水質(zhì)工程學(xué)1(工業(yè)給水處理1、2章)

1、水質(zhì)工程學(xué) （工業(yè)給水處理） 序序 言言 n1、給排水專業(yè)性質(zhì)：半土建、半化工、半機(jī)械、 半自動(dòng)化（參與水的社會(huì)循環(huán)，解決水的質(zhì)量問題） n2、水的社會(huì)循環(huán)：天然水（地表水與地下水）、 使用水（生活與生產(chǎn)用水）、污廢水（生活和生產(chǎn) 使用過的水，通過水處理使這三種水質(zhì)不斷轉(zhuǎn)換， 從而構(gòu)成了水的社會(huì)循環(huán)。 （原水） 【給水處理】 給水管網(wǎng) 【建筑給排水】 排水管網(wǎng) 【污廢水處理】 天然水 水處理 使用水 用戶使用 污廢水 水處理 再生水（中水） 達(dá)標(biāo)排放水 n3、本課程章節(jié)： n第1章 工業(yè)給水處理概述 n第2章 水的軟化（課本21章） n第3章 水的除鹽（課本22章） n第4章 水的冷卻（課本2

2、3章） n第5章 循環(huán)冷卻水水質(zhì)處理（課本24章） 第1章 工業(yè)給水處理概述 第一節(jié) 概述 天然水中含有多種雜質(zhì)，按粒徑分為三類： n（1）懸浮物質(zhì) ：1m100 m ，泥土、砂、水 藻、細(xì)菌等 n（2）膠體物質(zhì)：1 nm 1 m ，水中帶電荷的 膠體微粒，硅、鐵、鋁的化合物及一些高分子有 機(jī)物，如腐殖質(zhì)等 n（3）溶解物質(zhì)： 1nm以下，水中所溶解的呈分子 和離子狀態(tài)的溶質(zhì)或氣體，如氯化物、硫酸鹽、 重金屬離子、氧、二氧化碳等。 n自來水常規(guī)處理工藝過程中，主要是去除懸浮物、 膠體，以及消毒等，很難去除溶解物質(zhì)。 n城市給水處理以滿足生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，而 工業(yè)給水處理則根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)工藝、

3、產(chǎn)品質(zhì)量、 設(shè)備材料等對(duì)水質(zhì)的要求來決定處理工藝。由于 各種工業(yè)產(chǎn)品的工藝要求不同，對(duì)水質(zhì)的要求差 異極大。 n一、工業(yè)給水處理的目的 軟化、除鹽、循環(huán)冷卻水的處理和水質(zhì)穩(wěn)定處 理。 n1.軟化：軟化：去除水中部分或全部硬度（鈣、鎂離子）的過程 稱為水的軟化。軟化的方法通常分為藥劑軟化法和離子交 換法兩種，目前還有電滲析、納濾、反滲透。軟化后剩余 硬度一般在0.050.8mml/l之間。 n2.除鹽：除鹽：采用物理、化學(xué)的方法，去除水中無機(jī)鹽類，獲 得電導(dǎo)率為100.1S/cm的除鹽水，以及小于0.1S/cm的 高純水。除鹽的方法有：蒸餾、電滲析、反滲透、離子交 換等，或這些方法綜合使用。 n

4、3.循環(huán)冷卻水的處理：循環(huán)冷卻水的處理：用物理的方法，降低工業(yè)用水在使 用過程中增加的熱量，供循環(huán)使用。 水質(zhì)穩(wěn)定處理：水質(zhì)穩(wěn)定處理：采用物理和化學(xué)的方法，如加酸、阻垢劑、 緩蝕劑和殺生劑等對(duì)冷卻水作控制沉積物、腐蝕和微生物 生長的全面處理。 n二、工業(yè)給水處理的水源 （1）地下水 （2）地面水 （3）自來水 （4）污廢水 n三、水質(zhì)分析 原水水質(zhì)和處理要求是確定適宜的水處理工 藝、選擇合理處理流程、采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥劑及 其劑量、進(jìn)行水處理設(shè)備計(jì)算的重要資料。在這 里水質(zhì)分析十分重要。 n1.含鹽量和總固體 （1）含鹽量：水中陰、陽離子含量的總和。 （2）總固體：水在一定溫度蒸發(fā)，烘干后剩留在

