水處理工藝-離子交換處理

1.離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)及合成

離子交換樹脂是由高聚物骨架和連結(jié)在骨架上的可交換基團（簡稱功能團）組成的。骨架具有龐大的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它是有許多低分子化合物（稱為單體）聚合而形成的不溶于水的高分了化合物，高分子鏈上有各種可交換功能基團。根據(jù)單體的的種類樹脂可分為苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等。下面以苯乙烯系樹酯為例討論。苯乙烯系樹脂的制備：樹脂制備過程可分為高分子聚合物骨架的制備和在高分子聚合物骨架上引入可交換的基團的兩個反應(yīng)階段。苯乙烯系樹脂是以苯乙烯和二乙烯苯為單體共聚而合成的高分子聚合物骨架。聚苯乙烯就是苯乙烯系樹脂的高分子骨架，也稱白球。二乙烯苯在高聚物中起的是空間架橋作用，使聚合物形成網(wǎng)狀交聯(lián)，聚合物中二乙烯苯的含量愈多，白球的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就愈堅固。我們通常把聚合物中二乙烯苯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)叫做交聯(lián)度。如交聯(lián)度為7，就是指白球中二乙烯苯的質(zhì)量占7%。白球制備出來以后，再將白球通過磺化反應(yīng)、氯甲基反應(yīng)和胺化反應(yīng)，即可分別得到陰、陽離子交換樹脂。下面就分別介紹。二乙烯苯苯乙烯CH=CH2n—CH－CH2—…—CH—CH2—CH—…聚苯乙烯—CH—CH2—CH—…+過氧化苯甲酰CH=CH2CH=CH2m苯乙烯樹脂的制備苯乙烯陽樹脂的制備磺化反應(yīng)：—CH—CH2—CH—……—CH—CH2—CH—CH2—…SO3HSO3H—CH—CH2—CH—……—CH—CH2—CH—CH2—…+H2SO4

聚苯乙烯苯乙烯系磺酸型陽樹脂100℃，Ag2SO4聚苯乙烯高分子骨架的制備：苯乙烯陰樹脂的制備氯甲基化反應(yīng)：氨化反應(yīng)：……—CH－CH2—……氯球CH2CI三甲基胺+(CH3)3

N→……—CH－CH2—……CICH2N(CH3)3

苯乙烯季胺鹽陰樹脂CH2CI……—CH－CH2—……聚苯乙烯+CH2OCH2CI→氯甲醚……—CH－CH2—……+CH3OH氯甲基聚苯乙烯（氯球）2離子交換樹脂的命名

離子交換樹脂產(chǎn)品型號是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBl631—79《離子交換樹脂產(chǎn)品分類、命名及型號》而制定的。離子交換樹脂的全名稱由分類名稱、骨架（或基團）名稱、基本名稱依次排列組成?；久Q為離子交換樹脂。大孔型樹脂在全名稱前加“大孔”兩字。分類屬酸性的，在基本名稱前加“陽”字；分類屬堿性的，在基本名稱前加“陰”字。離子交換樹脂產(chǎn)品的型號以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。第一位數(shù)字代表產(chǎn)品分類，第二位數(shù)字代表產(chǎn)品骨架組成，第三位數(shù)字為順序號，用以區(qū)別功能基或交聯(lián)劑的差異。代號數(shù)字的意義見表3.5.1和3.5.2。代號0123456功能基強酸性弱酸性強堿性弱堿性螯合性兩性氧化還原表3.5.1分類代號表3.5.1骨架代號代號0123456骨架類型苯乙烯系丙烯酸系酚醛系環(huán)氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系例如：001×7——(凝膠型)苯乙烯系強酸陽離子交換樹脂，交聯(lián)度為7。

110×4——(凝膠型)丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂，交聯(lián)度為4。

D201——大孔型苯乙稀系強堿性陰離子交換樹脂。3.離子交換樹脂的特性

物理性能：

(1)外觀。

(2)顆粒度。

(3)含水量。

(4)密度。

1)濕真密度。

2)濕視密度。5)機械強度。（6)耐熱性化學(xué)性能：

(1)交換反應(yīng)的可逆性

(2)酸、堿性

(3)選擇性。

(4)交換容量。

1)全交換容量。

2)工作交換容量。樹脂的離子交換是一種可逆反應(yīng)，反應(yīng)式可表示為：RA+BRB+A與任何化學(xué)平衡一樣，上述反應(yīng)遵循質(zhì)量作用定律，它的逆反應(yīng)就是A型樹脂的再生。平衡常數(shù)表達式：

