第四章 水的離子交換處理

第四章水的離子交換處理4.1離子交換樹脂離子交換法是一種借助于離子交換劑上的離子和水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)而除去水中有害離子的方法。在工業(yè)用水處理中，它占有極重要的位置，用以制取軟水或純水．在工業(yè)廢水處理中，主要用以回收貴重金屬離子，也用于放射性廢水和有機(jī)廢水的處理。采用離子交換法，具有去除率高，可濃縮回收有用物質(zhì)，設(shè)備較簡單，操作在制容易等優(yōu)點(diǎn)。但目前應(yīng)用范圍還受到離子交換劑品種、性能、成本的限制；對預(yù)處理要求較高；離子交換劑的再生和再生液的處理有時(shí)也是一個(gè)難題4.1.1離子交換劑的分類，組成及結(jié)構(gòu)

1、按母體材質(zhì)不同，離子交換劑可分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。無機(jī)離子交換劑包括天然沸石和合成沸石。是一類硅質(zhì)的陽離子交換劑。成本低，但不能在酸性條件下使用。有機(jī)離子交換劑包括磺化煤和各種離子交換樹脂?；腔菏菬熋夯蚝置航?jīng)發(fā)煙硫酸碳化處理后制成的陽離子交換劑，成本適中，但交換容量低，機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性較差。目前在水處理中廣泛使用的是離子交換樹脂，它具有交換容量高（是沸石和磺化煤的8倍以上）；球形顆粒，水流阻力小，交換速度快；機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都好，但成本較高。2、按離子交換樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為不溶性樹脂母體和活性基團(tuán)兩部分。樹脂母體為有機(jī)化化合物和交聯(lián)劑組成的高分子共聚物。交聯(lián)劑的作用是使樹脂母體形成主體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)劑與單體的重量比的百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度。活性基團(tuán)由起交換作用的離子和與樹脂母體聯(lián)結(jié)的固定離子組成。3、樹脂制造制造離子交換樹脂的方法有兩種。（1）直接聚會有機(jī)電解質(zhì)，如由異丁烯酸和二乙烯苯（交聯(lián)劑）直接聚合成按酸型陽離子交換樹脂。這種方法制備的樹脂質(zhì)量均勻。（2）先聚合單體有機(jī)物，然后在聚合物上接入活性基因。如由苯乙烯和二乙烯苯（交聯(lián)劑）共聚得交聯(lián)聚苯乙烯：此種聚合物沒有活性基因，稱為白球。將白球用濃硫酸磺化，可得磷酸型陽離子交換樹脂（RSO3H）：其中—SO3H是活性基團(tuán)，H-是可交換離子。如將白球氯甲基化和胺化，則得到陰離子交換樹脂由此可見，采用（2）法制備離子交換樹脂可以靈活選擇活性基因，不受單體性質(zhì)限制、且易于控制交聯(lián)度。陽離子交換樹脂內(nèi)的活性基團(tuán)是酸性的，而陰離子交換樹脂內(nèi)的活性基團(tuán)是堿性的。根據(jù)其酸堿性的強(qiáng)弱，可將樹脂分為強(qiáng)酸（RSO3H）、弱酸（RCOOH）、強(qiáng)堿（R4NOH）、弱堿（RnNH3OH，n=1～3)四類。活住基團(tuán)中的H+和OH-可分別用Na+和Cl-替換，因此，陽離子交換樹脂又有氫型和鈉型之分；陰離子交換樹脂又有氫氧型和氯型之分。有時(shí)也把鈉型和氫型稱為鹽型。此外,還有一些具有特殊活性基因的離子交換樹脂。如氧化還原樹脂，含流基、氫醌基；兩性樹脂，同時(shí)合羧酸基和叔胺基；螫合樹脂，含胺羧基等。離子交換樹脂具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，按其孔隙特征，可分凝膠型和大孔型。兩者的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)中孔隙的大小。凝膠型樹脂不具有物理孔隙，只有在侵入水中時(shí)才顯示其分子鏈間的網(wǎng)狀孔隙；而大孔樹脂無論在干態(tài)或濕態(tài)，用電子顯微鏡都能看到孔隙，其孔徑為(200～10000)×10-10m，而凝膠型孔徑僅(20～40)×10-10m。因此，大孔樹脂吸附能力大，交換速度快，溶脹性小。4.1.2離子交換樹脂的命名和型號

國際上離子交換樹脂的品種很多，型號不一。我國早期也存在這種情況，用戶極不方便。為此，國家頒發(fā)了《離子交換樹脂分類、命名及型號》GB1631—79，對命名原則規(guī)定如下：離子交換樹脂的全名稱由分類名稱、骨架（或基因）名稱、基本名稱組成?？紫督Y(jié)構(gòu)分凝膠型和大孔型兩種，凡具有物理孔結(jié)構(gòu)的稱大孔型樹脂，在全名稱前加“大孔”。分類屬酸性的應(yīng)在名稱前加“陽”，分類屬堿性的，在名稱前加“陰”。如，大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂。離子交換產(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)品的分類，第二位數(shù)字代表骨架的差異，第三位數(shù)字為順序號用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異。第一、第二位數(shù)字的意義，見下表＊大孔樹脂在型號前加“D”，凝膠型樹脂的交聯(lián)度值可在型號后用“×”號連接阿拉伯?dāng)?shù)字表示。如011×7，表示強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，其交聯(lián)度為7。

樹脂型號中的一、二位數(shù)字的意義

代號0123467分類名稱強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性螫合性兩性氧化還原性骨架名稱苯乙烯系丙烯酸系醋酸系環(huán)氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系4.1.3樹脂的分類

離子交換樹脂的分類，一般按交換基團(tuán)能解離的離子種類分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。1．陽離子交換樹脂。交換基團(tuán)能解離的離子是陽離子的，叫做陽離子交換樹脂。在使用時(shí)通常是游離酸型即RH型，而且各種RH解離出H+能力的大小不同。所以，其中又分為強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和弱酸性陽離子交換樹脂。2．陰離子交換樹脂。交換基團(tuán)能解離的離子是陰離子的，叫做陰離子交換樹脂。使用時(shí)通常是游離堿型即ROH型，而且各種ROH解離出OH-能力的大小不同。所以，其中又分為強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂和弱堿性陰離子交換樹脂。3．此外，離子交換樹脂按其孔隙結(jié)構(gòu)上的差異，又有大孔型樹脂和凝膠型(或微孔型)之分。目前生產(chǎn)一種孔隙直徑為200~1000埃的樹脂，稱為大孔樹脂；而把一般孔徑在40埃以下的樹脂，稱為凝膠型樹脂。4.1.4離子交換樹脂的性能

1．物理性能（l）外觀常用凝膠型離子交換樹脂為透明或半透明的珠體，大孔樹脂為乳白色或不透明珠體。優(yōu)良的樹脂圓球率高，無裂紋，顏色均勻，無雜質(zhì)。（2）粒度樹脂粒度對交換速度，水流阻力和反洗有很大影響。粒度大，交換速度慢，交換容量低；粒度小，水流阻力大。因此粒度大小要適當(dāng)，分布要合理。一般樹脂粒徑0.～1.2mm有效粒徑（d10）0.36～0.61，均一系數(shù)（d40/d90）為1.22～1.66，均一系數(shù)的含義是篩上體積為40％的篩孔孔徑與篩上體積為90％的篩孔孔徑之比。該比值一般大于等于1，愈接近于1，說明粒度愈均勻。（3）密度樹脂密度是設(shè)計(jì)交換柱、確定反沖洗強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是影響樹脂分層的主要因素。a．濕真密度是樹脂在水中充分溶解后的質(zhì)量與真體積（不包括顆粒孔隙體積）之比。其值一般為1.04～1.3g/mL。通常陽樹脂的濕真密度比陰樹脂大，強(qiáng)型的比弱型的大。b．濕視密度是樹脂在水中溶解后的質(zhì)量與堆積體積之比。此值一般為0.60～0.85g/mL。一般陽樹脂的密度大于陰樹脂。樹脂在使用過程中,因基團(tuán)脫落，骨架中鏈的斷裂，其密度略有減小。(4）含水量是指在水中充分溶脹的濕樹脂所含溶漲水重占濕樹脂重的百分?jǐn)?shù)。含水量主要取決于樹脂的交聯(lián)度、活性基團(tuán)的類型和數(shù)量等。一般在50％左右。（5）溶脹性指干樹脂浸入水中，由于活性基團(tuán)的水合作用使交聯(lián)網(wǎng)孔增大，體積膨脹的現(xiàn)象。溶脹程度常用溶脹率（港脹前后的體積差/溶脹前的體積）表示。樹脂的交聯(lián)度愈小，活性基團(tuán)數(shù)量愈多，愈易離解，可交換離子水合半徑愈大、其溶脹率愈大。水中電解質(zhì)濃度愈高，由于滲透壓增大，其溶脹率愈小。因離子的水合半徑不同，在樹脂使用和轉(zhuǎn)型時(shí)常伴隨體積變化。一般強(qiáng)酸性陽樹脂由Na型變?yōu)镠型，強(qiáng)磁性陰樹脂由Cl型變?yōu)镺H型，其體積均增大約5%