5、器皿中 的物質(zhì)重力，包括懸浮物和溶解固體。 n2.電導(dǎo)率 電導(dǎo)率是以數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流的能力。純水電導(dǎo)率很 小，水中溶解離子是水能導(dǎo)電的原因。規(guī)定111cm 水 測(cè)得的電阻稱為電阻率1.cm ,電阻率的倒數(shù)叫電導(dǎo)率， 單位：S/cm 或S/cm 電導(dǎo)率是溶解性固體的替代參數(shù)，可以來估算溶解固體： TDS單位mg/l，電導(dǎo)率單位S/cm，適用于TDS小于5000 0.2151.006lgklgTDS n3.酸度 水中含有的能與強(qiáng)堿起作用的酸性物質(zhì)的含量（強(qiáng)酸、弱 酸、強(qiáng)酸弱堿鹽）。 n4.堿度 水中含有的能與強(qiáng)酸起作用的堿性物質(zhì)的含量（重碳酸鹽 堿度HCO3-、碳酸鹽堿度CO32- 、氫氧化物

6、堿度OH- ）。一 般天然水的堿度只有HCO3-,即水的堿度等于碳酸鹽硬度。 n5.硬度 水中Ca2+ 、 Mg2+離子的總濃度或總含量。包括：暫時(shí)硬度 （碳酸鹽硬度Hc 煮沸時(shí)可析出）和永久硬度（非碳酸鹽 硬度Hn）或分為：鈣硬度（HCa）和鎂硬度（HMg）。 n各硬度關(guān)系：總硬度（Ht）= Hc+ Hn= HCa + HMg 暫時(shí)硬度加熱分解： Mg(HCO3)2 Mg(OH)2+2CO2 Ca(HCO3)2 CaCO3+H2O +CO2 n硬度單位：（1）法定計(jì)量單位：mol/L或mmol/L （2）其它：meq/L 德國度:1d=10mg/LCaO 美、日:1度=1mg/LCaCO3

7、（3）換算關(guān)系：1meq/L=2.8d=50mg/LCaCO3 n硬度和堿度的關(guān)系（堿度以A表示） Hc（HZ)Hn（HY)負(fù)硬度 HtAAHt-A0 HtAHt0A-Ht Ht=AHt(A)00 n6.pH 值 每升水中氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)，即lgH+ 24時(shí)純水的H+ HO107mmol，因此中性水 pH 值為7。 pH 值與酸堿度不同，酸堿度是水中含酸性類或堿性類物 質(zhì)多少的指標(biāo)，而pH 值是水呈酸堿性強(qiáng)度的指標(biāo)。 n7.濁度 ISO國際標(biāo)準(zhǔn)定義：濁度是由于不溶性物質(zhì)的存在而引 起液體透明度的降低。根據(jù)測(cè)試所使用的標(biāo)準(zhǔn)液不同，所 得濁度數(shù)值及單位不同，目前國際國內(nèi)通用以甲臘（化學(xué) 試劑在嚴(yán)

8、格的控制下制成）作為濁度標(biāo)準(zhǔn)液用散光濁度儀 測(cè)得，單位：NTU。采用透射光濁度儀測(cè)得的為FTU 。 n 碳酸的電離度與水中PH值的關(guān)系 n8.淤塞密度指數(shù)SDI（與污染指數(shù)FI等同） nSDI是測(cè)定在標(biāo)準(zhǔn)壓力和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔內(nèi)，一定體積水樣 通過一特定微孔膜濾器的阻塞率。它表征水中膠體物和 懸浮物的多少。 n與濁度相比，SDI是從不同角度來表示水質(zhì)，比濁度更準(zhǔn) 確、可靠。濁度對(duì)于不感光的一些膠體測(cè)不出來，而SDI 用微孔膜孔徑0.45 m，凡大于0.45 m的膠體、細(xì)菌 與其它微粒皆截留在膜面上，重現(xiàn)性好，并可靠。 nSDI值的測(cè)定：在0.21MPa恒定水流壓力下，記錄從通水 開始到收集500m

9、l水樣所需要的時(shí)間t0(s)，在與上相同的壓 力下，記錄過濾15min（包括初始水樣時(shí)間）后，再次收 集500ml水樣，記錄所需時(shí)間t15(s)；然后用公式計(jì)算： 15 100 )1 ( 15 0 t t SDI nSDI值5嚴(yán)重污染 最大值為100/15=6.666 nSDI測(cè)定儀 n9.有機(jī)物 CODcr、CODMn、BOD5、TOC、UV254 n10.二氧化硅 天然水中硅一般小于20mg/l，工業(yè)給水處理對(duì)硅的要 求較高，電廠一般要求小于20g/l。 n四、水中離子的假想化合物（陰陽離子之間的關(guān)系） 水質(zhì)資料的整理內(nèi)容和原則： 第一，全部陽離子所帶的總正電荷必須與全部陰離 子所帶總負(fù)電

10、荷相等。 第二，陽離子和陰離子之間存在等和組合關(guān)系。 n陰、陽離子在水中本是獨(dú)立存在的，但在水處理中往往假 定它們組合成一些化合物，稱為假想化合物。這種假定的 原因是： （1）根據(jù)假想化合物的成分可以擬定水處理方法，如： 碳酸鹽、非碳酸鹽的去除方法； （2）水因溫度升高而引起溶解物沉淀出來時(shí)，為了知 道沉淀出的成分來，就要分析陰陽離子組合； （3）應(yīng)用離子間的組合關(guān)系可以按照假想化合物來寫 水處理的化學(xué)方程式，比較容易理解。 離子組合次序按形成化合物的溶解度大小得出： 陽離子組合順序： Mn2+ ,Fe2+,Ca2+,Mg2+, Na+ ,K+ 陰離子組合順序：P042-,HCO3-,CO32

11、-,OH-,SO42-,NO3-,Cl- Ca2+ (2.0) Mg2+ (1.5) Na+ (2.5) HCO3- (3.0) 1/2SO42- (1.5) Cl- (1.5) Ca(HCO3)2 (2.0) Mg (HCO3)2 (1.0) MgSO42- (0.5) Na2SO4 (1.0) NaCl (1.5) 水中離子的假想組合(P393圖211)： 單位：mmol/L n某水質(zhì)化驗(yàn)樣品，因臨時(shí)故障未能完成，但已對(duì)天然原水 水質(zhì)進(jìn)行了以下項(xiàng)目監(jiān)測(cè)。假定分析的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，請(qǐng) 回答以下問題: HCO3- 3.08 mmol/L Ca2+ 4.56 mmol/L SO42- 2.19 m

12、mol/L Mg2+ 2.7 mmol/L Cl- 3.46 mmol/L n1.這個(gè)水樣中Na+的含量應(yīng)該是多少？ Na+ =（3.08+2.19+3.46）-（4.56+2.7）=1.47 mmol/L n2.暫時(shí)硬度Hz、永久硬度Hy是多少？ Hz = 3.08 mmol/L Hy =（ 4.56 +2.7）-3.08=4.18 mmol/L n3.堿度是多少？含鹽量是多少？ 堿度= 3.08 mmol/L TDS= 3.0861+2.1948+3.4635.5 +4.5620+2.712+1.4723=573.24 mg/L n4.能夠組成的假想化合物及其含量是多少？ Ca2+ (4.

13、56) Mg2+ (2.7) Na+ (1.47) HCO3- (3.08) SO42- (2.19) Cl- (3.46) Ca(HCO3)2 (3.08) Ca SO42- (1.48) MgSO42- (0.71) MgCl2 (1.99) NaCl (1.47) 單位：mmol/L n四、水的純度及硬度的概念 n1、水的純度（TDS，mg/l 25，電阻率，M.cm) 海水： 600050000 苦咸水： 1500 6000 半苦咸水：1000 1500 淡水： 1000 脫鹽水： 1 5 0.1 1.0 純水： 1 1.0 10 高純水： 0.1 10 理論純水： 18.3 n2、水

14、的硬度（以CaCO3計(jì)，mg/l） 軟化水： 10 特軟水： 70 軟水： 70140 中硬水： 140280 硬水： 280530 極硬水： 530 n五、有關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)含鹽量、硬度的要求 n飲用水有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)： 1.我國飲用水水質(zhì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB57492006） TDS 1000 mg/l 總硬度（以CaCO3計(jì)） 450mg/l 2. 瓶裝飲用凈水標(biāo)準(zhǔn)（GB173231998） 電導(dǎo)率25，10S/cm 3.飲用凈水標(biāo)準(zhǔn)（CJ941999） TDS 500 mg/l 總硬度（以Ca(CO3)2計(jì)） 300mg/l 4.飲用天然礦泉水（GB857371995） 含鋰、鍶、偏硅酸，TDS 100

15、0 mg/l 5.歐共體水質(zhì)指標(biāo) TDS 500 mg/l 6.世界衛(wèi)生組織飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) TDS 1000 mg/l 工業(yè)用水種類繁多，水質(zhì)要求各不相同： 1.食品、釀造、飲料原料用水：高于生活飲用水標(biāo)準(zhǔn) 2.紡織、造紙：水質(zhì)清澈，對(duì)產(chǎn)生斑點(diǎn)的物質(zhì)控制 3.鍋爐補(bǔ)給水：對(duì)產(chǎn)生腐蝕、結(jié)垢等的物質(zhì)控制（與鍋 爐壓力有關(guān)系）一般硬度0.03 mol/l，高壓鍋爐硬度 0.01 mol/l 4.電子工業(yè)：高純水，我國電阻率15 M.cm，美國 IBM公司電阻率18 M.cm 5.電廠蒸汽機(jī)：總硬度0，電導(dǎo)率0.2S/cm 6.循環(huán)冷卻水：水溫低，無懸浮物、藻類、微生物，對(duì) 產(chǎn)生腐蝕、結(jié)垢等的物質(zhì)控制

