火力发电厂水处理教材

火力发电厂化学水处理,绪 论,水在热力发电厂中作用,在火力发电厂中，水进入锅炉后，吸收燃料（煤）燃烧释放的热能，转化为高温、高压的蒸汽，将高温、高压的蒸汽输送到汽轮机中，在汽轮机中，热能转化为机械能，推动汽轮机转动，并带动发动机将动能转化为电能。所以锅炉与汽轮机为火力发电的主要设备。为保证他们的正常运行，对锅炉用水的质量有很严格的要求，而且，机组中蒸汽参数愈高，对其要求愈严。这些对于我们化学工作者提出了更高要求。,在共同学习水处理知识之前，先让我们一起看一下某厂水处理设备流程。,双介质过滤器,反渗透系统,鼓风除碳器,水泵房,混床,再生装置,原 水：未经任何处理的天然水。锅炉补给水: 原水经过各种净化方法处理后，用来补充热力 发电厂汽水损失的水。凝 结 水：在汽轮机做功后的蒸汽经冷凝成的水。疏 水: 各种蒸汽管道及用汽设备中的蒸汽冷凝水。返 回 水：热电厂向热用户供热后，回收的蒸汽冷凝水。给 水：送进锅炉的水。锅 炉 水：锅炉本体的蒸发系统中流动着的水。冷 却 水：用作冷却介质的水。,由于水在热力发电厂水汽循环系统中所经历的过程不同，水质常有较大的差别。根据实际的需要，我们常给予这些水以不同的名称：,1、热力发电厂各种水质名称,一、水质概述,2、热力发电厂中水处理的重要性,没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，这种水如果进入水汽循环系统，将会造成各种危害。为了保证热力系统的良好水质，必需对水进行适当的净化处理和严格的水汽质量监督。 由于水汽质量不良引起的危害： a. 热力设备的结垢 b. 热力设备的腐蚀 c. 过热器与汽轮机的积盐。,3、水处理工作者应做好如下工作,a. 净化原水即炉外水处理。b. 对给水进行除氧（或加氧）、加药等处理。c. 炉内水处理即加药和排污（汽包炉）。d. 凝结水处理。e. 对生产返回水进行除油除铁的净化处理。f. 对冷却水进行防垢、防腐、防止微生物处理。g. 发电机内冷水处理。h. 对热力系统各部分的汽水质量进行监督。 i. 废水、污水及中水处理（环保）。,4、水质概述,铵离子(NH4+) _ 二氧化碳(CO2) _钾离子(K+) _ 碳酸根(CO32-) _钠离子(Na+) _ 碳酸氢根(HCO3-) _镁离子(Mg2+) _ 亚硝酸根(NO2-) _钙离子(Ca2+) _ 硝酸根(NO3-) _钡离子(Ba2+) _ 氯离子(Cl-) _锶离子(Sr2+) _ 氟离子(F-) _亚铁离子(Fe2+) _ 硫酸根(SO42-) _总铁(Fe2+/Fe3+) _ 磷酸根(PO43-) _锰离子(Mn2+) _ 硫化氢(H2S) _铜离子(Cu2+) _ 活性二氧化硅(SiO2) _锌离子(Zn2+) _ 胶体二氧化硅(SiO2) _铝离子(Al3+) _ 游离氯(Cl ) _其它离子(如硼离子) _ 碳酸根碱度(酚酞碱度) _总溶解固体含量(TDS) _ 总碱度(甲基橙碱度) _ 含油量_ 总硬度_生物耗氧量(BOD) _ 化学耗氧量(COD) _ 总有机碳(TOC) _ 浊度(NTU) _污染指数(SDI15) _ 细菌(个数/mL) _,水质指标：,5、水中杂质的分类,5.1 按杂质或离子粒径分,5.2 按主要水质指标分类,5.3 按硬度分类,a. 极软水：硬度在1.0mmol/L(1/2Me2+)以下；b. 软水：硬度在1.0-3.0mmol/L(1/2Me2+) ；c. 中等硬度水：硬度在3.0-6.0mmol/L(1/2Me2+) ；d. 