第9章-離子交換

1、1第第1 1節(jié)節(jié) 概概 述述2一、水中主要溶解雜質(zhì)一、水中主要溶解雜質(zhì)離子：離子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+) HCO3-, SO42-, Cl- 一般一般Fe2+, SiO32-含量較少。含量較少。氣體：氣體：CO2,O2 總硬度：總硬度：Ca2+, Mg2+碳酸鹽硬度（碳酸鹽硬度（carbonate hardness、暫、暫時硬度）時硬度） 非碳酸鹽硬度（非碳酸鹽硬度（noncarbonate hardness）含鹽量：含鹽量：陽陽陰陰 3軟化：軟化：降低硬度降低硬度除堿：除堿：HCO3（鍋爐給水、堿度太高，會汽（鍋爐給水、堿度太高，會汽水共沸）水共沸） 除鹽：除鹽：降低含鹽量降

2、低含鹽量 二、硬度單位二、硬度單位 mmol/L, meq/L, 度（我國用德國度）度（我國用德國度） 德國度德國度10 mg CaO/L 美國度美國度1mg CaCO3/L 4三、水的純度三、水的純度以含鹽量或水的電阻率表示（單位：歐姆以含鹽量或水的電阻率表示（單位：歐姆 厘米）厘米）淡化水：淡化水：高含鹽量水經(jīng)局部處理高含鹽量水經(jīng)局部處理脫鹽水：脫鹽水：相當于普通蒸餾水，含鹽量相當于普通蒸餾水，含鹽量15mg/L純水：純水：亦稱去離子水，含鹽量亦稱去離子水，含鹽量1mg/L高純水：高純水：含鹽量含鹽量硬度，還應(yīng)去除多余的硬度，還應(yīng)去除多余的HCO3 若水中存在若水中存在Fe離子，也要消耗離

3、子，也要消耗Ca(OH)2 7所以，石灰投加量：所以，石灰投加量： CaO = CO2 + Ca(HCO3)2 + 2Mg(HCO3)2 + Fe +a a：CaO過剩量，一般為過剩量，一般為0.10.2 mmol/L為盡量降低碳酸鹽硬度，石灰混凝沉淀可以為盡量降低碳酸鹽硬度，石灰混凝沉淀可以同時進行。同時進行。 注意：石灰法只能降低碳酸鹽硬度及降低水中注意：石灰法只能降低碳酸鹽硬度及降低水中的堿度。的堿度。 8二、石灰純堿法二、石灰純堿法 去除碳酸鹽和非碳酸鹽硬度去除碳酸鹽和非碳酸鹽硬度CaSO4 + Na2CO3 -CaCO3+ Na2SO4MgSO4 + Na2CO3 -MgCO3 +

4、Na2SO4MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3+Mg(OH)2但純堿太貴，此法一般不用。但純堿太貴，此法一般不用。 9三、石灰石膏法三、石灰石膏法當原水的堿度大于硬度，即當原水的堿度大于硬度，即負硬度負硬度（有堿度（有堿度存在時）出現(xiàn)時存在時）出現(xiàn)時2NaHCO3 + CaSO4 + Ca(OH)2- 2CaCO3 + Na2SO4 + 2H2O 10第第3 3節(jié)節(jié) 離子交換基本知識離子交換基本知識 一、離子交換劑一、離子交換劑：磺化煤（煤磨碎后經(jīng)濃硫酸處理得到）磺化煤（煤磨碎后經(jīng)濃硫酸處理得到） 離子交換樹脂離子交換樹脂 11二、離子交換樹脂二、離子交換樹脂 1結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 母體（骨架）

5、：母體（骨架）：高分子化合物和交聯(lián)劑經(jīng)聚高分子化合物和交聯(lián)劑經(jīng)聚合反應(yīng)而生成的共聚物合反應(yīng)而生成的共聚物根據(jù)組成母體的單體材料：苯乙烯（最廣根據(jù)組成母體的單體材料：苯乙烯（最廣泛）、丙烯酸、酚醛系列泛）、丙烯酸、酚醛系列活性基團：活性基團：遇水電離，稱為固定部分和活動遇水電離，稱為固定部分和活動部分，具有交換性（可交換離子）部分，具有交換性（可交換離子） 12如聚苯乙烯磺化如聚苯乙烯磺化 磺酸基團（磺酸基團（SO3H） 一種強酸性陽離子樹脂一種強酸性陽離子樹脂微孔形態(tài)微孔形態(tài)：凝膠型、大孔型、等孔型等：凝膠型、大孔型、等孔型等132命名命名全名稱：（微孔型態(tài)）（骨架名稱）（基全名稱：（微孔型態(tài)

