工業(yè)給水處理3章離子交換課件

第3章水的除鹽與淡化

第一節(jié)概述一、水的純度概念（第1章已講）名稱(chēng)TDS，mg/L25℃，電阻率MΩ.cm電導(dǎo)率μS/cm海水：6000～50000苦咸水：1500～6000半苦咸水：1000～1500淡水：＜1000可用于生活及生產(chǎn)脫鹽水：1～50.1～1.01～10純水：＜11.0～100.1～1.0高純水：＜0.1＞10＜0.1理論純水：18.3二、淡化與除鹽的方法淡化是指將含鹽量高的海水或苦咸水處理成含鹽量小于1000的淡水過(guò)程，而除鹽是指將淡水處理為含鹽量更小的純水或高純水的過(guò)程，本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別。1.蒸餾：傳統(tǒng)蒸餾、多級(jí)閃蒸、多效蒸餾、壓汽蒸餾2.離子交換（ion-exchange，IE）：陽(yáng)床、陰床、混床、雙層床3.電滲析（electrodialysis，ED）：發(fā)展為電去離子4.反滲透（reverseosmosis，RO）：主流技術(shù)本課程重點(diǎn)講2、3、45.冷凍法6.電吸附7.電去離子（electrodeionization，EDI）8.膜蒸餾（MembraneDistillation，簡(jiǎn)稱(chēng)MD）9.正滲透10.聯(lián)合使用：RO+IE/EDI6、7、8、9在下學(xué)期新技術(shù)中講各種海水淡化方法的能耗（1994，2008）淡化方法能耗（kWh/m3）（目前）比例（％）（目前）多級(jí)閃蒸30－37（）62（約40）反滲透8－14（2.5-4）31（大于50）電滲析8－16（）3（小于1）冷凍法284（其它）（）第二節(jié)離子交換除鹽方法與系統(tǒng)一、陰離子交換樹(shù)脂的工藝特性1.結(jié)構(gòu)陰離子交換樹(shù)脂通常是在粒狀高分子化合物母體的最后階段導(dǎo)入伯胺、仲胺或叔胺基團(tuán)而構(gòu)成的。胺是氨NH3中的氫原子被烴基取代的化合物。

氨分子中的一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)氫原子被1、2、3個(gè)烴基取代的胺分別為伯胺R-NH2、仲胺R=NH和叔胺R三N。當(dāng)它們中的四個(gè)氫原子被四個(gè)烴基所取代，則成為季銨堿，即得強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂，簡(jiǎn)寫(xiě)為ROH。(R)4N-OH季銨型2.強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂的工藝特性（1）在水的除鹽過(guò)程中，經(jīng)氫離子交換的出水有各種強(qiáng)酸、弱酸陰離子，有賴(lài)于強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂的去除，即除鹽的第二步。其反應(yīng)式如下：ROH+H2SO4→RHSO4+H2O①2ROH+H2SO4→R2SO4+2H2O②ROH+HCl→RCl+H2OROH+H2CO3→RHCO3+H2OROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O式①和式②一般同時(shí)進(jìn)行,但當(dāng)［H2SO4］＞［ROH］中OH-濃度時(shí)，①占優(yōu)勢(shì)，低濃度時(shí)②占優(yōu)勢(shì)。從反應(yīng)式看，陰離子交換出水應(yīng)呈中性，但實(shí)際為弱堿性，原因是陽(yáng)床出水總有微量鈉泄漏，使得陰床出水含有微量氫氧化鈉。（2）強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂對(duì)水中各種陰離子的交換選澤性也是不同的，一般順序?yàn)椋篜O43—＞SO42—＞NO3—＞Cl—＞OH—＞F—＞HCO3—＞HSIO3—電荷愈多，選擇性愈好；相同電荷時(shí)，原子序數(shù)愈高，水合半徑愈小，則選者性愈好；還與離子交換基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)；強(qiáng)酸性選擇性好。