硬水：硬度在6.0-9.0mmol/L(1/2Me2+) ；e. 极硬水：硬度在9.0mmol/L(1/2Me2+) 以上。,a. 低含盐量水：含盐量在200mg/L以下；b. 中等含盐量水：含盐量为200-500mg/L；c. 较高含盐量水：含盐量为500-1000mg/L；d. 高含盐量水：含盐量在1000mg/L以上；,6、各种杂质对水质的影响,二、锅炉补给水的预处理,水的预处理：除去天然水体中含有的泥砂、粘土、腐殖质等悬浮物和胶体杂质及细菌、真菌、藻类、病毒等这些杂质的混凝、澄清、过滤、超滤等工艺。经过预处理后的水，如作为锅炉补给用水，还必须除去水中溶解性的盐类，如不首先除去这些杂质，后续除盐处理将无法进行。预处理是锅炉补给水处理工艺流程中的一个重要环节。,1混凝澄清处理,化学混凝：投加化学药剂（混凝剂）使得胶体分散体系脱稳和凝聚的过程。混凝澄清处理：在混凝过程中，含有微小悬浮微粒和胶体杂质被聚集成较大的固体颗粒，使颗粒性的杂质与水分离的过程。,胶体在水溶液中能持久地保持其悬浮的分散状态的特性叫做稳定性。水中的同类胶体带有相同的电荷，彼此之间存在着电性斥力，使之不能聚合。表面有一层水分子紧紧地包围着，称为水化层，它阻碍了胶体颗粒间的接触。使胶体失去稳定性的过程就称为脱稳。胶体所带的电荷影响胶体的凝聚。当胶体颗粒和流体之间呈相对运动时，剪切面（滑动面）上的电位，称之为电位。若电位愈大，则胶体就愈稳定；若电位等于零，胶体不带电荷，这时胶体极不稳定，易于彼此聚合成大块而沉降。,1.1 胶体的稳定性和电位,双电层模型及电位,改变胶体颗粒的某些特性，使之失去稳定性称之为胶体的脱稳。在布朗运动的作用下，相互凝聚成细小絮凝物的反应过程称为凝聚。细小絮凝物在范德华引力的作用下或在絮凝剂的吸附架桥作用下，相互粘合成较大絮状物的过程称为絮凝。向水中投加混凝剂后，经过混合、凝聚、絮凝等综合作用，可使胶体颗粒和其它微小颗粒聚合成较大的絮状物。凝聚和絮凝的全过程称为混凝。,1.2 胶体的脱稳、凝聚和絮凝,常用的混凝剂主要分为铝盐和铁盐两类：铝盐中以硫酸铝和聚合铝为主；铁盐中以三氯化铁和聚合硫酸铁居多。铁盐与铝盐相比，铁盐生成的絮凝物密度大，沉降速度快， pH适应范围宽；混凝效果受温度的影响比铝盐小；但投加铁盐时要注意，设备运行不正常时，带出的铁离子会使出水带色，并可能污染后续除盐设备。助凝剂分无机类和有机类。典型的无机助凝剂有氧化钙、水玻璃、膨润土；有机类的助凝剂有聚甲基丙烯酸钠、聚丙烯酰胺（PAM）等。,1.3 常用的混凝药剂,pH值的影响pH是指加药后的水的pH，pH的影响主要是pH对混凝剂的水解产物的形态、混凝效果和对原水有机物的影响。水的碱度；混凝剂的剂量；水力条件对混凝效果的影响；水温的影响；水中阴离子的组成；接触介质的影响；水的浊度。,1.4 影响混凝效果的因素,通常以出水的浊度来评价混凝处理的效果。因为混凝澄清处理包括了药剂与水的混合，混凝剂的水解、羟基桥联、吸附、电性中和、架桥、凝聚及絮凝物的沉降分离等一系列过程，因此混凝处理的效果受到许多因素的影响，其中影响较大的有:,2 常用混凝澄清设备,2.1 混合设备,分管道混合，水泵混合，水力混合和机械混合等,2.2 泥渣循环型澄清池机械搅拌澄清池,机械搅拌澄清池示意图1进水管；2环形进水槽； 3第一反应室； 4第二反应室； 5导流室； 6分离室；7集水槽；8泥渣浓缩室；9加药管；10搅拌叶轮； 11导流板；12伞形板,水力循环澄清池,水力循环澄清池示意图1混合室；2喷嘴； 3喉管； 4第一反应室； 5第二反应室； 6分离室；7环形集水槽；8穿孔集水管；9污泥斗；10伞形罩； 11进水管；12排泥管,2.3 气浮澄清池 气浮澄清池机理及工艺过程,气浮澄清池示意图1接触室；2分离室； 3进水管； 4溶气释放器； 5集水装置； 6集水斗；7出水装置；8排渣槽；9刮泥机；10电机及减速机； 11接触室、分离室排污管,气浮澄清池,3 水的过滤处理,3.1 过滤的基本概念过滤：是杂质脱离流体在滤料颗粒表面被截流（大颗粒）、被吸附（小颗粒或带电粒子）的过程。