第九章 軟化與除鹽(Softening and Salt Removal)9.doc

第九章 軟化與除鹽（Softening and Salt Removal）第1節(jié) 概述一、水中主要溶解雜質(zhì)離子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+) HCO3-, SO42-, Cl- 一般Fe2+, SiO32-含量較少。氣體：CO2,O2總硬度：Ca2+, Mg2+, 碳酸鹽硬度（暫時(shí)硬度） 非碳酸鹽硬度含鹽量：陽(yáng)陰軟化：降低硬度除堿：HCO3（鍋爐給水、堿度太高，會(huì)汽水共沸）除鹽：降低含鹽量二、硬度單位 mmol/L, meq/L, 度（我國(guó)用德國(guó)度） 德國(guó)度10 mg CaO/L 美國(guó)度1mg CaCO3/L三、水的純度以含鹽量或水的電阻率表示（單位：歐姆 厘米）淡化水：高含鹽量水經(jīng)局部處理脫鹽水：相當(dāng)于普通蒸餾水，含鹽量15mg/L純水：亦稱去離子水，含鹽量1mg/L高純水：含鹽量硬度，還應(yīng)去除多余的HCO3若水中存在Fe離子，也要消耗Ca(OH)2所以，石灰投加量：CaO = CO2 + Ca(HCO3)2 + 2Mg(HCO3)2 + Fe +a為盡量降低碳酸鹽硬度，石灰混凝沉淀可以同時(shí)進(jìn)行。注意：石灰法只能降低碳酸鹽硬度以及降低水中的堿度二、石灰純堿法去除碳酸鹽和非碳酸鹽硬度CaSO4 + Na2CO3 -CaCO3+ Na2SO4MgSO4 + Na2CO3 -MgCO3 + Na2SO4MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3+Mg(OH)2但純堿太貴，此法一般不用。三、石灰石膏法 當(dāng)原水的堿度大于硬度，即負(fù)硬度（有堿度存在時(shí)）出現(xiàn)時(shí)2NaHCO3 + CaSO4 + Ca(OH)2- 2CaCO3 + Na2SO4 + 2H2O第3節(jié) 離子交換基本知識(shí)一、 離子交換劑：磺化煤（煤磨碎后經(jīng)濃硫酸處理得到） 離子交換樹脂 二、離子交換樹脂1結(jié)構(gòu)* 母體（骨架）：高分子化合物和交聯(lián)劑經(jīng)聚合反應(yīng)而生成的共聚物 根據(jù)組成母體的單體材料：苯乙烯（最廣泛）、丙烯酸、酚醛系列* 活性基團(tuán)：遇水電離，稱為固定部分和活動(dòng)部分 具有交換性（可交換離子） 如聚苯乙烯磺化磺酸基團(tuán)（SO3H）一種強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹脂強(qiáng)酸陽(yáng)離子：RSO3H弱酸陽(yáng)離子：RCOOH強(qiáng)堿陰離子：RNOH季胺弱堿陰離子：RNHOH叔胺 RNH2OH仲胺 RNH3OH（伯胺）* 微孔形態(tài)：凝膠型、大孔型、等孔型等2命名 全名稱：（微孔型態(tài)）（骨架名稱）（基本名稱） 如凝膠型苯乙烯系強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹脂 為了區(qū)別同一類樹脂的產(chǎn)品，有時(shí)在前面加上一些數(shù)字。3主要性能1） 密度：濕真密度：1.1-1.3 g/ml 溶脹后的質(zhì)量與本身所占體積之比（不包括樹脂顆粒之間的孔隙），用于確定反沖洗強(qiáng)度，混合床的分層 濕視密度（堆積體積）：0.6-0.85 g/ml 計(jì)算樹脂用量2） 交換容量：是樹脂最重要的性能，表示樹脂交換能力的大小。 以體積和重量?jī)煞N表示方式。全交換容量：可用滴定法測(cè)定或從理論上計(jì)算工作交換容量：實(shí)際工作條件下的，全的60703） 離子交換樹脂的選擇性與水中離子種類、樹脂交換基團(tuán)的性能有很大關(guān)系，同時(shí)也受離子濃度和溫度的影響。在常溫和低濃度時(shí)：* 離子電荷愈多，愈易被交換* 原子序數(shù)愈大，即水合半徑愈小，愈易被交換： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+= NH4+ Na+Li+ SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3-* H和OH的交換選擇性與樹脂交換基團(tuán)酸、堿性的強(qiáng)弱有關(guān)。 