硬水軟化的方法.doc

硬水軟化的方法一、軟水和硬水： 水是日常生活中不可缺少的物質(zhì)。天然水在長(zhǎng)期與空氣、巖石和土壤等長(zhǎng)期接觸，溶解了許多無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物等雜質(zhì)，因而天然水一般均含有雜質(zhì)。(水中溶解的無(wú)機(jī)鹽有鈣和鎂的酸式碳酸鹽、碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽等)。(提問(wèn)) 一般天然水里含有哪些離子？ 根據(jù)水中溶有的鈣鎂離子的量多少，可以將水進(jìn)行分類：硬水：含有較多Ca2+、Mg2+離子的水。（如：天然水等）軟水：含有較少Ca2+、Mg2+離子的水。（如：雨水，蒸餾水等）二、硬水的性質(zhì)及分類：1、硬水的通性： 肥皂水制備：將中性肥皂削成薄片，取10g溶于 100mL 80%的酒精中，靜置數(shù)日后，傾出上層清液，再用80%的酒精稀釋10倍。 天然水：要先進(jìn)行檢驗(yàn)，如Ca2+、Mg2+離子含量較少，可適當(dāng)溶進(jìn)少量的可溶性鈣、鎂鹽，以使與蒸餾水有明顯區(qū)別。水的硬度：以水中溶有Ca2+、Mg2+離子的多少來(lái)衡量。水的硬度是天然水固有的內(nèi)在特征，不存在沒(méi)有硬度的天然水。 國(guó)際上對(duì)水的硬度的表示方法很不統(tǒng)一。我國(guó)目前以“德國(guó)度”表示。該方法是：將水中的Ca2+、Mg2+離子都看作Ca2+離子，并將其質(zhì)量折算成CaO的質(zhì)量，1L 水中含有10mg CaO 稱為1度。0 4 度 很軟的水4 8 度 軟水8 16 度 中硬水16 30 度 硬水30以上 最硬水 為保證人們身體健康，我國(guó)飲用水的硬度統(tǒng)一規(guī)定為不超過(guò)25度。 2、硬水的分類： 由引起硬水的原因不同，硬水可分為： 暫時(shí)硬水：由鈣和鎂的碳酸氫鹽所引起的硬水硬水 永久硬水：由鈣的鎂的硫酸鹽、氯化物等引起的硬水。 天然水大多同時(shí)具有暫時(shí)硬度和永久硬度.因此,一般所說(shuō)水的硬度是泛指上述兩種硬度的總和。3、暫時(shí)硬水的性質(zhì)： 由于暫時(shí)硬水是由碳酸氫鹽所引起的，因而當(dāng)暫時(shí)硬水受熱時(shí)會(huì)分解而得到相應(yīng)的沉淀如： Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 = MgCO3 + CO2 + H2O 但由于氫氧化鎂的溶解性比碳酸鎂的溶解性要小得多，因而繼續(xù)加熱時(shí)，碳酸鎂要轉(zhuǎn)化為氫氧化鎂： MgCO3 + 2H2O = Mg(OH)2 + CO2 因而長(zhǎng)期加熱暫時(shí)硬水得到的水垢是碳酸鈣和氫氧化鎂的混合物。利用這個(gè)性質(zhì)可區(qū)別暫時(shí)硬水與永久硬水。三、硬水的軟化： 概念：降低水中鈣、鎂離子的含量，就叫做硬水的軟化。 軟化硬水常用有方法： (一) 加熱煮沸法：只能降低水的暫時(shí)硬度，不能降低永久硬度。 (二) 藥劑軟化法：（石灰純堿法） 利用加入藥劑的方法來(lái)降低水中鈣、鎂離子的含量。 (三)離子交換法： 離子交換劑包括天然或或人造沸石、磺化煤和離子交換樹(shù)脂等物質(zhì)。 磺化煤使硬水軟化的原理： 當(dāng)硬水通過(guò)時(shí)，硬水里的鈣離子和鎂離子與磺化煤的鈉離子發(fā)生離子交換，生成CaR2和MgR2 ，因而實(shí)現(xiàn)溶液中的鈣、鎂離子含量的降低，硬水軟化。其方程式為： 2NaR + Ca2+ = CaR2 + 2Na+ 2NaR + Mg2+ = MgR2 + 2Na+ 硬水又分為暫時(shí)硬水和永久硬水。暫時(shí)硬水的硬度是由碳酸氫鈣與碳酸氫鎂引起的，經(jīng)煮沸后可被去掉，這種硬度又叫碳酸鹽硬度。永久硬水的硬度是由硫酸鈣和硫酸鎂等鹽類物質(zhì)引起的，經(jīng)煮沸后不能去除。以上兩種硬度合稱為總硬度。 當(dāng)水滴在大氣中凝聚時(shí)，會(huì)溶解空氣中的二氧化碳形成碳酸。碳酸最終隨雨水落到地面上，然后滲過(guò)土壤到達(dá)巖石層，溶解石灰（碳酸鈣和碳酸鎂）產(chǎn)生暫時(shí)硬水。