即水通过过滤介质除去悬浮物等颗粒性物质的过程。用于过滤的材料称为滤料或过滤介质。石英砂是最常用的粒状过滤材料，过滤设备中堆积的滤料层称为滤层或滤床。装填粒状滤料的钢筋混凝土构筑物称为滤池。装填粒状滤料的钢制设备称为过滤器，运行时相对压力大于零的过滤器称之为压力式机械过滤器。悬浮杂质在滤床表面截留的过滤称为表面过滤；而在滤床内部截留的过滤称为深层过滤或滤床过滤。水通过滤床的空塔流速简称滤速。,水经过澄清处理后，其浊度通常在1020mg/L。需要进一步降低水中浊度。水的过滤是一种去除水中悬浮颗粒状杂质的操作过程，过滤不仅可以降低水的浊度，而且还可以除去水中的部分有机物、细菌甚至病毒。,按水流方向分有：下向流、上向流、双向流等；按填充滤料的种类分有：单层滤料、双层滤料和三层滤料滤池；按阀门分有：单阀滤池、双阀滤池、无阀滤池等。 过滤设备通常位于澄清池或沉淀池之后，过滤浊度一般在15mg/L以下，滤出浊度一般在2mg/L以下。,3.2 过滤工艺的类型,作为滤料的固体颗粒材料必须满足下列要求：有足够的机械强度，以减轻在运行和冲洗过程中因摩擦而磨损、破碎的程度。具有足够的化学稳定性，在过滤过程中极少的发生溶解现象。外形接近于球状，表面粗糙而有棱角。价格便宜。,满足上述要求可用作滤料的有：天然砂、人工破碎的石英砂、无烟煤、磁铁矿砂、石榴石、大理石、白云石、花岗石等，其中石英砂、无烟煤和磁铁矿砂较为常用。,3.3 滤料的要求条件,过滤运行呈循环状态：反洗正洗过滤组成的周而复始的过程。当颗粒状滤料工作到滤层中截留有较多量泥渣时，为了恢复其过滤能力，需要将滤层进行反冲洗，如果冲洗不当，会使滤池的水头损失加快、过滤周期缩短。正洗是在反冲操作之后，将按水的过滤方向通水，将不合格的出水排走。待正洗完成后，即可重新投入运行。,3.4 过滤的工作过程,滤池的反冲洗周期与以下因素有关a.过滤速度、b.滤层厚度、c.滤料粒径、d.进水品质、e.要求的出水品质等。在运行中一般以下列指标来决定反冲洗频率。滤池的水头损失达到预定的极限值；滤池的出水浊度达到预定的极限值；滤池的运行时间达到一定值。当滤池出水量达到一定值时。以水头损失决定冲洗频率的较多。,3.5 滤池的反冲洗,过滤设备反洗时，利用水的动力使滤层松动，滤料间高速水流产生的剪切力使滤料颗粒相互碰撞、摩擦，将粘在滤料颗粒表面的泥渣剥离下来。为了保证良好的反洗效果，滤料的膨胀度和冲洗强度应保持适当，冲洗强度过小时，下部滤层浮不起来；冲洗强度过大时，滤料之间碰撞机率减小，细小滤料也易流失。,一般来讲，石英砂的反洗强度为1518L/（m2s），无烟煤的反洗强度为1012L/（m2s），反洗膨胀率为50%，反洗时间为510min。,3.6 滤池的反洗强度,主要工艺参数滤料：一般采用石英砂或天然河砂为滤料，粒径为0.51.2mm，滤层厚度700mm。过滤速度：设计时一般采用10m/h。过滤周期：由水位自动控制，最大允许水头损失1.52.0米水柱。当进水浊度小于10FTU时，过滤周期大于10h。反冲洗强度：1215L/（sm2）。反冲洗历时：45min。