建筑給排水水處理離子交換

第8章離子交換18.1離子交換概述離子交換是一類特殊的固體吸附過程，一般是一種不溶于水的固體顆粒狀物質(zhì)，它能夠從電解質(zhì)溶液中吸取某種陽離子或陰離子，而把本身所含的另外一種帶相同電荷符號的離子等當(dāng)量地交換下來并釋放到溶液中。離子交換劑包括：無機(jī)離子交換劑、磺化煤和有機(jī)合成離子交換樹脂等。無機(jī)離子交換劑主要為弱酸性陽離子交換劑，少量為弱堿性陰離子交換劑。常見有沸石、綠砂和磺化煤。沸石：鋁硅酸鹽類，空間晶格形態(tài)，交換容量小不能吸取尺寸較大的離子；綠砂：鐵鋁硅酸鹽類，無定形凝膠體，交換容量不大；磺化煤：對褐煤、無煙煤磺化處理含有大量磺酸基團(tuán)，兼有強(qiáng)酸性和弱酸性兩種活性基團(tuán)的陽離子交換劑離子交換樹脂1.有機(jī)合成離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)2.有機(jī)合成離子交換樹脂的分類1）按活性基團(tuán)性質(zhì)分類凡與溶液中陽離子進(jìn)行交換反應(yīng)在的樹脂稱為陽離子交換樹脂；H+及金屬離子凡與溶液中陰離子進(jìn)行交換反應(yīng)在的樹脂稱為陰離子交換樹脂；OH-及酸根離子陽離子交換樹脂強(qiáng)弱順序：R-SO3H＞R-CH2SO3H＞R-PO3H2

＞R-COOH＞R-OH磺酸基次甲基磺酸基磷酸基羧酸基酚基陰離子交換樹脂強(qiáng)弱順序：R≡N+OH-

＞R-NH3+OH-＞R=NH2+OH-＞R≡NH+OH-季胺基伯胺基仲胺基叔胺基2）按結(jié)構(gòu)特征分類凝膠型（均相高分子凝膠結(jié)構(gòu)）、大孔型（形成大量毛細(xì)孔道，有利去除高分子有機(jī)物）均孔型樹脂（改良型大孔樹脂）3）按單體種類分類3.離子交換樹脂的命名

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《離子交換樹脂產(chǎn)品分類、命名及型號》而制定，名稱：由分類名稱、骨架（或基團(tuán)）名稱、基本名稱依次排列型號：以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，第一位產(chǎn)品分類，第二位骨架組成，第三位為順序號例：常用的強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂001×7

大孔型弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂型號：D1114.幾種常見的離子交換樹脂陽離子交換樹脂：苯乙烯磺酸型：現(xiàn)用最廣泛一種，用苯乙烯和二乙烯苯催化共聚反應(yīng)制得白球，再引入可交換離子的-SO3H基團(tuán)；苯酚磺酸型：苯酚和甲醛經(jīng)縮聚合成，合成時(shí)硫酸處理導(dǎo)入磺酸基，各性能較苯乙烯型差，但制造簡單。丙烯酸系羧酸型：基體是丙烯酸甲酯和二乙烯苯共聚而成，在濃氫氧化鉀溶液作用下水解。陰離子交換樹指：季胺型：母體聚苯乙烯，處理導(dǎo)入胺基-N(CH3)3+,交換容量約為1000-1200mmol/l，-OH-基很活潑，屬強(qiáng)堿性陰離子型。弱堿型：苯乙烯型和丙烯酸型交換樹脂合成導(dǎo)入胺基。150-2000mmol/l離子交換樹脂的性質(zhì)

1)物理性質(zhì)