一些地區(qū)的溶洞和溶洞附近的硬水就是這樣形成的。 硬水有許多缺點(diǎn)：1.和肥皂反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生不溶性的沉淀，降低洗滌效果。（利用這點(diǎn)也可以區(qū)分硬水和軟水）2.工業(yè)上，鈣鹽鎂鹽的沉淀會(huì)造成鍋垢，妨礙熱傳導(dǎo)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鍋爐爆炸。由于硬水問(wèn)題，工業(yè)上每年因設(shè)備、管線的維修和更換要耗資數(shù)千萬(wàn)元。3.硬水的飲用還會(huì)對(duì)人體健康與日常生活造成一定的影響。沒(méi)有經(jīng)常飲硬水的人偶爾飲硬水，會(huì)造成腸胃功能紊亂，即所謂的“水土不服”；用硬水烹調(diào)魚(yú)肉、蔬菜，會(huì)因不易煮熟而破壞或降低食物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；用硬水泡茶會(huì)改變茶的色香味而降低其飲用價(jià)值；用硬水做豆腐不僅會(huì)使產(chǎn)量降低、而且影響豆腐的營(yíng)養(yǎng)成分。 那么硬水毫無(wú)是處了嗎？不對(duì)，否則怎么會(huì)有那么多的人買礦泉水喝呢 。原來(lái)鈣和鎂都是生命必需元素中的宏量金屬元素?？茖W(xué)家和醫(yī)學(xué)家們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人的某些心血管疾病，如高血壓和動(dòng)脈硬化性心臟病的死亡率，與飲水的硬度成反比，水質(zhì)硬度低，死亡率反而高。其實(shí)，長(zhǎng)期飲用過(guò)硬或者過(guò)軟的水都不利與人體健康。我國(guó)規(guī)定：飲用水的硬度不得超過(guò)25度 。 硬水經(jīng)過(guò)處理后可以轉(zhuǎn)化為軟水。下面介紹硬水軟化的三種主要方法： 1. 煮沸法（只適用于暫時(shí)硬水） 煮沸暫時(shí)硬水時(shí)的反應(yīng)： Ca(HCO3)2 =CaCO3 +H2O+CO2 Mg(HCO3)2 =MgCO3 +H2O+CO2 由于CaCO3不溶，MgCO3 微溶，所以碳酸鎂在進(jìn)一步加熱的條件下還可以與水反應(yīng)生成更難溶的氫氧化鎂： MgCO3 +H2O = Mg(OH)2 +CO2 由此可見(jiàn)水垢的主要成分為CaCO3和Mg(OH)2 2. 石灰純堿法 (工業(yè)用) 在這種方法中，暫時(shí)硬度加入石灰就可以完全消除，HCO3-都被轉(zhuǎn)化成CO32-。而鎂的永久硬度在石灰的作用下會(huì)轉(zhuǎn)化為等物質(zhì)的量的鈣的硬度，最后被去除。反應(yīng)過(guò)程中，鎂都是以氫氧化鎂的形式沉淀，而鈣都是以碳酸鈣的形式沉淀。 Ca2+(aq) -石灰-蘇打法- CaCO3(s) Mg2+(aq)-石灰-蘇打法- Mg(OH)2(s) 3. 離子交換法 這種方法中用到的離子交換劑，有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩種。無(wú)機(jī)離子交換劑，如沸石等；有機(jī)離子交換劑包括：碳質(zhì)離子交換劑磺化酶，陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂等。而且一般的離子交換劑在失效后還可以再生。 離子交換軟化水的原理水的離子交換軟化過(guò)程是硬性礦物質(zhì)，主要是鈣和鎂被鈉交換或取代的過(guò)程。這些礦物質(zhì)性質(zhì)上是離子的（常稱作離子化雜質(zhì)），這意味著它們帶有電荷，由于同種電荷相斥，異種電荷相吸，因此有可能產(chǎn)生離子交換。水中的鈣、鎂離子實(shí)際上是溶解的礦石。當(dāng)水流經(jīng)巖層和地壤時(shí)溶解了鈣和鎂的沉積物，這種溶解的礦物最終進(jìn)入到地下水層。當(dāng)水從地下水層被抽到表面時(shí)，水中含有溶解的硬性礦物質(zhì)，這種水稱為硬水。軟水器使溶解在水中的鈣鎂硬性礦物質(zhì)被軟化劑樹(shù)脂上的軟性礦物質(zhì)鈉交換。所有這三種礦物都是叫做陽(yáng)離子的帶正電荷離子。在適當(dāng)?shù)膲毫θ萜髦?