離子交換除鹽簡介

離子交換(lízǐjiāohuàn)除鹽簡介——焦莉共二十三頁

離子交換：借助于固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進(jìn)行交換，以達(dá)到提取(tíqǔ)或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬于傳質(zhì)分離過程的單元操作。離子交換是可逆的等當(dāng)量交換反應(yīng)。離子交換除鹽即用離子交換技術(shù)將溶液中的鹽離子通過交換除去。

特點與應(yīng)用：離子交換操作的過程和設(shè)備，與吸附基本相同，但離子交換的選擇性較高，更適用于高純度的分離和凈化。目離子交換主要用于水處理(軟化和純化)可以單純用于離子交換設(shè)備如陰、陽床，混床，也可作為凈水設(shè)備的功能之一如其在EDI除鹽設(shè)備中的重要作用；溶液（如糖液）的精制和脫色；從礦物浸出液中提取鈾和稀有金屬；從發(fā)酵液中提取抗生素以及從工業(yè)廢水中回收貴金屬等。共二十三頁離子交換過程離子交換樹脂離子交換功與過離子交換器運行過程離子交換原理最常見(chánɡjiàn)的離子交換劑共二十三頁無機有機天然合成合成樹脂碳質(zhì)天然(tiānrán)沸石，海綠砂人造(rénzào)沸石，人造(rénzào)硅鋁酸鈉磺化煤離子交換樹脂共二十三頁離子交換樹脂離子交換樹脂是一種不溶于水的高分子化合物，外觀(wàiguān)上為直徑為0.3-1.2mm的淡黃色或者咖啡色小球，微觀上為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨架，骨架上連接著交換基團(tuán)。

陽離子交換樹脂：交換基團(tuán)能解離出陽離子的，如能解離出H+的，縮寫：RH（強酸性或弱酸性）

陰離子交換樹脂：交換基團(tuán)能解離的離子是陰離子型的，如能解離出OH-的，縮寫：ROH（強堿性或弱堿性）

溶脹性：樹脂由干態(tài)變濕態(tài)體積會發(fā)生變化

機械強度：良好的機械抗壓縮性和很低的脆性

耐熱性：依種類而不同，一般(yībān)RH：100℃左右；ROH：60~80℃

交換容量：單位體積或質(zhì)量的樹脂可交換離子的量，用mmol/g表示共二十三頁弱酸性：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>Li+離子交換原理選擇性強酸性(suānxìnɡ)：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>H+>Li+強堿性(jiǎnxìnɡ)：SO42-＞NO3-＞Cl-＞OH-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-

弱堿性：OH-＞SO42-＞NO-＞Cl-＞HCO3-在生產(chǎn)中RH的再生液通常用4~5%的鹽酸或者1~2%的硫酸，ROH的再生液通常用3~4%的氫氧化鈉。共二十三頁離子交換過程對于通過離子交換法進(jìn)行化學(xué)(huàxué)除鹽化學(xué)(huàxué)除鹽的反應(yīng)主要包括兩大步驟，即：除鹽反應(yīng)和再生反應(yīng)。（前面已經(jīng)提到）1.除鹽反應(yīng)(fǎnyìng)ABCD(a)含有NaCl的溶液緩緩從上自下流經(jīng)樹脂層，Na+受限于表層樹脂中的H+進(jìn)行交換，水中一部分Na+轉(zhuǎn)入樹脂中，樹脂中的一部分H+轉(zhuǎn)入水中；當(dāng)水繼續(xù)向下流動時，這種交換繼續(xù)進(jìn)行，因此水中的Na+不斷減少，H+不斷增加；在流經(jīng)過一段距離后，水中原有的Na+全部交換成H+，之后繼續(xù)向下流的水及其流過的樹脂不會再發(fā)生變化，交換器中的出水全部為H+，而Na+含量等于0。共二十三頁離子交換過程1.除鹽反應(yīng)(fǎnyìng)ABCD

（b)隨著水不斷流過，上部進(jìn)水端樹脂很快全部轉(zhuǎn)化為RNa,故失去了繼續(xù)交換能力，交換進(jìn)入下一層。這時在樹脂中形成3個層區(qū)，如b圖所示，上部AB層為失效層，樹脂全部變成RNa，中部BC層為工作層，在這一層中從上到下RNa逐漸減少至0，下部CD層為未工作層，樹脂仍然為RH，水通過這一層時水質(zhì)不發(fā)生任何變化。

