工業(yè)給水處理工程課件

1、 4.2 離子交換的基本原理四、離子交換樹脂層內(nèi)的工作過程1. 離子交換樹脂層內(nèi)的交換過程 以裝有鈉型樹脂的離子交換柱為例，當通過含有Ca2+ 的水時，鈉型樹脂層內(nèi)會進行交換反應(yīng)，并發(fā)生系列的變化。 交換反應(yīng)進行一段時間后，停止運行，逐層取出樹脂樣品，并測定其所吸附的鈣離子含量，以“飽和程度”表示。 飽和程度：單位體積樹脂所吸附鈣、鎂離子量與其全交換容量之比，以百分比表示。飽和程度曲線。第四章 離子交換法處理工業(yè)給水7/26/20221 用白點表示離子交換樹脂層中的鈣型樹脂，黑點表示鈉型樹脂，以白點占白點與黑點之和的百分數(shù)表示白點（鈣型樹脂）的飽和程度，若鈣型樹脂的飽和程度為50，則Ca型樹脂

2、占樹脂容量的50；若鈣型樹脂的飽和程度為100，則Na型樹脂全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃a型樹脂。7/26/20222樹脂層的變化可分為以下三個階段：（P404） （1）交換帶的形成階段；（2）交換帶的移動階段；（3）交換帶的消失階段。7/26/20223 影響交換帶寬度的因素大致可分為兩大方面: 一是離子交換速度的因素; 二是影響水流沿交換柱過流斷面均勻分布的因素。 交換速度越快，水流越均勻， 交換帶就越薄。影響這兩大方面的具有因素有樹脂種類、樹脂顆粒大小、樹脂層空隙率、進水水質(zhì)、出水水質(zhì)控制標準水流的速度及水溫、交換柱的結(jié)構(gòu)等。在一般正常運行條件下，交換帶寬度約為10002000mm。 7/26/2022

3、4五、離子交換樹脂層內(nèi)的再生過程 采用含一定化學(xué)物質(zhì)的水溶液，使樹脂層內(nèi)失效（失去交換能力）的樹脂重新恢復(fù)交換能力，這種過程稱為樹脂的再生過程。再生能力或再生性能，通常用再生劑耗量、再生劑比耗表示。再生劑的種類。對于不同性質(zhì)的原水和不同類型的樹脂，應(yīng)采用不同的再生劑。選擇的再生劑既要有利于再生液的回收利用，又要求再生效率高，洗脫速度快，價廉易得。 一般對強酸性陽樹脂用HCl或H2SO4等強酸及NaCl、Na2SO4再生；對弱酸性陽樹脂用HCl、H2SO4再生；對強堿性陰樹脂用NaOH等強堿及NaCl再生，對弱堿性陰樹脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。7/26/20225再生劑用量

4、。樹脂的交換和再生均按等當量進行。理論上，再生劑可等容量恢復(fù)樹脂交換容量，但實際上再生劑的用量要比理論值大得多，通常為25倍。當再生劑用量一定時，適當增加再生劑濃度，可以提高再生效率。但再生劑濃度太高，會縮短再生液與樹脂的接觸時間，反而降低再生效率，因此存在最佳濃度值。如用NaCl再生Na型樹脂，最佳鹽濃度范圍在10左右。再生方式。再生主要有順流和逆流兩種方式。再生劑流向與交換時水流方向相同者，稱為順流再生，反之稱為逆流再生。7/26/20226六、離子交換樹脂的選用和保管（一）離子交換樹脂的選用 在離子交換水處理的設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)原水的水質(zhì)、對出水水質(zhì)的要求、離子交換樹脂基本性能及離子交換設(shè)備