6、）（骨架名稱）（基本名稱）本名稱） 如凝膠型苯乙烯系強酸型陽離子交換樹脂如凝膠型苯乙烯系強酸型陽離子交換樹脂 為了區(qū)別同一類樹脂的產(chǎn)品，有時在前面為了區(qū)別同一類樹脂的產(chǎn)品，有時在前面加上一些數(shù)字。加上一些數(shù)字。 143主要性能主要性能 1) 密度：密度：濕真密度濕真密度： 濕樹脂質(zhì)量濕樹脂質(zhì)量/樹脂顆粒本身所占體積樹脂顆粒本身所占體積（不包括顆粒之間的空隙）（不包括顆粒之間的空隙）用于確定反沖洗強度，混合床的分層用于確定反沖洗強度，混合床的分層 濕視密度濕視密度 ：濕樹脂質(zhì)量濕樹脂質(zhì)量/樹脂堆積體積樹脂堆積體積計算樹脂用量計算樹脂用量 152）交換容量：）交換容量：是樹脂最重要的性能，表示樹脂

7、是樹脂最重要的性能，表示樹脂交換能力的大小。交換能力的大小。以體積和重量兩種表示方式。以體積和重量兩種表示方式。全交換容量：全交換容量：可用滴定法測定或從理論上計算可用滴定法測定或從理論上計算工作交換容量工作交換容量：實際工作條件下，全的：實際工作條件下，全的6070 163) 離子交換樹脂的選擇性離子交換樹脂的選擇性與水中離子種類、樹脂交換基團的性能有很大關(guān)與水中離子種類、樹脂交換基團的性能有很大關(guān)系，同時也受離子濃度和溫度的影響。系，同時也受離子濃度和溫度的影響。 離子電荷愈多，愈易被交換離子電荷愈多，愈易被交換 原子序數(shù)愈大，即水合半徑愈小，愈易被交換原子序數(shù)愈大，即水合半徑愈小，愈易被

8、交換 Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+= NH4+ Na+Li+ SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3- H和和OH的交換選擇性與樹脂交換基團酸、的交換選擇性與樹脂交換基團酸、堿性的強弱有關(guān)。堿性的強弱有關(guān)。對于強酸陽樹脂：對于強酸陽樹脂： H+Li+ 而對于弱酸陽樹脂：而對于弱酸陽樹脂：H+Fe3+ 17三、離子交換平衡三、離子交換平衡離子交換也是一種化學(xué)反應(yīng)，存在交換平衡。離子交換也是一種化學(xué)反應(yīng)，存在交換平衡。 RA + B- - RB +A+ 離子交換選擇系數(shù)為離子交換選擇系數(shù)為： KAB= RBA+/RAB+ 該值該值1，有利于交換反應(yīng)的進行。，有利于交換反應(yīng)的進行。 計

9、算泄漏量、極限工作交換容量、再生度極限值計算泄漏量、極限工作交換容量、再生度極限值18q0：樹脂全交換容量；：樹脂全交換容量；q：樹脂中：樹脂中B+離子濃度離子濃度C0：溶液中兩種交換離子的總濃度：溶液中兩種交換離子的總濃度C：溶液中：溶液中B+離子濃度離子濃度19第第4 4節(jié)節(jié) 離子交換軟化離子交換軟化 一、陽離子交換樹脂特性一、陽離子交換樹脂特性分強酸和弱酸。強酸主要有分強酸和弱酸。強酸主要有RNa 和和RH。 1RNa 2RNa + Ca2 +- R2Ca + 2Na+ 2RNa + Mg2+ - R2Mg + 2Na+ 特點：特點：去除去除碳酸鹽和非碳酸鹽硬度碳酸鹽和非碳酸鹽硬度，總含