，含硬性礦物的水通過(guò)離子交換樹(shù)脂可發(fā)生離子交換反應(yīng)。在現(xiàn)代的軟水器中裝有千百萬(wàn)顆微細(xì)的聚苯乙烯/二乙烯苯塑料球，所有小球都含有許多吸引正離子的負(fù)電荷交換位置。當(dāng)樹(shù)脂處在再生狀態(tài)時(shí)，這些負(fù)電荷交換位置為帶正電荷的鈉離子占據(jù)。當(dāng)鈣和鎂經(jīng)過(guò)樹(shù)脂貯槽時(shí)，它們與樹(shù)脂小球接觸，從交換位置上取代鈉離子，從而被除去。鑒于如下兩個(gè)理由，離子交換是可能的：1. 所有的陽(yáng)離子并非都有相同強(qiáng)度的正電荷；2. 樹(shù)脂優(yōu)先結(jié)合帶較強(qiáng)電荷的陽(yáng)離子，鈣和鎂離子的電荷比鈉最離子強(qiáng)，取代鈉陽(yáng)離子，然后向下通過(guò)樹(shù)脂床，流出軟水器，這樣軟水器就送出了“軟”水。離子交換樹(shù)脂是一類具有離子交換功能的高分子材料。在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號(hào)離子進(jìn)行交換。按交換基團(tuán)性質(zhì)的不同，離子交換樹(shù)脂可分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂兩類。 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂大都含有磺酸基（SO3H）、羧基（COOH）或苯酚基（C6H4OH）等酸性基團(tuán)，其中的氫離子能與溶液中的金屬離子或其他陽(yáng)離子進(jìn)行交換。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物經(jīng)磺化處理得到強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，其結(jié)構(gòu)式可簡(jiǎn)單表示為RSO3H，式中R代表樹(shù)脂母體，其交換原理為2RSO3HCa2 （RSO3）2Ca2H+這也是硬水軟化的原理。陰離子交換樹(shù)脂含有季胺基-N（CH3）3OH、胺基（NH2）或亞胺基（NRH）等堿性基團(tuán)。它們?cè)谒心苌蒓H-離子，可與各種陰離子起交換作用，其交換原理為RN（CH3）3OHCl- RN（CH3）3ClOH-由于離子交換作用是可逆的，因此用過(guò)的離子交換樹(shù)脂一般用適當(dāng)濃度的無(wú)機(jī)酸或堿進(jìn)行洗滌，可恢復(fù)到原狀態(tài)而重復(fù)使用，這一過(guò)程稱為再生。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂可用稀鹽酸、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹(shù)脂可用氫氧化鈉等溶液處理，進(jìn)行再生。離子交換樹(shù)脂的用途很廣，主要用于分離和提純。例如用于硬水軟化和制取去離子水、回收工業(yè)廢水中的金屬、分離稀有金屬和貴金屬、分離和提純抗生素等10 硬水及其軟化一、軟水和硬水水是日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的物質(zhì)。水質(zhì)的好壞對(duì)生產(chǎn)和生活影響很大。天然水跟空氣、巖石和土壤等長(zhǎng)期接觸，溶解了許多雜質(zhì)，如無(wú)機(jī)鹽類、某些可溶性有機(jī)物以及氣體等。水里溶解的無(wú)機(jī)鹽有鈣和鎂的酸式碳酸鹽、碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽，等等。也就是說(shuō)，天然水里一般含有Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子和這些離子的種類和數(shù)量有所不同。例如，溶有二氧化碳的水，遇到主要成分是碳酸鈣的巖石時(shí)，會(huì)使碳酸鈣逐漸變成可溶性的碳酸氫鈣：CaCO3CO2H2O=Ca（HCO3）2有的天然水里含Ca2+和Mg2+比較多，在這種水里加入肥皂水，就會(huì)發(fā)生沉淀。實(shí)驗(yàn)2-5 用兩個(gè)試管分別取蒸餾水、天然水56mL，各注入少量肥皂水，振蕩。