,重力式无阀滤池1辅助虹吸管 2虹吸上升管 3进水槽 4清水箱 5出水堰 6挡板 7滤池 8集水区 9滤板 10连通渠 11进水管,重力式无阀滤池 基本结构,3.7 常用的过滤设备,a. 基本结构 压力式过滤器（亦称机械过滤器）外壳为一个密闭的钢罐，在一定压力下进行工作。滤料层可以是单层、双层或三层。 当过滤阻力达到极限值时，停止运行进行冲洗。冲洗方式可根据需要采用水冲洗或辅助空气擦洗。冲洗时一般是先将过滤器内的垫层水放到滤层边缘，然后从底部送入压缩空气擦洗滤层，再用气、水同时冲洗，最后单用水冲洗。,压力式过滤器,b. 主要工艺参数,压力式过滤器滤料层规格,过滤速度：用于接触凝聚过滤时过滤速度应适当降低。过滤周期：一般以水头损失控制，单双层滤料控制在56m水柱，三层滤料控制在10 m水柱以内。反冲洗强度：以滤层膨胀率达到4050%为宜。反冲洗历时：57min。,滤料装填滤料清洗过滤反洗正洗过滤器反冲洗时注意：装填滤料时防止伤害滤帽等部件。反洗时不应有跑滤料现象。遇到反洗时而出水仍然不清的异常情况，应停止反洗，找出原因，必要时打开人孔，检查设备内部构件是否损坏，而不应加大反洗强度，以免损坏设备及多孔板上的排水帽。,c. 压力式过滤器的运行管理,卧式过滤器,4 超（微）滤,超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜处理。膜孔径通常在5nm和0.1m之间。分离悬浮物、大分子和胶体物质、细菌和微生物等杂质，对BOD和COD有部分的去除率。所截留分子量（MWCO）在1000500,000之间，其孔径大约在0.0010.1m范围内。可通过定期反洗和化学清洗，保持长期使用。有平板式、管式、涡卷式等多种组件形式，但在火力发电厂主流超滤以中空纤维式超滤装置为主。一般用在反渗透前的预处理。,超滤 超滤是利用超滤膜为过滤介质，以压力差为驱动力的一种膜分离过程。在一定的压力下，只允许水、无机盐及小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶体、微生物等物质透过，以达到水质净化的目的。超滤膜元件 超滤膜元件是指具有端部密封的中空纤维式的膜丝束与外壳组成的元件。超滤膜组件 超滤膜组件是按一定技术要求将超滤膜与外壳、连接器等其他部件组装在一起的组合构件，一般还应包括产水取样或用于检测完整性的透明管等。超滤产品按照膜分离的推动力可分为压力式和浸没式两种。超滤装置 超滤装置是指将若干个超滤膜组件并联组合在一起，并配备相应的水泵、自动阀门、检测仪表、支撑框架和连接管路等附件，能够独立进行正常过滤、反洗、化学清洗等工作的水处理装置。,4.1 概念,错流过滤 错流过滤是指超滤的进水以平行膜表面的流动方式流过膜的一侧，当给流体加压后，产水以垂直进水的方向透过膜，从膜的另一侧流出，形成产品水。 全量过滤全量过滤又称死端过滤，是指超滤的进水以垂直膜表面的方式流动，产水以平行进水的方向透过膜，从膜的另一侧流出，形成产品水。在电厂中，通常采用全量过滤。 平均水回收率 平均水回收率是指超滤装置平均净产水流量和平均进水流量之比。 超滤膜通量 超滤膜通量是指单位时间内通过单位超滤膜面积的产品水体积，单位为l/(m2h)。 透膜压差 透膜压差指超滤膜进水侧与产品水侧之间的压力差；又称过膜压差。,a. 超滤膜组件的操作方式以压力式某产品为例。,4.2 超滤膜组件的操作方式和工作过程,b. 超滤装置的工作过程,c. 超滤对预处理的要求超滤装置的进水一般应经过预处理，压力式超滤水处理装置一般应设计预过滤器；浸没式超滤水处理装置应保证进水中不含有易划伤超滤膜的颗粒物质和易缠绕膜丝的丝、带状物。d. 