KBA=[RB]·[A]/（[RA]·[B]）KBA>1樹脂對B的親和力大于對A的親和力，圖中曲線c；KBA<1樹脂對B的親和力小于對A的親和力圖中曲線a；KBA=1樹脂對A的親和力等于對B的親和力圖中曲線b；稱KBA為樹脂的選擇性系數(shù)，在濃度很稀時只與溫度有關(guān)，溫度一定時即為常數(shù)。圖3.6.1離子交換等溫曲線3.4離子交換原理圖3.6.2樹脂層交換層工作狀況

1—失效層；

2—工作層；

3—尚未工作的樹脂層工作層的下一個區(qū)域是尚未工作的A型樹脂層，在離子交換進行過程中，這三層實際上無時不在變化，所以不可能找出明顯的分界線，圖中的分界線是為說明問題而大致劃分的。在交換過程中，工作層不斷下移，當(dāng)下移到交換柱底部最后一層時，此時出水中就有B離子，也就說B離子開始穿透，交換柱開始失效了。所以最后一層離子交換容量未能充分發(fā)揮，只起保證出水質(zhì)量的作用，為保護層。如果保護層厚度大，則交換柱的工作交換容量就小；反之，交換柱的工作交換容量就大。在實際運行時，交換樹脂分為幾個區(qū)域，上層全部轉(zhuǎn)為B型樹脂，是失效層。失效層的下一個區(qū)域為工作層，水經(jīng)過工作層時，離子交換反應(yīng)就在這一層進行，在這一層中的樹脂是A型和B型的混合物，隨著交換的進行，工作層樹脂被B離子飽和，也就是說工作層變成了失效層，工作層又下移到下一區(qū)域，可見交換柱中的工作層是自上而下不斷移動的。圖3.6.2就是以A型樹脂處理含B離子水時，樹脂交換層的工作狀況。3.7一級除鹽系統(tǒng)一級化學(xué)除鹽系統(tǒng)由陽離子交換器、除碳器和陰離子交換器所組成，其組合方式分為單元制和母管制。OHHCOHHCHHHCCOHOHOH單元制母管制圖3.7.1一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)1—陽床水泵；2—強酸性H型陽離子交換器；3—除碳器；4—中間水箱；5—中間水泵；6—強堿性O(shè)H型陰離子交換器進入一一級除除鹽系系統(tǒng)的的水是是經(jīng)預(yù)預(yù)處理理、預(yù)預(yù)脫鹽鹽的水水，水水中只只含有有少量量的溶溶解性性雜質(zhì)質(zhì)。溶溶解性性雜質(zhì)質(zhì)包括括陽離離子、、陰離離子、、少量量膠體體硅等等。其其中水水中的的陽離離子主主要由由Ca2+、Mg2+、K+、Na+和極少少量的的Al3+、Fe3+離子組組成，，陰離離子主主要由由HCO3－、SO42-、Cl－和少量量的NO3-、HSiO3-離子組組成。。當(dāng)水通通過強強酸性性H型陽交交換器器時，，水中中所有有的陽陽離子子都被被強酸酸性H型樹脂脂吸收收，活活性基基團上上的H+被置換換到水水中，，與水水中的的陰離離子組組合生生成成酸。。其反反應(yīng)式式：1.陽離離子子交交換換器1/2Ca1/2SO41/2Ca1/2H2SO4

