《水质工程学》完整课件：第十二章 离子交换

分类：环境 格式：ppt 日期：2005年12月26日备注：本文章/文件仅为课件“《水质工程学》完整课件”（或其中一个章节）的简单文本/文件预览版，可能不包括课件的图片、视频、音频、动画等相关素材，本文章/文件与课件详细内容可能有较大差异，部分音视频、flash等多媒体文件可能因客户端没有安装相关插件而无法预览，建议用户下载完整版课件。第 12章 离子交换
12.1 离子交换基本原理
12.2 离子交换软化方法与系统
12.3 离子交换软化设备及其计算
12.4 离子交换除盐方法与系统
12.1 离子交换基本原理
12.1.1离子交换树脂的类型及命名
12.1.1.1离子交换树脂的类型
2,离子交换树脂
1） 分类
2） 结构
3,磺化煤：兼有强酸性和弱酸性两种活性基团的阳离子交换剂分类名称
12.1.1.2 命名
12.1.2离子交换树脂的基本性能
1,外观粒径 0.3～ 1.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等不透明或半透明球状颗粒
2．交联度：以 7~10%为宜
3．含水率树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约 50%）
树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率
4．溶胀性干树脂 +水 →湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度
5．密度
6.有效 PH值范围由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的 pH
值势必对其交换容量产生影响。
表 12.1 各种类型树脂有效 pH值范围树脂类型 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性有效 pH值范围 1~14 5~14 1~12 0~7
12.1.3离子交换平衡选择系数大于 1，说明该树脂对 B+的亲合力大与对 A+的亲合力，即有利于进行离子交换反应。
选择系数用离子浓度分率表示：
二阶对一阶离子交换反应通式为：
12.1.4离子交换速度膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？
慢者控制离子交换反应的速度．
(1) 浓度：浓度大于 0.1mol/l时，孔道扩散为控制步．
浓度小于 0.003mol/l时，膜扩散成为控制步介于中间则取决于具体情况．
(2) 流速或搅拌速率,大，则水膜薄．膜扩散快．
但孔隙扩散基本不受影响．
(3) 树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比．
孔道扩散，速度与粒径２次方成反比．
(4) 交联度,交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著．
12.1.5 树脂层离子交换过程
12.1.6树脂的再生再生液与水流方向相同
1．顺流再生特点：⑴ 上部再生程度高，下部差，越是下部越差
⑵ 再生剂耗量大,2～ 3倍理论值时，效果仍不理想
⑶ 出水剩余硬度高
⑷ 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低
⑸ 适合于硬度较低的场合
2．逆流再生再生液饱和程度特点：⑴ 再生效果好，耗量可降低 20%以上低 ⑵ 出水水质明显提高
↓ ⑶ 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出水水质中 ⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低
↓ ⑸ 工作交换容量提高高 ⑹ 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等
3．移动床：再生液向下流，水流向上流的方式适用：处理水量稳定，且不间断运行
12.2 离子交换软化方法与系统
12.2.1离子交换软化系统选择
1,Na＋ 离子交换软化法
2,H＋ 离子交换软化法
3,H－ Na串联及并联：
⑴ 并联：
12.2.2离子交换树脂的交换容量
1．交换容量：
1）全交换容量
（ 1）定义：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量代表交换能力的大小
（ 2）测定方法：滴定测定与理论上计算
12.3离子交换软化设备及其计算
12.3.1逆流再生固定床再生液饱和程度特点：⑴ 再生效果好，耗量可降低 20%以上低 ⑵ 出水水质明显提高