（6）機(jī)械強(qiáng)度反映樹脂保持顆粒完整性的能力.樹脂在使用中由于受到?jīng)_擊、碰撞、摩擦以及脹縮作用，會發(fā)生破碎。因此，樹脂應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證每年樹脂的損耗量不超過3%～7％。樹脂的機(jī)械強(qiáng)度主要取決于交聯(lián)度和溶脹率。交聯(lián)度愈大，溶脹率愈小，則機(jī)械強(qiáng)度越高。（7）耐熱性各種樹脂均有一定的工作溫度范圍。操作溫度過高，易使活性基團(tuán)分解，從而影響交換容量和使用壽命。如溫度低至0℃，樹脂內(nèi)水分凍結(jié)，使顆粒破裂。通?？刂茦渲馁A藏和使用溫度在5～40度為宜。（8）孔結(jié)構(gòu)大孔樹脂的交換容量，交換速度等性能均與孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前使用的D001×14～2O系列樹脂。其平均孔徑為（100～154）×10-10m，孔容0.09～0.21mL/g，比表面積16～36.4m2/g，交換容量1.79～1.96mmol/mL。2、化學(xué)性能（1）、離子交換反應(yīng)的可逆性，交換的逆反應(yīng)即為再生。當(dāng)離子交換樹脂遇到水中的離子時(shí)，能發(fā)生離子交換反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)果，樹脂的骨架不變，只是樹脂中交換基團(tuán)上能解離的離子與水中帶同種電荷的離子發(fā)生交換。例如，用8%左右的食鹽水，通陽樹脂（RH樹脂）后，出水中的H+濃度增加，Na+濃度減小。這說明食鹽水通過RH樹脂時(shí)，樹脂中的H+進(jìn)入水中，食鹽水中的Na+交換到樹脂上。這一反應(yīng)為： RH+NaCl→RNa+HCl或 RH+Na+→RNa+H+如果用4%左右的鹽酸通過已經(jīng)變成RNa的樹脂后，出水中的Na+濃度增加，H+濃度減小。說明樹脂中的Na+進(jìn)入水中，而鹽酸中的H+交換到樹脂上。這一反應(yīng)為： RNa+HCl→RH+NaCl或 RNa+H+→RH+Na+對照兩個(gè)反應(yīng)我們知道：離子交換反應(yīng)是可逆的。這種可逆反應(yīng)，可用可逆反應(yīng)式表示： RH+NaClRNa+HCl或 RH+Na+RNa+H+（2）、酸堿性H型陽樹脂和OH型陰樹脂在水中電離出H+和OH-,表現(xiàn)出酸堿性。根據(jù)活性基團(tuán)在水中離解能力的大小，樹脂的酸堿性也有強(qiáng)弱之分。強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性樹脂在水中離解度大，受pH值影響小；弱酸或弱堿性樹脂離解度小，受pH值影響大。因此弱酸或弱堿性樹脂在使用時(shí)對pH值要求很嚴(yán)，各種樹脂在使用時(shí)都有適當(dāng)?shù)膒H值范圍。（3）選擇性樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為選擇性，它是決定離子交換法處理效率的一個(gè)重要因素，本質(zhì)上取決于交換離子與活性基團(tuán)中固定離子的親合力。選擇性大小用選擇性系數(shù)來表征。以A型樹脂交換溶液中的B離子的反應(yīng)為例：為此交換反應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，A交換B的選擇性系數(shù)KAB為4-1式中（i）表示i離子的活度，ZA、ZB分別為A、B離子的價(jià)數(shù)。顯然，若KAB=1，則樹脂對任一離子均無選擇性；若KAB＞1，樹脂對B有選擇性，數(shù)值越大，選擇性越強(qiáng)；若KAB＜1，樹脂對A有選擇性。選擇性系數(shù)與化學(xué)平衡常數(shù)不同，除了與溫度有關(guān)以外，還與離子性質(zhì)，溶液組成及樹脂的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在常溫和稀溶液中，大致具有如下規(guī)律。（1）、離子價(jià)數(shù)越高，選擇性愈好。（2）、原子序數(shù)愈大，即離子水合半徑愈小，選擇性愈好。根據(jù)以上規(guī)律，由文獻(xiàn)報(bào)道的資料，排列出離子交換的選擇性順序?yàn)?陽離子:Th4+＞La3+＞Ni3+＞Co3+＞Fe3+＞Al3+＞Ra2+＞Hg2+＞Ba2+＞Pb2+＞Sr2+＞Ca2+＞Ni2+＞Cd2+＞Cu2+＞Co2+＞Zn2+＞Mg2+＞Ba2+＞Tl+＞Ag+＞Cs+＞Rb+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+當(dāng)采用RSO3H樹脂時(shí)，Tl+和Ag+的選擇性順序?qū)⒎謩e提前至Pb2+左右。陰離子：C6H5O73-＞Cr2O72-＞SO42-＞C2O42-＞C4H4O52-＞AsO43-＞PO43-＞MoO42-＞ClO4-＞I-＞NO3-＞CrO42-＞Br-＞SCN-＞CN-＞HSO4-＞NO2-＞Cl-＞HCOO-＞CH3COO-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-應(yīng)當(dāng)指出，由于實(shí)驗(yàn)條件不同，各研究者所得出的選擇性順序不完全相同．（3）、H+和OH－的選擇性決定于樹脂活性基團(tuán)的酸堿性強(qiáng)弱。對強(qiáng)酸性陽樹脂，H+的選擇性介于Na+和Li+之間。但對弱酸性陽樹脂，H+的選擇性最強(qiáng)。同樣，對強(qiáng)磁性陰樹脂，OH-的選擇性介于CH3COO－與F－之間，但對弱堿性陰樹脂，OH－的選擇性最強(qiáng)。離子的選擇性，除上述同它本身及樹樹脂的性質(zhì)有關(guān)外，還與溫度、濃度及pH值等因素有關(guān)。下面介紹平時(shí)我們常見的四種交換劑對離子選擇性的順序：(1)強(qiáng)酸性陽離子交換劑，對水中陽離子選擇順序： Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>H+>Li+(2)弱酸性陽離子交換劑，對水中陽離子的選擇順序： H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>Li+從上述選擇順序來看，強(qiáng)酸性陽離子交換劑對H+的吸著力不強(qiáng)；而弱酸性陽離子交換劑則容易吸著H+。所以，實(shí)際應(yīng)用中，用酸再生弱酸性陽離子交換劑比再生強(qiáng)酸性陽離子交換劑要容易得多。(3)強(qiáng)堿性陰離子交換劑，對水中陰離子的選擇順序： SO42>NO3->Cl－>OH->F->HCO3->HSiO3-

(4)弱堿性陰離子交換劑，對水中陰離子的選擇順序： OH-->SO42>

NO3->Cl－>F->HCO3->HSiO3-從陰離子交換劑的選擇性來看，用堿再生弱堿性陰離子交換劑比再生強(qiáng)堿性陰離子交換劑容易。但是弱堿性陰離子交換劑吸著很弱，不吸著。因此，弱堿性陰離子交換劑用于除掉水中強(qiáng)酸根離子。（4）工作交換容量指一個(gè)周期中單位體積樹脂實(shí)現(xiàn)的離子交換量，即單位體積樹脂脂從再生型樹脂基團(tuán)變化為失效型工基團(tuán)的量，定量表示樹脂的交換能力。通常用EV（mmol/ml濕樹脂）表示，也可用EW（mmol/g干樹脂）表示。這兩種表示方法之間的數(shù)量關(guān)系如下：EV＝EW×（1-含水量）×濕視視密度市售商品樹脂所標(biāo)的交換容量是總交換容量，即活性基團(tuán)的總數(shù)。樹脂在給定的工作條件下實(shí)際所發(fā)揮的交換能力稱為工作交換容量。因受再生程度、進(jìn)水中離子的種類和濃度，樹脂層高度、水流速度、交換終點(diǎn)的控制指標(biāo)等許多因素影響，一般工作交換容量只有總交換容量的60％～70％。4.1.5離子交換樹脂的選擇、保存、使用和鑒別

