水處理課件-離子交換

第12章離子交換12.1離子交換基本原理12.2離子交換軟化方法與系統(tǒng)12.3離子交換軟化設(shè)備及其計(jì)算12.4離子交換除鹽方法與系統(tǒng)12.1離子交換基本原理12.1.1離子交換樹脂的類型及命名12.1.1.1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12.1.1.2命名

12.1.2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12.1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1~145~141~120~712.1.3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：12.1.4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(shí)，孔道擴(kuò)散為控制步．濃度小于0.003mol/l時(shí)，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?。U(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．12.1.5樹樹脂層離子交換過過程12.1.6樹脂脂的再生再生液與水流方向向相同1．順流再生特點(diǎn)：⑴上部再再生程度高，下部部差，越是下部越越差⑵再生劑耗量大大，2～3倍理論論值時(shí)，效果仍不不理想⑶出水剩余硬度度高⑷交換器失效早早，降低工作效率率，工作交換容量量降低⑸適合于硬度較較低的場合2．逆流再生再生液飽和程度特點(diǎn)：⑴再生效效果好，耗量可降降低20%以上低⑵⑵出水水質(zhì)明明顯提高↓⑶⑶原水水質(zhì)適應(yīng)應(yīng)范圍擴(kuò)大，對硬硬度較高原水仍能能保證出水水質(zhì)中⑷⑷再再生廢液中再生生劑有效濃度低↓⑸⑸工工作交換容量提提高高⑹⑹操操作較復(fù)雜從而而使底部再生效果果好及劑量低等3．移動(dòng)床：再生生液向下流，水流流向上流的方式適適用：處理水量量穩(wěn)定，且不間斷斷運(yùn)行12.2離子子交換軟化方法與與系統(tǒng)12.2.1離子子交換軟化系統(tǒng)選選擇1．Na＋離子交換軟化法2．H＋離子交換軟化法3．H－Na串聯(lián)聯(lián)及并聯(lián)：⑴并聯(lián)：12.2.2離子子交換樹脂的交換換容量1．交換容量：1）全交換容量（1）定義：一定定量的樹脂所具有有的活性基團(tuán)或可可交換離子的總量量代表交換能力的大大?。?）測定方法：：滴定測定與理論論上計(jì)算12.3離子交換換軟化設(shè)備及其計(jì)計(jì)算12.3.1逆流流再生固定床再生液飽和程度特點(diǎn)：⑴再生效效果好，耗量可降降低20%以上低⑵⑵出水水水質(zhì)明顯提高↓⑶⑶原水水水質(zhì)適應(yīng)范圍擴(kuò)擴(kuò)大，對硬度較高高原水仍能保證出出水水質(zhì)中⑷⑷再生廢廢液中再生劑有效效濃度低↓⑸⑸工作交交換容量提高高⑹⑹操作較較復(fù)雜從而使底部再生效效果好及劑量低等等為何能降低出水硬硬度（以H型樹脂與含含鈉鹽進(jìn)行交換為為例，即能降低鈉鈉的泄漏）逆流再生操作步驟驟：⑴小反洗⑵放水⑶頂壓→使使床不亂（（為何需頂頂壓，順流時(shí)是否否需頂壓）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向沖洗：逆流再生要用軟化化水清洗，否則底底層已再生好的樹樹脂在清洗過程中中又被消耗，導(dǎo)致致出水質(zhì)量下降，，失去了逆流再生生的特點(diǎn)。逆流再生固定床的的再生劑耗量與再再生液濃度再生劑耗量(g/mol)濃度(%)NaCl80～1005～8HCl50～551.5～3NaOH55～651～3鈉離子交換器順流流、逆流再生鹽耗耗量和出水水質(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12474.6401.310~16<312.3.2再生生附屬設(shè)備1．食鹽系統(tǒng)2．酸系統(tǒng)3．