（3）陰樹(shù)脂的化學(xué)穩(wěn)定性一般要比陽(yáng)樹(shù)脂差，易受氧化劑的影響而變質(zhì)，如水中存在氧化劑時(shí)，則會(huì)使：（4）強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂交換器的運(yùn)行過(guò)程曲線(xiàn)當(dāng)清洗排水溶解固體等于進(jìn)水總?cè)芙夤腆w時(shí)，將清洗水回收，直到出水達(dá)到要求，這就是清洗水回收階段，隨后進(jìn)入運(yùn)行階段。當(dāng)?shù)竭_(dá)終點(diǎn)時(shí)，在硅酸泄漏過(guò)程中電導(dǎo)率出現(xiàn)瞬時(shí)下降，由于出水中含有微量氫氧化鈉為突然出現(xiàn)的弱酸所中和，生成硅酸鈉、碳酸鈉，其導(dǎo)電性能低于氫氧化鈉的緣故。如陰床以硅酸泄漏為失效控制點(diǎn)，則電導(dǎo)率瞬時(shí)下降可視為周期終點(diǎn)的訊號(hào)。3.弱堿樹(shù)脂的工藝特性：（1）只能吸附強(qiáng)酸陰離子（與強(qiáng)酸陰離子反應(yīng)），不能吸附弱酸陰離子。2R-NH3OH+H2SO4→（R-NH3）2SO4+2H2OpH值（0～7）R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2OpH值（0～7）2R-NH3-OH+Na2SO4→2（R-NH3）2SO4+2NaOH（不能進(jìn)行）樹(shù)脂上的活性基團(tuán)在水中離解能力低，若水中pH值高，則水中OH—會(huì)抑制交換反應(yīng)的進(jìn)行，前面也講過(guò)，弱堿性樹(shù)脂的有效pH值范圍是：0～7。因此在除鹽系統(tǒng)中，弱堿陰床設(shè)置在強(qiáng)酸陽(yáng)床之后。（2）再生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可作為再生劑，再生比耗1.2即可。（3）交換容量大，與弱酸樹(shù)脂相似。（4）抗有機(jī)污染強(qiáng)，吸附后容易洗脫，可做強(qiáng)堿陰床前的預(yù)處理。（5）弱堿樹(shù)脂運(yùn)行過(guò)程曲線(xiàn)（6）終點(diǎn)訊號(hào)：正常出水呈弱堿性，NaHCO3，NaHSiO3存在,漏強(qiáng)酸（SO42-、Cl-）后出水呈酸，Cl-,首先泄漏。由于強(qiáng)酸導(dǎo)電性較堿為強(qiáng)，因而出水電導(dǎo)率迅速上升，即為終點(diǎn)訊號(hào)。復(fù)床除鹽反應(yīng)式：大部分二氧化碳在除碳器中去除，除碳器可大大減輕陰床的負(fù)荷。一級(jí)復(fù)床出水的特點(diǎn)：①呈弱堿性,pH=8～9.5（陽(yáng)床微量Na泄漏）②出水電阻率:0.1～1.0MΩ.cm脫鹽水（普通蒸餾水）③如果陽(yáng)床泄漏Na過(guò)量的話(huà)，電導(dǎo)率會(huì)升高。因而關(guān)鍵是控制陽(yáng)床的Na泄露，另外除硅時(shí)，可采用熱堿液再生。2.陰床設(shè)在陽(yáng)床之后的原因：（1）若進(jìn)水先通過(guò)陰床，容易生成碳酸鈣、氫氧化鎂沉積在樹(shù)脂層內(nèi)，使強(qiáng)堿樹(shù)脂交換容量降低；（2）陰床在酸性條件下易進(jìn)行交換，若先經(jīng)陰床，不利于除硅；（3）強(qiáng)酸樹(shù)脂抗有機(jī)污染能力勝過(guò)強(qiáng)堿樹(shù)脂；（4）若原水先經(jīng)過(guò)陰床，本應(yīng)由除碳器去除的碳酸，都要由陰床承擔(dān)，從而增加陰床負(fù)擔(dān)和再生劑的耗量。3.強(qiáng)酸——脫氣——弱堿——強(qiáng)堿系統(tǒng)適合于原水強(qiáng)酸陰離子含量較大，弱堿樹(shù)脂用于去除強(qiáng)酸陰離子，強(qiáng)堿樹(shù)脂用于去除硅，采用串聯(lián)再生法，即先再生強(qiáng)堿樹(shù)脂再再生若堿樹(shù)脂，用NaOH再生，可適當(dāng)提高溫度（35－40℃）。