觀察發(fā)生的現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以看到盛有蒸餾水的試管里泡沫很多，沒(méi)有沉淀產(chǎn)生。在盛有天然水的試管里泡沫較少，并出現(xiàn)絮狀沉淀。這是因?yàn)樘烊凰锖蠧a2+或Mg2+，肥皂跟Ca2+或Mg2+起反應(yīng)以后，生成了不溶于水的物質(zhì)。通常把溶有較多量的Ca2+和Mg2+的水，叫做硬水；只溶有少量或不含Ca2+和Mg2+的水，叫做軟水。如果水的硬度是由碳酸氫鈣或碳酸氫鎂所引起的，這種硬度叫做暫時(shí)硬度。具有暫時(shí)硬度的水經(jīng)過(guò)煮沸以后，水里所含的碳酸氫鈣就分解而生成不溶性的碳酸鈣：Ca（HCO3）2 CaCO3CO2H2O水里所含的碳酸氫鎂先形成難溶于水的碳酸鎂沉淀。Mg（HCO3）2 MgCO3CO2H2O碳酸鎂雖然難溶于水，但它仍有少量能溶解在水里（在18時(shí)，它的溶解度為0.011g，相當(dāng)于110mgL）。因此，當(dāng)繼續(xù)加熱煮沸時(shí)，碳酸鎂就跟水發(fā)生反應(yīng)，生成了更難溶的氫氧化鎂（在18時(shí)，它的溶解度為0.00084g，相當(dāng)于8.4mgL）。這樣，水里溶解的Ca2+和Mg2+就轉(zhuǎn)變成為碳酸鈣和氫氧化鎂的沉淀，從水里析出，水的硬度就可以降低，從而使硬度高的水得到軟化。如果水的硬度是由鈣和鎂的硫酸鹽或氯化物等所引起的，這種硬度叫做永久硬度。永久硬度不能用加熱的方法軟化。天然水大多同時(shí)具有暫時(shí)硬度和永久硬度，因此，一般所說(shuō)水的硬度是泛指上述兩種硬度的總和。二、硬水的軟化水的硬度高對(duì)生活和生產(chǎn)都有危害。洗滌用水如果硬度太高，不僅浪費(fèi)肥皂，而且衣物也不易洗干凈。長(zhǎng)期飲用硬度很高或硬度過(guò)低的水，都不利于人體的健康。鍋爐用水硬度太高，特別是暫時(shí)硬度太高，十分有害。因?yàn)榻?jīng)過(guò)長(zhǎng)期燒煮后，水里的鈣鹽和鎂鹽會(huì)在鍋爐內(nèi)結(jié)成鍋垢，使鍋爐內(nèi)的金屬管道的導(dǎo)熱能力大大降低，這不但浪費(fèi)燃料，而且會(huì)使管道局部過(guò)熱，當(dāng)超過(guò)金屬允許的溫度時(shí)，鍋爐管道將變形或損毀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起鍋爐爆炸事故。很多工業(yè)部門(mén)，如紡織、印染、造紙、化工等，都要求用軟水。因此，對(duì)天然水進(jìn)行處理，以降低或消除它的硬度是很重要的。硬水軟化的方法通常有藥劑軟化法和離子交換法等。這里只簡(jiǎn)單介紹離子交換法。離子交換法是用離子交換劑軟化水的一種方法。在工業(yè)上常用磺化煤（NaR）做離子交換劑?；腔菏呛谏w粒狀物質(zhì)，它不溶于酸和堿。這種物質(zhì)的陽(yáng)離子會(huì)跟溶液里其他物質(zhì)的陽(yáng)離子發(fā)生離子交換作用。如圖2-6所示，在離子交換柱里裝有磺化煤。把硬水從離子交換柱的上口注入，使硬水慢慢地流經(jīng)磺化煤。當(dāng)硬水通過(guò)磺化煤時(shí)，硬水里的Ca2+和Mg2+跟磺化煤的Na+起離子交換作用，因而使硬水得到軟化，反應(yīng)可以表示如下：2NaRCa2=CaR22Na2NaRMg2+=MgR22Na實(shí)驗(yàn)2-6 把實(shí)驗(yàn)2-5所用的天然水經(jīng)離子交換劑軟化以后，用試管取56mL，注入少量肥皂水，振蕩。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以看到，硬水軟化以后，加入肥皂水振蕩時(shí)，泡沫很多，就沒(méi)有沉淀產(chǎn)生了?；腔旱腘a+全部為Ca2+和Mg2+所代替后，磺化煤就失去了軟化硬水的能力。但是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為810氯化鈉溶液浸泡，CaR2和MgR2跟Na+就又會(huì)發(fā)生交換作用，重新生成NaR，從而又恢復(fù)了磺化煤軟化硬水的能力，這個(gè)過(guò)程叫做再生。