1/2MgNO3+RH→R1/2Mg+HNO3CIHCINa

HCO3

Na1/2H2CO3

強酸酸性性陽陽離離子子交交換換樹樹脂脂交交換換反反應(yīng)應(yīng)：：陽離離子子交交換換器器的的出出水水是是酸酸性性水水。。但當(dāng)當(dāng)交交換換器器運運行行失失效效時時，，其其出出水水中中就就會會有有其其它它陽陽離離子子的的泄泄漏漏，，而而在在諸諸多多的的陽陽離離子子中中，，首首先先漏漏出出的的陽陽離離子子是是Na+，故故習(xí)習(xí)慣慣上上稱稱之之為為漏鈉鈉。當(dāng)出出水水中中的的Na+超過過一一個個給給定定的的極極限限值值時時，，陽陽離離子子交交換換器器被被判判失失效效，，需需停停運運再再生生后后才才能能投投入入運運行行。。為什什么么陽陽交交換換器器失失效效時時，，首首先先發(fā)發(fā)生生漏漏鈉鈉，，而而不不是是漏漏Ca2+或Mg2+離子子？？這是是因因為為水水中中各各種種陽陽離離子子與與樹樹脂脂中中H+發(fā)生生交交換換反反應(yīng)應(yīng)時時，，因因樹樹脂脂對對各各種種陽陽離離子子的的吸吸收收有有選選擇擇性性，，故故被被樹樹脂脂吸吸收收的的離離子子在在交交換換器器內(nèi)內(nèi)有有分分層層現(xiàn)現(xiàn)象象，，根根據(jù)據(jù)樹樹脂脂對對被被吸吸收收離離子子的的選選擇擇性性順順序序，，最最上上層層是是最最易易被被吸吸收收的的Ca2+，次次層層以以Mg2+為主主，，下下層層就就是是Na+。強強酸酸性性陽陽樹樹脂脂的的選選擇擇性性順順序序為為：：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+排水裝置壓脂層200mm進水裝置反洗空間中間排液裝置樹脂層1600mm逆流再生陽離子交換器結(jié)構(gòu)圖進水水裝裝置置的的作作用用是均均勻勻分分布布進進水水于于交交換換器器的的過過水水?dāng)鄶嗝婷嫔仙?。。另另一一個個作作用用是是均均勻勻收收集集反反洗洗排排水水。排水裝置置的作用用是均勻收收集處理理好的水水；另一一個作用用是均勻勻分配反反洗進水水。中間排液液裝置的的作用：中間排排液裝置置對逆流流再生離離子交換換器運行行效果有有較大影影響，其其作用是是均勻排排出再生生液，防防止樹脂脂亂層、、流失外外，還應(yīng)應(yīng)有足夠夠的強度度，安裝裝時應(yīng)保保證在交交換器內(nèi)內(nèi)呈水平平狀態(tài)，，2.陽離子交交換器（（陽床））壓脂層的的作用過濾掉水水中的懸懸浮物及及機械雜雜質(zhì)；使使進水通通過壓脂脂層均勻勻作用于于樹脂層層表面；；防止樹樹脂在逆逆流再生生中亂層層。圖3.7.2交換器中中離子分分布情況況(a)開始進水時(b)交換器失效時時當(dāng)交換器不斷斷進水，隨離離子交換的不不斷進行，由由于水中的Ca2+比Mg2+、Na2+與樹脂的親合合力更大，更更易被樹脂吸吸收，所以水水中的Ca2+-離子可和已吸吸收了Mg2+的樹脂進行交交換反應(yīng)，使使Ca型樹脂層向下下擴展，而被被置換下來的的Mg2+一起與Na+型樹脂發(fā)生交交換，使Mg2+型樹脂層下移移而Na+的交換區(qū)域也也逐漸下移。。在運行過程程中，這三層層不同型態(tài)的的交換劑的高高度在不斷地地向下擴展，，如圖3.7.2所示。陽床整個制水水周期(運行開始到交交換器失效這這段時間)中電導(dǎo)率、鈉鈉離子濃度、、酸度變化可可用圖3.7.3表示。開始通水正洗洗時隨水的不不斷通入，水水質(zhì)越來越好好。因而電導(dǎo)導(dǎo)率、酸度、、鈉離子快速速下降（a點前）。在ab為穩(wěn)定制水過過程，b點后樹脂開始始失效。此時時水中鈉增加加，氫離子減減少而氫氧根根增加，使酸酸度下降，電電導(dǎo)率下降。。圖3.7.3強酸H型陽離子交換換器典型出水曲曲線ab運行時的交換換情況無頂壓逆流再再生的操作步步驟：1）小反洗。只對壓脂層進進行反洗，沖沖洗掉積聚在在壓脂層上的的污染物。用用水為該級交交換器的進口口水，流速樹樹脂不亂層為為宜，一直反反洗至出水清清澈為為止。。2）放水。待樹脂顆粒粒下沉后，放放掉中間排液液裝置以上的的水。3）進再生液。將再生液放放入交換器內(nèi)內(nèi)，嚴(yán)格控制制其流速和濃濃度4）逆流再生。進完再生液液，關(guān)閉再生生液計量箱出出口閥，按再再生液的流速速和流量繼續(xù)續(xù)用稀釋再生生液的除鹽水水進行沖洗，，直至出水指指標(biāo)合格為止止。