正常操作程序一般正常操作程序为：产水正洗反洗正洗产水。,4.3 某厂超滤装置的主要工艺流程如下：,图3 超滤膜丝,图4 组件剖面,图5 端帽结构图,图6 超滤膜组件,自清洗过滤器,超滤装置,5 水的吸附和杀菌消毒处理,5.1 活性炭吸附处理采用混凝、澄清、过滤的预处理工艺对于水中的悬浮物、浊度的去除是十分有效的，但对有机物的除率为4050。另外，在锅炉补给水的预处理中，为了减少水中有机物而进行氯化处理，为了防止余氯对后续水处理材料(如离子交换树脂、反渗透膜)造成危害，必须考虑除去余氯。目前除去水中余氯和有机物的主要方法之一就是采用活性炭吸附处理工艺。,活性炭是由多种含碳原料经脱水、炭化、活化、筛分加工制成。制造活性炭的原料包括木材、褐煤、泥煤、硬果壳、甘蔗渣、锯末、动物骨头及石油残渣。物理性质活性炭具有不规则的结晶或无定形结构。活性炭不仅吸附能力强，而且吸附容量大，其主要原因就是它的多孔结构，比表面积可达到5001500m2/g。多孔的构造和分布与活性炭的原料、活化方法和活化条件等因素有关。化学性质活性炭在制造过程中有多种表面氧化物生成。这些表面氧化物一般带有羟基、羧基、羰基等含氧官能团，使得活性炭表面带有微量电荷，表现出一定的选择性吸附特征。活性炭表面所带的含氧官能团和电荷的量随原料组成、活化条件不同而异。活性炭的理化性能活性炭用作吸附处理时，表征其理化性能的技术指标有粒度、视密度、亚甲基蓝脱色力、碘吸附值。,a. 活性炭的性质,因活性炭对水中有机物的吸附量与很多因素有关，去除率在20%80%之间，差别很大。活性炭的结构及特性活性炭的孔径、空容分布及比表面积影响吸附容量。被吸附有机物的性质分子结构和表面张力有机物的分子量有机物的溶解度 影响活性炭吸附的因素水中有机物的浓度 一般是浓度增加吸附量按指数关系增加。pH值 在多数情况下，先把水的pH值降低到23，然后再进行活性炭吸附往往可以提高有机物的去除率。温度和共存物质 温度的影响可以忽略不计。汞、铬、铁等金属离子含量较高时，则影响活性炭的吸附效果。接触时间,b. 影响活性炭吸附性能的因素,吸附过程可以看作是由液相扩散、细孔内扩散和细孔内表面的吸附反应三个过程组成的。作用对水中溶解性的各种有机物具有很强的吸附能力，而且对用生物法或其他化学法难以去除的有机物如色度、异臭、表面活性剂、合成洗涤剂和染料等都有较好的去除效果。活性炭还有去除余氯的作用，其对Cl2的吸附不仅有物理吸附作用，而且也有化学吸附的作用。其化学吸附原理为： 2Cl2+C+2H2O4HCl+CO2,c. 活性碳过滤器, 活性炭过滤器示意图,主要工艺参数具体的工艺参数应根据进水水质、活性炭品种及试验结果决定，下述数据仅是一般范围：通水空塔流速：820m/h。进水浊度：5FTU。活性炭层厚度：1.52.0m。COD吸附量：200800mg/kg炭。反冲洗水流速：2832m/h。反冲洗历时：410 min。反冲洗时间间隔：72144h。反冲洗炭层膨胀率：3050%,活性炭的性能应符合有关标准或设计规范的要求。在选用时应仔细阅读产品的使用说明书，并检查其品种、规格、数量是否符合设计要求。装料：按设计要求的层高和到货活性炭的视密度，估算装填数量。装料前设备应充水至水帽上方约500800mm处。清洗：过滤器在装料后应按流速58m/h水流由下往上冲洗。过滤：一般压差不超过0.098MPa来决定是否反洗。空气擦洗：将滤层松动35min。水反洗：反洗强度714L/m2s，一般需20min左右。正洗：正洗强度11.5 L/m2s，时间通常为120min。,d. 