↓ ⑶ 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出水水质中 ⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低
↓ ⑸ 工作交换容量提高高 ⑹ 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等为何能降低出水硬度
（以 H型树脂与含钠盐进行交换为例，即能降低钠的泄漏）
逆流再生操作步骤：
⑴ 小反洗
⑵ 放水
⑶ 顶压 → 使床不乱 （为何需顶压，顺流时是否需顶压）
⑷ 进再生液
⑸ 逆向冲洗 （软化水，流速 5～ 7m/h）
⑹ 正洗为何需软化水逆向冲洗：
逆流再生要用软化水清洗，否则底层已再生好的树脂在清洗过程中又被消耗，导致出水质量下降，失去了逆流再生的特点。
逆流再生固定床的再生剂耗量与再生液浓度再生剂 耗量 (g/mol) 浓度 (%)
NaCl 80～ 100 5～ 8
HCl 50～ 55 1.5～ 3
NaOH 55～ 65 1～ 3
钠离子交换器顺流、逆流再生盐耗量和出水水质盐耗量 (g/mol) 出水硬度 c（ 1/2Ca2+）
umol/L
顺流 逆流 节约
（ %）
逆流再生盐比耗顺流 逆流
A厂 109.5 86.7 20.8 1.5 5~10 0
B厂 109.6 88 19.7 1.5 4~6 2
C厂 124 74.6 40 1.3 10~16 <3
12.3.2再生附属设备
1．食盐系统
2．酸系统
3．再生剂用量计算：
再生剂用量 G表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量（ g / L,kg
/ m3）
比耗,n mol / mol （再生剂 / 工作交换容量）
再生 1mol所需质量,R＝ n·MB
再生剂摩尔质量
G＝ q·R＝ q·n·MB （ g / L）
q:树脂工作交换容量每台离子交换器再生一次所需要再生剂的总量等于：
式中 α—— 工业用酸或盐的浓度或纯度,%
12.3.3除二氧化碳器
1,原理：
CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，且一般为 H床后,
2．构造和计算：
1） 构造：
2） 填料：常用瓷环 204 m2 / m3 空隙率 74%
3） 计算：
G＝ KF△ C kg／ h
G—— 单位时间能够去除 CO2的量（能力）
K—— 解吸系数 单位时间、单位接触面积、单位推动力下去除的 CO2的数量瓷环面积单位时间需去除量,
求 F—— 瓷环面积
（ 1）求体积 V V＝ F/E
（３）风量 20～ 30 m3/ m3（水） 瓷环阻力 0.3～ 0.5 KPa／ m，
据风量，风压选风机 其它局部阻力 0.4 KPa
结论：⑴ K—— 解析系数，温度高则其值大,CO2溶解度低，冬天鼓热风
⑵ 水封高度大于风压
⑶ 进风口高于水面距离＞ 25cm，伸入内壁，防止水溅入风口
⑷ 通风管有一定坡向水面的坡度
⑸ 防止出水管不通，使水漫入鼓风机
⑹ 设备防腐
12.3.4固定床软化系统的设计计算物料平衡关系式,Fh·q＝ QT·Ht
Q＝ ηqo
＝ {ηr －（ 1－ ηs） }qo
η：树脂实际利用率
ηr,树脂再生程度，再生度
ηs,树脂饱和程度，饱和度
12.4离子交换除盐方法与系统
12.4.1水的纯度概念电阻率,1cm× 1cm× 1cm体积的水所测得的电阻（ Ω·cm）
1,淡化水：生活及生产用的淡水
2,脱盐水：含盐量为 1～ 5mg/l，强电解质大部分被去除
（普通蒸馏水） 25 0C 电阻率 0.1～ 1.0× 106Ω·cm
3,纯水：去离子水，含盐量为＜０,１ mg／Ｌ，强电解质绝大部分被去除，弱电解质也去除到一定程度 25 0C,0.1～
1.0× 106Ω·cm。
４,高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。
含盐量＜ 0.1mg/L,250C,＞ 10× 106Ω·cm
12.4.2阴离子交换树脂的特性
1,强碱性阴树脂的工业特性（ ROH ）
ROH+H2SO4→RHSO4+H2O ①
2ROH+ H2SO4→R2SO4+2 H2O ②
ROH+HCl→RCl+ H2O
ROH +H2CO3→RHCO3+ H2O
ROH+H2SiO3→RHSiO3+ H2O
式①和式②一般同时进行,但当［ H2SO4］＞［ ROH］中 OH-浓度时，
①占优势，低浓度时②占优势。 R2SO4+H2SO4→2RHSO4-可以进行，树脂由 R2SO4变成 RHSO4型。
1） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为：
