溶质的性质对离子交换的交换速度平衡浓度及选择性亦有影响。交换平衡后，令,其中，平衡时液相和固相离子总浓度，和树脂，平衡时液相和固相中被交换离子的浓度，和树脂。由质量作用定律或称为选择性系数，其值越大，表示树脂对的亲和力越大，对的亲和力越小。当溶液中只有种可被交换的离子且与树脂活性基团的反离子等价时，则，略去下角标，得此即等价离子交换方程。对于非等价离子交换，如≒其交换方程为式中树脂的视密度，。不同阳离子的交换选择性见表表。离子交换机理离子交换过程包括步交换离子由溶液主体扩散至树脂表面膜扩散交换离子由外表面经颗粒中的微孔扩散到活性基团上粒扩散交换离子与树脂活性基团上的离子进行交换化学反应④交换下来的离子由树脂内部经微孔扩散至树脂外表面交换下来的离子由树脂表面扩散至溶液主体。其中步骤和互逆，属外扩散。步骤和④互逆，属内扩散。步最快。交换机理如下图所示哪步为控制步骤视条件而定般稀溶液中为内扩散控制加强树脂和液体间的相对运动如搅拌，可提高外扩散速率，而内扩散速率不受影响。树脂的粒度对交换速率亦有定影响，粒度增大，内外扩散速率都会下降，但程度不同，外扩散速率与树脂直径成反比，内扩散速率与树脂直径的平方成反比。因此粒度增加，交换速率趋于受内扩散速率控制反之则趋于受外扩散速率控制。离子交换速率外扩散速率当离子交换为等价交换时，则交换离子的外扩散速率可延用吸附的外扩散速率公式，即或式中液相传质系数单位质量树脂的有效表面积，树脂。固定床中,低浓度溶液中离子交换的与溶液的空塔流速的关系为∝内扩散速率总传质速率和总传质系数令,则有及若假定等价交换两相浓度分布呈直线界面处处于平衡状态。由加比定律可推得扩散速率式中吸附剂内扩散传质系数液固相界面上的吸附量吸