16、 第二節(jié)第二節(jié) 預(yù)處理預(yù)處理 n一、預(yù)處理的目的 n 工業(yè)給水處理包括多道工序，通常把離子交換、電滲 析、反滲透等處理工藝作為主要工序，為了保證這些主要 工序能安全、高效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，需要將原水處理到這些 裝置允許的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)。工程中把進(jìn)入主要工序前的水 質(zhì)凈化、預(yù)軟化或水質(zhì)調(diào)整稱為水質(zhì)預(yù)處理。預(yù)處理的對(duì) 象主要是機(jī)械雜質(zhì)、膠體、二氧化硅、微生物、有機(jī)物和 氧化物（余氯）等對(duì)后續(xù)處理裝置產(chǎn)生不利影響的物質(zhì)。 n二、水中有害物質(zhì)對(duì)后續(xù)水處理裝置的影響 n1.懸浮物：附著在樹脂顆?；蚰け砻?，降低交換容量；降 低RO透水率和脫鹽率，堵塞樹脂層空隙，引起壓力損失增 加，惡化出水水質(zhì)；堵塞ED水流通道

17、，增加膜面電阻。 n2.有機(jī)物：主要污染陰離子交換樹脂，使其交換容量下降， 再生劑耗量增大，出水水質(zhì)惡化；堵塞RO和ED膜通道，選 擇透過性降低，滋生微生物。 n3.微生物：堵塞通道，水質(zhì)惡化。 n4.氧化劑：破壞膜和樹脂結(jié)構(gòu)，性能降低，特別是RO復(fù)合 膜對(duì)氧化劑十分敏感。 n5.重金屬：鐵、錳離子比鈣、鎂更易被樹脂和膜吸附，且 不易再生清除，降低性能，惡化水質(zhì)。 n三、膜分離、離子交換裝置對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求 n四、預(yù)處理系統(tǒng)選擇及單元設(shè)施 n1.懸浮物膠體：混凝沉淀過濾，或直接過濾 機(jī)械過濾器（壓力過濾、多介質(zhì)過濾） n2.高硬度：預(yù)軟化、加阻垢劑 n3.RO前：保安過濾（5微米），UF或MF

18、 精密過濾器：濾布、PE燒結(jié)管、線繞、疊片式 n4.有機(jī)物：加氯、凝聚、澄清、過濾、活性炭 n5.游余氯：活性炭過濾或加亞硫酸鈉 2Cl2+C+2H2O=4HCl+CO2；1mg/l余氯需2mg/l亞硫酸鈉 n6.鐵、錳：空氣氧化、錳砂過濾 n一、工業(yè)給水處理的目的 n二、工業(yè)給水的水源有哪些？ n三、淤塞密度指數(shù)SDI與濁度的區(qū)別 n四、某水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果如下，請(qǐng)回答以下問題: HCO3- 2.5 mmol/L Ca2+ 3.5 mmol/L SO42- 0.8 mmol/L Mg2+ 1.1 mmol/L Cl- 1.8 mmol/L Na+ 0.5 mmol/L 1. 能夠組成的假想化合物及

19、其含量是多少？ 2.暫時(shí)硬度Hz、永久硬度Hy是多少？ 3.堿度是多少？含鹽量是多少？ n五、預(yù)處理的目的 第第2章章 水的軟化水的軟化 第一節(jié)第一節(jié) 軟化的目的與方法概述軟化的目的與方法概述 n一、軟化的目的 n鍋爐用水對(duì)硬度要求很高，主要是硬度鹽類會(huì)在鍋爐受熱 面上生成水垢，從而降低鍋爐熱效率，增大燃料消耗，甚 至因金屬壁面局部過熱而引起爆炸。因此對(duì)低壓鍋爐用水 需軟化處理，高壓鍋爐不僅軟化甚至需脫鹽處理。 n軟化的目的就是去除水中鈣、鎂、鐵、錳、鋁等易形成難 溶鹽類的金屬陽離子，期中主要是鈣鎂硬度。消除不良影 響，滿足生活和工業(yè)用水的要求。 n具體目的有： （1）避免鍋爐水由于硬度而生垢

20、浪費(fèi)燃料、燒損部件、 爆炸； （2）避免 Ca2+ 、 Mg2+對(duì)工業(yè)冷卻設(shè)備正常運(yùn)行 的影響 傳熱系數(shù)低、導(dǎo)熱性能差； （3）避免影響造紙、紡織等行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量。 n二、軟化的方法 n1.藥劑軟化法（沉淀軟化法）：基于溶度積原理，加入某 些藥劑，把水中鈣、鎂離子轉(zhuǎn)變成難溶化合物使之沉淀析 出。 CaCO3 Ca2+CO32- （向水中加CO32-） 當(dāng)Ksp Ca2+CO32-時(shí)反應(yīng)向右進(jìn)行 n2.離子交換法：利用某些離子交換劑所具有的陽離子（ H+、 Na+ ）與水中Ca2+、Mg2+進(jìn)行交換反應(yīng)達(dá)到軟化的目的。 n3.電滲析法：基于電滲析原理，利用離子交換膜的選擇透 過性，在外加直流電場(chǎng)的

