第11章 離子交換

第11章離子交換11.1離子交換基本原理11.2離子交換軟化方法與系統(tǒng)11.3離子交換軟化設(shè)備及其計算11.4離子交換除鹽方法與系統(tǒng)11.1離子交換基本原理11.1.1離子交換樹脂的類型及命名11.1.1.1離子交換樹脂的類型2．離子交換樹脂1）分類2）結(jié)構(gòu)3．磺化煤：兼有強(qiáng)酸性和弱酸性兩種活性基團(tuán)的陽離子交換劑分類名稱11.1.1.2命名

11.1.2離子交換樹脂的基本性能1．外觀粒徑0.3～1.2mm乳白、淡黃、棕褐色等不透明或半透明球狀顆粒2．交聯(lián)度：以7~10%為宜3．含水率樹脂的含水率以每克樹脂（在水中充分膨脹）所含水分的百分比（約50%）樹脂的含水率相應(yīng)地反映了樹脂網(wǎng)架中的孔隙率4．溶脹性干樹脂+水→濕樹脂體積脹大絕對溶脹度5．密度6.有效PH值范圍由于樹脂活性基團(tuán)分為強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、弱酸、弱堿性，水的pH值勢必對其交換容量產(chǎn)生影響。表11.1各種類型樹脂有效pH值范圍樹脂類型強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性有效pH值范圍1~145~141~110~711.1.3離子交換平衡選擇系數(shù)大于1，說明該樹脂對B+的親合力大與對A+的親合力，即有利于進(jìn)行離子交換反應(yīng)。選擇系數(shù)用離子濃度分率表示：二階對一階離子交換反應(yīng)通式為：11.1.4離子交換速度

膜擴(kuò)散和孔道擴(kuò)散何者影響最大？何者為控制步？慢者控制離子交換反應(yīng)的速度．(1)濃度：濃度大于0.1mol/l時，孔道擴(kuò)散為控制步．濃度小于0.003mol/l時，膜擴(kuò)散成為控制步介于中間則取決于具體情況．(2)

流速或攪拌速率：大，則水膜薄．膜擴(kuò)散快．但孔隙擴(kuò)散基本不受影響．(3)

樹脂粒徑：膜擴(kuò)散，速度與粒徑成反比．孔道擴(kuò)散，速度與粒徑２次方成反比．(4)

交聯(lián)度：交聯(lián)度對于孔道擴(kuò)散影響比對膜擴(kuò)散更為顯著．11.1.5樹脂層離子交換過程11.1.6樹脂的再生再生液與水流方向相同1．順流再生特點(diǎn)：⑴上部再生程度高，下部差，越是下部越差⑵再生劑耗量大，2～3倍理論值時，效果仍不理想⑶出水剩余硬度高⑷交換器失效早，降低工作效率，工作交換容量降低⑸適合于硬度較低的場合2．逆流再生再生液飽和程度特點(diǎn)：⑴再生效果好，耗量可降低20%以上低⑵出水水質(zhì)明顯提高↓⑶原水水質(zhì)適應(yīng)范圍擴(kuò)大，對硬度較高原水仍能保證出水水質(zhì)中⑷再生廢液中再生劑有效濃度低↓⑸工作交換容量提高高⑹操作較復(fù)雜從而使底部再生效果好及劑量低等3．移動床：再生液向下流，水流向上流的方式

適用：處理水量穩(wěn)定，且不間斷運(yùn)行11.2離子交換軟化方法與系統(tǒng)

11.2.1離子交換軟化系統(tǒng)選擇1．Na＋離子交換軟化法2．H＋離子交換軟化法3．H－Na串聯(lián)及并聯(lián)：⑴并聯(lián)：11.2.2離子交換樹脂的交換容量1．交換容量：1）全交換容量（1）定義：一定量的樹脂所具有的活性基團(tuán)或可交換離子的總量代表交換能力的大?。?）測定方法：滴定測定與理論上計算11.3離子交換軟化設(shè)備及其計算11.3.1逆流再生固定床再生液飽和程度特點(diǎn)：⑴再生效果好，耗量可降低20%以上低⑵出水水質(zhì)明顯提高↓⑶原水水質(zhì)適應(yīng)范圍擴(kuò)大，對硬度較高原水仍能保證出水水質(zhì)中⑷再生廢液中再生劑有效濃度低↓⑸工作交換容量提高高⑹操作較復(fù)雜從而使底部再生效果好及劑量低等為何能降低出水硬度（以H型樹脂與含鈉鹽進(jìn)行交換為例，即能降低鈉的泄漏）

