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。8.1.1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8.1.2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/l8.1.3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、選擇性一般化合價越大的離子被交換的能力越強(qiáng)；在同價離子中則優(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，一個固定周期中單位體積樹脂實現(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離子交換反反應(yīng)8.2.1離子交換平平衡一價對一價價交換選擇系數(shù)大大于1，說明該樹樹脂對B+的親合力大大于對A+的親合力，，即有利于于進(jìn)行離子子交換反應(yīng)應(yīng)。選擇系數(shù)用用離子濃度度分率表示示：一階對兩階階離子交換換反應(yīng)通式式為：8.2.2離子交換動動力學(xué)過程程及交換速速度控制離子交交換反應(yīng)的的速度．(1)濃度：濃度度大于0.1mol/l時，孔道擴(kuò)擴(kuò)散為控制制步；濃度度小于0.003mol/l時，膜擴(kuò)散散成為控制制步；介于于中間則取取決于具體體情況．(2)流速或攪拌拌速率：大大，則水水膜?。つU(kuò)散快，，但孔隙擴(kuò)擴(kuò)散基本不不受影響．．(3)樹脂粒徑、空空隙度：膜擴(kuò)擴(kuò)散速度與粒粒徑、空隙度度成反比；孔道擴(kuò)散速度度與粒徑２次次方成反比．．(4)交聯(lián)度：交交聯(lián)度對于孔孔道擴(kuò)散影響響比對膜擴(kuò)散散更為顯著．．（5）溶液的溫度：：與液膜擴(kuò)散散和孔道擴(kuò)散散速度成正比比。8.2.3固定床離子交交換過程8.3離子交換裝置置及運(yùn)行操作作裝有離子交換換劑的交換器器稱為離子交交換床;離子交換裝置置種類很多,一般可分為固定床式離子子交換器和移動床式交換換器兩大類,最廣泛應(yīng)用的的為固定床式式.8.3.1固定床式離子子交換器按其水和再生生液的流動方方向分為:順流再生式、、逆流再生式式、分流再生生式，詳細(xì)介介紹前兩種。1、順流再生離離子交換器再生液與水流流方向相同運(yùn)行周期五步步：反洗，進(jìn)進(jìn)再生液，置置換，正洗，，制水。P257圖8-8、7順流再生離子子交換器運(yùn)行行失效后、再再生前和再生生后的樹脂層態(tài)圖8-9（a)最下部樹脂的的交換容量未未利用,存在H型樹脂(b)經(jīng)過反洗后各各離子型樹脂脂在床層中基基本呈均勻分分布狀態(tài)(c)由上而下再生生度降低,下部未得到再再生主要是Ca,Mg型樹脂也有少少量Na型其特點(diǎn)：⑴上上部再生程程度高，下部部差，越是下部越差⑵再生劑耗量大大，2～3倍理論值時，，效果仍不理理想⑶交換器失效效早，降低工工作效率，工作交換容量量降低⑷出水剩余硬硬度高，適合于水質(zhì)較好，硬硬度較低，Na+值較低的水質(zhì)質(zhì)⑸對經(jīng)濟(jì)性要求不不高的小容量除鹽鹽裝置。2．逆流再生離離子交換器逆流再生操作作步驟：⑴小反洗⑵放水⑶頂壓→使使床不亂（為何需頂壓壓，順流時是是否需頂壓））⑷進(jìn)再生液液⑸逆向沖洗洗（軟化水水，流速5～7m/h）⑹小正洗(7)正洗(流速10-15m/h,直到合格為止止)為何需軟化水水逆向沖洗：：逆流再生要用用軟化水清洗洗，否則底層層已再生好的的樹脂在清洗洗過程中又被被消耗，導(dǎo)致致出水質(zhì)量下下降，失去了了逆流再生的的特點(diǎn)。逆流再生固定定床的再生劑劑耗量與再生生液濃度再生劑耗量(g/mol)濃度(%)NaCl80～1005～8HCl50～551.5～3NaOH55～651～3鈉離子交換器器順流、逆流流再生鹽耗量量和出水水質(zhì)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再生效果好，耗量可降低低20%以上⑵出水水質(zhì)明顯提高高⑶原水水質(zhì)質(zhì)適應(yīng)范圍大，對硬度較高高原水仍能保保證出出水水質(zhì)質(zhì)⑷再生廢液液中再生劑有效濃度低⑸工作交換容量提高高⑹操作較復(fù)復(fù)雜從而使底底部再生效果好及及劑量低等3．其他形式的的離子交換器器(1)分流再生離子子交換器類類似于逆流式式交換器結(jié)構(gòu)構(gòu),但中間排液裝置置設(shè)置在樹脂層層表面下400-600mm以下,不設(shè)壓脂層、、無頂壓。(2)浮床式離子交交換器再生液向下流流，水流向上上流的方式運(yùn)行過程：制制水:失效