1、樹脂選擇離子交換法主要用于除去水中可溶性鹽類。選擇樹脂時(shí)應(yīng)綜合考慮原水水質(zhì)、處理要求、交換工藝以及投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素。當(dāng)分離無機(jī)陽離子或有機(jī)堿性物質(zhì)時(shí)，宜選用陽樹脂；分離無機(jī)陰離子或有機(jī)酸時(shí)，宜采用陰樹脂。對氨基酸等兩性物質(zhì)的分離，既可用陽樹脂，也可用陰樹脂。對某些貴金屬和有毒金屬離子（如Hg2+）可選擇鰲合樹脂交換回收。對有機(jī)物(如酚)，宜用低交聯(lián)度的大孔樹脂處理。絕大多數(shù)脫鹽系統(tǒng)都采用強(qiáng)型樹脂。廢水處理時(shí)，對交換勢大的離子，宜采用弱性樹脂。此時(shí)弱性樹脂的交換能力強(qiáng)、再生容易，運(yùn)行費(fèi)用較省。當(dāng)廢水中含有多種離子時(shí)，可利用交換選擇性進(jìn)行多級回收，如不需回收時(shí)，可用陽陰樹脂混合床處理。2、樹脂保存樹脂宜在0～40℃下存放，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃，或發(fā)現(xiàn)樹脂脫水后，應(yīng)向包裝袋內(nèi)加入飽和食鹽水浸泡。對長時(shí)期停運(yùn)而閑置在交換器中的樹脂應(yīng)定期換水。通常強(qiáng)性樹脂以鹽型保存，弱酸樹脂以氫型保存。弱堿樹脂以游離胺型保存，性能最穩(wěn)定。3、樹脂使用樹脂在使用前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以除去雜質(zhì)。最好分別用水、5％HCl、2％～4％NaOH反復(fù)浸泡清洗兩次，每次4～8h。樹脂在使用過程中，其性能會逐步降低，尤其在處理工業(yè)廢水時(shí)，主要有三類原因：(1)物理破損和流失；(2)活性基團(tuán)的化學(xué)分解；(3)無機(jī)和有機(jī)物覆蓋樹脂表面。針對不同的原因采取相應(yīng)的對策。如定期補(bǔ)充新樹脂；強(qiáng)化預(yù)處理；去除原水中的游離氯和懸浮物；用酸、堿和有機(jī)溶劑等洗脫樹脂表面的垢和污染物。4、樹脂鑒別水處理中常用的四大類樹脂往往不能從外觀鑒別。根據(jù)其化學(xué)性能，可用下表方法來來區(qū)分。未知樹脂的鑒別操作1取未知樹脂樣品2mL，置于30mL試管中操作2加1NHCl15mL，搖1--2min，重復(fù)2--3次操作3水洗2～3次操作4加1O％CuSO4(其中含1％H2SO4)5mL，搖1min，放5min檢查淺綠色不變色操作5加5N氨液2mL，搖1min，水洗加1NNaOH15mL搖1min，水洗，加酚酞，水洗檢查深藍(lán)顏色不變顏色紅色不變色結(jié)果強(qiáng)酸性陽樹脂弱酸性陽樹脂強(qiáng)堿性陰樹脂弱堿性陰樹脂4.2離子交換的基本理論4.2.1離子交換原理化學(xué)除鹽法就是將RH樹脂和ROH樹脂分別(或混合)放在兩處(或一個(gè))離子交換器內(nèi)，用RH樹脂除掉水中的金屬離子，用ROH除掉水中的酸根，使水成為純水。1．原理。化學(xué)除鹽原理主要有兩個(gè)交換反應(yīng)，一個(gè)是除鹽反應(yīng)，一個(gè)是再生反應(yīng)。(1)除鹽。當(dāng)含鹽水流過RH樹脂層時(shí)，水中的金屬離子與RH樹脂中的H+發(fā)生交換反應(yīng)。水中的Na+、Ca2+、Mg2+……等離子擴(kuò)散到樹脂的網(wǎng)孔內(nèi)并留在其中，而網(wǎng)孔內(nèi)的H+則擴(kuò)散到水中。結(jié)果，水中除了少數(shù)殘余的金屬離子外，陽離子換成了H+。這個(gè)過程用下列反應(yīng)式表示：RH+Na+→RNa+H+2RH+Ca2+→R2Ca+2H+2RH+Mg2+→R2Mg+2H+經(jīng)過RH樹脂處理后的水，再通過ROH樹脂層時(shí)，水中的酸根離子與ROH發(fā)生交換反應(yīng)。水中的Cl–等離子擴(kuò)散到樹脂網(wǎng)孔內(nèi)并留在其中，而網(wǎng)孔的OH–則擴(kuò)散到水中。結(jié)果，水中除了少數(shù)酸根外，陰離子換成OH–。這個(gè)過程用下列反應(yīng)式表示： ROH+Cl–→RCl+OH– 2ROH+→R2SO4+2OH– ROH+→RHSiO3+OH–水中的H+與OH-相線路合變成水： H++OH-→H2O水經(jīng)過RH陽樹脂和ROH陰樹脂處理后，水中的金屬陽離子被交換成H+，酸根陰離子被交換成OH-相結(jié)合成水，原水中的鹽類被除去。這樣處理后的水叫做除鹽水。(2)再生。RH樹脂和ROH樹脂，經(jīng)過交換后，分別轉(zhuǎn)變?yōu)镽Na、R2Ca、R2Mg……和RCl、R2SO4、RHSiO3……等新型樹脂。這些新型樹脂不能再起除鹽作用，這種現(xiàn)象叫做樹脂的失效。使失效的樹脂重新恢復(fù)成最初類型的樹脂的過程，叫做再生。再生是根據(jù)離子交換反應(yīng)的可逆性進(jìn)行的。例如：即反應(yīng)向右進(jìn)行是除鹽，向左進(jìn)行是再生。而反應(yīng)究竟向哪個(gè)方向進(jìn)行與離子的性質(zhì)和溶液中離子濃度有關(guān)。在溶液中反應(yīng)方向主要決定于離子被樹脂的選擇性，當(dāng)溶液中某種離子濃度增大到一定范圍時(shí)，反應(yīng)就可以按人們指定的方向進(jìn)行。在上述反應(yīng)中分別增加H+濃度和OH-濃度，反應(yīng)就向再生方向進(jìn)行。這一可逆反應(yīng)，提供了失效樹脂再生的條件。RH陽樹脂失效后采用一定濃度的酸溶液再生，ROH陰樹脂失效后采用一定濃度的堿溶液再生。使樹脂再生的藥劑如酸、堿等，稱為再生劑(或還原劑)。在生產(chǎn)中，RH的再生液一般用4~5%的鹽酸或1~2%的硫酸；ROH的再生液一般用3~4%的氫氧化鈉溶液。4.2.2離子交換平衡

離子交換平衡是離子交換的基本規(guī)律之一。式(4-1)表示了一般交換反應(yīng)的平衡關(guān)系。在稀溶液中，各種離子的活度系數(shù)接近于1，式(4-1)中的(A)、(B)均可用各自的摩爾濃度表示。若將樹脂內(nèi)液相中離子的活度系數(shù)的影響也歸并入選擇性系數(shù)K中，則式(4-1)可寫為：(4-2)式中[i]代表i離子濃度。設(shè)反應(yīng)開始時(shí)，樹脂中的可交換離子全部為A，[A]等于樹脂總交換容量q0(mmo1/g干樹脂)，［RB］=0，水中[B]=c0。（初始濃度，mmol/L），[A]=0;當(dāng)交換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，水中[B]減小到cB，樹脂上交換了qB的B，即[RB]＝qB，則樹脂上的[RA]=qC-qB，水中的[A]=c0-cB。由式（8-3）可得到：4－3式中q0、c0和ZB、ZA已知，只要測定溶液中的[A]或[B]，即司由上式求得K。式（4-3）適用于各種離子之間的交換。當(dāng)ZA=ZB=1時(shí),上式簡化為：(4-4)式中qB/q0稱為樹脂的失效度;cB/c0為溶液中離子殘留率。若以qB/q0為縱坐標(biāo)，以cB/c0為橫坐標(biāo)，作圖可得某一K值下的等價(jià)離子交換理論等溫平衡線．如圖所示。雖然實(shí)際等溫平衡線因濃度的影響而與上述理論等溫平衡線有一定的差別，但仍然可以利用平衡線圖來判斷交換反應(yīng)進(jìn)行的方向和大致程度以及估算去除一定量離子所需的樹脂量。在圖8-1中，D點(diǎn)表示初始狀態(tài)，若K為0.5，則體系達(dá)到平衡時(shí)，D點(diǎn)應(yīng)移動到K為0.5的平衡線上。根據(jù)樹脂和溶液量的不同，平衡點(diǎn)應(yīng)處在DS和DR兩點(diǎn)之間，如D’點(diǎn)。移動結(jié)果，cB/c0減小，qB/q0增大，反應(yīng)向右進(jìn)行。如果初始點(diǎn)為D’’，平衡時(shí)也移動到D’點(diǎn)，則qB/q0減小，cB/c0增大，反應(yīng)向左進(jìn)行(再生)。由圖（8-1）可見，當(dāng)qB/q0相同時(shí)，K值愈大，cB/c0愈小．即水中目的離子濃度愈低，交換效果愈好。當(dāng)K＞1時(shí)，平衡線上的qB/q0＞cB/c0，說明目的離于B易于交換到樹脂上去，樹脂對B有選擇性，此種平衡稱有利平衡；反之，當(dāng)K＜1時(shí)，平行線上的qB/q0＜cB/c0，稱不利平衡；當(dāng)K=1時(shí),稱線性平衡．4.2.3離子交換速度