21、作用下通過離子的遷移，在進(jìn)行 水的局部除鹽的同時(shí)達(dá)到軟化的目的。 n4.納濾法：同ED和RO一樣，在進(jìn)行水的局部除鹽的同時(shí) 達(dá)到軟化的目的，納濾對(duì)二價(jià)離子去除濾高達(dá)90以上， 而對(duì)一價(jià)離子的去除率只有4080。 n5.掩蔽劑法：利用絡(luò)合物的掩蔽性去除水中硬度或利用絡(luò) 合物的掩蔽性使絡(luò)合物中的離子失去原離子反應(yīng)性的方法， 如加阻垢劑。（并不一定真正去除） 第二節(jié) 水的藥劑軟化 n一、概述 n定義：基于溶度積原理，加入某些藥劑，把水中鈣、鎂 離子轉(zhuǎn)變成難溶化合物使之沉淀析出。 A、原理：溶度積原理 B、藥劑：石灰、蘇打、石膏 C、CaCO3 、Mg(OH)2溶度積最小 水處理中常見難溶化合物的溶度

22、積（25） 化合物CaCO3CaSO4Ca(OH)2MgCO3Mg(OH)2 溶度積4.710-92.510-55.010-54.010-58.910-12 n二、石灰軟化法 n1、石灰的生產(chǎn)過程 石灰石CaCO3煅燒而成生石灰CaO，生石灰加水消化 為熟石灰Ca(OH)2，再配制成一定濃度的石灰乳可用于石 灰軟化。 n2、原理：主要利用了加入的OH-和水中原有的HCO3-反應(yīng)， 產(chǎn)生過剩的CO32-，使之與水中Ca 2生成CaCO3沉淀析出。 n當(dāng)：HtA Ht=Hc+ Hn Hc有以上反應(yīng)，可去除； 而Hn有一下反應(yīng)： MgSO4+Ca(OH)2=CaSO4+Mg(OH)2 CaCl2+C

23、a(OH)2= CaCl2+Ca(OH)2 MgCl2+Ca(OH)2= CaCl2+Mg(OH)2 產(chǎn)生了等當(dāng)量的鈣硬度， Hn 不能去除。 n當(dāng)：A=0 Ht=Hn 無軟化效果。 n3、特點(diǎn)： （1）只能除Hc，不能除Hn （2）去除1摩爾Ca(HCO3)2需1摩爾Ca(OH)2，去除1摩爾 Mg(HCO3)2需2摩爾Ca(OH)2。 （3）可以去除堿度 （4）可去除水中部分鐵和硅的化合物 （5）石灰軟化與混凝處理同時(shí)進(jìn)行，可產(chǎn)生共沉效果 （6）余硬：Hn+0.250.5mmol/L(溶度積及CaO過剩量) （7）含鹽量略有降低（沉淀） （8）經(jīng)濟(jì)費(fèi)用低 n4、適用條件： （1） Hc占大

24、部分的原水; （2）預(yù)處理鈉離子交換 n5、石灰用量的計(jì)算： （1）通過實(shí)驗(yàn)確定：以石灰投量（mgCaO/L）為橫坐標(biāo)， 以水中殘留硬度（H）為縱坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪曲線， 得出最佳石灰投量。 （2）理論計(jì)算： n當(dāng)：HCaHc 水中Hc僅以Ca(HCO3)2形式出現(xiàn) （CaO）=56c(CO2)+c(Ca(HCO3)2)+c(Fe2+ )+K+(mg/L) c(CO2)原水中游離二氧化碳濃度，mmol/L c(Ca(HCO3)2)原水中Ca(HCO3)2濃度，mmol/L c(Fe2+）源水中Fe2+濃度，mmol/L K混凝劑投量，mmol/L CaO過剩量：0.10.2mmol/L n當(dāng)

25、：HCaCa2+Mg2+K+NH4+Na+H+Li+ 弱酸性陽離子交換樹： H+Fe3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+Li+ 強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：PO43SO42NO3ClOH FHCO3HSiO3 弱堿性陰離子交換樹脂：OHSO42NO3ClHCO3 （4）交換容量：交換容量是樹脂最重要的性能，它定 量地表示樹脂交換能力地大小。交換容量的單位 mmol/g(干樹脂)或mmol/L(濕樹脂)。交換容量分為兩部分， 即全交換容量與工作交換容量。 全交換容量:是指單位重量或體積樹脂內(nèi)的交換基團(tuán) 總量或可交換離子的總數(shù)量，表示單位樹脂所能吸附去除 離子的最大量。可用滴定測(cè)定。 重量交換容量，

