第5章 離子交換法-水質(zhì)處理-課件-教學-本科

第5章離子交換法5.1離子交換基本原理5.2離子交換樹脂的性質(zhì)5.3離子交換操作設備5.4離子交換水質(zhì)軟化方法與系統(tǒng)5.5離子交換水質(zhì)除鹽方法與系統(tǒng)5.1離子交換基本原理離子交換樹脂概念離子交換樹脂分類離子交換樹脂命名與型號一、離子交換樹脂概念

離子交換樹脂是由空間網(wǎng)狀結(jié)構骨架（母體）與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。

活性基團遇水電離，水解形成：1）固定部分2）活動部分活動部分能在一定空間移動，并與周圍其它同性離子發(fā)生交換反應。稱為可交換離子。5.1離子交換基本原理離子交換法及其原理離子交換法利用固相離子交換劑功能基團所帶的可交換離子，與接觸交換劑的溶液中相同電性的離子進行交換反應，以達到離子置換、分離、去除、濃縮等目的。以R-SO3-H+為例，R，為母體;-SO3-H+為活性基團，H+為活性基團可交換離子，有時可進一步簡化為R-H+。二、離子交換樹脂分類離子交換劑的種類三、離子交換樹脂命名與型號分類名稱：強酸型\強堿型\等；骨架名稱：本體的材料，如苯乙烯系等；基本名稱：陽離子交換樹脂等；如-強酸苯乙烯陽離子交換樹脂為了方便，人們給各種樹脂進行編號{}{}{}×{}第1個，數(shù)字表示活性基團代號第2個，數(shù)字表示骨架代號第3個，數(shù)字表示順序代號第4個，數(shù)字表示交聯(lián)度如：001×7；D311，D201分類、骨架代號見表9-45.2離子交換樹脂的性質(zhì)基本性質(zhì)離子交換平衡離子交換速度樹脂層離子交換過程離子交換樹脂的再生原理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5.2離子交換樹脂的性質(zhì)一、基本性質(zhì)1．外觀2．交聯(lián)度3．含水率4．溶脹性5．密度6．有效PH值范圍7．交換容量8．離子交換樹脂的選擇性離子交換劑

2．交聯(lián)度：取決于生產(chǎn)過程，表示母體中交聯(lián)劑的含量，以7~10%為宜，對于苯乙烯系樹脂，二乙烯苯就是交聯(lián)劑。3．含水率概念：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%）意義：樹脂的含水率相應地反映了樹脂網(wǎng)架中的孔隙率：交聯(lián)度越小，孔隙率越大，含水率越大。4．溶脹性干樹脂+水→濕樹脂體積脹大絕對溶脹度5．密度濕真密度通常1.3mg/l，用于確定反洗強度與膨脹率；濕視密度通常0.6-0.85mg/l，用于確定所需樹脂的體積6．有效PH值范圍由于樹脂活性基團分為強酸、強堿、弱酸、弱堿性，水的pH值勢必對其交換容量產(chǎn)生影響。表各種類型樹脂有效pH值范圍樹脂類型強酸性弱酸性強堿性弱堿性有效pH值范圍1~145~141~120~7單位數(shù)量離子交換樹脂具有離子交換基團的數(shù)量，是樹脂最重要的性能，表示樹脂交換能力的大小。以體積和重量兩種表示方式。mmol/g，mmol/L1）全交換容量：2）平衡交換容量：3）工作交換容量：實際工作條件下的，全交換容量的60－70％1）全交換容量：（1）定義：一定量的樹脂所具有的活性基團或可交換離子的總量。代表交換能力的大小（2）測定方法：滴定測定與理論上計算7．交換容量與水中離子種類、樹脂交換基團的性能有很大關系，同時也受離子濃度和溫度的影響。在常溫和低濃度時：*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->HSiO3-8．離子交換樹脂的選擇性*H＋和OH－的交換選擇性與樹脂交換基團酸、堿性的強弱有關。對于強酸陽樹脂：H+>Li+而對于弱酸陽樹脂：H+>Fe3+對于強堿：OH->HCO3-對于弱堿：OH->SO42-二、離子交換平衡選擇系數(shù)用離子濃度表示：二階對一階離子交換反應通式為：三、離子交換速度

膜擴散和孔道擴散何者影響最大？何者為控制步（慢者控制離子交換反應的速度）？

(1)

濃度：濃度大于0.1mol/l時，孔道擴散為控制步．濃度小于0.003mol/l時，膜擴散成為控制步，介于中間則取決于具體情況．(2)

流速或攪拌速率：大，則水膜?。U散快．但孔道擴散基本不受影響．(3)樹脂粒徑：膜擴散，速度與粒徑成反比．孔道擴散，速度與粒徑２次方成反比．(4)