離子交換過程可以分為四個(gè)連續(xù)的步驟：①離子從溶液主體向顆粒表面擴(kuò)散，穿過顆粒表面液膜（液膜擴(kuò)散）。②穿過液膜的離子繼續(xù)在顆粒內(nèi)交聯(lián)網(wǎng)孔中擴(kuò)散，直至達(dá)到某一活性基團(tuán)位置。③目的離子和活性基團(tuán)中的可交換離子發(fā)生交換反應(yīng)。④被交換下來的離子沿著與目的離子運(yùn)動相反的方向擴(kuò)散，最后被主體水流帶走。上述幾步中，交換反應(yīng)速率與擴(kuò)散相比要快得多．因此總交換速度由擴(kuò)散過程控制。由Fick定律，擴(kuò)散速度可寫成式中c1、c2—分別表示擴(kuò)散界面層兩側(cè)的離子濃度，c1＞c2

δ—一界面層厚度，相當(dāng)于總擴(kuò)散阻力的厚度；D0一總擴(kuò)散系數(shù)。單位時(shí)間單位體積樹脂內(nèi)擴(kuò)散的離子量是上述擴(kuò)散速度與單位體積樹脂表面積S的乘積，即(8—7)式中B是與粒度均勻程度有關(guān)的系數(shù)．由上式得：據(jù)此，可以分析影響離子交換擴(kuò)散速度的因素。①樹脂的交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，孔隙度越小，則內(nèi)擴(kuò)散越侵。大孔樹脂的內(nèi)孔擴(kuò)散速度比凝膠樹脂快得多。②樹脂顆粒越小，由于內(nèi)擴(kuò)散距離縮短和液膜擴(kuò)散的表面積增大，使擴(kuò)散速度越快。研究指出，液膜擴(kuò)散速度與粒徑成反比，內(nèi)孔擴(kuò)散速度與粒徑的高次方成反比。但顆粒不宜太小，否則會增加水流阻力，且在反洗時(shí)易流失。③溶液離子濃度是影響擴(kuò)散速度的重要因素，濃度越大，擴(kuò)散速度越快。一般來說，在樹脂再生時(shí)，c0＞0.1M，整個(gè)交換速度偏向受內(nèi)孔擴(kuò)散控制；而在交換制水時(shí)，c0＜0.003M，過程偏向受膜擴(kuò)散控制。④提高水溫能使離子的動能增加，水的粘度減小，液膜變薄，這些都有利于離子擴(kuò)散。⑤交換過程中的攪拌或流速提高，使液膜變薄，能加快液膜擴(kuò)散，但不影響內(nèi)孔擴(kuò)散。(8-10)式中r0——顆粒半徑，m；

v——空塔流速，m/h。⑥被交換離子的電荷數(shù)和水合離子的半徑越大，內(nèi)孔擴(kuò)散速度越慢。試驗(yàn)證明:陽離子每增加一個(gè)電荷，其擴(kuò)散速度就減慢到約為原來的1/10。根據(jù)上述對擴(kuò)散速度影響因素的分析，E．Helfferich提出判斷擴(kuò)散控制步驟的準(zhǔn)數(shù)He：在上式中Dc0/(r0δq0)表征液膜擴(kuò)散速度；D’/r02表征內(nèi)孔擴(kuò)散速度；K為選擇性系數(shù)，D和D’分別為液膜和內(nèi)孔擴(kuò)散系數(shù)。α稱為分離系數(shù)，當(dāng)A、B離子時(shí)價(jià)數(shù)相等時(shí)，α=1/K。當(dāng)He＞＞1，過程為液膜擴(kuò)散控制；當(dāng)He＜＜1，過程為內(nèi)孔擴(kuò)散控制；當(dāng)He≈1，兩種擴(kuò)散同時(shí)控制。判斷速度控制步驟的目的是為工程上尋求強(qiáng)化傳質(zhì)的措施提供指導(dǎo)。根據(jù)上述分析，樹脂高交換容量，低交聯(lián)度（即D’大），小粒徑，溶液低濃度，低流速(即δ大），均為傾向于液膜擴(kuò)散控制的條件。4.3離子交換工藝4.3.1順流床的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)順流再生：運(yùn)行水流從上面下通過樹脂層，再生時(shí)再生液也是自上而下通過樹脂層，即運(yùn)行時(shí)水流方向和再生液的流向是相同。復(fù)床：水處理使用的離子交換器有多種形式，其運(yùn)行方式也各不相同，常見的有復(fù)床除鹽和混床除鹽。下面先介紹復(fù)床除鹽的設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行步驟。復(fù)床就是把RH樹脂和ROH樹脂分別裝有兩個(gè)交換器內(nèi)組成的除鹽系統(tǒng)。裝有RH樹脂的叫做陽離子交換器；裝有ROH樹脂的叫做陰離子交換器。1)設(shè)備結(jié)構(gòu)：離子交換器的主體是一個(gè)密閉的圓柱形殼體，體內(nèi)設(shè)有進(jìn)水、排水和再生裝置。進(jìn)水裝置：也叫布水器:其作用是均勻分布進(jìn)水在交換器的過水?dāng)嗝嫔?，另一作用是均勻收集排水。常見四種：漏斗式、十字架式、圓筒式，多孔板水帽式。多采用喇叭口形，水沿喇叭口周圍淋下，以便使水分布均勻。近年十字架式及多孔板水帽式應(yīng)用較多。順流再生混合離子交換器離子交換器中排管離子交換器進(jìn)水管排水裝置，作用是均勻收集處理好的水，也起均勻分配反洗水的作用，所以也叫配水器。一般對排水裝置的均勻性要求較高，常用的排水裝置有：穹形孔板石英砂墊層式和多孔板水帽式近年來多采用穹形多孔板加石英砂墊層的方式，也有用排水帽的。再生液分配裝置：能保證再生液均勻分布在樹脂表面上，常用的有輻射型、圓環(huán)形和母支管形，如圖所示。再生液分配裝置在樹脂表面以下，約200-300mm水墊層：當(dāng)樹脂層上方與進(jìn)水管之間的反洗空間充滿水時(shí)就叫~外部管路及閥門：順流床一般為七個(gè)：進(jìn)水閥、出水閥、反洗進(jìn)水閥、反洗出水閥、進(jìn)再生液閥、正洗閥、排空閥窺視鏡：中部窺視鏡作用是視察樹脂裝填情況，上部窺視鏡觀察反洗時(shí)樹脂膨脹情況。再生液分配裝置(a)輻射式；（b）圓環(huán)式；（c）母管支管式順流再生離子交換器的工藝特點(diǎn)1、失效時(shí)交換不徹底2、再生困難、不徹底。3、再生劑用量大4、出水水質(zhì)不高順流氫離子交換器樹脂層態(tài)順流氫離子交換器出水Na濃度變化曲線順流床的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低；運(yùn)行操作方便，工藝易控制；對進(jìn)水濁度要求低。不足：樹脂再生率低；出水水質(zhì)受進(jìn)水影響，變化大，不易達(dá)標(biāo)運(yùn)行費(fèi)用高，再生劑耗量大；設(shè)備出力低。

順流再生操作過程及液流流向a)反洗b)進(jìn)再生液c)正洗(包括慢洗和快洗)4.3.2順流再生離子交換器的運(yùn)行交換器的運(yùn)行分為五個(gè)階段：反洗、再生、置換、正洗和交換除鹽。運(yùn)行周期：交換器從除鹽→反洗→再生→正洗的全過程叫做一個(gè)運(yùn)行周期。

