水的离子交换技术

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第12章 离子交换,12.1 离子交换基本原理,12.2 离子交换软化方法与系统,12.3 离子交换软化设备及其计算,12.4 离子交换除盐方法与系统,1,12.1 离子交换基本原理,12.1.1离子交换树脂的类型及命名,12.1.1.1离子交换树脂的类型,2 离子交换树脂,1） 分类,2,2） 结构,3 磺化煤：兼有强酸性和弱酸性两种活性基团的阳离子交换剂,分类名称,12.1.1.2 命名,3,12.1.2离子交换树脂的基本性能,1 外观,粒径0.31.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等,不透明或半透明球状颗粒,2交联度：以710%为宜,3含水率,树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约50%）,树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率,4溶胀性,干树脂+水湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度,4,5密度,5,6.有效PH值范围,由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的pH值势必对其交换容量产生影响。,表12.1 各种类型树脂有效pH值范围,树脂类型,强酸性,弱酸性,强碱性,弱碱性,有效pH值范围,114,514,112,07,6,12.1.3离子交换平衡,选择系数大于1，说明该树脂对B+的亲合力大与对A+的亲合力，即有利于进行离子交换反应。,选择系数用离子浓度分率表示：,7,二阶对一阶离子交换反应通式为：,8,12.1.4离子交换速度,9,膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？,慢者控制离子交换反应的速度,(1),浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步,浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步,介于中间则取决于具体情况,(2),流速或搅拌速率： 大，则水膜薄膜扩散快,但孔隙扩散基本不受影响,(3),树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比,孔道扩散，速度与粒径次方成反比,(4),交联度：交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显 著,10,12.1.5 树脂层离子交换过程,11,12.1.6树脂的再生,再生液与水流方向相同,1顺流再生,特点： 上部再生程度高，下部差，越是下部越差, 再生剂耗量大，23倍理论值时，效果仍不理想, 出水剩余硬度高, 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低, 适合于硬度较低的场合,2逆流再生,再生液饱和程度,特点： 再生效果好，耗量可降低20%以上,低 出水水质明显提高, 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保,证出水水质,中 再生废液中再生剂有效浓度低, 工作交换容量提高,高 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等,12,3移动床：再生液向下流，水流向上流的方式适用：处理水量稳定，且不间断运行,13,12.2 离子交换软化方法与系统,12.2.1离子交换软化系统选择,1Na,离子交换软化法,14,2H,离子交换软化法,15,3HNa串联及并联：, 并联：,16,17,18,12.2.2离子交换树脂的交换容量,1交换容量：,1）全交换容量,（1）定义：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量,代表交换能力的大小,（2）测定方法：滴定测定与理论上计算,19,20,12.3离子交换软化设备及其计算,12.3.1逆流再生固定床,再生液饱和程度,特点： 再生效果好，耗量可降低20%以上,低 出水水质明显提高, 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出,水水质,中 再生废液中再生剂有效浓度低, 工作交换容量提高,高 操作较复杂,从而使底部再生效果好及剂量低等,为何能降低出水硬度,（以H型树脂与含钠盐进行交换为例，即能降低钠的泄漏）,21,22,23,逆流再生操作步骤：, 小反洗, 放水, 顶压 使床不乱 （为何需顶压，顺流时是否需顶压）, 进再生液, 逆向冲洗 （软化水，流速57m/h）, 正洗,为何需软化水逆向冲洗：,逆流再生要用软化水清洗，否则底层已再生好的树脂在清洗过程中又被消耗，导致出水质量下降，失去了逆流再生的特点。