PO43— ＞ SO42— ＞ NO3— ＞ Cl— ＞ OH— ＞ F— ＞ HCO3— ＞ HSIO3—
（ 1）电荷愈多，选择性愈好
（ 2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好
（ 3）还与离子交换基团的性质有关
（ 4）强酸性选择性好
2） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得：
ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH （几乎不能进行）
除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过 Na床，且通过 H型树脂应减少漏钠量
ROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O H2O电离度极小
3） 阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（ 600C~800C），易受氧化剂的影响而变质如水中存在氧化剂时，则会使：
4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，
由于孔道分布强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出水导电率增加。
树脂孔道大小不一，水中的一些有机物（如腐殖酸等）在树脂颗粒内交联紧密部位会被卡住，时间一长，把该部分交换基团遮盖住，从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后，相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团（ -COOH）。
用碱再生时,R-COOH+NaOH→ RCOONa+H2O
正洗和反应时,R-COONa+H2O→ RCOOH+NaOH
从而正洗水量大大增加，同时由于正洗时阴离子与 ROH发生交换，
从而使运行时交换容量低。
5）强碱性阴树脂的运行过程
①,当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水循环回收。
②．清洗水回收，刚洗好，就是因为树脂受到污染
RCOONa+ H2O→RCOOH+NaOH
（刚开始出水时，电导率会增加，所以需连续清洗，知道出水达到要求，这就是清洗水回收阶段）
6）除 Si求：
①出水呈酸性； ②进水漏钠量低； ③再生条件高，提高温度至（ 40-500C）有利于再生的进行。
2．弱,碱树脂的工艺特性：
R=NH2-OH R-NH3OH
仲胺型 伯胺型
1）,交换能力差，不能吸附弱酸阴离子。
只能吸附强酸阴离子：
2R-NH3OH+H2SO4→（ R-NH3） 2SO4+2H2O PH值（ 0～ 7）
R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2O PH值（ 0～ 7）
2R-NH3-OH+Na2SO4→2（ R-NH3） 2SO4+2NaOH （不能进行）
因为 PO43-＞ SO42-＞ NO3-＞ Cl-＞ F-＞ HCO3-＞ HSiO3-
2）,生容易,NaOH,NaHCO3,Na2CO3,NH4OH都可，实际值是理论值的 1.2～ 1.4倍。
3）,交换容量大 可做强碱阴床前的预处理
4）,抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理
5）,出水呈碱性,NaHCO3,Na HSiO3存在,漏 SO42-,Cl-后出水呈酸性,Cl-,
首先泄漏。
12.4.3离子交换除盐方法与系统
1．复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目的）
1）一级复床除盐 强酸 —— 脱气 —— 强碱系统一级复床出水的特点：
①．呈弱碱性 PH= 8 ～ 9.5 （阳床微量 Na泄漏）
②,出水电阻率 0.1 ～ 1.0× 106Ω*CM脱盐水（普通蒸馏水）
③,如果阳床泄漏 Na过量的话，电导率会升高。
因而关键是控制阳床的 Na泄露，另外除硅时，可采用热碱液再生。
阴床设在阳床之后（为什么？）：
2）强碱 —— 弱碱 —— 脱气系统事实上脱气放在后面是因为采用 NaCO3,NaHCO3再生时会产生
CO2气体，否则采用 NaOH再生时可放在前面后面都行。
①．出水呈酸性 6～ 6.8
②,不能除 Si
③,电阻率 5× 104达不到脱盐的标准
3）强酸 —— 脱气 —— 弱碱 —— 强碱系统适合于原水强酸阴离子含量较大 H2SO4
弱碱用于去除强酸阴离子 HCl
强碱用于去除 Si SiO32-
采用串联再生法，用 NaOH再生，可适当提高温度。