活性碳过滤器的运行管理,水中微生物大部分都粘附在悬浮颗粒上，因此在水的混凝沉降和过滤处理中可除去一部分（4050%）。水的杀菌消毒处理分为化学法和物理法：化学法包括加氯、次氯酸钠、二氧化氯或臭氧处理等；物理法包括加热、紫外线处理等。目前，我国生活饮用水处理大多采用氯及其衍生物处理（如二氧化氯等）。a. 二氧化氯杀菌原理概述2ClO2H2O2HCl5O二氧化氯的杀菌消毒作用观点：认为是ClO2能与水结合生成原子氧，能对细菌的酶系统起氧化作用，使细菌死亡。生产实践表明：加二氧化氯处理不仅有消毒作用，使水中的病原微生物控制在水质标准以下，而且能明显降低水的色度和有机污染物含量。另外还能除去水中的臭味。杀菌消毒能力不受pH影响。,5.2 水的杀菌消毒处理,需氯量是指用于杀死病原微生物、细菌、氧化水中有机物和还原性物质所消耗的氯的总和；余氯是为了防止残存的病原微生物在输水管网中再度繁殖而多加的那一部分氯。加氯量应为需氯量与余氯之和。加氯地点可根据处理水质选用滤后加氯和滤前加氯。,b. 需氯量与加氯点,三 、锅炉补给水的化学除盐,（一）、 离子交换基本理论,1 离子交换原理离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化 合物。在它的分子结构中，可分为两部分，一部分称为离子交换树脂骨架；另一部分是带有可交换离子的活性基团。离子交换树脂具有离子交换的性能。类似于电解质，也有酸碱性，具有中和反应和水解反应的特征。,A .交换反应的可逆性离子交换反应是可逆的，例如： 2RNaCa2+R2Ca2Na+离子交换反应的可逆性是离子交换树脂可以反复使用的重要性质。,H型阳离子交换树脂和OH型阴离子交换树脂，分别在水中可以电离出H、OH，这种性质被称之为树脂的酸、碱性。根据电离出H、OH能力的大小，它们又有强弱之分。在水处理工艺中，常用的强、弱型树脂有：磺酸型强酸性阳离子交换树脂：RSO3H羧酸型弱酸性阳离子交换树脂：RCOOH季铵型强碱性阴离子交换树脂：RNOH叔仲伯型弱碱性阴离子交换树脂：RNHOH、RNH2OH、RNH3OH离子交换树脂与水中的中性盐进行离子交换反应，同时生成游离酸或碱的能力，通常称之为树脂的中性盐分解能力。显然，强酸性阳树脂和强碱性阴树脂的分解能力强，而弱酸性阳树脂和强碱性阴树脂具有中性盐分解能力弱，而弱酸性阳树脂和弱碱性阴树脂基本无中性盐分解能力。,B.酸、碱性和中性盐分解能力,中和与水解在离子交换过程中可以发生类似于水溶液中的中和反应和水解反应。不论树脂酸性、碱性强弱如何，反应都容易进行。,2 离子交换过程水中所含的各种离子，因为树脂对它们具有不同的选择性系数，所以它们在离子交换柱上会发生离子间的互相排代作用，其排代关系与溶液中的离子组成和树脂中各种离子所占的比例有关。,3 工作层及影响因素3.1 工作层在离子交换器（柱）中，当水流顺流通过离子交换层时，树脂可分为三个区，上层树脂是已失去交换能力的失效层，下层是尚未进行交换反应的保护层区，中层是正在进行离子交换的工作层。在交换柱运行过程中，随着交换器运行时间的延长，失效层逐渐增加，保护层不断降低，工作层不断向水流方向推移。当工作层下缘的某一处移到交换剂出水端时，欲除去的离子便开始泄漏于出水中，为了保证出水水质，此时交换柱应停止运行。因此，出水端总有一部分树脂层的交换容量未能完全发挥。工作层越厚，穿透点出现越早，交换柱内树脂的交换容量利用率就越低。,3.2 影响工作层厚度的因素影响工作层厚度的因素很多，大致可分为两个方面：一方面是影响离子交换速度的因素；另一方面是影响水流沿交换柱过水断面均匀分布的因素。