,24,25,逆流再生固定床的再生剂耗量与再生液浓度,再生剂,耗量(g/mol),浓度(%),NaCl,80100,58,HCl,5055,1.53,NaOH,5565,13,钠离子交换器顺流、逆流再生盐耗量和出水水质,26,12.3.2再生附属设备,1食盐系统,27,2酸系统,28,3再生剂用量计算：,再生剂用量G表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量（g / L，kg / m,3,）,比耗：n mol / mol （再生剂 / 工作交换容量）,再生1mol所需质量：RnM,B,再生剂摩尔质量,GqRqnM,B,（g / L）,q:树脂工作交换容量,每台离子交换器再生一次所需要再生剂的总量等于：,式中工业用酸或盐的浓度或纯度，%,29,12.3.3除二氧化碳器,1 原理：,CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，且一般为H床后,：,2构造和计算：,1） 构造：,30,31,2） 填料：常用瓷环 204 m,2,/ m,3,空隙率 74%,3） 计算：,GKFC kgh,G单位时间能够去除CO2的量（能力）,K 解吸系数 单位时间、单位接触面积、单位推动力下去除的CO,2,的数量瓷环面积,32,单位时间需去除量 ：,求F瓷环面积,（1）求体积V VF/E,（）风量 2030 m,3,/ m,3,（水） 瓷环阻力0.30.5 KPam，,据风量，风压选风机 其它局部阻力0.4 KPa,结论： K解析系数，温度高则其值大，CO2溶解度低，冬天鼓热风, 水封高度大于风压, 进风口高于水面距离25cm，伸入内壁，防止水溅入风口, 通风管有一定坡向水面的坡度, 防止出水管不通，使水漫入鼓风机, 设备防腐,33,12.3.4固定床软化系统的设计计算,物料平衡关系式： FhqQTHt,Qq,o, ,r,（1,s,）q,o,：树脂实际利用率,r,：树脂再生程度，再生度,s,：树脂饱和程度，饱和度,34,35,12.4离子交换除盐方法与系统,12.4.1水的纯度概念,电阻率：1cm1cm1cm体积的水所测得的电阻（cm）,1 .淡化水：生活及生产用的淡水,2. 脱盐水：含盐量为15mg/l，强电解质大部分被去除,（普通蒸馏水） 25,0,C 电阻率 0.11.010,6,cm,3 .纯水：去离子水，含盐量为.mg，强电解质绝大部分被去除，弱电解质也去除到一定程度25,0,C，0.11.010,6,cm。,.高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。,含盐量0.1mg/L， 25,0,C ，1010,6,cm,36,12.4.2阴离子交换树脂的特性,1 强碱性阴树脂的工业特性（ROH ）,ROH+H,2,SO,4,RHSO,4,+H,2,O ,2ROH+ H2SO,4,R,2,SO,4,+2 H,2,O,ROH+HClRCl+ H,2,O,ROH +H,2,CO,3,RHCO,3,+ H,2,O,ROH+H,2,SiO,3,RHSiO,3,+ H,2,O,式和式一般同时进行,但当H,2,SO,4,ROH中OH-浓度时，占优势，低浓度时占优势。R,2,SO,4,+H,2,SO,4,2RHSO,4,-,可以进行，树脂由R,2,SO,4,变成RHSO,4,型。,1） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为：,PO,4,3,SO,4,2,NO,3,Cl,OH,F,HCO,3,HSIO,3,（1）电荷愈多，选择性愈好,（2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好,（3）还与离子交换基团的性质有关,（4）强酸性选择性好,37,2） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得：,ROH+NaSiO,3,RHSiO,3,+NaOH （几乎不能进行）,除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过Na床，且通过H型树脂应减少漏钠量,ROH+H,2,SiO,3,RHSiO,3,+H,2,O H,2,O电离度极小,3） 阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（60,0,C80,0,C），易受氧化剂的影响而变质,如水中存在氧化剂时，则会使：,38,4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，由于孔道分布,强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出水导电率增加。,树脂孔道大小不一，水中的一些有机物（如腐殖酸等）在树脂颗粒内交联紧密部位会被卡住，时间一长，把该部分交换基团遮盖住，从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后，相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团（-COOH）。,用碱再生时： R-COOH+NaOH RCOONa+H,2,O,正洗和反应时： R-COONa+H,2,O RCOOH+NaOH,从而正洗水量大大增加，同时由于正洗时阴离子与ROH发生交换，从而使运行时交换容量低。,39,5）强碱性阴树脂的运行过程,当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水循环回收。,清洗水回收，刚洗好，就是因为树脂受到污染,RCOONa+ H,2,ORCOOH+NaOH,（刚开始出水时，电导率会增加，所以需连续清洗，知道出水达到要求，这就是清洗水回收阶段）,6）除Si求：,出水呈酸性； 进水漏钠量低； 再生条件高，提高温度至（40-50,0,C）有利于再生的进行。,40,2弱.碱树脂的工艺特性：,R=NH,2,-OH R-NH,3,OH,仲胺型 伯胺型,1）.交换能力差，不能吸附弱酸阴离子。,只能吸附强酸阴离子：,2R-NH,3,OH+H,2,SO,4,（R-NH,3,）2SO,4,+2H,2,O PH值（0 7）,R-NH,3,OH+HCIR-NH,3,Cl+H,2,O PH值（0 7）,2R-NH,3,-OH+Na,2,SO,4,2（R-NH,3,）,2,SO,4,+2NaOH （不能进行）,因为PO,4,3-,SO,4,2-,NO,3,-,Cl,-,F,-,HCO,3,-,HSiO,3,-,2）.