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2025-09-29
离子交换动力学：过程及速度
【摘要】：所以，离子交换速度即交换动力学问题，在工程应用中，同交换平衡问题一样有着重要的实践意义。一般认为，离子交换过程是树脂颗粒与水溶液接触时，有关的离子进行扩散和交换的过程。图5-5离子交换过程示意图其中的①和⑤称为液膜扩散步骤；②和④称为树脂颗粒内扩散步骤，或称孔道扩散步骤；③称为交换反应步骤。在步骤③中，Na+与H+的交换属于离子间的化学反应。
离子交换平衡的建立需要一定时间，只有少数情况下可以瞬时完成，一般需要数分钟、数小时以至数天的时间。所以，离子交换速度即交换动力学问题，在工程应用中，同交换平衡问题一样有着重要的实践意义。
1.离子的交换历程
离子交换不只在交换剂颗粒表面进行，而且在整个交换体内进行。一般认为，离子交换过程是树脂颗粒与水溶液接触时，有关的离子进行扩散和交换的过程。其动力学过程一般可分为如下五步，现以H型强酸性阳离子交换树脂对水中Na+进行交换为例来说明（如图5-5所示）。
（1）边界水膜内的扩散水中Na+向树脂颗粒表面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂表面，如图5-5中的①；
（2）交联网孔内的扩散（或称孔道扩散）Na+进入树脂颗粒内部的交联网孔，并进行扩散，到达交换点，如图5-5中的②；
（3）离子交换Na+与树脂交换基团上可交换的H+进行交换反应，如图5-5中的③；
（4）交联网孔内的扩散被交换下来的H+在树脂内部交联网孔中向树脂表面扩散，如图5-5中的④；
（5）边界水膜内的扩散被交换下来的H+扩散通过树脂颗粒表面的边界水膜层，并进入水溶液中，如图5-5中的⑤。
图5-5 离子交换过程示意图
其中的①和⑤称为液膜扩散步骤；②和④称为树脂颗粒内扩散步骤，或称孔道扩散步骤；③称为交换反应步骤。在步骤③中，Na+与H+的交换属于离子间的化学反应。与液膜扩散步骤的速度和孔道扩散步骤的速度相比，交换反应步骤的速度很快，且可瞬间完成。因此，若离子液膜扩散步骤的速度比孔道扩散步骤的速度快，则孔道扩散步骤控制着离子交换的速度。反之，若孔道扩散步骤的速度比液膜扩散步骤的速度快，则液膜扩散控制着离子交换的速度。
一般来说，当树脂相的交联度和粒径都较小，而水相的离子浓度、流速与扩散系数都较低时，离子交换的速度往往表现为液膜扩散控制；否则，表现为孔道扩散控制。
在一级化学除盐水处理设备中，运行时离子交换速度一般受液膜扩散控制，再生时离子交换速度一般受孔道扩散控制。同样，在二级化学除盐水处理设备中，运行时离子交换速度亦受液膜扩散控制。在液膜扩散控制时，提高运行流速，可以减小液膜厚度，适当提高交换速度，这对交换反应是有利的，这就是高速混床的工作原理。
2.离子交换的速度以及影响因素
整个离子交换过程的速度可用下式表示
(https://www.chuimin.cn)
式中：
——单位时间内单位体积树脂的离子交换量；
——总的扩散系数；
B——与粒度均匀程度有关的系数；
和
——分别表示同一种离子在溶液相和树脂相中的浓度；
ρ——树脂的空隙度；
——树脂颗粒的粒径；
δ——扩散距离。
由上式不难看出，下列因索将会影响离子交换的速度：
（l）树脂的交联度树脂的交联度大，其网孔就小，那么树脂的空隙度p就小，则其孔道扩散即颗粒内扩散就慢。
（2）树脂的粒径树脂的粒径即Φ愈小，交换速度愈快。
（3）树脂的空隙度树脂颗粒间的空隙度p越小，离子交换速度就越快。
（4）水中离子浓度由于扩散过程是依靠离子的浓度梯度而推动的，当水溶液中离子浓度在0.1 mol/L以上时，离子在水膜中的扩散很快，整个离子交换速度受孔道扩散的控制；若水中离子浓度在0.003mol/L时，则离子在水膜中的扩散很慢，整个离子交换速度受液膜扩散控制。
（5）水溶液的流速液膜扩散的速度随水流速度的增加而增大，是由于随着水流速的增大，表面水膜层将变薄，在水膜中的扩散过程所需时间将变短。
（6）水溶液的温度提高水温能同时加快液膜扩散和孔道扩散的速度。
同时，离子的水合半径以及所带电荷量也会影响传质速度。离子水合半径越大或所带电荷越多，液膜扩散速度就越慢。
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