關(guān)閉進水水閥。5）小正正洗洗。水水從從上上部部進進入入，，控控制制適適當(dāng)當(dāng)?shù)牡牧髁魉偎伲?，洗洗去去再再生生后后壓壓脂脂層層中中殘殘留留的的再再生生廢廢液液和和雜雜質(zhì)質(zhì)。。小小正正洗洗用用水水為為運運行行時時的的進進口口水水。。6）正洗洗。用用水水自自上上而而下下進進行行正正洗洗，，直直到到出出水水水水質(zhì)質(zhì)合合格格，，即即可可投投入入運運行行。。樹脂脂的的再再生生壓脂層進水再生液出水逆流固定床制水和再生流向圖再生廢液進水再生液出水交換換器器經(jīng)經(jīng)過過多多周周期期運運行行后后，，下下部部樹樹脂脂層層也也會會受受到到一一定定程程度度的的污污染染，，必必須須定定期期對對整整個個樹樹脂脂層層進進行行大大反反洗洗，，大大反反洗洗前前先先進進行行小小反反洗洗，，在在大大反反洗洗時時流流量量應(yīng)應(yīng)由由小小到到大大，，逐逐步步增增大大。。從從下下步步進進水水廢廢液液由由上上部部的的反反洗洗排排水水閥閥排排出出。離子子交交換換器器的的運運行行中中技技術(shù)術(shù)經(jīng)經(jīng)濟濟指指標(biāo)標(biāo)有有交交換換器器的的出出水水水水質(zhì)質(zhì)，，工工作作交交換換容容量量和和相相應(yīng)應(yīng)的的再再生生劑劑比比耗耗，，周周期期制制水水量量及及再再生生過過程程中中消消耗耗水水量量。。工作作交交換換容容量量(qi)：在一一個個制制水水運運行行周周期期中中，，平平均均單單位位體體積積樹樹脂脂進進行行交交換換所所放放出出的的離離子子量量（（mmol/Ｌ））。。計計算算式式：：qi=(A+S)V/Vi。式式中中，，A為平平均均進進水水堿堿度度,mmol／ＬＬ；；ＳＳ為為平平均均出出水水酸酸度度,mmol／ＬＬ；；ＶＶ為為從從正正洗洗合合格格開開始始制制水水到到失失效效一一周周期期內(nèi)內(nèi)的的總總制制水水量量，，m3;Vi交換換器器內(nèi)內(nèi)的的樹樹脂脂體體積積，，m3。酸耗耗：：使交交換換劑劑恢恢復(fù)復(fù)１１mol的離離子子交交換換能能力力，，所所消消耗耗的的酸酸的的的的克克數(shù)數(shù)。。酸耗（（g／mol）＝酸酸的克克數(shù)÷［周期期制水水量(L)×（陽床床出口口平均均酸度度＋陽陽床進進口平平均堿堿度））(mol／Ｌ)］。比耗：：再生劑劑的實實際酸酸耗與與理論論酸耗耗（酸酸的摩摩爾質(zhì)質(zhì)量））的比比值。。在實實際中中常用用平均均比耗耗來表表示。。平均均比耗耗＝月月或年年的再再生劑劑耗量量／［［（ＡＡ＋ＳＳ）×制水量量］。。水耗：：每次再再生所所耗水水的體體積與與樹脂脂層體體積之之比。。出水水水質(zhì)：：是監(jiān)督督陽床床出水水的含含鈉量量。運行時時的技技術(shù)經(jīng)經(jīng)濟指指標(biāo)2.除碳器器除碳原理理水通過陽陽離子交交換器，，水中的的HCO3-與從樹脂脂上交換換下來的的H+結(jié)合，形形成H2CO3極不穩(wěn)定定，隨即即分解生生成的CO2：H2CO3H2O+CO2水中的CO2，可以看看作是溶溶解在水水中的氣氣體，它它的溶解解度與氣氣體分壓壓的關(guān)系系符合亨亨利定律律，即在在一定的的溫度下下氣體在在液體中中的溶解解度與該該氣體在在液面上上的分壓壓成正比比。只要要降低水水面上CO2的分壓力力，溶于于水中的的游離CO2就能解吸吸出來。。降低液面面CO2氣體分壓壓的常用用方法有有鼓風(fēng)和和抽真空空兩種。圖3.7.3除碳器結(jié)結(jié)構(gòu)除碳器工工作時水水中上部部布水扳扳扳淋下下，通過過填料層層后，從從下部排排入水箱箱。空氣氣從下部部由風(fēng)機機引入，，通過填填料層后后由頂部部排出。。在除碳器器中因填填料的陰陰擋作用用，從上上面流下下來的水水被分散散成許多多小股水水流、微微小滴或或水膜，，增大了了空氣與與水的接接觸面積積。因空氣中中CO2含量很小?。s0.03%），在水水中溶解解達平衡衡時不到到0.45mg/L，這樣水水與空氣氣接觸時時，水中中的CO2便會析出出。真空除碳碳真空除碳碳通過真真空泵或或噴射器器，從除除碳器的的不同部部位抽真真空而達達到除碳碳的目的的。排水口進氣口進水口oooooooo