逆流再生操作步驟：⑴小反洗⑵放水⑶頂壓→使床不亂（為何需頂壓，順流時是否需頂壓）⑷進(jìn)再生液⑸逆向沖洗（軟化水，流速5～7m/h）⑹正洗為何需軟化水逆向沖洗：逆流再生要用軟化水清洗，否則底層已再生好的樹脂在清洗過程中又被消耗，導(dǎo)致出水質(zhì)量下降，失去了逆流再生的特點(diǎn)。逆流再生固定床的再生劑耗量與再生液濃度再生劑耗量(g/mol)濃度(%)NaCl80～1005～8HCl50～551.5～3NaOH55～651～3鈉離子交換器順流、逆流再生鹽耗量和出水水質(zhì)鹽耗量(g/mol)出水硬度c（1/2Ca2+）umol/L順流逆流節(jié)約（%）逆流再生鹽比耗順流逆流A廠109.586.720.81.55~100B廠109.68819.71.54~62C廠11474.6401.310~16<311.3.2再生附屬設(shè)備1．食鹽系統(tǒng)2．酸系統(tǒng)3．再生劑用量計算：再生劑用量G表示單位體積樹脂所消耗的純再生劑量（g/L，kg/m3）比耗：nmol/mol（再生劑/工作交換容量）再生1mol所需質(zhì)量：R＝n·MB再生劑摩爾質(zhì)量G＝q·R＝q·n·MB（g/L）q:樹脂工作交換容量每臺離子交換器再生一次所需要再生劑的總量等于：式中α——工業(yè)用酸或鹽的濃度或純度，%11.3.3除二氧化碳器1．原理：CO2具有腐蝕性，并增加強(qiáng)堿樹脂負(fù)荷，且一般為H床后：2．構(gòu)造和計算：1）構(gòu)造：

2）填料：常用瓷環(huán)204m2/m3空隙率74%3）計算：G＝KF△Ckg／hG——單位時間能夠去除CO2的量（能力）K——解吸系數(shù)單位時間、單位接觸面積、單位推動力下去除的CO2的數(shù)量瓷環(huán)面積單位時間需去除量：求F——瓷環(huán)面積（1）求體積VV＝F/E（３）風(fēng)量20～30m3/m3（水）瓷環(huán)阻力0.3～0.5KPa／m，據(jù)風(fēng)量，風(fēng)壓選風(fēng)機(jī)其它局部阻力0.4KPa

結(jié)論：⑴K——解析系數(shù)，溫度高則其值大，CO2溶解度低，冬天鼓熱風(fēng)⑵水封高度大于風(fēng)壓⑶進(jìn)風(fēng)口高于水面距離＞25cm，伸入內(nèi)壁，防止水濺入風(fēng)口⑷通風(fēng)管有一定坡向水面的坡度⑸防止出水管不通，使水漫入鼓風(fēng)機(jī)⑹設(shè)備防腐11.3.4固定床軟化系統(tǒng)的設(shè)計計算物料平衡關(guān)系式：Fh·q＝QT·HtQ＝ηqo

