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【摘 要】通过对离子交换除盐实验的设计，使学生了解并掌握离子交换法除盐实验装置的操作方法，并深刻理解离子交换机理，培养学生综合运用基础知识的能力，引导学生主动思考并提高其发现问题解决问题的综合能力。
【关键词】离子交换；除盐；再生
天然水中有很多可溶性无机盐类物质，在人类生活中和工业生产中对水中含盐量有不同的要求，在有些工业（如电子工业、制药工业）用水中，要求水中含盐量要很低，需经除盐制备纯水或高纯水。离子交换法是除盐的主要方法，对于市政工程和环境科学与工程的工作人员，掌握离子交换技术及其除盐机理十分必要。
1.实验目的与原理
1.1 实验目的
通过离子交换再生及除盐实验过程，使学生了解并掌握离子交换法除盐的技术操作，熟悉离子交换除盐过程，并加深离子交换基本理论及再生原理的理解。该实验涉及给水排水工程、环境工程、城市水资源等多个专业，掌握离子交换除盐技术，对提高学生综合实验及实践能力极为重要。
1.2 实验原理
1.2.1离子交换原理
离子交换树脂是一种不溶于水的高分子化合物，由空间结构骨架与附属在骨架上的活性基团组成[1]。活性基团在水溶液中电离，并于溶液中其他同性粒子发生交换反应。离子交换反应可以是中和反应、中性盐分解反应或复分解反应。
RH+NaOHRNa+H2O（中和反应）
RH+NaClRNa+HCl（中性盐分解反应）
2RH+CaCl2R2Ca+2NaCl（复分解反应）
1.2.2失效树脂的再生
运行制水和交换再生是离子交换水处理的两个主要阶段，树脂失去继续交换离子的能力，称为失效。离子交换树脂交换能力被恢复过程称为再生。以下主要介绍一下强酸H交换器的再生和强碱OH交换器的再生。
1）强酸H交换器的再生
强酸H交换器失效后，必须用强酸进行再生，通常用HCl或H2SO4。再生时的交换反应如下：
R2或RNa+HCl→RH+NaCl
或2RNa+H2SO4→2RH+Na2SO4
相对来说，由于HCl再生时不会有沉淀物析出，所以操作比较简单。再生液浓度一般为2%～4%，再生流速一般为5m/h左右。
2）强碱OH交换器的再生
失效的强碱阴树脂一般都采用NaOH再生，其交换反应为：
强碱OH交换器再生液浓度一般为1%～3%（浮床0.5%～2%），流速≤5m/h。
2.实验仪器及药品
仪器：离子交换装置；酸度计；电导率测定仪；温度计；百分之一电子天平；烧杯；洗耳球；洗瓶。
药品：分析纯盐酸（HCl含量≥31%）；NaOH（NaOH含量≥95%）；强酸性阳离子交换树脂001×7；强碱性阴离子交换树脂201×7。
3.实验操作步骤
3.1 实验前期准备
熟悉实验装置，清楚每条管路、每个阀门的作用。测定原水（自来水）温度、电导率及pH；测量交换柱内径及树脂层高度，将所得数据记录在表1中。
3.2离子树脂的再生
① 再生液的配制：
再生用酸（3%～4%）：用250ml量筒量取110ml浓烟酸加入到1000ml量筒中（量筒内预先加水500ml），然后定容到1000ml，用玻璃棒搅匀后移入“酸投加瓶“备用。
再生用碱（3%～4%）：称取40gNaOH慢慢溶解在1000ml烧杯中（烧杯中预先加入500～
600 ml水，40gNaOH必须慢慢加入，边加边搅拌，禁止出现过热。全部溶解后转入1000ml量筒，定容到1000ml，移入“碱投加瓶”备用）
② 打开1#柱的上口，向柱中加入100ml纯水，然后加入阳离子树脂，阳离子树脂加入量为柱体积的1/2。
③ 打开2#柱的上口，向柱中加入100ml纯水，然后加入阴离子树脂，阴离子树脂加入量为柱体积的1/2。
④ 重新拧好1#柱和2#柱的上口。
⑤ 反洗：向进水箱中加入2L纯水，将进水泵出水口与1#柱下口连接，1#柱上口用软管接入废液桶。启动进水泵，调整进水流量为120ml/min（反洗流速10m/h），反洗15min。反洗完毕后将柱内水放至高于树脂层上界面10cm处。向进水箱中加入2L纯水，将进水泵出水口与2#柱下口连接，2#柱上口用软管接入废液桶。启动进水泵，调整进水流量为120ml/min（反洗流速10m/h），反洗15min。反洗完毕后将柱内水放至高于树脂层上界面10cm处。