交聯(lián)度：交聯(lián)度對于孔道擴散影響比對膜擴散更為顯著．四、樹脂層離子交換過程離子交換反應的逆過程：

陽樹脂：2R-SO3H+Ca2+R2Ca+2H+，2RNa+Ca2

+R2Ca+2Na+，

陰樹脂：R-OH+ClRCI+OH-R-OH+SO42-R2SO4+OH-將飽和樹脂放入相應的濃溶液中。五、離子交換樹脂的再生原理離子交換劑的特點

（1）交換作用嚴格按等當量進行（2）交換作用具有可逆性（3）交換劑對交換離子有選擇性離子交換樹脂的選擇性是廢水處理中選擇樹脂和確定處理工藝的主要依據(jù)之一。離子交換法工藝過程（一）交換階段利用離子交換樹脂的交換能力，從廢水中分離脫除需要去除的離子。（二）反沖洗階段（三）再生階段（四）清洗階段

目的是松動樹脂，使再生液能均勻滲入層中，與交換劑顆粒充分接觸；把過濾過程中產(chǎn)生的破碎粒子和截留的污物沖走。

洗滌殘留的再生液和再生時可能出現(xiàn)的反應產(chǎn)物。5.3離子交換的操作設備離子交換設備分類離子交換設備構造逆流再生固定床的運行過程閥系統(tǒng)及其控制程序運行參數(shù)5.3離子交換的操作設備一、離子交換設備分類離子交換設備

固定床床層固定不變，水流由上而下流動。固定床離子交換器離子交換設備

固定床移動床床層固定不變，水流由上而下流動。工作時，定期從交換柱排出部分失效樹脂，送到再生柱再生，同時補充等量的新鮮樹脂參與工作。移動床離子交換器離子交換設備

固定床移動床流動床床層固定不變，水流由上而下流動。工作時，定期從交換柱排出部分失效樹脂，送到再生柱再生，同時補充等量的新鮮樹脂參與工作。交換樹脂在連續(xù)移動中實現(xiàn)交換和再生。流動床離子交換器1．順流再生特點：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。固定床最為常見，按再生液與水溶液的流向，又可分為順流再生床與逆流再生床。2．逆流再生

特點：⑴再生效果好，耗量可降低20%以上；⑵出水水質(zhì)明顯提高；⑶原水水質(zhì)適應范圍擴大，對硬度較高原水仍能保證出水水質(zhì)；⑷再生廢液中再生劑有效濃度低；⑸工作交換容量提高；⑹操作較復雜。再生效果好及劑量低等二、離子交換設備構造三、逆流再生固定床的運行過程

1.制水2.小反洗3.放水4.進再生液5.反洗6.正洗序程序控制措施1運行開進水閥A11，與出水閥A172小反洗開小反洗進水閥A15，與反洗排水閥A123放水開A164再生開進酸閥A18，與排酸閥A165置換開反洗進水閥13，與排酸閥A166反洗開反洗進水閥13，與反洗排水閥A127正洗開進水閥A11，與正洗排水閥A14四.閥系統(tǒng)及其控制程序五.運行參數(shù)1.制水，運行流速15-20m/h；2.小反洗流速5-10m/h，時間10-15min；3.再生液流速，5m/h,時間50min；4.置換：流速5-10m/h，出水酸度小于3-5mmol/l，或堿度小于0.5mmol/l，時間一般5-10m/h；5.正洗：10-15m/h，時間10-15min。再生液配制與消耗：再生劑再生劑比耗（g/mol）再生液濃度（%）NaCl80-1003-5HCl50-551.5-3H2SO4700.8-2.0NaOH60-651-35.4離子交換軟化方法與系統(tǒng)鈉離子交換法氫離子交換法氫-鈉離子交換法再生附屬設備一、鈉離子交換法

水中的Ca2+、Mg2+交換到樹脂上，鈉離子進入水中，而鈉鹽的溶解度很大，不會沉淀析出，達到軟化目的。再生：經(jīng)軟化過程后，樹脂為Ca2+、Mg2+型樹脂，需再生，恢復能力：缺點：在鍋爐給水中，往往在軟化的同時，要求堿度也降低，否則，軟化中生成的NaHCO3在加熱時有如下反應：二、氫離子交換脫堿軟化法交換下來的H+與水中原有的陰離子結(jié)合成酸——不單獨使用碳酸鹽硬度產(chǎn)生的H2CO3分解被去除——脫堿H＋離子交換軟化法過程曲線開始時出水呈酸性。Na＋開始泄漏時，出水酸度急劇下降。之后，RH交換轉(zhuǎn)變?yōu)镽Na型運行模式，對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為：H＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋三、H－Na并聯(lián)及串聯(lián)：⑴并聯(lián)：⑵串聯(lián)：串聯(lián)與并聯(lián)相比的特點：四、再生附屬設備1．食鹽系統(tǒng)2．酸系統(tǒng)3．除二氧化碳器四、再生附屬設備1．食鹽系統(tǒng)