2．混合床除盐
1）原理与特点：
阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达 5～ 10× 106Ω·Cm。
RH + ROH + NaCl → RNa + RCL +H2O
混合床的特点：
①,阴、阳离子交换反应几乎同时进行
②,出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水）
③,不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性）
④,失效终点分明
⑤,设备小缺点：
①,再生时，难以彻底分层 。
②,混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降
③,一般常需进行预处理（混凝、沉淀,活性炭吸附）
④,再生操作复杂交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分阳树脂转为 Na型，造成运行后 Na+泄漏。
三层混合床：（为了有利于分层）中间另装 10～ 15cm惰性树脂使其分层彻底。
2） 混合床离子交换器装置及再生方式
a,装置
b,再生再生方法有体内再生和体外再生体内再生又分为酸、碱同时再生和酸、碱分别再生，现以酸、碱分别再生为例。
步骤,1、反洗分层
2、阴树脂再生
3、阴树脂正洗
4、阳树脂再生
5、阳树脂清洗
6、混合
7、最后正洗至 PH≈7，电阻率大于 5× 105Ω·cm，即可运行。
3),高纯水制备与终端处理：
强酸 —— 脱气 —— 强碱 —— 混合床系统使用前终端处理有：紫外线，精制混床，超滤。
3.氢型精处理器：
强酸 —— 脱气 —— 强碱 —— 强酸能彻底去除 Na，出水水质好，
流速高 100m/h
不能除 Si，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混合床提纯水质。
4.离子交换双层床：
阳离子交换双层床阴离子交换双层床
1) 阳离子交换双层床采用逆流再生，耗酸量相当于全部是阳树脂来说从 3倍降到 1.1倍理论值。
适应于：原水硬度 =碱度的水，或硬度略大于碱度的水。
2) 阴离子交换双层床
（ 1）,逆流再生，碱耗量低，理论值的 1.1倍。强碱是理论值的 3～ 4倍
（ 2）,交换容量提高，出水量增加。
（ 3）,适应的含盐量范围可提高。
（ 4）,出水水质好。
缺点：要求再生条件严格，否则会出现如下现象，大量胶体硅（甚至胶冻）聚积在弱碱树脂上，使出水水质严重恶化。
原因：再生时：下层强碱树脂：
在 NaOH存在的情况下，以 Na2SiO3,Na2CO3存在。
2R-NH3Cl + Na2SiO3 →2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO3
2R-NH3Cl + Na2CO3 →2R-NH3OH+2NaCl+H2CO3
从而使 PH值下降，出现大量 H2SiO3,从而析出胶体硅,粘附在弱碱树脂上,故对再生条件要求严格,
立即再生,否则强碱性树脂硅酸发生聚合,会污染强碱性树脂加热再生,400碱液 (避免产生胶体硅,降低出水硅含量 )
先低浓度后高浓度 1%～ 3%碱液或 (2% 快 —— 慢 )
思考题
1、与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水水质显著提高？
2、实现逆流再生的关键是什么？
3、为什么说在 Ht>Hc的条件下，经 H离子交换（到硬度开始泄漏）的周期出水平均强酸酸度在数值上与原水 Hn相当？此时 H— Na离子交换系统的 QH和 QNa表达式为何？若原水碱度大于硬度，情况又是如何？
4、在离子交换除盐系统中，阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前后位置的布置应如何考虑？试说明理由。
3、在固定床逆流再生中，用工业盐酸再生强酸阳离子交换树脂。
若工业盐酸中 HCl含量为 31%，而 HCl含量为 3%，试估算强酸树脂的极限再生度
4、试说明离子交换混合床工作原理，其除盐效果好的原因何在？
习 题,
1、如下图所示，当氢离子交换出水强酸酸度为零，与其相应，出水 Na+含量应是多少？
2、在固定床逆流再生条件下，树脂工作交换容量能否由下式表示，
试阐明其理由。
91011121314151617181920212223课件简介 课件名称： 《水质工程学》完整课件 课件分类： 环境 课件类型： 电子教案 文件大小： 33.46MB 下载次数： 2 评论次数： 2 用户评分： 8.5 相关文章

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