可以表示如下：CaR22Na2NaRCa2+這種軟化硬水的方法具有質(zhì)量高，設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前使用比較普遍。 肥皂的主要成分是硬脂酸鈉Na(C18H35O2)，肥皂跟Ca2+（或Mg2+）起反應(yīng)生成的Ca(C18H35O2)2或Mg(C18H35O2)2是不溶于水的物質(zhì)。 水的硬度常用一種規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。通常把1L水里含有10mg CaO（或相當(dāng)于10mg CaO）稱為 1度（以1表示）。水的硬度在8以下的稱為軟水；在8以上的稱為硬水。硬度大于30的是最硬水。 離子交換劑包括天然或人造沸石、磺化煤和離子交換樹(shù)脂等物質(zhì)。煮不爛豆子的水這是一個(gè)關(guān)于硬水和軟水來(lái)歷的故事。 美國(guó)南北戰(zhàn)爭(zhēng)期間，有一隊(duì)北方士兵來(lái)到一個(gè)泉水淙淙的村莊。因?yàn)闀r(shí)間已近中午，他們便就地架起行軍鍋，挑來(lái)了附近的山泉水，燒起飯菜來(lái)。就餐時(shí)，當(dāng)他們舀起煮熟的豆子放在嘴里咀嚼時(shí)，士兵們發(fā)現(xiàn)，這些豆子比平時(shí)硬得多，他們責(zé)怪炊事員沒(méi)把豆子煮透。后來(lái)，炊事員把豆子又煮了好久，但是吃起來(lái)還是一樣的硬。奇怪，豆子還是原來(lái)的豆子，鍋還是原來(lái)的鍋，難道問(wèn)題出在水上面？的確如此。原來(lái)就是水在作怪。從此，人們就把這種特殊的水稱為“硬水”，把其他的水則稱為“軟水”。1.硬水：含有鈣鹽和鎂鹽的天然水。通常，地下水如井水、泉水含鹽量較大，地面水如河水、湖水含鹽量較小。在硬水中，鈣、鎂可以以碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽等形式存在。當(dāng)硬水中鈣和鎂主要以碳酸氫鹽，如Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2形式存在時(shí)，稱為暫時(shí)硬水，當(dāng)這種硬水加熱煮沸時(shí)，碳酸氫鹽會(huì)分解成碳酸鹽而沉淀除去如果硬水中鈣和鎂主要以硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物等形式存在，則稱為永久硬水，它們不能用煮沸的方法除去。 硬水中的鈣鹽和鎂鹽能與肥皂(硬脂酸鈉)作用，生成不溶性的硬脂酸鹽，降低肥皂的去污能力。如果鍋爐內(nèi)使用硬水，當(dāng)加熱時(shí)鈣鹽和鎂鹽會(huì)在鍋爐內(nèi)壁上結(jié)成水垢。降低鍋爐的熱導(dǎo)率，增加能耗，甚至縮短鍋爐的使用壽命，有時(shí)還會(huì)堵塞管道。因此，鍋爐用水必須經(jīng)過(guò)軟化處理(見(jiàn))。 硬水中含鹽量通常以硬度來(lái)表示。硬度單位常用“度”表示，1度相當(dāng)于每升水中含10mg的CaO，生活飲用水的總硬度要求小于25度。 2.軟水：只含少量可溶性鈣鹽和鎂鹽的天然水，或是經(jīng)過(guò)軟化處理的硬水。天然軟水一般指江水、河水、湖(淡水湖)水。經(jīng)軟化處理的硬水指鈣鹽和鎂鹽含量降為 1.050 毫克升后得到的軟化水。雖然煮沸就可以將暫時(shí)硬水變?yōu)檐浰?，但在工業(yè)上若采用此法來(lái)處理大量用水，則是極不經(jīng)濟(jì)的。軟化水的方法有： 石灰 -蘇打法 。先測(cè)定水的硬度，然后加入定量的氫氧化鈣和碳酸鈉，硬水中的鈣、鎂離子便沉淀析出： Ca(HCO3)2Ca(OH)22CaCO32H2O Mg(HCO3)22Ca(OH)2 Mg(OH)22CaCO32H2O CaSO4Na2CO3CaCO3Na2SO4磷酸鹽軟水法。對(duì)于鍋爐用水，可以加入亞磷酸鈉（NaPO3)作為軟水劑，它與鈣、鎂離子形成絡(luò)合物，在水煮沸時(shí)鈣、鎂不會(huì)以沉淀形式析出，從而不會(huì)形成水垢。此法不適合于飲用水的軟化。離子交換法。沸石和離子交換劑雖然都不溶于水，但其中的鈉離子和氫離子可與硬水中的鈣、鎂離子發(fā)生交換反應(yīng)，使鈣、鎂離子被沸石、人造沸石、離子交換劑吸附而被除去。長(zhǎng)期使用后失效的沸石和離子交換劑可以通過(guò)再生而重復(fù)使用，故此法是既經(jīng)濟(jì)又先進(jìn)的軟水法。