①、交換除鹽在除鹽運(yùn)行階段，被處理的水洗經(jīng)過陽離子交換器，再進(jìn)入陰離子交換器，除鹽后的水送入除鹽水箱。陽離子交換器內(nèi)裝入一定量的RH樹脂，在陽離子交換器內(nèi)水中的金屬離子與RH樹脂中的H+交換，金屬被交換在樹脂上；陰離子交換器內(nèi)裝入一定量的ROH樹脂，在陰離子交換器內(nèi)，水中的酸根離子與ROH樹脂中的OH-交換，酸根離子被交換在樹脂上。經(jīng)過兩種交換處理后的水，送入除鹽水箱。交換器運(yùn)行若干小時(shí)后，出水含鹽量增加，水的導(dǎo)電度增大。當(dāng)運(yùn)行到出水導(dǎo)電度明顯增大并達(dá)到一定值時(shí)，說明交換劑已經(jīng)失效，不能生產(chǎn)出合格的水。在生產(chǎn)，為了便于用導(dǎo)電度表監(jiān)視樹脂是否已經(jīng)失效，一般是讓陽樹脂先失效。樹脂失效后，停止運(yùn)行進(jìn)行再生。②、反洗樹脂再生前需要反洗。這是因?yàn)樽儞Q是在較大壓力下進(jìn)行的，樹脂顆粒間壓得很緊，這樣在樹脂層內(nèi)會產(chǎn)生一些破碎的樹脂；此外，在陽離子交換樹脂層表面幾厘米的厚度內(nèi)還會積累一些水中懸浮物，這些破碎的樹脂是懸浮物都不利于交換劑的再生。所以，反洗的目的就是用清水松動交換劑層，清除樹脂層內(nèi)的懸浮物、破碎樹脂和氣泡等。反洗水經(jīng)底部反洗進(jìn)水門進(jìn)客店交換器內(nèi)，自下而上的流過樹脂層，再進(jìn)入上部漏斗由排水門排入地溝。反洗時(shí)，要求樹脂層膨脹30~40%，使樹脂得到充分清洗。反洗一直進(jìn)行到出水澄清為止。為了防止樹脂被沖走，應(yīng)先慢慢開大反洗進(jìn)水門，然后慢慢開大排水門。使用的反洗水不應(yīng)污染樹脂。③、再生（進(jìn)再生液）

再生是一項(xiàng)重要的操作過程。再生開始前，打開空氣門和排水門，放掉交換器內(nèi)一部分水，使水位降到樹脂層上10~20厘米處，關(guān)閉排水門。然后將一定濃度的再生液送進(jìn)交換器內(nèi)，由再生裝置將再生液均勻分布大整個(gè)樹脂層上，并將交換器內(nèi)的空氣經(jīng)空氣管排出。當(dāng)交換器內(nèi)的空氣排完再生液充滿筒體后，并閉空氣門，打開排水門，此時(shí)再生液流過樹脂層，并與失效的陽離子(或陰離子)樹脂發(fā)生離子交換反應(yīng)，使失效樹脂得到再生。再生過程中的廢液從排水門排走。時(shí)間約45～80min

④、置換當(dāng)全部再生液輸送完后樹脂中仍有正在進(jìn)行反應(yīng)的再生液，而樹脂層面到計(jì)量箱之間的再生液則尚未進(jìn)入樹脂層，為了使這些再生液全部通過樹脂層，須用水按再生液流過樹脂層流程及流速通過交換器，這一過程叫置換。它實(shí)際是再生過程的繼續(xù)，置換水一般用配再生液的水，水量約為樹脂層的體積的1.5-2.0倍，以排出濃離子總濃度下降到再生液濃度的10%-20%以下為好（其實(shí)一般控制時(shí)間，與進(jìn)再生液時(shí)間基本相同，略長）⑤、正洗待樹脂中再生后的廢液基本排完，樹脂中仍有殘留的再生劑和再生產(chǎn)物，必須把它們洗掉，交換器方能重新投入運(yùn)行。正洗時(shí)，清水沿運(yùn)行路線進(jìn)入交換器，由排水門排入地溝。正洗開始時(shí)，排出的廢液中仍有再生劑和再生產(chǎn)物，隨著正洗的進(jìn)行，出水中的再生劑和再生產(chǎn)物逐漸減少，同時(shí)除鹽的交換反應(yīng)也開始發(fā)生，當(dāng)排出的水基本符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可關(guān)閉排水門，結(jié)束正洗，投入運(yùn)行或備用。4.3.3逆流床的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)為了克服再生床的底層樹脂再生程度低的缺陷，現(xiàn)在廣泛采用逆流再生方式，逆流再生：運(yùn)行時(shí)水流方向和再生時(shí)再生液的方向相對進(jìn)行的水處理工藝。習(xí)慣上將運(yùn)行時(shí)水流向下流動、再生時(shí)再生液向上流動的對流水處理工藝叫逆流再生工藝。浮動床水處理：將運(yùn)行時(shí)水流向上流動（此時(shí)床層呈密實(shí)浮動狀態(tài)）、再生時(shí)再生液向下流動的對流水處理工藝稱浮動床水處理工藝。逆流再生離子交換器的工藝特點(diǎn)1、逆流床中樹脂層中離子變動過程，如上圖。相同條件下，再生效果比順流床好，出水水質(zhì)高。與順流床相比，逆流床的特點(diǎn)（1）、出水水質(zhì)高。陽床出水Na＋≤100μg/l,一般為20-30μg/l；陰床出水硅≤100μg/l,一般為10-20μg/l，電導(dǎo)率≤2.0μs/cm（2）、對水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)（3）、再生劑比耗低；一般為1.5。比順流床低50-100%，廢液少（4）、自用水率低。一般比順流床低30-40%。逆流再生離子交換器的結(jié)構(gòu)逆流再生陽、陰離子交換器逆流的結(jié)構(gòu)逆流再生混合離子交換器中排裝置為了防止再生液和清洗水上流時(shí)發(fā)生亂層，逆流再生床中間排水裝置不能漏樹脂顆粒，布水均勻，在交換器中應(yīng)安裝牢固，防止運(yùn)行中被水流沖壞。中間排水裝置常用形式：母支管式。母支管式又分：支管與母管在同一平面與不在同一平面的、總管在上或在下的幾種形式，見書P186-187壓脂層為了使液體上流時(shí)樹脂層不亂層，一般在中排之上、交換劑層上加一層厚約150-200mm的粒狀物質(zhì)（或直接用樹脂），這層物質(zhì)叫壓脂層（也叫壓實(shí)層）。外部管路、閥門：逆流床外部管路一般有十二個(gè)閥門：進(jìn)水閥、出水閥、反洗進(jìn)水閥、反洗出水閥、進(jìn)再生液閥、正洗排水閥、排空閥、進(jìn)壓縮空氣閥、中排排水閥。小正洗進(jìn)水閥、進(jìn)脂閥、出脂閥交換器的運(yùn)行：小反洗、放水、進(jìn)再生液、置換、小反洗（小正洗）、正洗等6個(gè)步驟小反洗：失效后停止交換，，將反洗水從中排管引入，對中排以上的樹脂（壓脂層）進(jìn)行反洗，，以沖洗去運(yùn)行時(shí)積聚在表面層和中排裝置上的污物，反洗水由上部排走。小反洗流速應(yīng)使壓脂層充分松動，但又不至于將正常顆粒的樹脂沖走。時(shí)間：5-30分鐘。放水：進(jìn)再生液：濃度2-4%，流速：4-8m/h,一般為4m/h,時(shí)間約45～80min

置換：與進(jìn)再生液的流速保持相同小正洗（小反洗）：與前面的操作相同，小正洗時(shí)間，10-15分鐘，主要是洗掉殘余的再生液和泡沫。正洗：用不由上面下進(jìn)行正洗，到出水合格。逆流再生的操作工藝中需要注意的問題1）、運(yùn)行逆流床在運(yùn)行10-20個(gè)或更多周期后應(yīng)進(jìn)行一次大反洗。大反洗松動整個(gè)交換劑層并洗去其中的污物、雜質(zhì)及破碎的交換劑顆粒。大反洗時(shí)水從底部進(jìn)入，上部排出，流速應(yīng)由小逐漸增大，使交換劑層充分膨脹，但須注意勿使正常的交換劑顆粒沖出，犬反洗應(yīng)洗至排出水澄清為止。大反洗應(yīng)進(jìn)行徹底，否則如交換劑層不能充分松動，積聚的懸浮雜質(zhì)不洗凈，就易使交換劑結(jié)塊，影響再生效果，降低交換劑的交換容量。另外，經(jīng)過大反洗后，交換劑層被完全打亂，為了使底部交換劑層再生徹底，大反洗的這一次再生劑用量需比平時(shí)多50％-100%。2）、壓脂層厚度及頂壓(頂壓再生時(shí)）的壓縮空氣壓力應(yīng)符合要求。3）、置換用水應(yīng)用水質(zhì)好的水，以防污染再好的樹脂。4）、中排裝置應(yīng)加固5）壓脂層的樹脂或白球密度應(yīng)比樹脂密度小。以便于分層。6）、再生劑的質(zhì)量應(yīng)盡量好，以保證出水質(zhì)。7）、再生時(shí)應(yīng)防止產(chǎn)生泡沫，防止泡沫進(jìn)入樹脂層中。影響再生的因素下述因素對再生效果和處理費(fèi)用有很大影響。①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(jià)廉易得。如用Na型陽樹脂交換紡絲酸性廢水中的Zn2+，用芒硝(Na2SO4·10H2O)作再生劑，再生液的主要成分是濃縮的ZnSO4，可直接回用于紡絲的酸浴工段。再如用煙道氣(CO2作為弱酸性陽樹脂的再生劑也可以得到很好的再生效果。一般對強(qiáng)酸性陽樹脂用HCl或H2SO4等強(qiáng)酸及NaCl、Na2SO4再生；對弱酸性陽樹脂用HCl、H2SO4再生；對強(qiáng)堿性陰樹脂用NaOH等強(qiáng)堿及NaCl再生，對弱堿性陰樹脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。②再生劑用量。樹脂的交換和再生均按等當(dāng)量進(jìn)行。理論上，理論再生劑可以恢復(fù)樹脂理論交換容量，但實(shí)際上再生劑的用量要比理論值大得多，通常為2～5倍。弱酸陽樹脂的再生劑用量一般只是略大于理論值。實(shí)驗(yàn)證明，再生劑用量越多，再生效率越高。但當(dāng)再生劑用量增加到一定值后，再生效率隨再生劑用量增長不大。因此再生劑用量過高既不經(jīng)濟(jì)也無必要。下圖為用2％NaOH對交換了Cr6+的強(qiáng)堿性樹脂的再生情況。由圖可知，以控制95％的再生效率較為合適。當(dāng)再生劑用量一定時(shí)，適當(dāng)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(shí)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。一股順流再生時(shí)，酸液濃度以3％～4％，堿液濃度以2％～3％為宜。