＝{ηr－（1－ηs）}qo

η：樹脂實(shí)際利用率ηr：樹脂再生程度，再生度ηs：樹脂飽和程度，飽和度11.4離子交換除鹽方法與系統(tǒng)11.4.1水的純度概念

電阻率：1cm×1cm×1cm體積的水所測得的電阻（Ω·cm）1.淡化水：生活及生產(chǎn)用的淡水2.脫鹽水：含鹽量為1～5mg/l，強(qiáng)電解質(zhì)大部分被去除（普通蒸餾水）250C電阻率0.1～1.0×106Ω·cm3.純水：去離子水，含鹽量為＜０.１mg／Ｌ，強(qiáng)電解質(zhì)絕大部分被去除，弱電解質(zhì)也去除到一定程度250C，0.1～1.0×106Ω·cm。４.高純水：超純水，導(dǎo)電介質(zhì)幾乎已全部被去除，水中膠粒，微生物，溶解氣體和有機(jī)物等亦去除到最低的程度。含鹽量＜0.1mg/L，250C，＞10×106Ω·cm11.4.2陰離子交換樹脂的特性1．強(qiáng)堿性陰樹脂的工業(yè)特性（ROH）ROH+H2SO4→RHSO4+H2O①2ROH+H2SO4→R2SO4+2H2O②ROH+HCl→RCl+H2OROH+H2CO3→RHCO3+H2OROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O式①和式②一般同時進(jìn)行,但當(dāng)［H2SO4］＞［ROH］中OH-濃度時，①占優(yōu)勢，低濃度時②占優(yōu)勢。R2SO4+H2SO4→2RHSO4-可以進(jìn)行，樹脂由R2SO4變成RHSO4型。1）強(qiáng)堿性陽樹脂對水中各種陰離子的交換選者性也是不同的，一般順序為：PO43—＞SO42—＞NO3—＞Cl—＞OH—＞F—＞HCO3—＞HSIO3—（1）電荷愈多，選擇性愈好（2）相同電荷時，原子序數(shù)愈高，水合半徑愈小，則選者性愈好（3）還與離子交換基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)（4）強(qiáng)酸性選擇性好2）強(qiáng)堿性陽樹脂對水中各種陰離子的交換順序如上，從而可得：ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH（幾乎不能進(jìn)行）除鹽系統(tǒng)相應(yīng)通過強(qiáng)酸性陽樹脂，而不應(yīng)通過Na床，且通過H型樹脂應(yīng)減少漏鈉量ROH+H2SiO3→RHSiO3+H2OH2O電離度極小3）陰樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性一般要比陽樹脂差，（600C~800C），易受氧化劑的影響而變質(zhì)如水中存在氧化劑時，則會使：4）強(qiáng)堿性樹脂抗有機(jī)物的能力較差，特別是凝膠型強(qiáng)堿性陰樹脂，由于孔道分布強(qiáng)堿性樹脂被有機(jī)物污染后，交換容量下降，正洗水量增加，出水導(dǎo)電率增加。樹脂孔道大小不一，水中的一些有機(jī)物（如腐殖酸等）在樹脂顆粒內(nèi)交聯(lián)緊密部位會被卡住，時間一長，把該部分交換基團(tuán)遮蓋住，從而該部分基團(tuán)不能進(jìn)行反應(yīng)。同時卡住有機(jī)酸后，相當(dāng)于在樹脂的骨架上引入了弱酸基團(tuán)（-COOH）。用堿再生時：R-COOH+NaOH→RCOONa+H2O正洗和反應(yīng)時：R-COONa+H2O→RCOOH+NaOH從而正洗水量大大增加，同時由于正洗時陰離子與ROH發(fā)生交換，從而使運(yùn)行時交換容量低。5）強(qiáng)堿性陰樹脂的運(yùn)行過程①．當(dāng)清洗水排水溶解固體等于進(jìn)水總?cè)芙夤腆w時，將清洗水循環(huán)回收。②．清洗水回收，剛洗好，就是因為樹脂受到污染RCOONa+H2O→RCOOH+NaOH（剛開始出水時，電導(dǎo)率會增加，所以需連續(xù)清洗，知道出水達(dá)到要求，這就是清洗水回收階段）6）除Si求：①出水呈酸性；②進(jìn)水漏鈉量低；③再生條件高，提高溫度至（40-500C）有利于再生的進(jìn)行。2．弱.堿樹脂的工藝特性：R=NH2-OHR-NH3OH仲胺型伯胺型1）.交換能力差，不能吸附弱酸陰離子。只能吸附強(qiáng)酸陰離子：2R-NH3OH+H2SO4→（R-NH3）2SO4+2H2OPH值（0～7）R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2OPH值（0～7）2R-NH3-OH+Na2SO4→2（R-NH3）2SO4+2NaOH（不能進(jìn)行）因為PO43-＞SO42-＞NO3-＞Cl-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-2）.生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可，實(shí)際值是理論值的1.2～1.4倍。3）.交換容量大可做強(qiáng)堿陰床前的預(yù)處理4）.抗有機(jī)污染強(qiáng)，吸附后容易洗脫可做強(qiáng)堿陰床前的預(yù)處理5）.出水呈堿性，NaHCO3，NaHSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸性.Cl-,首先泄漏。11.4.3離子交換除鹽方法與系統(tǒng)

