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离子交换动力学的研究

靳朝辉  
【摘要】:离子交换树脂中的反离子不是全部解离的,反离子的解离度对离子在树脂颗 粒中的扩散过程有重要影响。此外,离子交换树脂可认为是分形介质,在分形介 质中,离子的扩散行为不再符合经典规律,会出现一些反常扩散现象。本文从反 离子的解离度和树脂结构的分形两个方面对离子交换动力学进行深入研究,主要 内容包括: 1 根据双电层模型和 Donnan 平衡理论,建立了离子在凝胶型树脂微孔中扩 散的物理模型。并利用所建模型推导了离子交换平衡时,选择性系数与反离子解 离度间的关系。研究表明:如果反离子全部解离,离子交换树脂对所交换的离子 将没有选择性。 2 利用电导法确定了树脂颗粒中反离子的解离度。方法是首先低频测定树脂 床层在不同浓度电解质溶液中的电导率,然后用两相分散系统的复合介电常数方 程计算树脂颗粒相的电导率,最后由树脂颗粒相与无限稀释溶液中的当量离子电 导求得反离子的解离度。研究表明:对于离子交换树脂床层,由于颗粒外表面分 散层中的反离子可沿树脂颗粒外表面切向迁移进行导电,Hanai 的复合介电常数 方程需进行修正。对于弱酸离子交换树脂,也可直接通过测定等电导点的方法来 确定树脂颗粒相的电导率。离子价数对反离子的解离度影响较大,离子价数越高, 反离子的解离度越小。H+的解离度比其它一价离子的解离度要低得多。 3 导出了稀溶液中离子扩散系数与当量离子电导间的关系,并通过系统分析 得出了反离子在树脂颗粒中扩散系数的计算方法。 4 从三个方面阐述了用普通微分方程描述分形介质中扩散行为的局限性。同 时,分析比较了分形介质中三个比较有影响的反常扩散方程。结果表明:Metzler 分数扩散方程的解不仅满足分形介质中均方位移和概率密度的标度关系,而且当 由分形空间转变为欧式空间时,方程能与普通微分扩散方程保持一致。 5 建立了描述离子在树脂颗粒中扩散的数学模型,并根据初始和边界条件, 对分数扩散方程进行了数学求解。通过与离子交换动力学实验结果比较,发现该 模型较适合强酸和强碱性离子交换树脂。而对于弱酸和弱碱性离子交换树脂,由 于反离子的解离度较小,树脂微孔中双电层的厚度小于微孔半径,模型适用性较 差,由此推断,离子在弱酸和弱碱性树脂中扩散的快慢与溶液浓度有较大关系。 6 以水处理过程中用强酸离子交换树脂脱除 Na+为例,对柱过程的离子交换 行为进行了数学模拟,模拟结果与实验结果符合较好。


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