⑥ 再生：a） 将酸投加瓶出口管与1#柱上口相连，碱投加瓶出口与2#柱上口相连。1#和2#柱下出口均用软管接入废液桶中。 b） 调整酸液和碱液流量均在60～70 ml/min（再生流速6 m/h），进行阳离子树脂和阴离子树脂的再生。再生时间在50～60min。
⑦ 置换：a） 1#柱再生完毕后，将进水箱加满水，将进水泵出水口与1#柱上口连接，1#柱下口用软管接入废液桶。启动进水泵，调整进水流量为170～180ml/min（置换流速15 m/h），置换40min。 b） 2#柱再生完毕后，将进水箱加满水，将进水泵出水口与2#柱上口连接，2#柱下口用软管接入废液桶。启动进水泵，调整进水流量为170～180ml/min（置换流速15 m/h），置换40min。
3.3除鹽实验：
① 将1#柱上口与进水泵出水管道相连，向进水箱中加满原水（自来水），启动进水泵，调整进水流量为350 ml/min（流速30m/h），运行10min后测定出水电导率，pH值。
② 将2#柱上口与进水泵出水管道相连，向进水箱中加满原水（自来水），启动进水泵，调整进水流量为350 ml/min（流速30m/h），运行10min后测定出水电导率，pH值。
③ 将1#柱下口与2#柱上口相连。1#柱上口与进水泵出水管道相连。向进水箱中加满原水（自来水），启动再生泵，调整进水流量为350 ml/min（流速30m/h），运行10min后测定出水电导率，pH值。
实验过程中需要注意的是，强碱性阴离子交换树脂耐热性较差，温度过高时会发生基团脱落，所以配置的碱再生液温度必须在30℃以下。引导学生思考对于强酸性阳离子交换树脂柱和强碱阴离子交换树脂柱，出水中的阳离子和阴离子分别是哪种离子。同时，让学生分析强碱阴离子交换树脂柱一般都设在强酸性阳离子交换树脂柱之后的原因。
4.结束语
该实验的设计、实施过程主要从实践的角度出发，通过离子交换除盐理论与实验的学习，培养学生理论与实践结合的能力，同时提高学生主动思考及全面解决问题的能力，为环境和市政专业学生更快适应今后专业课知识的学习。
参考文献：
[1]许保玖，安鼎年. 给水处理理论与设计. 北京：中国建筑工业出版社.
作者简介：
李君敬（1985-），女，河北省石家庄人，天津工业大学环境与化学工程学院讲师，研究方向：污水处理技术，固体废物资源化利用。
【关键词】离子交换；除盐；再生
天然水中有很多可溶性无机盐类物质，在人类生活中和工业生产中对水中含盐量有不同的要求，在有些工业（如电子工业、制药工业）用水中，要求水中含盐量要很低，需经除盐制备纯水或高纯水。离子交换法是除盐的主要方法，对于市政工程和环境科学与工程的工作人员，掌握离子交换技术及其除盐机理十分必要。
1.实验目的与原理
1.1 实验目的
通过离子交换再生及除盐实验过程，使学生了解并掌握离子交换法除盐的技术操作，熟悉离子交换除盐过程，并加深离子交换基本理论及再生原理的理解。该实验涉及给水排水工程、环境工程、城市水资源等多个专业，掌握离子交换除盐技术，对提高学生综合实验及实践能力极为重要。
1.2 实验原理
1.2.1离子交换原理
离子交换树脂是一种不溶于水的高分子化合物，由空间结构骨架与附属在骨架上的活性基团组成[1]。活性基团在水溶液中电离，并于溶液中其他同性粒子发生交换反应。离子交换反应可以是中和反应、中性盐分解反应或复分解反应。
RH+NaOHRNa+H2O（中和反应）
RH+NaClRNa+HCl（中性盐分解反应）
2RH+CaCl2R2Ca+2NaCl（复分解反应）
1.2.2失效树脂的再生
运行制水和交换再生是离子交换水处理的两个主要阶段，树脂失去继续交换离子的能力，称为失效。离子交换树脂交换能力被恢复过程称为再生。以下主要介绍一下强酸H交换器的再生和强碱OH交换器的再生。
1）强酸H交换器的再生
强酸H交换器失效后，必须用强酸进行再生，通常用HCl或H2SO4。再生时的交换反应如下：
R2或RNa+HCl→RH+NaCl
或2RNa+H2SO4→2RH+Na2SO4
相对来说，由于HCl再生时不会有沉淀物析出，所以操作比较简单。再生液浓度一般为2%～4%，再生流速一般为5m/h左右。
2）强碱OH交换器的再生
失效的强碱阴树脂一般都采用NaOH再生，其交换反应为：