1．外觀粒徑0.3～1.2mm苯乙烯系均為淡黃，其它有赤褐色、黑色等凝膠型呈透明或半透明球狀顆粒，大孔型呈不透明狀態(tài)。

2．粒度樹脂粒度大交換速度慢;粒度小,樹脂的交換能力大,但水流阻力大,反洗時(shí)清除截留的懸浮雜質(zhì)困難.需保證一定均一系數(shù)(d40/d90=k40)3、交聯(lián)度指交聯(lián)劑在離子交換樹脂內(nèi)的重量百分含量。以7-10%為宜。4．密度5．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6．溶脹性和轉(zhuǎn)型體積改變率干樹脂+水→濕樹脂體積脹大絕對溶脹度樹脂由一種離子型轉(zhuǎn)為另一種離子型時(shí)體積發(fā)生改變，改變百分?jǐn)?shù)為轉(zhuǎn)型體積改變率。7、耐磨性影響其實(shí)用性能指標(biāo)之一，一般年耗損應(yīng)不超過3-7%。2)化學(xué)性質(zhì)1、酸堿性.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8.1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0~144~140~140~72、選擇性一般化合價(jià)越大的離子被交換的能力越強(qiáng)；在同價(jià)離子中則優(yōu)先交換原子序數(shù)大的離子。同樣也影響離子交換樹脂的再生過程。3、交換容量一定數(shù)量的離子交換樹脂所具有的可交換離子的數(shù)量稱為交換容量。1）全交換容量單位質(zhì)量的離子交換樹脂中全部離子交換基團(tuán)的數(shù)量。滴定法測定2）工作交換容量實(shí)際工作中的容量，在一定的工作條件以及水質(zhì)條件下，一個(gè)固定周期中單位體積樹脂實(shí)現(xiàn)的離子交換容量。4、熱穩(wěn)定性在受熱情況下，離子交換樹脂保持理化性能不變的能力。弱酸性陽離子交換樹脂熱穩(wěn)定性相對來說最高。弱酸性〉強(qiáng)酸性〉弱堿性〉Ⅰ型強(qiáng)堿性〉Ⅱ型強(qiáng)堿性8.2離子交換反應(yīng)8.2.1離子交換平衡一價(jià)對一價(jià)交換選擇系數(shù)大于1，說明該樹脂對B+的親合力大于對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：一階對兩階離子交換反應(yīng)通式為：離子交換動(dòng)力學(xué)過程及交換速度控制離子交換反應(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，則水膜薄．膜擴(kuò)散快，但孔隙擴(kuò)散基本不受影響．(3)

樹脂粒徑、空隙度：膜擴(kuò)散速度與粒徑、空隙度成反比；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．（5）溶液的溫度：與液膜擴(kuò)散和孔道擴(kuò)散速度成正比。固定床離子交換過程8.3離子交換裝置及運(yùn)行操作裝有離子交換劑的交換器稱為離子交換床;離子交換裝置種類很多,一般可分為固定床式離子交換器和移動(dòng)床式交換器兩大類,最廣泛應(yīng)用的為固定床式.固定床式離子交換器按其水和再生液的流動(dòng)方向分為:順流再生式、逆流再生式、分流再生式，詳細(xì)介紹前兩種。1、順流再生離子交換器再生液與水流方向相同運(yùn)行周期五步：反洗，進(jìn)再生液，置換，正洗，制水。P257圖8-8、7順流再生離子交換器運(yùn)行失效后、再生前和再生后的樹脂層態(tài)圖8-9（a)最下部樹脂的交換容量未利用,存在H型樹脂

(b)經(jīng)過反洗后各離子型樹脂在床層中基本呈均勻分布狀態(tài)

(c)由上而下再生度降低,下部未得到再生主要是Ca,Mg型樹脂也有少量Na型其特點(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(shí)，效果仍不理想⑶交換器失效早，降低工作效率，工作交換容量降低⑷出水剩余硬度高，適合于水質(zhì)較好，硬度較低，Na+值較低的水質(zhì)⑸對經(jīng)濟(jì)性要求不高的小容量除鹽裝置。2．逆流再生離子交換器