落床:樹脂本身重力力下落,疏松樹脂、排排除氣泡的作作用；

進(jìn)再再生液：水射射器輸送，打打開計量箱出出口閥門，置置換：再生生液進(jìn)完后，，關(guān)閉計量箱箱調(diào)整濃度再再生；

下向向流清液：開開清洗水閥門門，調(diào)流速至至10-15m/h15-30min;成床、上向流流清：20-30m/h較高速進(jìn)水托托起樹脂直至至達(dá)標(biāo)；再再轉(zhuǎn)制水。無無反洗空間間，需體外反反洗，一般20-30個周期清洗一一次。特點(diǎn)：1）速度2）水和再生流流動方向3）阻力小、樹樹脂層厚4）濁度要求《2NTU,減少清洗次數(shù)數(shù)…適用：處理水水量穩(wěn)定，且且不間斷運(yùn)行行（3）雙層床和雙雙室雙層床屬于強(qiáng)、弱型型樹脂聯(lián)合應(yīng)應(yīng)用，分層裝裝填在同一個個交換器中；；通常弱型樹樹脂的密度比比相應(yīng)的強(qiáng)型型樹脂小的的特點(diǎn)，使其其處于上層，，強(qiáng)型處于下下層，運(yùn)行時時水流自上而而下通過弱再再強(qiáng)型；；再生時相反反，具有逆流流再生工藝特特點(diǎn)。特點(diǎn)發(fā)揮需較較好地分層。。（4）混合床主要裝置有：：上部進(jìn)水裝裝置、下部配配水裝置、進(jìn)進(jìn)堿裝置、進(jìn)進(jìn)酸裝置及壓壓縮空氣裝置置，在陰陽樹樹脂分界處設(shè)設(shè)有中間排液液裝置。8.2.4、固定床軟化化系統(tǒng)的設(shè)計計計算設(shè)計計算內(nèi)容容：（1）交換器直徑徑的確定d-單臺設(shè)備的內(nèi)內(nèi)徑mQ1-單臺設(shè)備的產(chǎn)產(chǎn)水量m3/hV-運(yùn)行流速m/h（2）一臺設(shè)備一一個周期離子子交換容量C0-進(jìn)水中需去除除的離子總含含量mmol/LT-設(shè)備運(yùn)行一個個周期的工作作時間h（3）交換器裝載載樹脂高度E0-樹脂的工作交交換容量mmol/L一般高度不小小于1.2m在1.5-2.0m之間.8.2.5除二氧化碳器器1．原理：CO2具有腐蝕性，，并增加強(qiáng)堿堿樹脂負(fù)荷，，且一般為H床后：2．構(gòu)造和計算算：1）構(gòu)造：2）計算：A、有效直徑:Q——除碳器設(shè)計處處理水量（m3/h）q——設(shè)計淋水密度度m3/(m2.h)基準(zhǔn)=60B、除碳所需填填料高度.總體積K----解吸系數(shù)單單位時間、、單位接觸面面積、單位推推動力下去除除的CO2的數(shù)量瓷環(huán)面面積Gc---設(shè)計所需脫除除的CO2量Cc1—進(jìn)水CO2濃度Cc2—出水殘余濃度度S—單位體積填料料所具有的工工作表面積△C---脫除CO2的平均解析推推動力C、除碳器所需需鼓風(fēng)量W（m3/h)及所需進(jìn)風(fēng)壓壓力P0（kPa)風(fēng)量20～30m3/m3（水）空空氣阻阻力0.2～0.5KPa／m，據(jù)風(fēng)量，風(fēng)壓壓選風(fēng)機(jī)其其它它局部阻力0.4KPa8.4離子交換的應(yīng)應(yīng)用8.4.1水的軟化1．Na＋離子交換軟化化法優(yōu)點(diǎn)：處理過過程中不產(chǎn)生生酸；再生劑為食鹽鹽，設(shè)備和防防腐設(shè)施簡單單；堿度不變，適適應(yīng)于堿度低低，只須軟化化的場合，硬硬度高，堿度度大，難以滿滿足要求2．H＋離子交換軟化化法交換過程中形形成碳酸、鹽鹽酸、硫酸。。除軟化外還還能除堿H型樹脂交換陽陽離子的順序序為Ca>Mg>Na故a點(diǎn)為Na泄漏點(diǎn)b點(diǎn)為Ca,Mg的泄漏點(diǎn)因出水常為酸性性運(yùn)行時一般和和Na離子交換聯(lián)合使用。3．