1．復(fù)床除鹽：（復(fù)床系指陰、陽離子交換器串聯(lián)使用，達(dá)到水的除鹽目的）1）一級復(fù)床除鹽強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿系統(tǒng)一級復(fù)床出水的特點(diǎn)：①．呈弱堿性PH=8～9.5（陽床微量Na泄漏）②.出水電阻率0.1～1.0×106Ω*CM脫鹽水（普通蒸餾水）③.如果陽床泄漏Na過量的話，電導(dǎo)率會升高。因而關(guān)鍵是控制陽床的Na泄露，另外除硅時，可采用熱堿液再生。陰床設(shè)在陽床之后（為什么？）：2）強(qiáng)堿——弱堿——脫氣系統(tǒng)事實(shí)上脫氣放在后面是因為采用NaCO3，NaHCO3再生時會產(chǎn)生CO2氣體，否則采用NaOH再生時可放在前面后面都行。①．出水呈酸性6～6.8②.不能除Si③.電阻率5×104達(dá)不到脫鹽的標(biāo)準(zhǔn)3）強(qiáng)酸——脫氣——弱堿——強(qiáng)堿系統(tǒng)適合于原水強(qiáng)酸陰離子含量較大H2SO4弱堿用于去除強(qiáng)酸陰離子HCl強(qiáng)堿用于去除SiSiO32-采用串聯(lián)再生法，用NaOH再生，可適當(dāng)提高溫度。2．混合床除鹽1）原理與特點(diǎn)：陰陽離子裝在一個床內(nèi)，使用時均勻混合，構(gòu)成無數(shù)微型復(fù)床，反復(fù)脫鹽，故其出水電率可達(dá)5～10×106Ω·Cm。RH+ROH+NaCl→RNa+RCL+H2O

混合床的特點(diǎn)：①.陰、陽離子交換反應(yīng)幾乎同時進(jìn)行②.出水呈中性，出水水質(zhì)穩(wěn)定，純度高（用于制純水，超純水）③.不存在反離子（強(qiáng)堿出水呈堿性，強(qiáng)酸出水呈酸性）④.失效終點(diǎn)分明⑤.設(shè)備小缺點(diǎn)：①.再生時，難以徹底分層。②.混合床對有機(jī)物敏感，陰樹脂變質(zhì)后，出水水質(zhì)惡化，下降③.一般常需進(jìn)行預(yù)處理（混凝、沉淀、活性炭吸附）④.再生操作復(fù)雜交叉污染：部分陽樹脂混合在陰樹脂層時，經(jīng)堿液再生，這部分陽樹脂轉(zhuǎn)為Na型，造成運(yùn)行后Na+泄漏。三層混合床：（為了有利于分層）中間另裝10～15cm惰性樹脂使其分層徹底。2）混合床離子交換器裝置及再生方式a.裝置b.再生再生方法有體內(nèi)再生和體外再生體內(nèi)再生又分為酸、堿同時再生和酸、堿分別再生，現(xiàn)以酸、堿分別再生為例。步驟：1、反洗分層2、陰樹脂再生3、陰樹脂正洗4、陽樹脂再生5、陽樹脂清洗6、混合7、最后正洗至PH≈7，電阻率