當(dāng)再生劑用量和再生液流速確定后，進(jìn)再生液時(shí)間的計(jì)算：③、再生濃度：當(dāng)再生劑量一定時(shí)，在定范圍內(nèi)，其濃度越大，再生度越高，當(dāng)濃度達(dá)到某一值時(shí)再生后樹脂的交換容量可以恢復(fù)到一個(gè)最高值。如鹽酸的再生濃度一般為2-4%。太高交換基因受到壓縮，再生效果下降，太低時(shí)，再生不完全，時(shí)間長，水消耗大。④、再生方式。固定床的再生主要有順流和逆流兩種方式。再生劑流向與交換時(shí)水流方向相同者，稱為順流再生，反之稱為逆流再生．順流再生的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操作方便，工作可靠。缺點(diǎn)是再生劑用量多，再生效率低，交換時(shí)，出水水質(zhì)較差；逆流再生時(shí)，再生劑耗量少(比順流法少40％左右)，再生效率高，而且能保證出水質(zhì)量，但設(shè)備較復(fù)雜，操作控制較嚴(yán)格。采用逆流再生，切忌攪亂樹脂層，應(yīng)避免進(jìn)行大反洗，再生流速通常小于8m／h。也可采用氣頂壓、水頂壓或中間排液法操作。⑤、再生流速：是一個(gè)重要因素，主要是維持再生液與樹脂的時(shí)間。一般的為4-8m／h，對于無頂壓的一般為2-4m/h。流速快，再生不徹底，反應(yīng)不充分，再生液就流出了交換器流速低，交換速度慢，時(shí)間長，交換效果差。⑥、再生溫度：溫度高，加快樹脂的內(nèi)擴(kuò)散、膜擴(kuò)散，加快反應(yīng)速度，同時(shí)能充分使樹脂與再生液進(jìn)行交換，有利于提高再生度。⑦、再生劑的純度：能影響樹脂的再生程度有出水水質(zhì)。運(yùn)行中的監(jiān)督見書P192再生計(jì)算：再生劑耗（酸耗、堿耗）：是指在的樹脂中再生1mol交換基團(tuán)所耗用的再生劑質(zhì)量，單位：g/mol再生劑比耗（酸比耗、堿比耗）：表示再生單位體積樹脂用再生劑的量（mol/m3)和該樹脂的工作交換容量（mol/l)的比值。陽離子的工作交換容量：再生酸耗比耗：再生劑的比耗是指實(shí)際用的再生劑單耗與再生劑理論消耗量的比值：再生劑理論耗量，是指交換按等當(dāng)量進(jìn)行反應(yīng)所消耗的再生劑量。例如，要除去水中1克當(dāng)量的陽離子，消耗鹽酸的理論量應(yīng)為36.5克。如果它的單耗為54.75克，則其比耗為單耗。再生劑的單耗是指除去水中1克當(dāng)量的離子，實(shí)際消耗再生劑的克數(shù)：式中總陽離子量=入口水堿度+出口水酸度總陰離子量=入口水酸度+CO2——陰離子交換器入口水中CO2的含量，毫克/升；SiO2——陰離子交換器入口水中SiO2的含量，毫克/升。陽離子的工作交換容量：再生酸耗再生用鹽酸體積計(jì)算：堿耗（g/mol)陰離子的工作交換容量再生用堿液體積：陽離子的工作交換容量：再生酸耗例一：一臺直徑為3.2米的逆流床，內(nèi)裝2.4米高的D001樹脂，若樹脂的工作交換容量為1000mool/m3，再生劑比耗為1.2，問該離子交換器再生一次約需多少30%的工業(yè)鹽酸？例二：一臺直徑為3.2米的逆流床，內(nèi)裝2.4米高的D001樹脂，失效后再生一次需30%的工業(yè)鹽酸2818kg，再生控制再生液濃度為3.0%（密度為1.02g/ml），再生流量為5m/h，問進(jìn)酸要多長的時(shí)間？解：2818kg的鹽酸中含純鹽酸量：M純鹽酸量=2818×30%=845.4（kg）交換器的截面積=3.14×(3.2÷2)2=8.04(m2)

一臺陽離子交換器入口水堿度為3.6mmol/L,出口水酸度為2.2mmol/L,周期制水量為1600m3,再生時(shí)用31%的工業(yè)鹽酸1304L，求此陽離子交換器的再生酸耗。（31%的工業(yè)鹽酸密度為1.15g/cm3）解：1304×1.15×31%×1000/(3.6+2.2)×1600=50.1(g/mol)交換器的直徑為0.5m，樹脂層高1.5m，出力為5m3/h，原水中硬度為2.2mmol/L，試計(jì)算交換器的運(yùn)行周期（設(shè)樹脂的交換容量為800mol/m3，再生時(shí)間為2h）。解：交換器的截面積為A=πd2/4=3.14×0.52/4=0.196（m2）運(yùn)行時(shí)間為0.196×1.5×800/（5×2.2）=21.4（h）運(yùn)行周期為：21.4+2=23.4（h）例三：一臺陽離子交換器直徑D＝2.5m,再生一次需要濃度為31%的工業(yè)鹽酸1065L。再生時(shí)，鹽酸濃度為3%，再生流速u=5m/h,求進(jìn)酸時(shí)間。解：再生流量為（2.5/2）2×3.14×5=24.5(m3/h)再生時(shí)間為1065×31%/(24.5×3%×1000)=0.449h=27(min)例四：已知陽床進(jìn)口水的堿度JD＝2.8mmol/L,硬度YD＝2.5mmol/L,陽床出口水酸度SD＝2.0mmol/L,該交換器的周期制水量為1000t,再生時(shí)用純鹽酸320kg,求酸耗。解：設(shè)鹽酸酸耗為SH酸耗＝m/[Q(JD+SD)]=320×1000/[1000×(2.8+2.0)]=66.7(g/mol)已知陰床入口水酸度為1.1mmol/L,二氧化硅為15mg/L,失效時(shí)陰離子量為0.2mmol/L,制水量為1920t,陰床直徑為2.5m,陰樹脂裝載高度為2m,求陰離子交換樹脂的工作交換容量。解：陰樹脂裝載量為：V=π/4×2.52×2.0=9.8(m3)則1920（1.1+15/60+11/44-0.2）/9.8=274mol/m3答：陰離子交換樹脂的工作交換容量是274mol/m3陰床入口水中SiO2為6.6mg/L,酸度為0.6mmol/L,殘余CO2為0.25mmol/L,周期制水量為2000t,再生一次用40%NaOH500kg,求堿耗與比耗。解：堿耗＝（500×40%×1000）/[2000×(6.6/60+0.25+0.6)]=104.2(g/mol)比耗=104.2/40=2.6某廠除鹽系統(tǒng)中，強(qiáng)酸陽床入口水堿度為3.5mmol/L，出口水酸度為4.5mmol/L,樹脂裝載量為8m3，周期制水量為1400t，求該強(qiáng)酸陽樹脂的工作交換容量。解：（3.5+4.5）×1400÷8=1400(mol/m3)4.3.4混合床混床的結(jié)構(gòu)：內(nèi)部裝置和外部管路內(nèi)部裝置：上部進(jìn)水裝置、下部進(jìn)水裝置，進(jìn)堿裝置、進(jìn)酸裝置、中排裝置外部管路閥：進(jìn)水閥、出水閥、進(jìn)酸閥、進(jìn)堿閥、中排閥、壓縮空氣閥、排空閥、正洗排水閥、反洗排水閥、出脂閥、進(jìn)脂閥1—放空氣管；2—觀察孔；3—進(jìn)水裝置；4—多孔板；5—檔水板；6—濾布層；7—中間排水裝置混合床離子交換器結(jié)構(gòu)1)混床的除鹽原理。一般制取高純度的除鹽水，均采用RH與ROH樹脂，即H-OH型混床。在這種混床內(nèi)可以把樹脂層內(nèi)的RH與ROH樹脂顆粒看做為混合交錯(cuò)排列的，這樣的混床就相當(dāng)于許多級復(fù)床串聯(lián)在一起，有利于下列反應(yīng)：RH+Na+→RNa+H+ROH+→RHSiO3+OH-H++OH-→H2O由于RH與ROH樹脂顆粒交錯(cuò)排列，生成的H+和OH-很快能結(jié)事成難解離的水，使除鹽反應(yīng)進(jìn)行得比較徹底。因此，H-OH型混床的出水水質(zhì)純度很高。再生混床是把陽、陰樹脂混合裝在同一個(gè)交換器內(nèi)運(yùn)行的，所以運(yùn)行操作與一般固定床不同，特別是混床的再生操作差別很大。當(dāng)混床樹脂失效再生時(shí)，首先應(yīng)把混合的陽、陰樹脂分層，然后才能分別通過酸、堿再生液進(jìn)行再生，這是混床操作的特點(diǎn)。再生方法分為體內(nèi)再生法和體外再生法。本節(jié)介紹體內(nèi)再生法，其步驟為：反洗分層再生和正洗①反洗分層混床內(nèi)陽、陰樹脂間的比重差是混床樹脂分層的重要條件。陽樹脂的濕真比重為1.23~1.27，而陰樹脂的濕真比重為1.06~1.11。由于陽、陰樹脂比重的不同，當(dāng)混床樹脂反洗時(shí)，在水流作用下樹脂會自動會層，上層是比重較小的陰樹脂，下層是比重較大的陽樹脂。陽、陰樹脂的比重差越大，分層越迅速、徹底；比重差小，分層比較困難。樹脂的比重與失效樹脂轉(zhuǎn)型有關(guān)，失效樹脂轉(zhuǎn)型不同，其比重也各不相同，不同型式的陽樹脂，它們的比重順序?yàn)椋?不同型式陰樹脂的比重順序?yàn)椋簽榱颂岣邩渲謱有Ч?，有時(shí)在分層前向混床內(nèi)通入NaOH，使陽樹脂轉(zhuǎn)換為比重較大的RNa樹脂，使陰樹脂轉(zhuǎn)換為比重較小的ROH樹脂。這樣可以增大陽、陰樹脂間的比重差，以達(dá)到提高分層效果的目的。此外，反洗流速，也影響分層效果。一般反洗流速，應(yīng)控制在使整個(gè)樹脂層的膨脹率在50%以上②再生?；齑仓嘘枴㈥帢渲謱雍?，就可以對上層的陰樹脂和下層的陽樹脂分別進(jìn)行再生，通常有有一種方法：體內(nèi)再生、體外再生、陰離子外移再生。體內(nèi)再生：就是樹脂在交換器內(nèi)部進(jìn)行再生的方法，根據(jù)進(jìn)酸、進(jìn)堿和沖洗步驟不同，分為兩步法（分別再生、分步再生）和同時(shí)處理法（同步再生），以分別再生為例，說明再生操作：再生陰樹脂時(shí)，堿液從上部的進(jìn)堿管進(jìn)入，通過失效的陰樹脂層，使失效樹脂再生，其廢液由混床中部排液裝置排出。此時(shí)應(yīng)特別注意防止堿液浸潤陽樹脂層。為此，在再生陰樹脂的同時(shí)將清水按酸再生液的途徑，從底部不斷送入。當(dāng)陰樹脂再生完畢后，繼續(xù)向陰樹脂層進(jìn)清水，清洗陰樹脂層中的再生廢液，清洗至排水的氫氧堿度為0.5毫克當(dāng)量/升時(shí)為止。再生陽樹脂時(shí)，酸液從下面通過底部配水裝置進(jìn)入失效樹脂層，使失效的陽樹脂再生，其廢液從混床中部的排液裝置排出。此時(shí)應(yīng)注意防止酸液浸潤陰樹脂層。為此，在再生陽樹脂同時(shí)將清水按堿再生液的途徑從上部進(jìn)入。當(dāng)陽樹脂再生完畢后，繼續(xù)向陽樹脂層進(jìn)清水，清洗陽樹脂中的再生廢液，清洗至排水的酸度為0.5毫克當(dāng)量/升時(shí)為止。體內(nèi)再生的另一種方法是同時(shí)處理法（也叫一步法再生）：此法實(shí)際上與堿酸分別通過陰陽樹脂的兩步相似，即在再生和清洗時(shí)由交換器上下同時(shí)送往酸堿或清洗水，分別經(jīng)陰樹脂、陽樹脂層后由中排排出。此法再生時(shí)間的長短取決于陰樹脂的再生時(shí)間。再生后樹脂的混合再生后陰、陽樹脂的混合樹脂經(jīng)混合與洗滌后，在投入運(yùn)行前必須將分層的樹脂重新混合均勻，通常用從詢問通入的壓縮空氣進(jìn)行攪拌混合。壓縮空氣必須經(jīng)過凈化處理。壓力：0.1-0.15MPa,流量：2.5-3.0m3/m2·S。以混合均勻?yàn)楹茫?-5分鐘即可。注意在混合后排水時(shí)應(yīng)有足夠大的排水速度或采用頂部進(jìn)水加速樹脂沉降，防止樹脂重新分層。③正洗