再生劑用量計(jì)計(jì)算：再生劑用量G表示示單位體積樹脂所所消耗的純再生劑劑量（g/L，kg/m3）比耗：nmol/mol（再生劑劑/工作交換換容量）再生1mol所需需質(zhì)量：R＝n··MB再生劑摩爾質(zhì)量G＝q·R＝q··n·MB（g/L）q:樹脂工作交換換容量每臺(tái)離子交換器再再生一次所需要再再生劑的總量等于于：式中α——工業(yè)用用酸或鹽的濃度或或純度，%12.3.3除二二氧化碳器1．原理：CO2具有腐蝕性性，并增加強(qiáng)堿樹樹脂負(fù)荷，且一般般為H床后：2．構(gòu)造和計(jì)算：：1）構(gòu)造：2）填料：常用用瓷環(huán)204m2/m3空隙率74%3）計(jì)算：G＝KF△Ckg／hG——單位時(shí)間能能夠去除CO2的的量（能力）K——解吸系數(shù)數(shù)單位時(shí)間、、單位接觸面積、、單位推動(dòng)力下去去除的CO2的數(shù)量瓷環(huán)面積單位時(shí)間需去除量量：求F——瓷環(huán)面積積（1）求體積VV＝F/E（３）風(fēng)量20～30m3/m3（水）瓷瓷環(huán)環(huán)阻力0.3～0.5KPa／／m，據(jù)風(fēng)量，風(fēng)壓選風(fēng)風(fēng)機(jī)其其它局部阻阻力0.4KPa結(jié)論：⑴K———解析系數(shù)，溫度度高則其值大，CO2溶解度低，，冬天鼓熱風(fēng)⑵水封高度大于于風(fēng)壓⑶進(jìn)風(fēng)口高于水水面距離＞25cm，伸入內(nèi)壁，，防止水濺入風(fēng)口口⑷通風(fēng)管有一定定坡向水面的坡度度⑸防止出水管不不通，使水漫入鼓鼓風(fēng)機(jī)⑹設(shè)備防腐12.3.4固定定床軟化系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)算物料平衡關(guān)系式：：Fh·q＝＝QT·HtQ＝ηqo＝{ηr－（1－ηs）}qoη：樹脂實(shí)際利用用率ηr：樹脂再生程度，，再生度ηs：樹脂飽和程度，，飽和度12.4離子交換換除鹽方法與系統(tǒng)統(tǒng)12.4.1水的的純度概念電阻率：1cm××1cm×1cm體積的水所測得得的電阻（Ω·cm）1.淡化水：生生活及生產(chǎn)用的淡淡水2.脫鹽水：含含鹽量為1～5mg/l，強(qiáng)電解解質(zhì)大部分被去除除（普通蒸餾水）250C電阻率0.1～1.0××106Ω·cm3.純水：去離離子水，含鹽量為為＜０.１mg／／Ｌ，強(qiáng)電解質(zhì)絕絕大部分被去除，，弱電解質(zhì)也去除除到一定程度250C，0.1～1.0×106Ω·cm。４.高純水：超純純水，導(dǎo)電介質(zhì)幾幾乎已全部被去除除，水中膠粒，微微生物，溶解氣體體和有機(jī)物等亦去去除到最低的程度度。含鹽量＜0.1mg/L，250C，＞10×106Ω·cm12.4.2陰離離子交換樹脂的特特性1．強(qiáng)堿性陰樹樹脂的工業(yè)特性（（ROH）ROH+H2SO4→RHSO4+H2O①①2ROH+H2SO4→R2SO4+2H2O②ROH+HCl→→RCl+H2OROH+H2CO3→RHCO3+H2OROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O式①和式②一般同同時(shí)進(jìn)行,但當(dāng)［［H2SO4］＞［ROH］中中OH-濃度時(shí)，，①占優(yōu)勢，低濃濃度時(shí)②占優(yōu)勢。。R2SO4+H2SO4→2RHSO4-可以進(jìn)行，樹脂由由R2SO4變成RHSO4型。1）強(qiáng)堿性陽樹樹脂對水中各種陰陰離子的交換選者者性也是不同的，，一般順序?yàn)椋篜O43—＞SO42—＞NO3—＞Cl—＞OH—＞F—＞HCO3—＞HSIO3—（1）電荷愈多，，選擇性愈好（2）相同電荷時(shí)時(shí)，原子序數(shù)愈高高，水合半徑愈小小，則選者性愈好好（3）還與離子交交換基團(tuán)的性質(zhì)有有關(guān)（4）強(qiáng)酸性選擇擇性好2）強(qiáng)堿性陽樹樹脂對水中各種陰陰離子的交換順序序如上，從而可得得：ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH（（幾乎不能進(jìn)行））除鹽系統(tǒng)相應(yīng)通過過強(qiáng)酸性陽樹脂，，而不應(yīng)通過Na床，且通過H型型樹脂應(yīng)減少漏鈉鈉量ROH+H2SiO3→RHSiO3+H2OH2O電離度極小3）陰樹脂的化化學(xué)穩(wěn)定性一般要要比陽樹脂差，（（600C~800C），易受氧化劑劑的影響而變質(zhì)如水中存在氧化劑劑時(shí)，則會(huì)使：4）強(qiáng)堿性樹脂抗抗有機(jī)物的能力較較差，特別是凝膠膠型強(qiáng)堿性陰樹脂脂，由于孔道分布布強(qiáng)堿性樹脂被有機(jī)機(jī)物污染后，交換換容量下降，正洗洗水量增加，出水水導(dǎo)電率增加。樹脂孔道大小不一一，水中的一些有有機(jī)物（如腐殖酸酸等）在樹脂顆粒粒內(nèi)交聯(lián)緊密部位位會(huì)被卡住，時(shí)間間一長，把該部分分交換基團(tuán)遮蓋住住，從而該部分基基團(tuán)不能進(jìn)行反應(yīng)應(yīng)。同時(shí)卡住有機(jī)機(jī)酸后，相當(dāng)于在在樹脂的骨架上引引入了弱酸基團(tuán)（（-COOH）。。用堿再生時(shí)：R-COOH+NaOH→RCOONa+H2O正洗和反應(yīng)時(shí)：R-COONa+H2O→RCOOH+NaOH從而正洗水量大大大增加，同時(shí)由于于正洗時(shí)陰離子與與ROH發(fā)生交換換，從而使運(yùn)行時(shí)時(shí)交換容量低。5）強(qiáng)堿性陰樹脂脂的運(yùn)行過程①．當(dāng)清洗水排水水溶解固體等于進(jìn)進(jìn)水總?cè)芙夤腆w時(shí)時(shí)，將清洗水循環(huán)環(huán)回收。②．清洗水回收，，剛洗好，就是因因?yàn)闃渲艿轿廴救綬COONa+H2O→RCOOH+NaOH（剛開始出水時(shí)，，電導(dǎo)率會(huì)增加，，所以需連續(xù)清洗洗，知道出水達(dá)到到要求，這就是清清洗水回收階段））6）除Si求：①出水呈酸性；②②進(jìn)水漏鈉量量低；③再生生條件高，提高溫溫度至（40-500C）有利于再生的的進(jìn)行。2．弱.堿樹脂的的工藝特性：R=NH2-OHR-NH3OH仲胺型伯伯胺型1）.交換換能力差，，不能吸附附弱酸陰離離子。只能吸附強(qiáng)強(qiáng)酸陰離子子：2R-NH3OH+H2SO4→（R-NH3）2SO4+2H2OPH值（0～7））R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2OPH值值（0～7）2R-NH3-OH+Na2SO4→2（R-NH3）2SO4+2NaOH（（不能進(jìn)行行）因?yàn)镻O43-＞SO42-＞NO3-＞Cl-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-2）.生容容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可，，實(shí)際值是是理論值的的1.2～～1.4倍倍。3）.交換換容量大可可做強(qiáng)堿堿陰床前的的預(yù)處理4）.抗有有機(jī)污染強(qiáng)強(qiáng)，吸附后后容易洗脫脫可可做強(qiáng)堿堿陰床前的的預(yù)處理5）.出水水呈堿性，，NaHCO3，NaHSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸酸性.Cl-,首先泄漏漏。12.4.3離子交交換除鹽方方法與系統(tǒng)統(tǒng)1．復(fù)床除除鹽：（復(fù)復(fù)床系指陰陰、陽離子子交換器串串聯(lián)使用，，達(dá)到水的的除鹽目的的）1）一級復(fù)復(fù)床除鹽強(qiáng)強(qiáng)酸———脫氣———強(qiáng)堿系統(tǒng)統(tǒng)一級復(fù)床出出水的特點(diǎn)點(diǎn)：①．呈弱堿堿性PH=8～～9.5（（陽床微微量Na泄泄漏）②.出出水電阻率率0.1～1.0×106Ω*CM脫脫鹽水（普普通蒸餾水水）③.如如果陽床泄泄漏Na過過量的話，，電導(dǎo)率會(huì)會(huì)升高。因而關(guān)鍵是是控制陽床床的Na泄泄露，另外外除硅時(shí)，，可采用熱熱堿液再生生。陰床設(shè)在陽陽床之后（（為什么？？）