離子交換原理1. 反應(yīng)過(guò)程全自動(dòng)軟水器是運(yùn)用離子交換的原理，用軟水器中的鈉離子交換樹(shù)脂吸附水中的鈣、鎂離子，釋放鈉離子，使水質(zhì)得到軟化的工作過(guò)程完全自動(dòng)化的水處理設(shè)備，水質(zhì)軟化的反應(yīng)方程式為：（其中以R代表樹(shù)脂本體）2RNa+Ca2+=-R2Ca+2Na+ 2RNa+Mg2+=R2Mg+2Na+吸附鈣、鎂離子飽和后的樹(shù)脂經(jīng)過(guò)鈉鹽溶液的處理，可重新轉(zhuǎn)化為鈉型而恢復(fù)其交換能力，這一再生過(guò)程的反應(yīng)式為：R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2R2Mg+2NaCl=2RNa+MgCl2上述正向和反向離子交換的反復(fù)進(jìn)行，就可使軟化水持續(xù)不斷地產(chǎn)生。離子交換樹(shù)脂發(fā)展 離子交換現(xiàn)象早在18世紀(jì)中期就為湯普森（Thompson）所發(fā)現(xiàn)。直至1935年亞當(dāng)斯（Aclams）和霍姆斯（Holmes）研究合成了具有離子交換功能的高分子材料，即第一批離子交換樹(shù)脂聚酚醛系強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和聚苯胺醛系弱堿性陰離子交換樹(shù)脂。離子交換樹(shù)脂的大發(fā)展主要是在第二次世界大戰(zhàn)以后。當(dāng)時(shí)美國(guó)和英國(guó)一些公司成功地地合成了聚苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，在此基礎(chǔ)上又陸續(xù)開(kāi)發(fā)了交換容量高、物理-化學(xué)穩(wěn)定性好的其他聚苯乙烯系離子樹(shù)脂，相繼又開(kāi)發(fā)了聚丙烯酸系陽(yáng)離子樹(shù)脂。20世紀(jì)60年代，離子交換樹(shù)脂的發(fā)展又取得了重要突破，美國(guó)羅姆-哈斯公司（Rohm anes Hass）和色可賽思公司（success）合成了一系列物理結(jié)構(gòu)和過(guò)去完全不同的大孔結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂。這類樹(shù)脂除具有普通離子交換樹(shù)脂的交換基團(tuán)外，同時(shí)還有像無(wú)機(jī)和碳質(zhì)吸附劑及催化劑那樣的大孔型毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，使離子交換樹(shù)脂兼具了離子交換和吸附的功能，為離子交換樹(shù)脂的廣泛應(yīng)用開(kāi)辟了新的前景。離子交換樹(shù)脂和它的應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展一直是相互促進(jìn)、互相依賴的。承受離子交換樹(shù)脂的發(fā)展，樹(shù)脂應(yīng)用技術(shù)也在不斷改善，開(kāi)始是間歇式工藝，很快就發(fā)展到固定床工藝，20世紀(jì)60年代后逆流技術(shù)及連續(xù)式離子交換工藝，雙層床技術(shù)等獲得了很快的發(fā)展，這些新的應(yīng)用技術(shù)和工藝的開(kāi)發(fā)，使離子交換樹(shù)脂在許多領(lǐng)域的應(yīng)用更加有效的經(jīng)濟(jì)。20世紀(jì)70年代后，人們正以極大的興趣，注意著熱再生離子交換技術(shù)的發(fā)展。離子交換樹(shù)脂介紹離子交換樹(shù)脂是一類具有離子交換功能的高分子材料。在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號(hào)離子進(jìn)行交換。按交換基團(tuán)性質(zhì)的不同，離子交換樹(shù)脂可分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂兩類。