天然水中常含有Ca2+、Mg2+、Na+等多種陽離子及其他多種陰離子，因此離子交換并非這么簡單。但是從上自下被吸著的離子按照該離子選擇性順序在樹脂層中依次排布，最上部是選擇性最大的離子，最下部是選擇性最小的離子，各種離子的選擇性差異越大則在樹脂層中的分層就越明顯，故當(dāng)下部出水中含有選擇性最小的離子時說明離子交換達(dá)到終點(zhōngdiǎn)且離子樹脂已經(jīng)除鹽完畢，全部失效。共二十三頁離子交換過程2.再生(zàishēng)反應(yīng)樹脂失去繼續(xù)交換水中離子的能力時稱為失效，通常交換器運行至欲出去離子開始泄露即認(rèn)為失效。失效樹脂需再生才能恢復(fù)交換能力，恢復(fù)樹脂的交換能力稱為再生。再生所用的化學(xué)藥劑稱為再生劑，陰離子樹脂的再生劑一般用NaOH等，陽離子樹脂再生劑一般選用HCl或者H2SO4。

因為離子交換反應(yīng)是可逆的，故樹脂運行所吸著的離子完全有可能由再生劑中帶同類電荷的離子取代。但是實際上，再生反應(yīng)只能進(jìn)行到平衡狀態(tài)，只用理論(lǐlùn)量的再生劑是不能使樹脂的交換容量完全恢復(fù)的，因此再生劑的用量通常超過理論(lǐlùn)量。

共二十三頁共二十三頁離子交換器的運行過程離子交換(lízǐjiāohuàn)器種類

復(fù)床是指把裝有陽離子交換樹脂的離子交換器與裝有陰離子交換樹脂的離子交換器先后串聯(lián)起來使用以達(dá)到同時除去電解質(zhì)溶液中的陽離子與陰離子或兩種以上不同(bùtónɡ)物質(zhì)的目的交換器?；齑彩侵笇㈥庩栯x子交換樹脂按一定比例混合后放在同一個交換器內(nèi)所組成離子交換系統(tǒng)。通過復(fù)床可將水中的種礦物鹽基本除去。為了獲取較好的除鹽效果，陽床內(nèi)裝載強酸陽離子交換樹脂，陰床一般內(nèi)裝載強堿陰離子交換樹脂。混床也分為體內(nèi)同步再生式混床和體外再生式混床。共二十三頁離子交換(lízǐjiāohuàn)器運行過程一個完整的離子交換除鹽系統(tǒng)運行周期包括：除鹽、反洗、再生、正洗4步。除鹽：經(jīng)RH除去金屬離子的水再經(jīng)過ROH樹脂層依次除去水中的陽離子和陰離子最后得到純水。反洗：用清水松動交換劑層，清除樹脂層內(nèi)的懸浮物，破碎的樹脂和氣泡等，反洗至水澄清為止，反洗水從下而上進(jìn)行洗滌，便于(biànyú)將樹脂層清潔干凈并且將密實的樹脂層適當(dāng)松動。共二十三頁離子交換器運行(yùnxíng)過程再生：打開空氣門和進(jìn)水門，后將一定濃度(nóngdù)的再生液送入交換器內(nèi)，由再生裝置將再生液均勻分布到整個樹脂層，并將交換器內(nèi)的空氣經(jīng)氣管排出，空氣排凈后關(guān)閉空氣門打開排水門，此時再生液流過樹脂層，并與失效的陽離子（或者陰離子）樹脂發(fā)生離子交換反應(yīng)，使失效的樹脂再生，再生過程廢液從排水門排出。正洗：待樹脂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，必須將其洗除，交換器方能投入運行，正洗時清水沿運行線路進(jìn)入交換器、排水門、排入地溝。正洗開始時排出廢液中仍然有再生劑和再生產(chǎn)物，隨著正洗的進(jìn)行，出水中兩者含量逐漸減少，除鹽交換反應(yīng)開始發(fā)生，排水基本符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時關(guān)閉排水門結(jié)束正洗，開始進(jìn)行下一周期的運行。共二十三頁離子交換(lízǐjiāohuàn)器混合床離子交換器結(jié)構(gòu)(jiégòu)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—中間排水裝置共二十三頁離子交換(lízǐjiāohuàn)器