5、性能，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，合理地選用離子交換樹脂。1離子交換樹脂的交換容量：樹脂交換容量越大，其所交換離子的量就越大，相應(yīng)地處理的水量越大。 2原水的水質(zhì)特征：原水（進水）的水質(zhì)關(guān)系到離子交換水處理過程中要去除離子的性質(zhì)，根據(jù)要去除離子的性質(zhì)來選用樹脂是至關(guān)重要的。 僅去除水中交換吸附較強的陽離子 ；去除吸附性較弱的陽離子和陰離子 ；原水中有機物成分高 。7/26/202273. 處理出水的水質(zhì)要求 軟化水處理:強酸性陽樹脂與弱酸性陽樹脂混合使用； 除鹽水處理:要求出水水質(zhì)高，一定要選用強型樹脂，以除去交換吸附能力較弱的離子，或者與弱型樹脂組合使用。7/26/20228 4. 離子交換設(shè)備的性能

6、 不同類型的設(shè)備要求選用不同性能的樹脂。連續(xù)床（有移動床交換柱、再生柱分為兩柱進行 、流動床同一柱內(nèi)，再生段與交換段在不同部位，樹脂可在同一柱內(nèi)流動 ），要求離子交換樹脂的耐磨性好，強度高；固定床（單層床只裝一種樹脂、雙層床裝兩種性質(zhì)不同的樹脂 、混合床裝陰陽兩種樹脂 ）要求離子交換樹脂的濕真密度相差大。 順流再生固定床：原水流動方向與再生液流向一致，一般是從上往下流動。操作比較方便，有利于處理低硬度的原水。但是，再生程度差，再生劑耗量較大。 逆流再生固定床：再生液的流向與交換時水流流向相反。一般是原水向下流動，再生液向上流動。適合于處理高硬度的原水，再生效果好，再生劑耗量較少。7/26/20

7、229（二）離子交換樹脂的保管 在新樹脂使用前與舊樹脂停用時，均需采用適當?shù)谋９艽胧?，否則會直接影響樹脂的使用壽命和其交換容量。 1新樹脂的保管 (1)保持樹脂的水分 ；干樹脂應(yīng)用飽和鹽水逐級稀釋法使其含水率飽和。(2)防止樹脂受涼和受熱 ；低溫造成樹脂脹裂失去交換能力，高溫時樹脂易變形，交換基團分解和滋生細菌。(3)防止樹脂劣化 ；避免與鐵質(zhì)容器、氧化劑和油類物質(zhì)直接接觸，防止樹脂被污染和氧化分解，劣化樹脂性能。7/26/2022102舊樹脂的保管 若離子交換樹脂在使用過程中有較長時間停用，其保管要采取下列措施：(1)樹脂轉(zhuǎn)型：通常把樹脂轉(zhuǎn)變成Cl型或Na型長期貯存，故可將陰樹脂、陽樹脂用食

8、鹽溶液轉(zhuǎn)型，陽樹脂不宜以Ca型或H型長期存放；(2)濕法存放：在交換器內(nèi)將停用的樹脂浸沒于水中保存；(3)防止霉變：交換器內(nèi)長期存放樹脂，其表面容易滋長微生物，發(fā)生霉變，尤其在溫度較高的條件下。因此，必須定期進行換水和用水反沖洗，同時亦可用1.5甲醛溶液(福爾馬林液)浸泡消毒。7/26/202211（三）離子交換樹脂的裝填1離子交換器的清理與檢查2離子交換樹脂的裝填（1）用水力裝卸器裝填樹脂時，用澄清水裝填陽樹脂，用除鹽水裝填陰樹脂。在裝填樹脂前，先往交換器中加入一定高度(如1m左右)的水層，避免樹脂直接沖擊交換器底部裝置和墊層。（2）按設(shè)計要求量裝填完后，測量樹脂高度，符合要求后即封閉交換器

9、。對樹脂層進行反洗、沉降、排水后再打開交換器，平整樹脂層將漂在樹脂層上面的細顆粒樹脂刮去。并再補裝填入樹脂，使樹脂層高度達到設(shè)計要求。（3）對于大孔樹脂，尤其是弱酸樹脂，應(yīng)檢查有否軟球和透明球，因它們易粘在通流部位，影響正常使用，必須除去。 7/26/2022124.3 離子交換水處理 多種類型的離子交換組合達到不同的水處理目的原水的軟化、或軟化并脫堿、或脫鹽。 一、離子交換軟化水處理 離子交換軟化處理是利用陽離子交換樹脂中可交換的陽離子（如Na+ 、H+ ），把水中所含的鈣、鎂離子交換出來，去除水中的硬度，這一過程稱為離子交換軟化水處理。目前常用的有鈉離子交換軟化法、氫離子交換軟化法和氫鈉離