：2）強(qiáng)堿———弱堿———脫氣系系統(tǒng)事實(shí)上脫氣氣放在后面面是因?yàn)椴刹捎肗aCO3，NaHCO3再生時(shí)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生CO2氣體，否則則采用NaOH再生生時(shí)可放在在前面后面面都行。①．出水呈呈酸性6～6.8②.不能能除Si③.電阻阻率5××104達(dá)不到脫鹽鹽的標(biāo)準(zhǔn)3）強(qiáng)酸———脫氣———弱堿———強(qiáng)堿系系統(tǒng)適合于原水水強(qiáng)酸陰離離子含量較較大H2SO4弱堿用于去去除強(qiáng)酸陰陰離子HCl強(qiáng)堿用于去去除SiSiO32-采用串聯(lián)再再生法，用用NaOH再生，可可適當(dāng)提高高溫度。2．混合床床除鹽1）原理與與特點(diǎn)：陰陽離子裝裝在一個(gè)床床內(nèi)，使用用時(shí)均勻混混合，構(gòu)成成無數(shù)微型型復(fù)床，反反復(fù)脫鹽，，故其出水水電率可達(dá)達(dá)5～10×106Ω·Cm。。RH+ROH+NaCl→→RNa+RCL+H2O混合床的特特點(diǎn)：①.陰、、陽離子交交換反應(yīng)幾幾乎同時(shí)進(jìn)進(jìn)行②.出水水呈中性，，出水水質(zhì)質(zhì)穩(wěn)定，純純度高（用用于制純水水，超純水水）③.不存在在反離子（（強(qiáng)堿出水水呈堿性，，強(qiáng)酸出水水呈酸性））④.失效終終點(diǎn)分明⑤.設(shè)備備小缺點(diǎn)：①.再生生時(shí)，難以以徹底分層層。②.混合合床對有機(jī)機(jī)物敏感，，陰樹脂變變質(zhì)后，出出水水質(zhì)惡惡化，下降降③.一般般常需進(jìn)行行預(yù)處理（（混凝、沉沉淀、活活性炭吸附附）④.再生生操作復(fù)雜雜交叉污染：：部分陽樹樹脂混合在在陰樹脂層層時(shí)，經(jīng)堿堿液再生，，這部分陽陽樹脂轉(zhuǎn)為為Na型，，造成運(yùn)行行后Na+泄漏。三層混合床床：（為了了有利于分分層）中間間另裝10～15cm惰性樹樹脂使其分分層徹底。。2）混合合床離子交交換器裝置置及再生方方式a.裝裝置b.再再生再生方法有有體內(nèi)再生生和體外再再生體內(nèi)再再生又分為為酸、堿同同時(shí)再生和和酸、堿分分別再生，，現(xiàn)以酸、、堿分別再再生為例。。步驟：1、、反洗分層層2、陰樹脂脂再生3、陰樹脂脂正洗4、陽樹脂脂再生5、陽樹脂脂清洗6、混合7、最后正正洗至PH≈7，電電阻率大于于5×105Ω·cm，即可可運(yùn)行。3).高高純水制備備與終端處處理：強(qiáng)酸——脫脫氣——強(qiáng)強(qiáng)堿——混混合床系統(tǒng)統(tǒng)使用前終端端處理有：：紫外線，，精制混床床，超濾。。3.氫型精精處理器：：強(qiáng)酸——脫脫氣——強(qiáng)強(qiáng)堿——強(qiáng)強(qiáng)酸能徹底去除除Na，出出水水質(zhì)好好，流速高100m/h不能除Si，因而只只有復(fù)床出出水水質(zhì)達(dá)達(dá)到規(guī)定要要求時(shí)，取取代混合床床提純水質(zhì)質(zhì)。4.離子交交換雙層床床：陽離子交換換雙層床陰離子交換換雙層床1)陽離離子交換雙雙層床采用逆流再再生，耗酸酸量相當(dāng)于于全部是陽陽樹脂來說說從3倍降降到1.1倍理論值值。適應(yīng)于：原原水硬度=堿度的水水，或硬度度略大于堿堿度的水。。2)陰離離子交換雙雙層床（1）.逆逆流再生生，堿耗量量低，理論論值的1.1倍。強(qiáng)強(qiáng)堿是理論論值的3～～4倍（2）.交交換容量量提高，出出水量增加加。（3）.適適應(yīng)的含鹽鹽量范圍可可提高。（4）.出出水水質(zhì)好好。缺點(diǎn)：要求求再生條件件嚴(yán)格，否否則會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)如下現(xiàn)象象，大量膠膠體硅（甚甚至膠凍））聚積在弱弱堿樹脂上上，使出水水水質(zhì)嚴(yán)重重惡化。原因：再生生時(shí)：下層層強(qiáng)堿樹脂脂：在NaOH存在的情情況下，以以Na2SiO3，Na2CO3存在。