正洗就是用清洗水從上部進(jìn)入，通過再生后的樹脂層由底部排出。首先進(jìn)行混合前正洗，當(dāng)正洗到排水的導(dǎo)電度在1.5微姆/厘米以下時(shí)，停止混合前正洗，然后從混床交換器底部進(jìn)入壓縮空氣，把兩種樹脂混合均勻，進(jìn)行混合后的大流量正洗(流速約為20米/時(shí)左右)至出水合格，投入運(yùn)行或備用。混床的出水純度雖然很高，但樹脂交換容量的利用低、樹脂磨損大、再生操作復(fù)雜。因此，它適用處理含有微量鹽的水，如經(jīng)過一級復(fù)床處理的除鹽水和凝結(jié)水等。這樣可以延長混床的運(yùn)行周期，減少再生次數(shù)。同步法再生混床的步驟：（1）、反洗分層：開混床排氣閥、反洗進(jìn)水閥、反洗排水閥。流速約10m/h，時(shí)間15分鐘左右，防止樹脂排出。（2）、靜止沉降：關(guān)閉各閥門，樹脂自然沉降10分鐘。（3）、放水：開混床空氣閥、中排閥、放水到樹脂層上約200mm處（4）、關(guān)混床排氣閥，開混床進(jìn)酸、進(jìn)堿閥，啟動酸、堿自用泵，開酸、堿噴射器進(jìn)水閥，調(diào)整進(jìn)水流量（流速約5m/h）（5）、進(jìn)酸、堿：開酸、堿噴射器的進(jìn)酸、進(jìn)堿閥，對混床進(jìn)行再生，酸濃度約5%，酸濃度約4%。（6）、置換：所需的酸、堿達(dá)到要求后，關(guān)酸噴射器進(jìn)口閥、堿噴射器的進(jìn)口閥。維持原流量對樹脂進(jìn)行置換約30分鐘。（7）、對流沖洗：開混床對流沖洗上進(jìn)水閥、排氣閥，待空氣閥出水后關(guān)閉空氣閥，同時(shí)開混床對流沖洗下進(jìn)水閥，對混床進(jìn)行對流沖洗。對流沖洗流速：10-15m/h、以樹脂不動為好，清洗30分鐘，中排出水DD≤10μs/cm。（8）、排水：關(guān)混床對流沖洗上、下閥門，中排閥，開中排的上排水閥，空氣閥，排水到樹脂上約200mm處（9）、混合迫降：開反洗排水閥、反洗進(jìn)水閥，壓縮空氣進(jìn)行氣閥，進(jìn)行混合，混好后迅速關(guān)進(jìn)氣閥、開正洗排水閥、進(jìn)水閥，關(guān)閉反洗排水閥、反洗進(jìn)水閥，進(jìn)行樹脂迫降。（10）、正洗：排氣閥出水后投在線表，進(jìn)行正洗。（11）、備用或投運(yùn)：正洗合格后可備用或投運(yùn)4.3.5除碳器除CO2的原理。含有重碳酸鹽的水經(jīng)過RH樹脂處理后，它的pH值一般在4.3以下。在這種情況下水中H2CO3能分解為水和二氧化碳：這種CO2可以看作是溶于水的氣體。根據(jù)氣體分壓定律和亨利定律可知，只要降低水面上的CO2分壓，就可以除去不中溶解的CO2氣體。這就是除CO2的原理當(dāng)水面上的CO2壓力降低或向水中鼓風(fēng)時(shí)，溶于水中的CO2就會從水中逸出。根據(jù)它的這個(gè)性質(zhì)，可以采用真空法或鼓風(fēng)法來除去水中的CO2。水中的游離可以看成是溶解氣體，除二氧化碳的目的在離子交換水處理系統(tǒng)中，出水若先用除碳器除去水中的CO2，再流經(jīng)陰床，則可以減輕陰床的負(fù)擔(dān)，延長陰床的工作時(shí)間，同時(shí)為陰樹脂除硅創(chuàng)造有利條件。除碳器的種類：鼓風(fēng)式除碳器真空式除碳器鼓風(fēng)式除碳器：由本體、填料、中間水箱及鼓風(fēng)機(jī)等。可以將水中的CO2含量降到5mg/l以下。真空式除碳器：利用真空泵或噴射器從除碳器的上部抽真空，使水達(dá)到沸點(diǎn)從而除去CO2，而且也能除去水中的O2和其他氣體，能有利于金屬防腐蝕和樹脂氧化。鼓風(fēng)除CO2器1—脫氣塔；2—充填物；3—中間水箱鼓風(fēng)除CO2器是一個(gè)圓柱形設(shè)備，如圖。除CO2器的圓柱體可用金屬、塑料或木料制成。如果用金屬制造，圓柱體的內(nèi)表面應(yīng)采取適當(dāng)防腐措施。柱體內(nèi)一般裝在填料，填料的作用是使水與空氣能充分接觸。除CO2器運(yùn)行時(shí)，水從圓柱體上部進(jìn)入，經(jīng)配水管和填料后，從下部流入貯水箱?？諝鈩t由鼓風(fēng)機(jī)從柱體底部送入，經(jīng)填料并與水充分接觸，然后由上部排出。由于空氣中CO2含量很少，它的壓力只占大氣壓力的0.03%左右。所以當(dāng)空氣鼓進(jìn)柱體并與水接觸時(shí)，水里的CO2就會擴(kuò)散到空氣中去，當(dāng)水從上往下流動遇到從下向上的空氣時(shí)，水中絕大部分CO2即隨空氣帶走。水越往下流其中CO2越少，當(dāng)水流到柱體底部時(shí)，殘余的CO2一般只有5~10毫克/升。影響除CO2效果的工藝因素當(dāng)處理水量、原水中的碳酸化合物和出水中的CO2含量要求一定時(shí)影響：水溫：水溫高，CO2溶解度小，效果好。不和空氣流動工況和接觸面積：水和空氣的逆向流動以及比表面積大的填料能有效地將不分為線狀、膜狀或滴水狀，從面增大水和空氣的接觸面積，也縮短了CO2從水中析出的路和降低了阻力。風(fēng)量和風(fēng)壓：風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓是根據(jù)處理水量、填料類型等因素決定的。通常φ50的塑料多面空心球填料層阻力為120-140Pa/m，理論上處理1m3的水需要15-30m3的風(fēng)量4.3.6離子交換系統(tǒng)及應(yīng)用在水的軟化和除鹽中，需根據(jù)原水水質(zhì)、出水要求、生產(chǎn)能力等來確定合適的離子交換工藝。如果原水堿度不高，軟化的目的只是為了降低Ca2+、Mg2+含量，則可以采用單級或、級Na離子交換系統(tǒng)。一級鈉離子交換可將硬度降至O.5mmol/L以下，二級則可降至0.005mmol/L以下。當(dāng)原水堿度比較高，必須在降低Ca2+、Mg2+的同時(shí)降低堿度。此時(shí)，多采用H-Na離子器聯(lián)合處理工藝。利用H離子交換器產(chǎn)生的H2SO4和HCl來中和原水或Na離子交換器出水中的HCO3-.反應(yīng)產(chǎn)生的CO2再由除CO2器除去。一級復(fù)床除鹽：當(dāng)需要對原水進(jìn)行除鹽處理時(shí)，則流程中既要有陽離子交換器，又要有陰離子交換器。以去除所有陽離子和陰離子。原水依次經(jīng)過一次陽離子交換器和一次陰離子交換器處理，稱為一級復(fù)床除鹽。通過一級復(fù)床除鹽處理，出水電導(dǎo)率可達(dá)10μΩ/cm以下，SiO2＜0.1mg/L。當(dāng)處理水質(zhì)要求更高時(shí)，則需要二級復(fù)床處理。除鹽系統(tǒng)都采用強(qiáng)型樹脂。弱堿性樹脂只能交換強(qiáng)酸陰離子，而不能交換弱酸陰離子(如硅酸根)，也不能分解中性鹽。但它對OH-的吸附能力很強(qiáng)，所以極易用堿再生，不論用強(qiáng)堿還是弱堿作再生劑，都能獲得滿意的再生效果，而且它抗有機(jī)污染的能力也較強(qiáng)堿性樹脂強(qiáng)。因此對含強(qiáng)酸陰離子較多的原水，采用弱堿性樹脂去除強(qiáng)酸陰離子，再用強(qiáng)堿性樹脂去除其他陰離子，不僅可以減輕強(qiáng)堿性樹脂的負(fù)荷，而且還可以利用再生強(qiáng)堿性樹脂的廢堿液來再生弱堿性樹脂，既節(jié)省用堿量，又減少了廢堿的排放量。為了克服多級復(fù)床除鹽系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)，開發(fā)了混合床除鹽系統(tǒng)，即將陰、陽樹脂按一定比例混合裝在同一個(gè)交換器里，水通過混合床，就完成了陰、陽離子交換過程。出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定。由于陰樹脂的工作交換容量只有陽樹脂的—半左右，所以混合床中陰樹脂的裝填體積—般為陽樹脂的2倍。陽樹脂密度略大于陰樹脂，固定式混合床反洗后會分層，在分層處可設(shè)再生排水系統(tǒng)，以便于兩種樹脂分開再生時(shí)排水。4.3.7離子交換過程

離子交換過程包括交換和再生兩個(gè)步驟。若這兩個(gè)步驟在同一設(shè)備中交替進(jìn)行，則為間歇過程，即當(dāng)樹脂交換飽和后，停止進(jìn)原水，通再生液再生，再生完成后，重新進(jìn)原水交換。采用間歇過程，操作簡單，處理效果可靠，但當(dāng)處理量大時(shí)，需多套設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行。如果交換和再生分別在兩個(gè)設(shè)備中連續(xù)進(jìn)行。樹脂不斷在交換和再生設(shè)備中循環(huán)，則構(gòu)成連續(xù)過程。以Na為例進(jìn)行說明：交換帶的形成階段：a-b交換帶的移動階段：b-c交換帶的消失階段：c離子交換層的再生過程：再生過程：采用含有一定的化學(xué)物質(zhì)的水溶液使樹脂層內(nèi)失效的樹脂重新恢復(fù)交換的過程叫再生過程。再生能力或再生性能用再生劑耗或再生劑比耗表示它是樹脂再生性能，是樹脂的重要指標(biāo)。最佳再生劑比耗的確定，根據(jù)不同工藝進(jìn)行測定水的陽離子交換氫型強(qiáng)酸性樹脂的交換反應(yīng)當(dāng)原水進(jìn)入裝H型的陽離子交換樹脂的陽離子交換器，使水中含有各種陽離子和離子交換樹脂上的H+發(fā)生如下反應(yīng)：Fe3++3HR→FeR3+3H+Ca2++2HR→CaR2+2H+Mg2++2HR→MgR3+2H+Na++HR→NaR+H+上述反應(yīng)的結(jié)果是水中的各種陽離子（Fe3+Ca2+Mg2+Na+等）被吸附在離子交換樹脂上，而離子交換樹脂上的H+則到了水中，水中的陽離子幾乎只含有H+，它和水中各種陰離子發(fā)生作用生成各種酸類。出水水質(zhì)與終點(diǎn)的控制按對出水水質(zhì)要求不同，控制交換終點(diǎn)也淡同，一種是要求除去水中的全部陽離子的，這相當(dāng)于以出水中鈉離子出現(xiàn)為交換終點(diǎn)，即控制交換器漏鈉為運(yùn)行終點(diǎn)；另一種是水的軟化為目的的，則以控制漏硬度為運(yùn)行終點(diǎn)。氫型弱酸樹脂的交換反應(yīng)這種樹脂主要是除去水中的碳酸鹽硬度：如進(jìn)水中硬度大于堿度，反應(yīng)式為：Ca(HCO3)2+2RCOOH→(RCOO)2Ca+CO2+2H2OMg(HCO3)2+2RCOOH→(RCOO)2Mg+CO2+2H2O如進(jìn)水中堿度大于硬度，反應(yīng)式為：Ca(HCO3)2+2RCOOH→(RCOO)2Ca