H－Na離子交換脫堿堿軟化法：酸堿性水混合合后HCl+NaHCO3=NaCl+H2O+CO2H2SO4+2NaHCO3=Na2SO4+2H2O+2CO2產(chǎn)生的CO2可用除二氧化化碳器去除。。⑴強(qiáng)酸性H-Na并聯(lián)離子交換換軟化的脫脫堿系統(tǒng)：見書P270圖8-23進(jìn)水分兩部分分：一部分流流經(jīng)Na離子交換器，，一部分流經(jīng)經(jīng)H離子交換，排排出CO2后的軟化水貯貯存在水箱中中。根據(jù)進(jìn)水水水質(zhì)適當(dāng)調(diào)調(diào)整流經(jīng)兩個個不同離子交交換器的水量量比例。優(yōu)點(diǎn)：H型離子交換器器以控制出水水漏Na為運(yùn)行終點(diǎn)，，出水堿度低低，能降至0.5mmol/l左右，可隨水水質(zhì)變化而隨隨時調(diào)整，設(shè)設(shè)備費(fèi)用低，，投資少。缺點(diǎn)：再生劑消耗耗量大，運(yùn)行行控制要求高高（腐蝕問題題）。（2）強(qiáng)酸性H-Na串聯(lián)離子交換換軟化和脫堿堿系統(tǒng)見書P271圖8-24進(jìn)水也分兩部部分：一部分分進(jìn)入H型離子交換器器，其出水直直接與另一部部分原水混合合，（出水的的酸與原水的的堿中和反應(yīng)應(yīng)）生成CO2通過除二氧化化碳器去除，，再經(jīng)Na型離離子子交交換換除除去去混混合合水水后后的的硬硬度度。。要點(diǎn)點(diǎn)：除除碳碳器器必必須須要要設(shè)設(shè)在在Na型離離子子交交換換器器之之前前。。否否則則，，大大量量碳碳酸酸水水又又重重新新出出現(xiàn)現(xiàn)堿堿度度。。8.4.2離子子交交換換除除鹽鹽一般般可可用用陽陽離離子子H交換換的的、、陰陰離離子子OH交換換的的復(fù)復(fù)床床法法或或混混床床方方法法。。1．復(fù)復(fù)床床除除鹽鹽：：（（復(fù)復(fù)床床系系指指陰陰、、陽陽離離子子交交換換器器串串聯(lián)聯(lián)使使用用，，達(dá)達(dá)到到水水的的除除鹽鹽目目的的））1）一一級級復(fù)復(fù)床床除除鹽鹽強(qiáng)強(qiáng)酸酸———脫氣氣———強(qiáng)堿系統(tǒng)統(tǒng)一級復(fù)床床出水的的特點(diǎn)：：①．呈弱堿性PH=8～9.5（陽床微微量Na泄漏）②.出水電阻阻率0.1～1.0××106Ω*CM脫鹽水（（普通蒸蒸餾水））③.如果陽床床泄漏Na過量的話話，電導(dǎo)率會會升高。因而關(guān)鍵鍵是控制制陽床的的Na泄露，提高除硅硅效果（再生劑劑用量充充足、提提高再生生液溫度度、增加加接觸時時間），，可采用用熱堿液液再生P274。陰床設(shè)在在陽床之之后（為為什么？？）：2）強(qiáng)酸——弱堿——脫氣系統(tǒng)統(tǒng)事實上脫脫氣放在在后面是是因為采采用NaCO3，NaHCO3再生時會會產(chǎn)生CO2氣體，否否則采用用NaOH再生時可可放在前前面后面面都行。。①．出水呈酸酸性6～6.8②.不能除Si③.電阻率5×104達(dá)不到脫脫鹽的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)3）強(qiáng)酸——脫氣——弱堿——強(qiáng)堿系統(tǒng)統(tǒng)適合于原原水強(qiáng)酸酸陰離子子含量較較大H2SO4弱堿用于于去除強(qiáng)強(qiáng)酸陰離離子HCl強(qiáng)堿用于于去除SiSiO32-采用串聯(lián)聯(lián)再生法法，用NaOH再生，可可適當(dāng)提提高溫度度。2．混合床床除鹽1）原理與與特點(diǎn)：陰陽離子子裝在一一個床內(nèi)內(nèi)，使用用時均勻勻混合，，構(gòu)成無數(shù)微型型復(fù)床，，反復(fù)脫脫鹽，故其出水水電率可可達(dá)5～10×106Ω·Cm。RH+ROH+NaCl→RNa+RCL+H2OK>>>>1K>>>>1所以反映映遠(yuǎn)比復(fù)復(fù)床徹底底得多。。混合床的的特點(diǎn)：：①.陰、陽離離子交換換反應(yīng)幾幾乎同時時進(jìn)行②.出水呈中中性，出出水水質(zhì)質(zhì)穩(wěn)定，，純度高高（用于于制純水水，超純純水）③.失效終點(diǎn)點(diǎn)分明④.設(shè)備小缺點(diǎn)：①.再生時，，難以徹徹底分