生容易：NaOH，NaHCO,3,，Na,2,CO,3,，NH,4,OH都可，实际值是理论值的1.21.4倍。,41,3）.交换容量大 可做强碱阴床前的预处理,4）.抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理,5）.出水呈碱性，NaHCO,3,，Na HSiO,3,存在,漏SO,4,2-,、Cl,-,后出水呈酸性. Cl,-,首先泄漏。,42,12.4.3离子交换除盐方法与系统,43,1复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目的）,1）一级复床除盐 强酸脱气强碱系统,44,一级复床出水的特点：,呈弱碱性 PH= 8 9.5 （阳床微量Na泄漏）,. 出水电阻率 0.1 1.010,6,*CM脱盐水（普通蒸馏水）,. 如果阳床泄漏Na过量的话，电导率会升高。,因而关键是控制阳床的Na泄露，另外除硅时，可采用热碱液再生。,阴床设在阳床之后（为什么？）：,45,2）强碱弱碱脱气系统,事实上脱气放在后面是因为采用NaCO,3,，NaHCO,3,再生时会产生CO,2,气体，否则采用NaOH再生时可放在前面后面都行。,出水呈酸性 66.8,. 不能除Si,. 电阻率 510,4,达不到脱盐的标准,46,3）强酸脱气弱碱强碱系统,适合于原水强酸阴离子含量较大 H,2,SO,4,弱碱用于去除强酸阴离子 HCl,强碱用于去除Si SiO,3,2-,采用串联再生法，用NaOH再生，可适当提高温度。,47,2混合床除盐,1）原理与特点：,阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达51010,6,Cm。,RH + ROH + NaCl RNa + RCL +H,2,O,48,混合床的特点：,. 阴、阳离子交换反应几乎同时进行,. 出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水）,.不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性）,.失效终点分明,. 设备小,缺点：,. 再生时，难以彻底分层 。,. 混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降,. 一般常需进行预处理（混凝、沉淀 、活性炭吸附）,. 再生操作复杂,交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分阳树脂转为Na型，造成运行后Na,+,泄漏。,三层混合床：（为了有利于分层）中间另装1015cm惰性树脂使其分层彻底。,2） 混合床离子交换器装置及再生方式,a. 装置,b. 再生,再生方法有体内再生和体外再生体内再生又分为酸、碱同时再生和酸、碱分别再生，现以酸、碱分别再生为例。,49,步骤：1、反洗分层,2、阴树脂再生,3、阴树脂正洗,4、阳树脂再生,5、阳树脂清洗,6、混合,7、最后正洗至PH7，电阻率大于5105cm，即可运行。,50,3). 高纯水制备与终端处理：,强酸脱气强碱混合床系统,使用前终端处理有：紫外线，精制混床，超滤。,3.氢型精处理器：,强酸脱气强碱强酸,能彻底去除Na，出水水质好，,流速高 100m/h,不能除Si，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混合床提纯水质。,4.离子交换双层床：,阳离子交换双层床,阴离子交换双层床,1) 阳离子交换双层床,51,采用逆流再生，耗酸量相当于全部是阳树脂来说从3倍降到1.1倍理论值。,适应于：原水硬度=碱度的水，或硬度略大于碱度的水。,2) 阴离子交换双层床,（1）. 逆流再生，碱耗量低，理论值的1.1倍。强碱是理论值的34倍,（2）. 交换容量提高，出水量增加。,（3）.适应的含盐量范围可提高。,（4）.出水水质好。,52,缺点：要求再生条件严格，否则会出现如下现象，大量胶体硅（甚至胶冻）聚积在弱碱树脂上，使出水水质严重恶化。,原因：再生时：下层强碱树脂：,在NaOH存在的情况下，以Na,2,SiO,3,，Na,2,CO,3,存在。,2R-NH,3,Cl + Na,2,SiO,3,2R-NH,3,OH+2NaCl+H,2,SiO,3,2R-NH,3,Cl + Na,2,CO,3,2R-NH,3,OH+2NaCl+H,2,CO,3,从而使PH值下降，出现大量H2SiO3, 从而析出胶体硅,粘附在弱碱树脂上,故对再生条件要求严格.,立即再生, 否则强碱性树脂硅酸发生聚合,会污染强碱性树脂,加热再生,40,0,碱液 (避免产生胶体硅,降低出水硅含量),先低浓度后高浓度 1%3%碱液或(2% 快慢),53,思考题,1,、与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水水质显著提高？,2,、实现逆流再生的关键是什么？,3,、为什么说在,H,t,H,c,的条件下，经,H,离子交换（到硬度开始泄漏）的周期出水平均强酸酸度在数值上与原水,H,n,相当？此时,HNa,离子交换系统的,Q,H,和,Q,Na,表达式为何？若原水碱度大于硬度，情况又是如何？,4、在离子交换除盐系统中，阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前后位置的布置应如何考虑？试说明理由。,54,3、在固定床逆流再生中，用工业盐酸再生强酸阳离子交换树脂。若工业盐酸中HCl含量为31%，而HCl含量为3%，试估算强酸树脂的极限再生度,4、试说明离子交换混合床工作原理，其除盐效果好的原因何在？,习 题:,1,、如下图所示，当氢离子交换出水强酸酸度为零，与其相应，出水Na+含量应是多少？,2,、在固定床逆流再生条件下，树脂工作交换容量能否由下式表示，试阐明其理由。,55,