弱堿樹(shù)脂交換反應(yīng)式如右，其出水呈弱酸性pH值6～6.8，不能除硅，電阻率5×104達(dá)不到脫鹽的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）混合床的優(yōu)點(diǎn)：陰、陽(yáng)離子交換反應(yīng)幾乎同時(shí)進(jìn)行，出水呈中性，水質(zhì)穩(wěn)定，純度高，可用于制純水和超純水，失效終點(diǎn)分明，間斷運(yùn)行影響小。（3）混合床的缺點(diǎn)：再生時(shí)，難以徹底分層，再生困難，再生操作復(fù)雜，易產(chǎn)生交叉污染，影響水質(zhì)。（4）交叉污染：部分陽(yáng)樹(shù)脂混合在陰樹(shù)脂層時(shí)，經(jīng)堿液再生，這部分陽(yáng)樹(shù)脂轉(zhuǎn)為Na型，造成運(yùn)行后Na+泄漏。（5）三層混合床：（為了有利于分層）中間另裝10～15cm惰性樹(shù)脂使其分層徹底，其密度介于陰、陽(yáng)樹(shù)脂之間。2.混合床裝置3.混床再生再生方法有體內(nèi)再生和體外再生，體內(nèi)再生又分為酸、堿同時(shí)再生和酸、堿分別再生，現(xiàn)以酸、堿分別再生為例說(shuō)明再生步驟。（1）反洗分層（2）進(jìn)堿再生陰樹(shù)脂（3）陰樹(shù)脂正洗（4）進(jìn)酸再生陽(yáng)樹(shù)脂（5）陽(yáng)樹(shù)脂正洗（6）陰、陽(yáng)樹(shù)脂混合（7）最后正洗，至PH≈7，電阻率大于5×105Ω·cm，即可運(yùn)行。4.高純水制備與終端處理強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿——混合床系統(tǒng)，出水電阻率可達(dá)10MΩ.cm，硅小于0.02mg/L，用于電力、化工。電子工業(yè)用高純水，復(fù)床＋混床＋精制混床＋超濾＋紫外線(xiàn)殺菌。新工藝：RO+EDI四、氫型精處理器強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿——?dú)湫途幚砥髂軓氐兹コ齆a，出水水質(zhì)好，流速高（100m/h）不能除Si，因而只有復(fù)床出水水質(zhì)達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，取代混合床提純水質(zhì)，可克服混床再生操作復(fù)雜。五、離子交換雙層床包括陽(yáng)離子交換雙層床和陰離子交換雙層床。1.陽(yáng)離子交換雙層床（1）組成：弱酸、強(qiáng)酸兩種樹(shù)脂，兩種樹(shù)脂要有濕真密度差，而且密度差越大越有利于分層。如：111配001×11，密度差大于0.9g/mL。（2）優(yōu)點(diǎn)：交換能力提高，再生比耗降低（從3降到1.1），廢酸量顯著減少。（3）再生：采用逆流串聯(lián)再生。（4）去除離子特點(diǎn)：弱酸樹(shù)脂主要去除水中碳酸鹽硬度，強(qiáng)酸樹(shù)脂主要去除水中其余陽(yáng)離子（非碳酸鹽硬度及鈉鹽）。（5）弱強(qiáng)樹(shù)脂比例計(jì)算：q強(qiáng)——1200－1500mmol/Lq弱——2000－2500mmol/L（6）適用范圍：原水硬度與堿度的比值接近于1的水，或硬度略大于堿度的水。

要求再生條件嚴(yán)格的原因：再生時(shí)，下層強(qiáng)堿樹(shù)脂，在NaOH存在的情況下，以Na2SiO3，Na2CO3存在。2R-NH3Cl+Na2SiO3→2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO32R-NH3Cl+Na2CO3→2R-NH3OH+2NaCl+H2CO3從而使PH值下降，出現(xiàn)大量H2SiO3,從而析出膠體硅,粘附在弱堿樹(shù)脂上,使出水水質(zhì)嚴(yán)重惡化，故對(duì)再生條件要求嚴(yán)格。