對(duì)于強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂：H+Li+ 而對(duì)于弱酸陽(yáng)樹脂：H+Fe3+三、離子交換平衡離子交換也是一種化學(xué)反應(yīng)，存在交換平衡。 RA + B- - RB +A+離子交換選擇系數(shù)為： KAB= RBA+/RAB+ 該值1，有利于交換反應(yīng)的進(jìn)行。 第4節(jié) 離子交換軟化一、陽(yáng)離子交換樹脂特性分強(qiáng)酸和弱酸。強(qiáng)酸主要有RNa 和RH。1RNa 2RNa + Ca2 +- R2Ca + 2Na+ 2RNa + Mg2+ - R2Mg + 2Na+ 特點(diǎn)：去除碳酸鹽和非碳酸鹽硬度，總含鹽量（陽(yáng)離子總重量）有所變化，但堿度不變。2RH 碳酸鹽硬度， 生成CO2、H2O同時(shí)堿度也去除了。 非碳酸鹽硬度，生成H2SO4，HCl 出水酸性 對(duì)于Na+, RH + NaCl -RNa +HCl - 產(chǎn)生鈉型樹脂，但不起軟化作用 出水水質(zhì)變化見圖2114。 開始時(shí)出水呈酸性。 Na開始泄漏時(shí)，出水酸度急劇下降。 之后，RH交換轉(zhuǎn)變?yōu)镽Na型運(yùn)行模式，對(duì)Ca和Mg仍有交換能力。出水Na離子逐漸超過原水中的濃度，呈堿性。 然后硬度離子開始泄漏出水中離子泄漏的順序?yàn)椋篐、Na、Mg2、Ca2 失效點(diǎn)控制：脫堿，以Na泄漏為準(zhǔn) 軟化，以硬度離子泄漏為準(zhǔn)。3弱酸型RCOOH（目前應(yīng)用廣的主要是丙烯酸型） 由于電離較弱，只能去除碳酸鹽硬度 2RCOOH + Ca(HCO3)2 - (RCOO)2Ca + 2H2O +CO2 但交換容量大（活性基團(tuán)多），比強(qiáng)酸型高一倍。 再生容易。二、離子交換軟化系統(tǒng)1RNa 系統(tǒng) 原水堿度低（因?yàn)镽Na不能去除堿度），不要求降低堿度的情況。 可采用一級(jí)或二級(jí)串聯(lián)。2脫堿軟化系統(tǒng)1HNa 并聯(lián)QNRNa混合QCO2去除RHQHA原：進(jìn)水堿度A混：混合水中的殘留堿度S：進(jìn)水中SO42、Cl含量之和, 當(dāng)量濃度QH：進(jìn)RH水量， QN：進(jìn)RNa水量 第一種情況：RH以Na泄漏為準(zhǔn) 經(jīng)RH產(chǎn)生的強(qiáng)酸量 S QH 經(jīng)RNa后的堿度 A原QN =A原 (Q-QH)混合水中的剩余堿度 Q A混物料平衡: A原 (Q-QH) S QH A混Q QH (A原A混)/（A原S）Q QN（A混S）/（A原S）Q 第二種情況：RH以硬度離子的泄漏為準(zhǔn)。此時(shí)，RH只是用來去除水中的硬度，因此，在一個(gè)運(yùn)行周期的出水中Na+的平均含量和原水中的Na+含量相同，RH出水酸度的平均值和原水中的非碳酸鹽硬度相當(dāng)，而不是和原水中的強(qiáng)酸根含量相當(dāng)。 則RH產(chǎn)生的酸度非碳酸鹽硬度HF同樣推出： QH（A原A混）/（A原HF）Q QN（A混HF）/（A原HF）Q但應(yīng)注意RH出水在一個(gè)周期內(nèi)是不均勻的？在任何時(shí)間都保證不出現(xiàn)酸性水很難。2）HNa 串聯(lián)系統(tǒng)Q-QHQ混合RNaCO2去除RNHQH水量分配公式與并聯(lián)時(shí)的相同。這種型式可以降低RNa的負(fù)荷。H-Na并列:適用于堿度高的原水。因?yàn)橹挥幸徊糠炙^RNa。投資省H-Na串聯(lián)適用于硬度高的原水，出水水質(zhì)能保證。運(yùn)行安全可靠。CO2產(chǎn)生量：1mmol/L的HCO3- 產(chǎn)生44mg CO2/L三、固定床離子交換軟化設(shè)備1離子交換裝置的分類 固定床：?jiǎn)未?、雙層床、混合床 連續(xù)床：移動(dòng)床和流動(dòng)床2固定床的工作過程飽和曲線任意時(shí)刻樹脂層存在三個(gè)區(qū) 飽和區(qū)（失效區(qū)） 交換區(qū)（交換帶）：工作層 未交換區(qū)從交換帶來講，要經(jīng)歷兩個(gè)階段：1）首先是形成階段，2下移階段為保證一定的水質(zhì)：應(yīng)有一個(gè)保護(hù)層交換帶高度交換帶的影響因素：水流速度、樹脂大小、原水水質(zhì)3工作交換容量 在給定工作條件下的實(shí)際交換能力。 