2．酸系統(tǒng)再生劑用量計算：

再生劑用量（用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）q:樹脂工作交換容量(mol/L)；

MB再生劑摩爾質(zhì)量；

再生1mol所需質(zhì)量：R＝n·MBG＝q·R＝q·n·MB（g/L）3.除二氧化碳器CO2具有腐蝕性，并增加強堿樹脂負荷，且一般為H床后：（1）原理：（2）除二氧化碳器的構造、填料和計算：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F-瓷環(huán)面積結(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⑵水封高度大于風壓⑶進風口高于水面距離＞25cm，伸入內(nèi)壁，防止水濺入風口⑷通風管有一定坡向水面的坡度⑸防止出水管不通，使水漫入鼓風機⑹設備防腐1）構造：2）填料：常用瓷環(huán)204m2/m3空隙率74%5.5離子交換除鹽方法與系統(tǒng)水的純度概念陰離子交換樹脂的特性弱堿陰離子交換樹脂的特性離子交換除鹽方法與系統(tǒng)5.5離子交換除鹽方法與系統(tǒng)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，強電解質(zhì)大部分被去除（普通蒸餾水）250C電阻率0.1～1.0×106Ω·cm

3.純水：去離子水，含鹽量為＜０.１mg／Ｌ，強電解質(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，溶解氣體和有機物等亦去除到最低的程度。

含鹽量＜0.1mg/L，250C，＞10×106Ω·cm

一、水的純度概念1）強堿性陰樹脂對水中各種陰離子的交換選擇特性不同，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，則選擇性愈好；（3）還與離子交換基團的性質(zhì)有關；（4）強酸性選擇性好。2）強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（幾乎不能進行）3）陰樹脂的化學穩(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：二、陰離子交換樹脂的特性4）強堿性樹脂抗有機物的能力較差，特別是凝膠型強堿性陰樹脂，由于孔道分布不均，故容易堵塞。

強堿性樹脂被有機物污染后，交換容量下降，正洗水量增加，出水導電率增加。5）強堿性陰樹脂的運行過程1）交換容量大：可做強堿陰床前的預處理2）抗有機污染強，吸附后容易洗脫：可做強堿陰床前的預處理3）出水呈堿性，NaHCO3，NaHSiO3存在，SO42-泄露；出水呈酸性，Cl-首先泄漏。三、弱堿陰離子交換樹脂的特性四、離子交換除鹽方法與系統(tǒng)1.復床除鹽2.混合床除鹽3.氫型精處理器4.離子交換雙層床1．復床除鹽：（復床系指陰、陽離子交換器串聯(lián)使用，達到水的除鹽目的）1）一級復床除鹽強酸——脫氣——強堿系統(tǒng)一級復床出水的特點：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，電導率會升高。陰床設在陽床之后（為什么？）：2）強堿——弱堿——脫氣系統(tǒng)3）強酸——脫氣——弱堿——強堿系統(tǒng)

適合于原水強酸陰離子含量較大H2SO4弱堿用于去除強酸陰離子HCl強堿用于去除其它陰離子原理：陰陽離子裝在一個床內(nèi)，使用時均勻混合，構成無數(shù)微型復床，反復脫鹽，故其出水電率可達5～10×106Ω·Cm。

RH+ROH+NaCl→RNa+RCl+H2O優(yōu)點：①陰、陽離子交換反應幾乎同時進行;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（強堿出水呈堿性，強酸出水呈酸性）;④失效終點分明;⑤設備小.2．混合床除鹽

1）原理與特點：缺點：①再生時，難以徹底分層;②混合床對有機物敏感，陰樹脂變質(zhì)后，出水水質(zhì)惡化，下降;③一般常需進行預處理（混凝、沉淀、活性炭吸附）;④再生操作復雜.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：2）混合床離子交換器裝置及再生方式

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，電阻率大于5×105Ω·cm，即可運行。

3）高純水制備與終端處理：

強酸——脫氣——強堿——混合床系統(tǒng)

使用前終端處理有：紫外線，精制混床，超濾。強酸——脫氣——強堿——強酸能徹底去除Na，出水水質(zhì)好；流速高100m/h；不能除Si，因而只有復床出水水質(zhì)達到規(guī)定要求時，取代混合床提純水質(zhì)。3.氫型精處理器：1)陽離子交換雙層床2)陰離子交換雙層床4.離子交換雙層床：采用逆流再生，耗酸量相當于全部是陽樹脂來說從3倍降到1.1倍理論值。適應于：原水硬度=堿度的水，或硬度略大于堿度的水。1)陽離子交換雙層床2)陰離子交換雙層床優(yōu)點：（1）逆流再生，堿耗量低，理論值的1.1倍。強堿是理論值的3～4倍（2）交換容量提高，出水量增加。（3）適應的含鹽量范圍可提高。（4）出水水質(zhì)好。缺點：要求再生條件嚴格，否則會出現(xiàn)如下現(xiàn)象，大量膠體硅（甚至膠凍）聚積在弱堿樹脂上，使出水水質(zhì)嚴重惡化。