26、mmol/g(干樹脂) 體積交換容量，mmol/mL (濕樹脂) 工作交換容量：指在給定的條件下樹脂實(shí)際交換容 量 ，受再生條件、原水水質(zhì)運(yùn)行條件等的影響。一般為 全交換容量的6070，可通過試驗(yàn)或查有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。 （5）有效pH值范圍 此范圍與樹脂內(nèi)活性基團(tuán)的解離常數(shù)有關(guān)。 由于樹脂活性基團(tuán)分為強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)堿和弱堿，水 的PH值勢(shì)必對(duì)它們的交換容量產(chǎn)生影響。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿樹脂 的活性基團(tuán)電離能力強(qiáng)，其交換容量基本與pH值無關(guān)。 弱酸樹脂在水pH值低時(shí)不電離或只部分電離，因而只 能在堿性溶液中，才含有較高的交換能力。弱堿性樹脂相 反，在pH值高時(shí)不電離或只部分電離。只是在酸性溶液中 才含有較高的

27、交換能力。 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1-145-141-120-7 n三、離子交換平衡 離子交換實(shí)質(zhì)是一種可逆反應(yīng)，一價(jià)對(duì)一價(jià)的反應(yīng)通式 如下： 選擇系數(shù)可以用離子濃度分率表示： 選擇系數(shù)大于1，說明 該樹脂對(duì)B+的親合力 大與對(duì)A+的親合力， 即有利于進(jìn)行離子交 換反應(yīng)。 二階對(duì)一階離子交換反應(yīng)通式為： 改變液相中的離子總濃度可以改變離子交換體系的反應(yīng) 方向，低濃度處理水，高濃度再生。 （單位均為mmol/L） n四、離子交換速度 離子交換過程受離子濃度和樹脂對(duì)各種離子親和力的 影響外，還受離子擴(kuò)散過程的影響。 膜擴(kuò)散和孔道擴(kuò)散何者影響最大

28、？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，速度與粒徑的次方成反比。 (4) 交聯(lián)度：對(duì)于孔道擴(kuò)散影響比對(duì)膜擴(kuò)散更為顯著。 n五、樹脂層離子交換過程 以鈉型樹脂軟化為例，以一定濃度鈣離子的硬水通過 交換柱，交換反應(yīng)一段時(shí)間后，停止運(yùn)行，逐層取出樹脂 樣品并測(cè)定其吸收鈣、鎂離子含量以及飽和度（樹脂中鈣、 鎂離子含量與其全

29、交換容量之比），樹脂層飽和度示意如 下圖所示。 實(shí)驗(yàn)證明，樹脂層離子交換過程可分為兩個(gè)階段，第 一階段即交換帶形成階段，第二階段是已定形的交換帶沿 水流方向以一定速率向前推移的過程。 當(dāng)交換帶下端到達(dá)樹脂層底部，硬度也就開始泄露。 此時(shí)整個(gè)樹脂層分為兩部分：樹脂交換容量得到充分利用 的部分稱為飽和層，樹脂交換容量只是部分利用的部分稱 為保護(hù)層。 交換進(jìn)水流速大、硬度高，則交換帶厚度就大，保護(hù) 層厚度也要求大。 樹脂層離子交換過程如下圖示意。 第四節(jié)第四節(jié) 離子交換軟化方法與系統(tǒng)離子交換軟化方法與系統(tǒng) n一、離子交換軟化方法一、離子交換軟化方法 目前常用三種方法： Na型樹脂軟化法、 H型樹脂軟

30、化 法、H- Na聯(lián)合軟化法。 n1Na離子交換軟化法 Na離子交換是最簡單的一種軟化法，其反應(yīng)如下： 2RNa+Ca(HCO3)2=R2Ca+2NaHCO3 2RNa+CaSO4=R2Ca+Na2SO4 2RNa+MgCl2=R2Ca+2NaCl 處理后產(chǎn)水為中性，再生劑為食鹽。 Na離子交換軟化法示意圖 可作為低壓鍋爐的給水處理系統(tǒng)。 n2H 離子交換軟化法 H 離子交換軟化法反應(yīng)如下： 2RH+Ca(HCO3)2=R2Ca+2CO2+H2O 2RH+CaCl2=R2Ca+2HCl 2RH+MgSO4=R2Mg+H2SO4 處理后產(chǎn)水為酸性，在軟化的同時(shí)還可以除堿，一般 總是與Na離子交換