归纳起来，这些因素有：树脂种类、树脂颗粒大小、空隙率、进水离子浓度、出水水质的控制标准、水通过树脂层时的流速以及水温等。 树脂的选择性系数越大，树脂与水中离子的交换反应势就越大，工作层就越薄。 树脂颗粒越大，单位体积树脂比表面越小，离子在树脂相中的扩散所需要的时间就越长，工作层就越厚。 进水中离子浓度越高，交换反应所需时间就越长，工作层就越厚。 水的流速越大，水与树脂接触的时间就越短，工作层就越厚。 水温越高，可以减少树脂颗粒外水膜的厚度，有利于交换反应的进行，工作层就越薄。水温对弱型树脂的影响更为明显。,4 工作交换容量如果将树脂可以交换的离子量除以交换柱中树脂的体积，即为树脂的工作交换容量。它是鉴别离子交换树脂性能的重要指标。离子交换树脂的工作交换容量取决于树脂的再生容量与失效时的残余容量之差。凡是影响工作层厚度的因素都会影响残余交换容量的大小。离子交换器运行至失效终点时，已被交换基团的量占总交换容量的百分比称为失效度；离子交换设备的树脂再生和清洗以后，再生型树脂的交换容量占总交换容量的百分含量称为再生度。,5 失效树脂的再生运行制水和交换再生是离子交换水处理的两个主要阶段，运行制水是交换剂交换容量的发挥过程，再生是交换容量的恢复过程。树脂失去继续交换离子的能力，称为失效。通常交换柱运行至欲除去离子泄漏至一定程度，即认为失效。失效树脂需经再生，才能恢复其交换能力。恢复树脂交换能力的过程称为再生，再生所用的化学药剂称为再生剂。,5.1 强酸H交换器的再生强酸H交换器失效后，必须用强酸进行再生，通常用HCl或H2SO4。再生时的交换反应如下：,+2HCl2RH+,或RNa+HClRH+NaCl,+ H2SO42RH+,用硫酸再生时，应防止在树脂层中析出CaSO4的沉淀。用HCl再生时不会有沉淀物析出。再生液浓度一般为24%，再生流速一般为5m/h左右。,R2,Cl2,R2,SO4 或2RNa+H2SO42RH+Na2SO4,5.2 强碱OH交换器的再生失效的强碱阴树脂一般都采用NaOH再生，其交换反应为：,+2NaOH2ROH+Na2,为了有效除硅，强碱OH型交换器除了再生剂必须用强碱（NaOH、KOH）外，还必须满足以下条件：再生剂用量应充足、提高再生液温度、增加接触时间。当再生剂用量达到某一定值后，不仅能提高除硅效果，而且能提高树脂的交换容量；提高再生温度，可以改善对硅的置换效果，并缩短再生时间，通常型强碱性阴树脂再生温度为40左右、型为353为宜；提高再生接触时间是保证硅酸型树脂得到良好再生的一个重要条件，一般不得低于40min，而且随硅酸型树脂含量增加，再生接触时间应有所延长。强碱OH交换器再生液浓度一般为1%3%(浮床0.52)，流速5m/h(浮床46m/h)。此外，再生剂的纯度对强碱性阴树脂的再生效果影响很大。工业碱中的杂质主要是NaCl和铁的化合物。,R2,5.3 弱型树脂的再生失效的弱型树脂很容易再生，不论再生方式如何，都能得到较好的再生效果。用作弱酸树脂再生剂的可以是HCl、H2SO4，也可以是H2CO3，当用强酸作再生剂时，比耗一般为1.051.10；用作弱碱树脂再生剂的可以是NaOH，或也可以是NH3H2O、Na2CO3或NaHCO3，当用强碱作再生剂时比耗一般为1.2左右。弱型树脂的再生通常都是与强型树脂串联进行的，即再生液先经过强型树脂，再流经弱型树脂，用强型树脂排液中未被利用的酸或碱再生弱型树脂。,5.4 再生剂比耗再生剂比耗表示单位体积树脂所用再生剂的量（mol/m3）和该树脂的工作交换容量（mol/m3）的比值。它反映了树脂的再生性能，是离子交换器运行的经济性的一项重要指标。