10、子交換軟化法等7/26/202213(一) 離子交換軟化方法1. 鈉離子交換軟化法鈉離子交換樹脂是最簡單的一種軟化方法，其反應(yīng)如下： Ca(HCO3)2+2RNa=R2Ca+2NaHCO3CaSO4+2RNa=R2Ca+Na2SO4MgCl2+2RNa=R2Mg+2NaCl 該法的優(yōu)點是處理過程中不產(chǎn)生酸性水；設(shè)備和管道防腐設(shè)施簡單；再生劑為食鹽，再生劑易得。7/26/2022147/26/2022152. 氫離子交換軟化法強酸性氫離子交換樹脂的軟化反應(yīng)如下：Ca(HCO3)2+2RH=R2Ca+2CO2+2H2OCaSO4+2RH=R2Ca+H2SO4MgCl2+2RH=R2Mg+2HCl

11、由上可見，原水中碳酸鹽硬度在交換過程中形成碳酸，因此該法除可軟化外還可去除堿度。但在與非碳酸鹽硬度交換過程中，除軟化外還生成相應(yīng)的強酸。因此，對設(shè)備和管道防腐要求高，一般總是和鈉離子交換聯(lián)合使用，可與其它措施（如加堿中和）相結(jié)合。7/26/2022163. 氫-鈉離子交換脫堿軟化法 同時應(yīng)用氫和鈉離子交換進行軟化的方法，根據(jù)兩者的連接情況，可分為氫-鈉并聯(lián)離子交換法和氫鈉串聯(lián)離子交換法。7/26/202217 離子交換裝置，按照運行方式的不同，可分為固定床和連續(xù)床兩大類。固定床依照原水與再生液的流動方向，雙可分為兩種形式：(二）離子交換軟化裝置 工作運行圖順流再生圖工作運行圖逆流再生圖順流再生

12、固定床；逆流再生固定床。7/26/2022181. 順流再生固定床 原水與再生液分別從上而下以同一方向流經(jīng)離子交換器的離子交換裝置，稱為順流再生固定床。 順流再生固定床存在如下主要缺點樹脂層上部再生程度高，而越是下部，再生程度越差；在軟化工作期間，出水剩余硬度較高；到軟化工作后期 ，由于樹脂層下半部原先再不好，出水剩余硬度提前超出規(guī)定指標，導(dǎo)到交換器過早地失效，降低了設(shè)備工作效率。 因此，順流再生固定床只適用于設(shè)備較小、原水硬度較低的場合。7/26/2022192. 逆流再生固定床 凡時再生時再生液流向與交換時水流方向相反的離子交換軟化裝置，均屬于逆流（對流）再生固定床。常見的是再生液向上流、

13、水流向下流的逆流再生固定床。 逆流再生固定床的優(yōu)點有：再生時，再生液首先接觸接觸飽和程度低的底層樹脂，然后再生飽和程度高的中、上層樹脂。這樣，再生液可被充分利用，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，處理水在經(jīng)過相當軟化之后又與這一底層樹脂接觸，進行充分交換，從而提高了出水水質(zhì)。這一優(yōu)點在處理高硬度水時更為突出。 7/26/202220 與順流再生固定床相比，逆流再生固定床具有如下優(yōu)點： 1）再生劑耗量可降低20%以上； 2）出水質(zhì)量顯著提高； 3） 原水水質(zhì)適用范圍擴大，對于硬度較高的水，仍能保證出水水質(zhì)； 4）再生廢液中再生劑有效濃度明顯降低，一般不超1%。 5）樹脂工