10、鹽量，總含鹽量（陽離子總重量）有所變化，但（陽離子總重量）有所變化，但堿度不變堿度不變。 20212RH碳酸鹽硬度碳酸鹽硬度， 生成生成CO2、H2O同時同時堿度也去除了。堿度也去除了。 非碳酸鹽硬度非碳酸鹽硬度，生成，生成H2SO4，HCl 出出水酸性水酸性 對于對于Na+, RH + NaCl -RNa +HCl - 產(chǎn)產(chǎn)生鈉型樹脂，但不起軟化作用生鈉型樹脂，但不起軟化作用 22Na+泄漏泄漏硬度泄漏硬度泄漏23開始時出水呈酸性。開始時出水呈酸性。 Na開始泄漏時，出水酸度急劇下降。開始泄漏時，出水酸度急劇下降。 之后，之后，RH交換轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q轉(zhuǎn)變?yōu)镽Na型運行模式，對型運行模式，對Ca和

11、和Mg仍有交換能力。出水仍有交換能力。出水Na離子逐漸超過原離子逐漸超過原水中的濃度，呈堿性。水中的濃度，呈堿性。 然后硬度離子開始泄漏然后硬度離子開始泄漏出水中離子泄漏的順序為：出水中離子泄漏的順序為：H、Na、Mg2、Ca2 失效點控制：失效點控制：脫堿，以脫堿，以Na泄漏為準泄漏為準 軟化，以硬度離子泄漏為準。軟化，以硬度離子泄漏為準。 243弱酸型弱酸型RCOOH（目前應(yīng)用廣的主要是丙烯酸型）（目前應(yīng)用廣的主要是丙烯酸型）25由于電離較弱，只能去除碳酸鹽硬度由于電離較弱，只能去除碳酸鹽硬度 2RCOOH + Ca(HCO3)2 - (RCOO)2Ca + 2H2O +CO2 但交換容量

12、大（活性基團多），比強酸型高但交換容量大（活性基團多），比強酸型高一倍。一倍。再生容易。再生容易。 26二、離子交換軟化系統(tǒng)二、離子交換軟化系統(tǒng) 1RNa 系統(tǒng)系統(tǒng) 原水堿度低（因為原水堿度低（因為RNa不能去除堿度），不能去除堿度），不要求降低堿度的情況。不要求降低堿度的情況。 可采用一級或二級串聯(lián)?？刹捎靡患壔蚨壌?lián)。 272脫堿軟化系統(tǒng)脫堿軟化系統(tǒng)1HNa 并聯(lián)并聯(lián) QNQH2829A原原：進水堿度：進水堿度A混混：混合水中的殘留堿度：混合水中的殘留堿度S：進水中：進水中SO42、Cl含量之和含量之和, 當量濃度當量濃度QH：進：進RH水量水量 QN：進：進RNa水量水量 30第一種情

13、況：第一種情況：RH以以Na泄漏為準泄漏為準經(jīng)經(jīng)RH產(chǎn)生的強酸量產(chǎn)生的強酸量 S QH經(jīng)經(jīng)RNa后的堿度后的堿度 A原原QN =A原原 (Q-QH)混合水中的剩余堿度混合水中的剩余堿度 Q A混混物料平衡物料平衡: A原原 (Q-QH) S QH A混混QQH (A原原A混混)/（A原原S）QQN（A混混S）/（A原原S）Q 31第二種情況：第二種情況：RH以硬度離子的泄漏為準。以硬度離子的泄漏為準。則則RH產(chǎn)生的酸度非碳酸鹽硬度產(chǎn)生的酸度非碳酸鹽硬度HF 同樣推出：同樣推出： QH（A原原A混混）/（A原原HF）QQN（A混混HF）/（A原原HF）Q 但應(yīng)注意但應(yīng)注意RH出水在一個周期內(nèi)是不

14、均勻的？出水在一個周期內(nèi)是不均勻的？在任何時間都保證不出現(xiàn)酸性水很難。在任何時間都保證不出現(xiàn)酸性水很難。 因此，以因此，以Na+泄漏運行為宜。泄漏運行為宜。322）HNa 串聯(lián)系統(tǒng)串聯(lián)系統(tǒng) 33水量分配公式與并聯(lián)時的相同。水量分配公式與并聯(lián)時的相同。這種型式可以降低這種型式可以降低RNa的負荷。的負荷。 H-Na并列：并列：適用于堿度高的原水。因為只有適用于堿度高的原水。因為只有一部分水過一部分水過RNa。投資省。投資省。H-Na串聯(lián)：串聯(lián)：適用于硬度高的原水，出水水質(zhì)適用于硬度高的原水，出水水質(zhì)能保證。運行安全可靠。能保證。運行安全可靠。CO2產(chǎn)生量：產(chǎn)生量：1mmol/L的的HCO3- 產(chǎn)