離子交換器結(jié)構(gòu)離子交換器再生裝置(zhuāngzhì)

1—放空氣管；2—進(jìn)水漏斗；3—再生裝置；4—縫式濾頭；5—混凝土共二十三頁混床運行(yùnxíng)過程

混床是把陽、陰樹脂混合裝在同一個交換器內(nèi)運行的，所以運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，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(jìnxíng)再生，這是混床操作的特點。再生方法分為體內(nèi)再生法和體外再生法。其體內(nèi)再生法，其步驟為：反洗分層、再生和正洗。

共二十三頁混床運行(yùnxíng)過程

①反洗分層：由于陽、陰樹脂比重的不同，當(dāng)混床樹脂反洗時，在水流作用(zuòyòng)下樹脂會自動會層，陽、陰樹脂的比重差越大，分層越迅速、徹底。

②再生：混床中陽、陰樹脂分層后，就可以對上層的陰樹脂和下層的陽樹脂分別進(jìn)行再生，亦可同時進(jìn)行再生。再生陰樹脂時，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。再生陽樹脂時，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。

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)電度在規(guī)定值以下時，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/時左右)至出水合格，投入運行或備用。共二十三頁混床運行(yùnxíng)過程混床體外再生：凝結(jié)水混床常采用體外再生方式(fāngshì)，體外再生系統(tǒng)有三個主要功能：一是分離陰、陽樹脂，二是空氣擦洗樹脂除去金屬腐蝕產(chǎn)物，三是對失效樹脂進(jìn)行再生和清洗。體外再生系統(tǒng)中包括下述子系統(tǒng)：（1）

用于樹脂分離、再生、貯存的系統(tǒng)；（2）

用于酸堿貯存、計量、投加的酸、堿系統(tǒng)；（3）

用于樹脂反洗、清洗、輸送及稀釋再生劑的自用水系統(tǒng)；（4）

用于擦洗樹脂、混合樹脂的壓縮空氣系統(tǒng)。其余基本原理與體內(nèi)再生基本一致。共二十三頁混床體外再生(zàishēng)再生液系統(tǒng)：陰、陽樹脂再生塔；酸堿輸送泵；貯存罐；計量(jìliàng)箱；計量(jìliàng)泵；熱水罐；再生泵。再生過程：分離塔送失效樹脂再生塔空氣擦洗樹脂再生送回分離塔共二十三頁混床運行(yùnxíng)特點混床和復(fù)床運行相比有以下特點：（1）

出水水質(zhì)優(yōu)良；（2）

出水水質(zhì)穩(wěn)定；（3）

間斷運行對出水水質(zhì)影響較??；（4）

終點明顯；（5）混床設(shè)備比復(fù)床少；（6）混床設(shè)備比復(fù)床少，布置集中(jízhōng)；（7）樹脂交換利用率低、樹脂損耗率大、再生操作復(fù)雜。為保證出水水質(zhì)常須投入較多再生劑。共二十三頁離子交換(lízǐjiāohuàn)功與過（1）離子交換出水水質(zhì)好，設(shè)備(shèbèi)占地小，除鹽系統(tǒng)可以簡化。（2）對水源水質(zhì)變化具有適應(yīng)性和出水質(zhì)量的可靠性。（3）由于除鹽設(shè)備排放的廢液量減少，這樣更有利于環(huán)境的保護(hù)。（4）原水水質(zhì)當(dāng)中用一般水處理方法不易除去的物質(zhì)膠體和有機物等也可以被有效去除，使水質(zhì)得到凈化。（5）對原水水質(zhì)有一定要求，通常只能處理含鹽的稀溶液。（6）進(jìn)入離子交換器的原水需要先預(yù)處理，例如先進(jìn)行預(yù)處理除去懸浮雜質(zhì)等。（7）對運行過程的每一步相關(guān)參數(shù)要求