14、作交換容量有所提高。 與順流再生固定床相比，其主要缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、運行操作復(fù)雜。 7/26/202221 (三) 離子交換軟化系統(tǒng)的選擇1. 鈉離子交換軟化系統(tǒng) 一般用于原水堿度低，只須進行軟化的場合，可用作低壓鍋爐的給水處理系統(tǒng)。 該系統(tǒng)的局限性在于，當原水硬度高、堿度較大的情況下，單靠這種軟化處理難以滿足要求。 從軟化反應(yīng)看出，處理后的水質(zhì)是：堿度不變，去除了硬度，但蒸發(fā)殘渣（溶解性固體）含量反而略有增加。7/26/2022222. 氫離子交換軟化系統(tǒng) 氫離子交換不單獨自成系統(tǒng)，多與鈉離子交換聯(lián)合使用。這需要從氫離子樹脂（以強酸樹脂為例）用于離子交換的出水水質(zhì)變化過程加以分析。 當

15、進水流經(jīng)氫離子交換器時，由于強酸樹脂對水中離子的選擇性順序為Ca2+Mg2+Na+，所以，出水中離子出現(xiàn)的次序為H+、Na+、Mg2+ Ca2+，而此次序與原水中這些離子的相對濃度無關(guān)。 7/26/202223 在水的軟化系統(tǒng)中，如單獨用氫離子交換系統(tǒng)，若以硬度泄漏為失效點，則出水堿度仍未去除；如考慮以漏鈉為失效點，則還有部分交換能力未發(fā)揮作用，且出水呈酸性。因此，不能單獨用氫離子交換系統(tǒng)去除硬度。7/26/202224 另外，我們還可以了解到，在氫離子交換過程中，應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)與處理要求，對失效點的控制應(yīng)有所不同。在水的除鹽系統(tǒng)中，失效點應(yīng)以Na+泄漏量為準；而在水的軟化系統(tǒng)中，亦可考慮以硬

16、度開始泄漏作為失效點。7/26/2022253. 氫-鈉離子交換脫堿軟化系統(tǒng) 該系統(tǒng)適用于原水硬度高、堿度大的情況?？煞譃椴⒙?lián)和串聯(lián)兩種形式。主要是需要考慮原水流量的分配，這與原水水質(zhì)及其處理要求有關(guān)，還需要考慮在系統(tǒng)中增加除二氧化碳器。 7/26/202226二、離子交換除鹽水處理 離子交換除鹽水處理是指水中所含的各種離子和離子交換樹脂進行離子交換反應(yīng)而被除去的過程，又稱為化學(xué)除鹽處理。 鍋爐的過熱器和汽輪機部分有積鹽的危險，亦會影響石油化工等工業(yè)對蒸汽品質(zhì)的要求。因此，要求鍋爐補給水必須除鹽。7/26/202227（一）離子交換除鹽水處理的原理 當水中的各種 陽離子和陽離子交換樹脂反應(yīng)后，

17、水中就含有一種從陽樹脂上被交換下來的陽離子；而水中的各種陰離子和陰離子交換樹脂反應(yīng)后，水中就只含一種從陰離子樹脂上被交換下來的陰離子。若水中僅存在的陽離子或陰離子能結(jié)合成水，則就能實現(xiàn)水的離子交換除鹽。 顯然，這兩種離子只能是H+和OH-。7/26/2022281氫型陽樹脂的交換反應(yīng) Ca2+2RHR2Ca+2H+ Na+RHRNa+H+2氫氧型陰樹脂的交換反應(yīng) Cl-+ROHRCl+OH- SO42-+2ROHR2SO4+2OH- HCO3-+ROHRHCO3+OH-3中和反應(yīng) 水中的陽離子和陰離子各自與H型陽樹脂和OH型陰樹脂反應(yīng)，分別形成的H+ 和OH- 結(jié)合生成水，其反應(yīng)式如下： H+

18、 OH-H2O7/26/202229（四）離子交換除鹽水處理系統(tǒng)1. 一級復(fù)床離子交換除鹽水處理系統(tǒng) 原水只一次相繼地通過H型強酸性陽離子交換器（陽床）和OH型強堿性陰離子交換器（陰床）的除鹽水處理。典型的一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)，包括H型強酸性陽離子交換器、除碳器（除二氧化碳器）和OH型強酸性陰離子的交換器，并構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)。（1）一級復(fù)床除鹽的原理 原水經(jīng)H型強酸性陽離子樹脂交換后，除去了水中所有的陽離子，被交換下來的H與水中的陰離子基團結(jié)合形成相應(yīng)的酸，原水中的HCO3- 則變成了游離的CO2 ,形成的游離CO2 很容易用除碳器除去。 7/26/202230 OH型強堿性陰樹脂對進水中以酸形式存在

