一、实验目的
（1）加深对离子交换基本理论的理解；
（2）用Na＋型阳离子交换树脂对含Ca2＋，Mg2＋的水进行软化，测定树脂的工作交换容量；
（3）进一步熟悉水的硬度的测定方法。
二、实验原理
离子交换是目前常用的水软化方法。离子交换树脂是由空间网状结构骨架（即母体）与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分子化合物。根据其活性基团的酸碱性可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。活性基团遇水电离，分成固定部分与活动部分。其中，固定部分仍与骨架牢固结合，不能自由移动，构成固定离子；活动部分能在一定空间内自由移动，并与其周围溶液中的其他同性离子进行交换反应，称为可交换离子或反离子。离子交换的实质是不溶性的电解质（树脂）与溶液中的另一种电解质所进行的化学反应。
交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力的大小。交换容量可分为全交换容量与工作交换容量。全交换容量指一定量树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量，工作交换容量指树脂在给定工作条件下实际上可利用的交换能力。树脂工作交换容量与实际运行条件有关，如再生方式、原水含盐量及其组成、树脂层高度、水流速度、再生剂用量等。树脂工作交换容量可由模拟试验确定。当树脂的交换容量耗尽后（即穿透），必须进行再生。
实验采用装有Na＋型阳离子交换树脂的简易交换器对含有钙盐及镁盐的硬水进行软化。当含有多种阳离子的水流经钠型离子交换层时，水中的Ca2＋、Mg2＋等与树脂中的可交换离子Na＋发生交换，使水中的Ca2＋、Mg2＋含量降低或基本上全部去除而软化，根据树脂体积、原水硬度、软化水水量及软化工作时间等求出树脂的工作交换容量。
离子交换器的物料衡算关系式如下：
式中：F——离子交换器截面积，m2；
h——树脂层高度，m；
q——树脂工作交换容量，mmol／L；
Q——软化水水量，m3／h；
T——软化工作时间，即从软化开始到出现硬度泄漏的时间，h；
H——原水硬度（以C（1／2Ca2＋＋1／2Mg2＋）表示），mmol／L。
上式等号左边表示交换器在给定工作条件下具有的实际交换能力，等号右边表示树脂吸着的硬度总量。
三、实验设备与试剂
（1）离子交换装置。于酸性滴定管中装入一定高度的已预处理的阳离子交换树脂，自制简易交换装置（滴定管底部装少量纱布防止树脂流失）。
（2）NH3－NH4C1缓冲溶液：pH＝10。称取67g 2H4C1溶于水，加500mL氨水后，用pH试纸检查，调节pH＝10，稀释至l 2。
（3）铬黑T指示剂：称取1g铬黑T，加入NaCl进行研磨。
（4）Ca2＋标准溶液：10mmol／L。称取0.2～0.25g 2aCO3于250mL烧杯中，先用少量水润湿，盖上表面皿，滴加6mol／L 2Cl 10mL，加热溶解。溶解后用少量水洗表面皿及烧杯壁，冷却后，将溶液定量转移至250mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。(www.xing528.com)
（5）EDTA标准溶液：10mmol／L。称取4g 2DTA溶于水，稀释至1 000mL，以基准CaCO3标定其准确浓度。标定方法如下：
用移液管平行移取25.00mL 10mmol／L 2a2＋标准溶液3份分别置于3个250mL锥形瓶中，加1滴甲基红指示剂，用氨水（1＋2）调至由红色变为淡黄色，加入20mL水，加氨缓冲溶液10mL，一小勺铬黑T指示剂，摇匀，用EDTA溶液滴定至由紫红色变为纯蓝色即为终点。记录用量，计算EDTA溶液的量浓度：
式中：CEDTA——EDTA标准溶液的量浓度，mmol／L；
V——消耗EDTA标准溶液的体积，mL；
c1——钙标准溶液的量浓度，mmol／L；
V1——钙标准溶液的体积，mL。
四、实验步骤
（1）测量交换器内径、树脂层高度。
（2）测定原水硬度。取20mL原水于锥形瓶中，用EDTA络合滴定法测定其硬度。
（3）离子交换。打开进水管阀门，使含Ca2＋、Mg2＋的原水通过树脂交换层，同时用烧杯接取交换水，控制流速约15mL／min。每隔5min记录交换水的体积，并取20mL测定硬度，当出水硬度达到原水硬度时停止交换。
五、实验结果与数据处理
（1）实验数据记录于表4－16。
表4－16 实验数据记录
（2）计算树脂工作交换容量。
（3）绘制硬度泄漏曲线（软化水剩余硬度－出水量）。
六、注意事项
（1）离子交换时注意控制流速，流速不宜太大，以免影响交换效果。
（2）测定硬度时注意滴定终点把握，以减少测定误差。
（3）Na＋型阳离子交换树脂失效（穿透）后须用10%的NaCl溶液再生。
思考题
（1）树脂的工作交换容量与哪些因素有关？
（2）简述离子交换机理。
（3）离子交换树脂为什么要进行再生？
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