31、聯(lián)合使用。 我們知道強(qiáng)酸樹脂的離子選擇順序?yàn)镃a2+Mg2+，所以 出水中離子出現(xiàn)的次序?yàn)镠+、 Na+、 Mg2+和Ca2+。 H 離子交換的出水水質(zhì)變化過程圖 n在開始階段，原水中所有陽離子均被樹脂上的H+所交換， 出水強(qiáng)酸酸度保持定值，并與原水中 濃度 相當(dāng)。 na點(diǎn)開始鈉泄漏，在a-c 階段 nc點(diǎn)酸度等于零， nd點(diǎn)堿度與原水相等， 鈉離子含量達(dá)到最高， nb點(diǎn)硬度開始泄漏，直到出水硬度、鈉離子接近原水，整 個(gè)樹脂層完全失效。 3HNa離子交換脫堿軟化法 可分為 HNa串聯(lián)和 HNa并聯(lián)。 QH QNa HNa串聯(lián)軟化法示意 1.H離子交換器，2.Na離子交換器，4.除CO2器，5.

32、中間水箱，6.中間水泵 vHNa串聯(lián)和 HNa并聯(lián)關(guān)鍵是計(jì)算流量的分配，為了保 證混合后出水不呈酸性，且有少量剩余堿度，H離子交換 過程運(yùn)行到鈉泄露為宜。 ，LmmolHCOClSOcAc hmQ Ac AClSOc Q hmQ Ac AHCOc Q HCOcClSOc AHCOc Q r Na rr H /), 2 1 ()( )/( )( ) 2 1 ( )/( )( )( )() 2 1 ( )( 3 3 2 4 3 2 4 3 3 2 4 3 即原水中陰離子總濃度 H離子交換過程運(yùn)行到硬度泄露時(shí)，運(yùn)行前期所吸 著的Na+,到運(yùn)行后期幾乎全部被置換出來，從整個(gè)運(yùn)行 周期看，就好像Na+并

33、沒有參與交換反應(yīng)，周期出水平 均Na+,含量等于原水Na+,含量,由此可以得出在Ht大于 Hc的條件下，經(jīng)H離子交換的周期出水平均酸度在數(shù)值 上與原水的Hn相當(dāng)。這時(shí)H-Na 并聯(lián)的流量分配表達(dá)式 為： )/( ) 2 1 ( )( 3 2 4 3 hmQ ClSOc AHCOc Q r H nHNa串聯(lián)適合于原水硬度較高的場(chǎng)合，因?yàn)椴糠衷贖 交換后與原水混合硬度較低，再經(jīng)Na交換。 n就設(shè)備而言，并聯(lián)系統(tǒng)比較緊湊，投資省，但從運(yùn)行看， 串聯(lián)較安全可靠，更適合于高硬度水。 n經(jīng)過HNa交換處理，蒸發(fā)殘?jiān)兴档?，能夠滿足低壓 鍋爐對(duì)水質(zhì)的要求。 n二、離子交換裝置 離子交換裝置按運(yùn)行方式分

34、為： 固體床（單層床、雙層床、混合床） 連續(xù)床（移動(dòng)床、流到床） 按原水與再生液的流動(dòng)方向分為： 順流再生固體床 對(duì)流再生（逆流再生固體床、浮動(dòng)床） 離子交換器的材料有： 碳鋼襯膠（常用）、玻璃鋼、有機(jī)玻璃、不銹鋼、 硬聚氯乙烯等。 n1. 順流再生固定床 常用碳鋼襯膠鋼罐，承壓0.40.6 MPa ，內(nèi)上部設(shè)配 水管，樹脂層，下部設(shè)配水系統(tǒng)（管、濾帽），類似壓力 過濾器。樹脂層高度一般為1.52.0m，上部有足夠空間， 使樹脂層膨脹。運(yùn)行操作包括交換過程和再生過程，再生 過程由反洗、再生、清洗三步完成。 主要缺點(diǎn)：樹脂層上層再生程度高，而越是下部，再 生程度越差，通常，即使再生劑耗量23倍于

35、理論值，而 再生效果仍不理想；軟化時(shí)出水剩余硬度較高，到后期， 由于下部再生不好，出水剩余硬度提前超標(biāo)，導(dǎo)致交換器 過早失效，降低了設(shè)備工作效率。 基于上述原因，順流再生只適用于設(shè)備較小，原水硬 度較低的場(chǎng)合。 n2.逆流再生固定床 n（1）原理：通常是再生液向上流，水流向下流。再生時(shí)， 再生液首先接觸飽和程度低的底層樹脂，然后再生飽和程 度較高的中、上層樹脂，這樣再生液被充分利用，再生劑 用量顯著降低，并能保證底層樹脂得到充分再生，軟化時(shí)， 處理水在經(jīng)過相當(dāng)軟化后又與這一底層樹脂接觸，進(jìn)行充 分交換，從而提高了出水水質(zhì)。 以H型樹脂與含鈉鹽進(jìn)行交換為例，即能降低鈉的泄 漏 （2）特點(diǎn)： 再生