强碱OH交换器再生液浓度一般为1%～3%（浮床0.5%～2%），流速≤5m/h。
2.实验仪器及药品
仪器：离子交换装置；酸度计；电导率测定仪；温度计；百分之一电子天平；烧杯；洗耳球；洗瓶。
药品：分析纯盐酸（HCl含量≥31%）；NaOH（NaOH含量≥95%）；强酸性阳离子交换树脂001×7；强碱性阴离子交换树脂201×7。
3.实验操作步骤
3.1 实验前期准备
熟悉实验装置，清楚每条管路、每个阀门的作用。测定原水（自来水）温度、电导率及pH；测量交换柱内径及树脂层高度，将所得数据记录在表1中。
3.2离子树脂的再生
① 再生液的配制：
再生用酸（3%～4%）：用250ml量筒量取110ml浓烟酸加入到1000ml量筒中（量筒内预先加水500ml），然后定容到1000ml，用玻璃棒搅匀后移入“酸投加瓶“备用。
再生用碱（3%～4%）：称取40gNaOH慢慢溶解在1000ml烧杯中（烧杯中预先加入500～
600 ml水，40gNaOH必须慢慢加入，边加边搅拌，禁止出现过热。全部溶解后转入1000ml量筒，定容到1000ml，移入“碱投加瓶”备用）
② 打开1#柱的上口，向柱中加入100ml纯水，然后加入阳离子树脂，阳离子树脂加入量为柱体积的1/2。
③ 打开2#柱的上口，向柱中加入100ml纯水，然后加入阴离子树脂，阴离子树脂加入量为柱体积的1/2。
④ 重新拧好1#柱和2#柱的上口。
⑤ 反洗：向进水箱中加入2L纯水，将进水泵出水口与1#柱下口连接，1#柱上口用软管接入废液桶。启动进水泵，调整进水流量为120ml/min（反洗流速10m/h），反洗15min。反洗完毕后将柱内水放至高于树脂层上界面10cm处。向进水箱中加入2L纯水，将进水泵出水口与2#柱下口连接，2#柱上口用软管接入废液桶。启动进水泵，调整进水流量为120ml/min（反洗流速10m/h），反洗15min。反洗完毕后将柱内水放至高于树脂层上界面10cm处。
⑥ 再生：a） 将酸投加瓶出口管与1#柱上口相连，碱投加瓶出口与2#柱上口相连。1#和2#柱下出口均用软管接入废液桶中。 b） 调整酸液和碱液流量均在60～70 ml/min（再生流速6 m/h），进行阳离子树脂和阴离子树脂的再生。再生时间在50～60min。
⑦ 置换：a） 1#柱再生完毕后，将进水箱加满水，将进水泵出水口与1#柱上口连接，1#柱下口用软管接入废液桶。启动进水泵，调整进水流量为170～180ml/min（置换流速15 m/h），置换40min。 b） 2#柱再生完毕后，将进水箱加满水，将进水泵出水口与2#柱上口连接，2#柱下口用软管接入废液桶。启动进水泵，调整进水流量为170～180ml/min（置换流速15 m/h），置换40min。
3.3除鹽实验：
① 将1#柱上口与进水泵出水管道相连，向进水箱中加满原水（自来水），启动进水泵，调整进水流量为350 ml/min（流速30m/h），运行10min后测定出水电导率，pH值。
② 将2#柱上口与进水泵出水管道相连，向进水箱中加满原水（自来水），启动进水泵，调整进水流量为350 ml/min（流速30m/h），运行10min后测定出水电导率，pH值。
③ 将1#柱下口与2#柱上口相连。1#柱上口与进水泵出水管道相连。向进水箱中加满原水（自来水），启动再生泵，调整进水流量为350 ml/min（流速30m/h），运行10min后测定出水电导率，pH值。
实验过程中需要注意的是，强碱性阴离子交换树脂耐热性较差，温度过高时会发生基团脱落，所以配置的碱再生液温度必须在30℃以下。引导学生思考对于强酸性阳离子交换树脂柱和强碱阴离子交换树脂柱，出水中的阳离子和阴离子分别是哪种离子。同时，让学生分析强碱阴离子交换树脂柱一般都设在强酸性阳离子交换树脂柱之后的原因。
4.结束语
该实验的设计、实施过程主要从实践的角度出发，通过离子交换除盐理论与实验的学习，培养学生理论与实践结合的能力，同时提高学生主动思考及全面解决问题的能力，为环境和市政专业学生更快适应今后专业课知识的学习。
参考文献：
[1]许保玖，安鼎年. 给水处理理论与设计. 北京：中国建筑工业出版社.
作者简介：
李君敬（1985-），女，河北省石家庄人，天津工业大学环境与化学工程学院讲师，研究方向：污水处理技术，固体废物资源化利用。