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂大都含有磺酸基（SO3H）、羧基（COOH）或苯酚基（C6H4OH）等酸性基團(tuán)，其中的氫離子能與溶液中的金屬離子或其他陽(yáng)離子進(jìn)行交換。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物經(jīng)磺化處理得到強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，其結(jié)構(gòu)式可簡(jiǎn)單表示為RSO3H，式中R代表樹(shù)脂母體，其交換原理為2RSO3HCa2 （RSO3）2Ca2H 這也是硬水軟化的原理。陰離子交換樹(shù)脂含有季胺基-N（CH3）3OH、胺基（NH2）或亞胺基（NRH）等堿性基團(tuán)。它們?cè)谒心苌蒓H-離子，可與各種陰離子起交換作用，其交換原理為RN（CH3）3OHCl- RN（CH3）3ClOH-由于離子交換作用是可逆的，因此用過(guò)的離子交換樹(shù)脂一般用適當(dāng)濃度的無(wú)機(jī)酸或堿進(jìn)行洗滌，可恢復(fù)到原狀態(tài)而重復(fù)使用，這一過(guò)程稱為再生。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂可用稀鹽酸、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹(shù)脂可用氫氧化鈉等溶液處理，進(jìn)行再生。離子交換樹(shù)脂的用途很廣，主要用于分離和提純。例如用于硬水軟化和制取去離子水、回收工業(yè)廢水中的金屬、分離稀有金屬和貴金屬、分離和提純抗生素等。離子交換樹(shù)脂的綠色再生工藝離子交換水處理技術(shù)經(jīng)歷了百余年的發(fā)展歷程，至今已成為軟化和脫鹽處理中占主導(dǎo)地位的水處理方式。離子交換樹(shù)脂工作失效后能用酸堿鹽化學(xué)藥劑再生后反復(fù)使用，這是這種水處理方式的優(yōu)點(diǎn)，但樹(shù)脂再生所帶來(lái)的環(huán)境污染又迫切需要解決.作者在研究電去離子（EDI）工作過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，在EDI凈水設(shè)備中，在直流電場(chǎng)作用下，水被電離為H 和OH離子，并被利用來(lái)再生填充在其底層的樹(shù)脂，因此，這部分樹(shù)脂是不斷得到電再生的新鮮樹(shù)脂，從而，保證出水水質(zhì)很好。由此聯(lián)想到，利用EDI凈水設(shè)備中這一電再生過(guò)程來(lái)再生混床中的混合離子交換樹(shù)脂，結(jié)果發(fā)明了離子交換樹(shù)脂電再生方法及裝置，開(kāi)創(chuàng)性地找到了對(duì)環(huán)境無(wú)污染的離子交換樹(shù)脂綠色再生工藝1 1、混床樹(shù)脂電再生 為了將EDI凈水設(shè)備中樹(shù)脂可自再生的現(xiàn)象利用來(lái)再生普通混床樹(shù)脂，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)類似于EDI凈水設(shè)備的樹(shù)脂體外電再生器，只要源源不斷將普通混床中的失效樹(shù)脂，從原混床中抽出，再?gòu)捏w外電再生器進(jìn)口送入，在直流電場(chǎng)的作用下，就有再生好的樹(shù)脂從其出口連續(xù)流出。在體外再生器內(nèi)，進(jìn)行著樹(shù)脂的電再生過(guò)程原有混床樹(shù)脂的化學(xué)酸堿再生工藝非常復(fù)雜，常有分離、再生、混合、清洗等再生步驟。然而，在混床采用電再生時(shí)操作就很簡(jiǎn)單，不必將陰、陽(yáng)樹(shù)脂分離，用水力輸送法直接將原混床中失效樹(shù)脂送入體外電再生器，一邊將失效樹(shù)脂送入進(jìn)行體外電再生，一邊又將再生好的樹(shù)脂送回原混床或其他儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了體外電再生器中樹(shù)脂的流態(tài)化電再生2。 清華大學(xué)、天津大學(xué)、武漢大學(xué)和華北電力大學(xué)等高等院校與企業(yè)合作，組成五個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，驗(yàn)證了樹(shù)脂電再生的可行性。