36、劑耗量可降低20%以上； 出水水質(zhì)明顯提高，硬度一般小于0.02mmol/L； 原水水質(zhì)適應(yīng)范圍擴(kuò)大，對(duì)硬度較高原水仍能保證 出水水質(zhì)； 再生廢液中再生劑有效濃度低，小于1； 工作交換容量提高； 自用水率低，相應(yīng)排水量也少，比順流低約30。 缺點(diǎn)是：操作較復(fù)雜。 （3） 構(gòu) 造 上配水：進(jìn)水水流分布均勻 中間排液管：再生液排出，小反洗進(jìn)水及排除積水 下配水（管或?yàn)V帽）：出水均勻 壓脂層：15厘米樹脂或比重輕于樹脂而略重于水的惰性樹 脂。氣頂壓時(shí)，使壓縮空氣比較均勻而緩慢地從中間排水 裝置逸出，交換時(shí)起一定的過濾作用，主要是防止樹脂亂 層。 n（4）工藝（逆流再生操作步驟及關(guān)鍵） 再生和交換時(shí)樹

37、脂層不發(fā)生亂層不發(fā)生亂層是保證逆流再生效果 的關(guān)鍵。 再生操作方法有4種：氣頂壓法、水頂壓法、低流速 法、無頂壓法。 氣頂壓法：再生之前，在交換器頂部進(jìn)壓強(qiáng)約3050 kPa的 壓縮空氣，從而在正常再生流速下樹脂不亂層。 水頂壓法：水壓0.5 MPa。 低流速法：水流流速2 m/h。 無頂壓法：加厚壓脂層（20厘米以上） 逆流再生操作步驟： 小反洗：從中間排水裝置引入反洗水，沖洗壓脂層，流 速510 m/h，1015分鐘； 放水：將中間排水管上部水排掉； 頂壓：使床不亂； 進(jìn)再生液：從底部進(jìn)再生液，上升流速5m/h； 逆向沖洗：用軟化水，流速57m/h； 正洗：順向清洗到出水水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)， 1

38、015 m/h； 再生結(jié)束，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行， 1520 m/h。 n逆流再生固定床運(yùn)行若干周期后要進(jìn)行一次大反洗，去除 樹脂層里的污物與碎粒，大反洗后第一次再生耗藥量適當(dāng) 增加。 n下面是逆流再生操作示意 n3.固定床軟化設(shè)備計(jì)算 離子交換器內(nèi)的物料平衡關(guān)系式： F h q = Q T Ht F交換器截面積，m2 h樹脂層厚度，m q工作交換容量，mmol/L Q軟化水量，m3/h T工作時(shí)間，h Ht原水硬度，mmol/L 上式兩邊分別表示實(shí)際交換能力和樹脂吸附的硬度總量。 q工 q o r （1 s） q o r：樹脂再生程度，再生度, ：樹脂實(shí)際利用率 s：樹脂飽和程度，飽和度 再生、清洗

39、后整個(gè)樹脂內(nèi)的交換能力未得到再生部分 軟化時(shí)樹脂實(shí)際用于交換所占部分 漏泄開始時(shí)，尚未利用的部分 再生度，實(shí)際中8090 飽和度，實(shí)際中8090 n設(shè)計(jì)計(jì)算： 濕視密度一般600850kg/m3 實(shí)際中軟化器一般不小于兩臺(tái)，便于維修。 n4.弱酸樹脂的工藝特性及其應(yīng)用 弱酸樹脂目前應(yīng)用最多的是丙烯酸型，如：111弱 酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂，其活性基團(tuán)主要是羧 （suo)酸(-COOH),表示為：RCOOH 。 弱酸樹脂的工藝特性： n（1）弱酸樹脂與水中碳酸鹽硬度交換弱酸樹脂與水中碳酸鹽硬度交換，反應(yīng)產(chǎn)生的H2CO3 只有極少量離解為H，并不影響樹脂上的可交換H繼續(xù) 與水中鈣鎂離子交換?？蒆2CO3分解為二氧化碳逸出。 n（2）弱酸樹脂對(duì)于水中非碳酸鹽硬度以及鈉鹽一類的中弱酸樹脂對(duì)于水中非碳酸鹽硬度以及鈉鹽一類的中 性鹽基本不起反應(yīng)性鹽基本不起反應(yīng)，因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物為強(qiáng)酸，離解度大，立 即產(chǎn)生可逆反應(yīng)，抑制了交換反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。 n（3）易再生易再生，由于羧酸根(-COO)與結(jié)合所生成的羧酸離 解度很小,弱酸性樹脂對(duì)H的親和力大，再生容易，再生