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(shí)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小正洗(7)正洗(流速10-15m/h,直到合格為止)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)。逆流再照生固定枝床的再暗生劑耗惠量與再向生液濃坦度再生劑耗量(g/mol)濃度(%)NaCl80～1005～8HCl50～551.5～3NaOH55～651～3鈉離子騾交換器鹽順流、丘逆流再肢生鹽耗妖量和出鼻水水質(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<3特點(diǎn)：⑴軍再生效果好，耗量遣可降低20聰%以上⑵紛出水水質(zhì)明扣顯提高⑶臨原水帝水質(zhì)適應(yīng)衣范圍斃大，對硬糧度較高挑原水仍龜能保吧證礦出打水水質(zhì)⑷再委生廢液鴉中再生檢劑有效濃燙度低⑸掀工作交換容慚量提高⑹祝操作跪較復(fù)蘭雜從耗而使踐底部再生效紐奉果好及棋劑量低病等3．其他磁形式的滅離子交稱換器(1)分流再幕生離子牌交換器親類似毯于逆流推式交換況器結(jié)構(gòu),但中間拍排液尊裝置設(shè)置捉在樹奪脂層淡表面部下400割-60閑0mm以下,不設(shè)辯壓脂姑層、倘無頂?shù)蹓骸?2)浮床式捷離子交金換器再生丈液向翁下流膜，水恐流向蜓上流殼的方績式運(yùn)行過居程：絹制水:失效城落床:樹脂派本身胸重力顛下落,疏松跡樹脂片、排腿除氣納泡的碼作用廚；積進(jìn)再脆生液窮：水順射器沙輸送宰，打臥開計(jì)才量箱分出口劃閥門敗，雄置換盒：再孕生液余進(jìn)完鴿后，云關(guān)閉汪計(jì)量糾箱調(diào)嶼整濃貓度再影生；誕下栽向流移清液永：開李清洗棉水閥滔門，破調(diào)流秤速至10節(jié)-1門5m打/h疫15陽-3瓦0m快in獎(jiǎng);成床、借上向流荷清：20-晴30m補(bǔ)/h較高蘿速進(jìn)秒水托寬起樹此脂直鈔至達(dá)蹦標(biāo)；嗓再施轉(zhuǎn)制拾水。禽無快反洗章空間硬，需爆體外剪反洗啊，一茫般20捆-3半0個(gè)周棒期清益洗一剝次。特點(diǎn)：1）速掉度2）水和蠅再生流慨動(dòng)方向3）阻君力小灰、樹梢脂層泡厚4）濁愈度要書求《2N愿TU,減少清劈燕洗次數(shù)…適用館：處崇理水添量穩(wěn)草定，乘且不賣間斷匙運(yùn)行（3）雙送層床跑和雙草室雙亦層床屬于耳強(qiáng)、間弱型鵝樹脂鍋聯(lián)合蔑應(yīng)用嘗，分老層裝方填在那同一侮個(gè)交逗換器刪中；餓通常酒弱型臺樹脂穩(wěn)的密猛度比承相應(yīng)兩的強(qiáng)除型樹仗脂墊小的養(yǎng)特點(diǎn)渡，使熱其處凱于上移層，卵強(qiáng)型娘處于貪下層亡，運(yùn)朱行時(shí)贈水流鉤自上歸而下禿通過投弱箭再鉛強(qiáng)型苦；再取生時(shí)揚(yáng)相反良，具蛛有逆摘流再堪生工王藝特醬點(diǎn)。特點(diǎn)憑發(fā)揮幕需較咸好地描分層立。（4）混賣合床主要咸裝置尋有：紙上部屢進(jìn)水疲裝置常、下影部配境水裝全置、痛進(jìn)堿助裝置則、進(jìn)當(dāng)酸裝衡置及榜壓縮構(gòu)空氣閃裝置樸，在漆陰陽鋸樹脂幕分界脆處設(shè)鉆有中目間排粘液裝紹置。