15、生產(chǎn)生44mg CO2/L 34三、固定床離子交換軟化設(shè)備三、固定床離子交換軟化設(shè)備1離子交換裝置的分類離子交換裝置的分類 固定床：單床、雙層床、混合床固定床：單床、雙層床、混合床連續(xù)床：移動床和流動床連續(xù)床：移動床和流動床 352固定床的工作過程固定床的工作過程 飽和區(qū)飽和區(qū)交換區(qū)交換區(qū)未交換區(qū)未交換區(qū)交換帶形交換帶形成階段成階段交換帶下交換帶下移移為保證一定的水質(zhì)：為保證一定的水質(zhì)：應(yīng)有一個保護層應(yīng)有一個保護層交換帶高度交換帶高度交換帶影響因素：水流速度、樹脂大小、原水水質(zhì)交換帶影響因素：水流速度、樹脂大小、原水水質(zhì) 363工作交換容量工作交換容量在給定工作條件下的實際交換能力。在給定工作

16、條件下的實際交換能力。 P1：再生完畢，軟化開始前殘：再生完畢，軟化開始前殘存硬度離子所占的百分數(shù)存硬度離子所占的百分數(shù) P3：軟化結(jié)束時，樹脂層中交：軟化結(jié)束時，樹脂層中交換不到部分所占的百分數(shù)。換不到部分所占的百分數(shù)。 P2（工作交換容量）（工作交換容量）P1+P2+P3100影響因素：再生程度、軟化時的影響因素：再生程度、軟化時的流速、原水水質(zhì)流速、原水水質(zhì) 374. 樹脂再生樹脂再生 固定床再分為順流再生和固定床再分為順流再生和逆流再生逆流再生兩種。兩種。逆流再生：逆流再生：降低再生劑用量；出水質(zhì)量提高、降低再生劑用量；出水質(zhì)量提高、工作交換容量提高。工作交換容量提高。RNa型：用型：

17、用NaCl再生再生RH型：用型：用HCl 或或H2SO4 再生。再生。 3839第第5 5節(jié)節(jié) 離子交換除鹽離子交換除鹽 需求：需求：高溫高壓鍋爐的補給水、某些電子工高溫高壓鍋爐的補給水、某些電子工業(yè)用水等業(yè)用水等一、陰離子樹脂特性一、陰離子樹脂特性陰樹脂是在粒狀高分子化合物母體的最后處陰樹脂是在粒狀高分子化合物母體的最后處理階段導(dǎo)入各種胺基而成的。理階段導(dǎo)入各種胺基而成的。1. 強堿性陰離子樹脂強堿性陰離子樹脂 40可以交換經(jīng)可以交換經(jīng)H離子交換出來的各種陰離子。離子交換出來的各種陰離子。SO42、Cl、HCO3、HSiO3- 為徹底除硅：陰離子樹脂進水為徹底除硅：陰離子樹脂進水pH必須較低

18、。必須較低。ROH + H2SiO3- RHSiO3 + H2O 若進水酸性降低，則若進水酸性降低，則ROH + NaHSiO3- RHSiO3 + NaOH生成生成的的NaOH阻礙反應(yīng)向右進行。阻礙反應(yīng)向右進行。 41化學(xué)穩(wěn)定性比陽樹脂差。化學(xué)穩(wěn)定性比陽樹脂差。 易受氧化劑的氧化而變質(zhì)。特別是其中的易受氧化劑的氧化而變質(zhì)。特別是其中的氮氧化后，堿性逐漸變?nèi)?。交換容量逐漸氮氧化后，堿性逐漸變?nèi)酢＝粨Q容量逐漸較少。較少?？褂袡C物污染能力較差抗有機物污染能力較差交換能力逐漸交換能力逐漸降低。原因尚不清楚。但一般認為陰樹脂降低。原因尚不清楚。但一般認為陰樹脂的交聯(lián)程度不均，有機物易被交聯(lián)緊密部的交聯(lián)