試驗(yàn)證明，失效樹(shù)脂經(jīng)電再生后的再生度可達(dá)到與化學(xué)法再生相媲美的程度2。 2、復(fù)床樹(shù)脂電再生復(fù)床是指陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂分置于兩個(gè)設(shè)備中，一為陽(yáng)床，另一為陰床，以區(qū)別于這兩種樹(shù)脂混合同置于一個(gè)設(shè)備中的混床。復(fù)床樹(shù)脂與混床樹(shù)脂相比，其體外電再生裝置的區(qū)別在于：復(fù)床樹(shù)脂電再生裝置膜對(duì)構(gòu)成中增添了雙極膜，這相當(dāng)于在混床樹(shù)脂電再生室中間插了雙極膜，將其一分為二，一變?yōu)閺?fù)床中陽(yáng)床樹(shù)脂電再生室，另一變?yōu)閺?fù)床中陰床樹(shù)脂電再生室。這時(shí)，在直流電場(chǎng)作用下，水電離所產(chǎn)生的H 和OH離子，分別進(jìn)入各自的陽(yáng)、陰離子再生室，與相應(yīng)的失效樹(shù)脂發(fā)生交換反應(yīng)，使失效樹(shù)脂相應(yīng)轉(zhuǎn)化為H型和OH型，實(shí)現(xiàn)電再生。同時(shí)，又避免發(fā)生對(duì)樹(shù)脂電再生過(guò)程有危害的副反應(yīng)，因?yàn)閺?fù)床位于脫鹽系統(tǒng)的前端，失效陽(yáng)床樹(shù)脂除了吸著了水中所含的大部分Na+ 離子外，還吸著了水中所含的全部Ca2+ 和Mg2+ 離子，如果將這種樹(shù)脂送入原來(lái)的混床電再生室中，那么電再生時(shí)水電離所生成的H離子，可與樹(shù)脂上所含Ca2+ 、Mg2+ 和Na+ 離子交換，交換下來(lái)的Ca2+ 和Mg2+ 離子就可能與水電離所生成的OH-離子發(fā)生反應(yīng)，生成Ca(OH)2或Mg(OH)2沉淀，覆蓋在樹(shù)脂或膜的表面，堵塞孔道，影響后續(xù)的離子遷移、擴(kuò)散和交換過(guò)程，最終使樹(shù)脂電再生難以持續(xù)下去。所謂雙極膜是由陰離子交換樹(shù)脂層、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂層和中間界面親水層所組成，在直流電場(chǎng)的作用下，它能將水直接電離為H 和OH離子，并形成H 和OH離子彼此反向的離子流。因此，將一張雙極膜插在原一個(gè)混床樹(shù)脂再生室中間，就可將其分成復(fù)床再生用陰、陽(yáng)床樹(shù)脂各自再生的兩個(gè)電再生室河北建筑科技學(xué)院和華北電力大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)，分別進(jìn)行了利用雙極膜的復(fù)床樹(shù)脂電再生試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，可分別將陰、陽(yáng)失效樹(shù)脂電再生至接近化學(xué)再生的程度2。本文作者還發(fā)明了一種復(fù)床樹(shù)脂電再生的裝置3。 3、樹(shù)脂電再生法與化學(xué)再生法的對(duì)比評(píng)價(jià)3.1 資源消耗樹(shù)脂電再生法要消耗水和電。在樹(shù)脂電再生過(guò)程中，要用純水水力輸送和不斷沖洗失效樹(shù)脂，這部分純水從再生室流出使用后水質(zhì)仍很好，可分離出樹(shù)脂后反復(fù)利用。只有占總用水量10% 的濃水室排水，因其含有電極室放出的少量Cl2等氣體，不能直接回用，但這種排水的平均含鹽量為每升幾百毫克，水質(zhì)一般優(yōu)于自來(lái)水，可用容器收集后再作它用。因此，樹(shù)脂電再生法基本上沒(méi)有水的損耗。水還同時(shí)作為再生劑用，而消耗于電離的水量就微乎其微了。要注意到，這時(shí)水電離的反應(yīng)產(chǎn)物H和OH離子都得到利用，沒(méi)有未利用的副產(chǎn)品產(chǎn)生，即使在樹(shù)脂電再生中未得到利用的H 或OH離子，它們彼此復(fù)合又組成對(duì)環(huán)境無(wú)危害的水。樹(shù)脂電再生法的另一類資源消耗是電能，電能