、固例定床拒軟化復(fù)系統(tǒng)逃的設(shè)法計(jì)計(jì)滲算設(shè)計(jì)訴計(jì)算危內(nèi)容訴：（1）交孩換器筑直徑濱的確指定d-單臺設(shè)廊備的內(nèi)絡(luò)徑mQ1擴(kuò)-單臺設(shè)娛備的產(chǎn)棵水量m3/葉hV-運(yùn)行鑒流速m/h（2）一臺飾設(shè)備一犁個(gè)周期柿離子交距換容量C0-進(jìn)水中棗需去除棚的離子昨總含量mmo卻l/LT-設(shè)備運(yùn)邊行一個(gè)蠻周期的酸工作時(shí)剃間h（3）交煙換器紗裝載項(xiàng)樹脂賓高度E0-樹脂的糞工作交氣換容量mmo部l/L一般公高度薪不小邊于1.2材m在之間.8.2株.5除二氧朵化碳器1．原理充：CO2具有腐芹蝕性，街并增加星強(qiáng)堿樹堆脂負(fù)荷怎，且一填般為H床后：2．構(gòu)喜造和順計(jì)算日：1）構(gòu)系造：2）計(jì)蕉算：A、有效臭直徑:Q——除碳器涌設(shè)計(jì)處將理水量播（m3律/h）q—蘋—設(shè)計(jì)呈淋水丑密度m3煮/(廉m2摧.h返)基準(zhǔn)=6絹0B、除碳紗所需填翠料高度.總體積K--耳--解吸系籠數(shù)擾單位時(shí)握間、單疲位接觸技面積、危單位推渴動(dòng)力下吵去除的CO2的數(shù)量志瓷環(huán)面浩積Gc兇--繪-設(shè)計(jì)所蝦需脫除歐的CO橡2量Cc1余—進(jìn)水CO派2濃度Cc毫2—出水殘意余濃度S—單位掀體積燒填料插所具脊有的項(xiàng)工作昨表面汪積△C--用-脫除CO2的平均兇解析推集動(dòng)力C、除罷碳器宣所需永鼓風(fēng)削量W（m3/h)及所需姜進(jìn)風(fēng)壓蝦力P0（kPa把)風(fēng)量20～30公m3/m3（水置）淺空耗氣阻束力0.2～0.5潤KP占a／m，據(jù)風(fēng)量夫，風(fēng)壓好選風(fēng)機(jī)蠟其它局問部阻力0.4重KP摩a8.4離子交置換的應(yīng)丑用8.衡4.袋1水的軟紹化1．Na＋離子交羨換軟化研法優(yōu)點(diǎn)萄：處慨理過驅(qū)程中釣不產(chǎn)維生酸龍；再生劑筑為食鹽認(rèn)，設(shè)備迷和防腐腳設(shè)施簡懲單；堿度不道變，適遷應(yīng)于堿榨度低，城只須軟塔化的場逢合，硬肅度高，摸堿度大弱，難以澇滿足要道求2．H＋離子施交換注軟化壺法交換搜過程濾中形勝成碳代酸、壁鹽酸殺、硫無酸?？统洃椈獯┻€能沫除堿H型樹脂與交換陽葵離子的正順序?yàn)镃a>曾Mg>煎Na故a點(diǎn)為Na泄漏湯點(diǎn)b點(diǎn)為Ca執(zhí),沉Mg的泄漏百點(diǎn)因出水驢常為諸酸性運(yùn)行打時(shí)一渾般和Na離子交希換聯(lián)合使用。3．H－Na離子交全換脫堿跑軟化法鞏：酸堿京性水藍(lán)混合狼后HC英l+靠Na位HC照O3=N字aC蠶l+委H2O+廚CO2H2SO4+2N乞aHC工O3=N聽a2SO4+2綢H2O+織2C罰O2產(chǎn)生惜的CO2可用口除二危氧化刷碳器術(shù)去除最。⑴強(qiáng)酸性H-乓Na并聯(lián)離橡子交換鄉(xiāng)豐軟化震的脫堿衰系統(tǒng)：見書P27臉0圖8-2樸3進(jìn)水脖分兩肝部分呈：一街部分房誠流經(jīng)Na離子象交換并器，尖一部速分流驢經(jīng)H離子交屬換，排互出CO2后的軟養(yǎng)化水貯寇存在水紫箱中。易根據(jù)進(jìn)校水水質(zhì)肢適當(dāng)調(diào)螞整流經(jīng)為兩個(gè)不膏同離子愉交換器本的水量導(dǎo)比例。優(yōu)點(diǎn)：H型離子萌交換器盤以控制密出水漏Na為運(yùn)行緩終點(diǎn)，竿出水堿膀度低，寫能降至0.5預(yù)mmo糾l/l左右睜，可聲隨水策質(zhì)變化化而殼隨時(shí)商調(diào)整誦，設(shè)慶備費(fèi)莫用低愚，投驗(yàn)資少捆。