P1：再生完畢，軟化開始前樹脂層中殘存的硬度離子所占的百分?jǐn)?shù) P3：軟化結(jié)束時(shí)，樹脂層中交換不到的部分所占的百分?jǐn)?shù)。P2：工作交換容量P1P2P3100影響因素：再生程度、軟化時(shí)的流速、原水水質(zhì)4 樹脂再生 固定床再分為順流再生和逆流再生兩種。逆流再生：降低再生劑用量；出水質(zhì)量提高、工作交換容量提高。RNa型：用NaCl再生RH型：用HCl 或H2SO4 再生。第5節(jié) 離子交換除鹽需求：高溫高壓鍋爐的補(bǔ)給水、某些電子工業(yè)用水等一、陰離子樹脂特性陰樹脂是在粒狀高分子化合物母體的最后處理階段導(dǎo)入各種胺基而成的。1 強(qiáng)堿性陰離子樹脂可以交換經(jīng)H離子交換出來的各種陰離子。SO42、Cl、HCO3、HSiO3- 為徹底除硅：陰離子樹脂進(jìn)水的pH必須較低ROH + H2SiO3- RHSiO3 + H2O 若進(jìn)水酸性降低，則ROH + NaHSiO3- RHSiO3 + NaOH生成的NaOH阻礙反應(yīng)向右進(jìn)行。化學(xué)穩(wěn)定性比陽(yáng)樹脂差。l 易受氧化劑的氧化而變質(zhì)。特別是其中的氮氧化后，堿性逐漸變?nèi)?。交換容量逐漸較少。l 抗有機(jī)物污染能力較差交換能力逐漸降低。原因尚不清楚。但一般認(rèn)為陰樹脂的交聯(lián)程度不均，有機(jī)物易被交聯(lián)緊密部分卡住。2弱堿性陰樹脂只能與強(qiáng)酸陰離子交換反應(yīng)（以酸形式存在時(shí)）。如：R-NH3OH +HCl = R-NH3Cl + H2O極易再生與強(qiáng)堿陰樹脂一快用 弱堿去除強(qiáng)酸陰離子強(qiáng)堿去除其他陰離子同時(shí)，強(qiáng)堿陰樹脂的再生廢堿液再生弱堿性陰樹脂 樹脂內(nèi)部孔隙較大，抗有機(jī)污染能力較強(qiáng)，交換容量較大。二、復(fù)床除鹽1）強(qiáng)酸脫氣強(qiáng)堿：最基本2）強(qiáng)酸脫氣弱堿強(qiáng)堿適用于有機(jī)物含量高，強(qiáng)酸陰離子多的情況三、混合床陽(yáng)、陰樹脂按比例混合裝在同一反應(yīng)器內(nèi)。再生時(shí)分層再生，使用時(shí)均勻混合。相當(dāng)于許多陽(yáng)、陰樹脂交錯(cuò)排列而成的多級(jí)復(fù)床。 一般交換反應(yīng)為： RHROHNaCl - RNaRClH2O 平衡常數(shù)（選擇性系數(shù)）K=KHNa KOHCl 1/KH2O1 交換反應(yīng)遠(yuǎn)比復(fù)床徹底得多，出水純度高。 體內(nèi)再生：見圖。 特點(diǎn)（與復(fù)床比較）：出水水質(zhì)好而穩(wěn)定，交換終點(diǎn)明顯，設(shè)備也比較少。 缺點(diǎn)：是樹脂交換容量的利用率比較低，損耗率大。再生操作復(fù)雜。 應(yīng)用：在除鹽系統(tǒng)的最后，起精加工作用。四、雙層床1陽(yáng)離子弱酸型：去除碳酸鹽硬度強(qiáng)酸型：去除非碳酸鹽硬度應(yīng)用：硬度和堿度接近或硬度略大于堿度，Na含量不大的水質(zhì)條件。2 陰樹脂雙層床 弱堿：去除強(qiáng)酸陰離子 強(qiáng)堿：去除弱酸陰離子注意再生條件：防止膠體硅膠聚集在弱堿樹脂上第6節(jié)離子交換法處理工業(yè)廢水一、離子交換處理工業(yè)廢水的特點(diǎn)1 工業(yè)廢水水質(zhì)復(fù)雜：含各種懸浮物和油類、溶解鹽類適當(dāng)預(yù)處理2 pH的影響：影響某些離子在廢水中的形態(tài)，影響樹脂交換基團(tuán)的離解。3溫度影響：溫度高，有利于交換速度的增加，但對(duì)樹脂有損害，適當(dāng)降溫。4高價(jià)金屬離子：引起中毒，用高濃度酸再生5氧化劑：盡量采用抗氧化性好的樹脂6有機(jī)污染：可采用大孔型樹脂7再生：再生劑的選擇要考慮回收有用物，不能回收時(shí)，要進(jìn)行妥善處置。二、應(yīng)用重金屬?gòu)U水，回收重金屬例如：處理含鉻廢水 六價(jià)鉻：鉻酸根CrO42-和重鉻酸根Cr2O72-，兩種的比例與pH有關(guān)。酸性條件下，主要是Cr2O72-三價(jià)鉻：Cr3+陽(yáng)樹脂去除三價(jià)鉻：3RH + Cr3+ -R3Cr + 3H陰樹脂去除六價(jià)鉻：2ROH + CrO42- -