19、的陰離子（包括H2SiO3）很容易進行交換反應(yīng)，除去水中所含的陰離子，從而得到除鹽水。 為了除去水中除H+ 以外的所有陽離子，要求H型強酸性陽離子交換器出水中漏鈉時，立即停止運行，用酸進行再生；同樣，當OH型強堿性陰離子交換器出水有硅漏出時，立即停止運行，用NaOH進行再生，這樣便能保證一級復(fù)床除鹽水的水質(zhì)。強酸性陽離子交換樹脂：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+H+ 弱堿性陰離子交換樹脂： OH-SO42-NO3-Cl-HCO3-HsiO3- 7/26/2022317/26/2022322. 混合床離子交換除鹽水處理系統(tǒng) 混合床離子交換器是以陽、陰兩種離子交換樹脂按一定比例均勻混合后

20、裝填于同一交換器內(nèi)，相當于一個多級的除鹽系統(tǒng)。其中經(jīng)H型強酸性陽樹脂與水中陽離子交換后形成的H+ ，和經(jīng)OH型強堿性陰樹脂與水中陰離子交換后形成的OH- 相結(jié)合，形成電離度很小的水。 混合床樹脂失效后，可利用其H型強酸性陽樹脂的濕真密度與OH型強堿性陰樹脂的濕真密度不同，用水力反洗法將兩種樹脂分開，然后用酸和堿液分別對其進行再生再生后用除鹽水正洗(按運行制水的方向?qū)渲M行清洗，叫正洗 )至合格，再用壓縮空氣將兩種樹脂混和即可投入運行。7/26/2022337/26/202234一級復(fù)床除鹽水混合床除鹽水電導(dǎo)率， S/cm(25 )100.2SiO2 ， g/L10020pH89.57.0 0

21、.2表122 除鹽水水質(zhì)指標7/26/2022354.4 離子交換附屬設(shè)備一、再生附屬設(shè)備1. 食鹽系統(tǒng) 包括食鹽貯存、鹽液配制及輸送等設(shè)備。一般為濕法貯存。2. 酸系統(tǒng) 酸系統(tǒng)主要由貯存、輸送、計量以及投加等設(shè)備組成。由于酸的腐蝕強，與酸接觸的管道、設(shè)備均應(yīng)有防腐措施。7/26/2022363. 再生劑用量的計算 再生劑用量G表示單位體積樹脂所需的純再生劑量，g/L。要計算再生劑用量需用到兩個參數(shù)：再生劑耗R和再生劑比耗n。 再生劑耗R是指在失效的樹脂中再生單位工作交換容量（1摩爾交換基團）所耗用的純再生劑質(zhì)量，單位為g/mol。 再生劑比耗n表示單位體積樹脂所消耗的再生劑物質(zhì)的量與樹脂工作

22、交換容量q的比值（mol/mol)。7/26/202237上述參數(shù)之間的關(guān)系為R=nMB (g/mol)G=qR (g/L)其中 MB再生劑的摩爾質(zhì)量，g/mol; q 樹脂工作交換容量, mol/L.每臺離子交換器再生一次需要的再生劑總量等于7/26/202238 可見，再生劑的用量與再生劑耗和再生劑比耗成正比關(guān)系。在實際應(yīng)用中，在一定條件下應(yīng)通過工作交換容量隨比耗變化的趨勢確定一個即經(jīng)濟又實用的再生劑比耗。下表列出各種離子交換樹脂的再生劑耗和比耗。7/26/202239二、除二氧化碳器1. 離子交換水處理中二氧化碳的來源與危害 若原水中存在碳酸鹽硬度或堿度，在H離子交換過程中，處理水中產(chǎn)生大量的CO2，將會產(chǎn)生如下危害： 1）二氧化碳溶于水體，呈弱酸性，對金