19、程度不均，有機物易被交聯(lián)緊密部分卡住。分卡住。 422弱堿性陰樹脂弱堿性陰樹脂 只能與強酸陰離子交換反應(yīng)（以酸形式存在只能與強酸陰離子交換反應(yīng)（以酸形式存在時）時） 如：如：R-NH3OH +HCl = R-NH3Cl + H2O 43極易再生極易再生與強堿陰樹脂聯(lián)合使用與強堿陰樹脂聯(lián)合使用弱堿弱堿去除強酸陰離子去除強酸陰離子強堿強堿去除其他陰離子去除其他陰離子 同時，強堿陰樹脂的再生廢堿液同時，強堿陰樹脂的再生廢堿液再生弱堿再生弱堿性陰樹脂性陰樹脂樹脂內(nèi)部孔隙較大，抗有機污染能力較強，樹脂內(nèi)部孔隙較大，抗有機污染能力較強，交換容量較大。交換容量較大。 44二、復(fù)床除鹽二、復(fù)床除鹽1）強酸脫氣

20、強堿：最基本）強酸脫氣強堿：最基本 452）強酸脫氣弱堿強堿）強酸脫氣弱堿強堿適用于有機物含量高、強酸陰離子多的情況適用于有機物含量高、強酸陰離子多的情況 除硅除硅除強酸陰離子除強酸陰離子46三、混合床三、混合床 陽、陰樹脂按比例混合裝在同一反應(yīng)器內(nèi)。陽、陰樹脂按比例混合裝在同一反應(yīng)器內(nèi)。再生時分層再生，使用時均勻混合。再生時分層再生，使用時均勻混合。 相當于許多陽、陰樹脂交錯排列而成的多級相當于許多陽、陰樹脂交錯排列而成的多級復(fù)床。復(fù)床。 一般交換反應(yīng)為：一般交換反應(yīng)為： RHROHNaCl - RNaRClH2O 平衡常數(shù)（選擇性系數(shù)）平衡常數(shù)（選擇性系數(shù)）K=KHNa KOHCl 1/K

21、H2O 1 交換反應(yīng)徹底交換反應(yīng)徹底 47體內(nèi)再生：體內(nèi)再生： 特點：特點：出水水質(zhì)好而穩(wěn)定，交換終點明顯，設(shè)備較少。出水水質(zhì)好而穩(wěn)定，交換終點明顯，設(shè)備較少。缺點：缺點：樹脂交換容量利用率比較低，損耗率大。再生樹脂交換容量利用率比較低，損耗率大。再生操作復(fù)雜。操作復(fù)雜。應(yīng)用：應(yīng)用：在除鹽系統(tǒng)的最后，起精加工作用。在除鹽系統(tǒng)的最后，起精加工作用。 48四、雙層床四、雙層床1陽樹脂陽樹脂 弱酸型：弱酸型：去除碳酸鹽硬度去除碳酸鹽硬度 強酸型：強酸型：去除非碳酸鹽硬去除非碳酸鹽硬度及鈉鹽度及鈉鹽 應(yīng)用：應(yīng)用：硬度和堿度接近或硬度和堿度接近或硬度略大于堿度，硬度略大于堿度，Na含含量不大的水質(zhì)條件。量不大的水質(zhì)條件。 492. 陰樹脂雙層床陰樹脂雙層床 弱堿：弱堿：去除強酸陰離子去除強酸陰離子強堿：強堿：去除弱酸陰離子去除弱酸陰離子注意再生條件：注意再生條件：防止膠體硅膠聚集在弱堿樹脂上防止膠體硅膠聚集在弱堿樹脂上 50第第6 6節(jié)離子交換法處理工業(yè)廢水節(jié)離子交換法處理工業(yè)廢水一、離子交換處理工業(yè)廢水的特點一、離子交換處理工業(yè)廢水的特點1.工業(yè)廢水水質(zhì)復(fù)雜：工業(yè)廢水水質(zhì)復(fù)雜：含各種懸浮物和油類、含各種懸浮物和油類、溶解鹽類溶解鹽類 適當預(yù)處理適當預(yù)處理2. pH的影響：的影