缺點(diǎn)：再盼生劑諒消耗星量大良，運(yùn)決行控助制要聲求高縱（腐窄蝕問吼題）抓。（2）強(qiáng)酸纏性H-N潤a串聯(lián)離植子交換厭軟化和初脫堿系妥統(tǒng)見書P27辱1圖8-清24進(jìn)水也箱分兩部即分：一部部分進(jìn)憂入H型離子駁交換器社，其出暴水直接深與另一政部分原源水混合緩，（出你水的酸扶與原水訪的堿中績和反應(yīng)底）生成CO2通過除竊二氧化虹碳器去筑除，再壩經(jīng)Na型離子紅交換除最去混合線水后的謝硬度。要點(diǎn)：除碳途器必須得要設(shè)在Na型離子計(jì)交換器票之前。洞否則，貸大量碳門酸水又銷重新出倡現(xiàn)堿度絞。離子交欺換除鹽一般可鎖用陽離趟子H交換扛的、失陰離云子OH交換跌的復(fù)偶床法紅或混攜床方壺法。1．復(fù)床城除鹽：巡壽（復(fù)床伍系指陰腔、陽離嚷子交換肆器串聯(lián)共使用，合達(dá)到水塌的除鹽竭目的）1）一用級復(fù)蟻床除糖鹽岡強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿鬼系統(tǒng)一級選復(fù)床奴出水歇的特乖點(diǎn)：①．懼呈弱堿曬性PH=椒8～9.旬5（陽床海微量Na泄漏喘）②.出水陵電阻訪率0.究1～1.0逃×106Ω*C銹M脫鹽憑水（偶普通贊蒸餾樂水）③.如果陽標(biāo)床泄漏Na過量冶的話記，電導(dǎo)完率會干升高。因而謀關(guān)鍵客是控躬制陽彈床的Na泄露頂，提高除那硅效果（再槳生劑拉用量伴充足監(jiān)、提尖高再洞生液臘溫度答、增北加接耕觸時(shí)啞間）減，可悔采用昨熱堿得液再陜生P27睬4。陰床轉(zhuǎn)設(shè)在釋陽床抹之后嘆（為增什么條？）芬：2）強(qiáng)酸——弱堿——脫氣拉系統(tǒng)事實(shí)上啊脫氣放紹在后面岸是因?yàn)闉醪捎肗a找CO3，Na感HC竭O3再生時(shí)患會產(chǎn)生CO2氣體跡，否乖則采洗用Na值OH再生時(shí)瘦可放在農(nóng)前面后搬面都行盾。①．出水銳呈酸項(xiàng)性6～6.增8②.不能除Si③.電阻擾率5×1毫04達(dá)不鋤到脫徒鹽的餡標(biāo)準(zhǔn)3）強(qiáng)修酸——脫氣——弱堿——強(qiáng)堿系井統(tǒng)適合喊于原前水強(qiáng)撿酸陰吐離子攔含量肺較大H2SO4弱堿贈用于蝕去除桐強(qiáng)酸藥陰離炒子HC楊l強(qiáng)堿用柱于去除Si融Si恩O32-采用屑串聯(lián)者再生擱法，鉛用NaO里H再生厘，可黃適當(dāng)刮提高披溫度晝。2．混輩合床侍除鹽1）原援理與虹特點(diǎn)：陰陽鑄離子寶裝在訴一個(gè)腔床內(nèi)綠，使索用時(shí)好均勻諒混合嶄，構(gòu)弊成無數(shù)稻微型悼復(fù)床蛾，反截復(fù)脫嗓鹽，故其出郵水電率潑可達(dá)5～10×幅106Ω·煙Cm。RH炒+夜ROH縫+吹NaC賺l→浴RNa提+狼RCL選+畫H2OK>>真>>遼1愁K>>帖>>1所以反綿映遠(yuǎn)比泡復(fù)床徹淹底得多濃。混合床潤的特點(diǎn)此：①.陰、陽許離子交窗換反應(yīng)欄幾乎同穩(wěn)時(shí)進(jìn)行②.出水呈臉中性，燈出水水蜻質(zhì)穩(wěn)定穿，純度夜高（用叫于制純戲水，超購純水）③.失效終膽點(diǎn)分明④.設(shè)備小缺點(diǎn)復(fù)：①.再生時(shí)司，難以繁徹底分層。②.混合章床對膚有機(jī)愈物敏感，陰