排氣口填料支撐扳填料層布水扳鼓風(fēng)除碳碳器的結(jié)結(jié)構(gòu)它的工作作原理除除了同上上述的鼓鼓風(fēng)除碳碳所不同同的是：：在真空空除碳過過程中，，水中其其它溶解解氣體(如氧氣)也同時被被除去，，這是鼓鼓風(fēng)除碳碳所不能能做到的的。3.陰離子交交換器(陰床)1/2H2SO41/2SO4HNO3NO31/2H2CO3+ROH→R1/2CO3+2H2OHClCI1/2H2SiO3HSiO3陰離子交交換實質(zhì)質(zhì)上是陰陰樹脂中中的OH與酸性水水(經(jīng)過陽離離子交換換及除碳碳)中的負(fù)離離子進行行交換。。所以在在強堿性性陰離子子交換器器內(nèi)發(fā)生生的反應(yīng)應(yīng)為：圖3.7.4強堿堿性性O(shè)H型離離子子交換換器器出出水水水水質(zhì)質(zhì)變變化化根據(jù)據(jù)強強堿堿陰陰樹樹脂脂的的交交換換規(guī)規(guī)律律，，HSiO3-集中中在在交交換換器器中中樹樹脂脂的的底底部部。。所所以以當(dāng)當(dāng)強強堿堿性性O(shè)H型陰陰離離子子交交換換器器失失效效時時，，HSiO3-先漏漏出出來來，，致致使使出出水水的的硅硅含含量量升升高高。因強強堿堿陰樹樹脂脂的的選選擇擇性性順順序序為為：：SO42－>NO3－>Cl－>OH－>F－>HCO3－>HSiO3－壓脂層進水裝置反洗空間中間排液裝置樹脂層2500mm排水裝置逆流流再再生生陰陰離離子子交交換換器器示示意意圖圖陰離離子子交交換換器器與與陽陽離離子子交交換換器器一一樣樣是是逆逆流流再再生生工工藝藝，，其其操操作作步步驟驟與與陽陽離離子子交交換換器器相相同同。。其其交交換換器器結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)示示意意圖圖與與陽陽離離子子交交換換器器也也相相同同。?；旌虾闲托碗x離子子交交換換器器（（混混合合床床））除除鹽鹽1/2Ca2+、1/2Mg2+、Na+RH+R，OH+1/2SO42－、CI－、HCO3－、HSiO3－Na1/2SO4R1/2Ca+R，CI+H2OHCO31/2Mg

HSiO3

由于于陽陽、、陰陰樹樹脂脂混混合合均均勻勻，，所所以以陽陽、、陰陰離離子子交交換換反反應(yīng)應(yīng)幾幾乎乎是是同同時時進進行行的的，，置置換換出出的的H+和OH-立即即生生成成水水，，都都不不會會積積累累，，消消除除了了反反離離子子作作用用，，交交換換反反應(yīng)應(yīng)進進行行得得十十分分徹徹底底，，出出水水水水質(zhì)質(zhì)很很好好。。交交換換反反應(yīng)應(yīng)如如下下：：混合床床是圓圓柱型型密閉閉容器器。其其內(nèi)部部有進進水裝裝置、、排水水裝置置、中中部有有再生生時排排再生生廢液液的中中間排排水裝裝置等等。為為了便便于陽陽、陰陰樹脂脂分層層，混混合床床中陽陽樹脂脂與陰陰樹脂脂的濕濕真密密度差差應(yīng)大大于0.15～0.20g／cm3。國內(nèi)內(nèi)混合合床采采用的的陽、、陰樹樹脂的的體積積比為為1：2?；旌洗泊步Y(jié)構(gòu)構(gòu)示意意圖進水裝置中間排液裝置排水裝置進堿裝置