由于树脂工作交换容量并不随比耗正比的增加，因此在一定条件下，应通过工作交换容量随比耗变化的趋势确定一个既经济又实用的再生剂比耗。不同的树脂、不同的离子交换工艺，这种经济比耗也不同。,各种树脂经济比耗参考数据（对流再生）,5.5 清洗水耗 水耗表示单位体积树脂再生后用水清洗至交换器可以投入运行所需最少量水的体积，以树脂层体积的倍数表示。清洗水耗与 树脂的结构、 基团组成、树脂污染程度、交换器水流分布均匀性、选择清洗终点指标等有关。,1 离子交换树脂的物理性能1.1 外观离子交换树脂的外观包括：颗粒的形状、颜色、完整性以及树脂中的异样颗粒和杂质等。目前各种产品标准外观指标。,（二）、 离子交换树脂的有关性能,1.3 含水量指单位质量树脂所含的非游离水分的多少，一般用百分数表示。一定离子型的离子交换树脂颗粒内的含水量是树脂产品固有的性质之一。它用单位质量、经一定方法除去外部水分后的湿树脂颗粒内所含水分的百分数来表示。离子交换树脂的含水量与树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交换容量、离子型态等因素有关。树脂在使用中如果发生链的断裂、孔结构的变化、交换容量的下降等现象，其含水量也会随之发生变化。因此，从树脂含水量的变化也可以反映出树脂内在质量的变化。含水量越高，越有利于离子扩散；含水量越低，体积全交换容量越高。,1.2 水溶性浸出物将新树脂样品浸泡在水中，经过一定时间以后，可以在水中发现从树脂中浸出许多水溶性杂质，最明显的是聚苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂。一般只要有几天时间，浸泡树脂的水就呈棕色，时间越长颜色越深。水的颜色一般是由生产中残留的低聚物和化工原料形成。,1.4 密度离子交换树脂的密度分为湿真密度、湿视密度和装载密度。湿真密度是指单位真体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。湿视密度是指单位视体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。装载密度是指容器中树脂颗粒经水力反洗自然沉降后单位树脂体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。所谓湿态离子交换树脂，是指吸收了平衡水量并除去外部游离水分后的树脂。为使各种密度的测定结果有可比性，在测定样品时都应使之处于这种湿状态。真体积是指离子交换树脂颗粒本身的固有体积，它不包括颗粒间的空隙体积。视体积是指离子交换树脂以紧密的无规律排列方式在量器中占有的体积，它包括颗粒间的空隙体积和树脂颗粒本身的固有体积。,1.5 粒度和粒度分布一般用悬浮法制得的球状颗粒的粒径并不一致，大体上处在0.2mm1.5mm范围内（经筛分取0.3mm1.2mm的颗粒用于制造树脂），其中0.3mm0.6mm的占60%左右，0.6mm1.0mm的占30%左右。在一般情况下，树脂颗粒的粒径是连续分布的，不能用一个简单的数来描述这种粒径的大小。仅规定粒径范围（如0.3mm1.2mm的颗粒体积占全部体积的95%以上）是不合理的。因为在这样粒径范围内可能有大部分树脂的颗粒粒径为0.3mm0.6mm，也可能为0.6mm1.0mm，这两种情况都符合规定的范围，但颗粒大小相差甚远。为了正确说明商品用离子交换树脂的颗粒大小，应该用4个指标：范围粒度、有效粒度和均一系数、下限粒度（或上限粒度）。,1.6 机械性能离子交换树脂的机械性能（即保持颗粒的完整性），是十分重要的性能。在使用中，如果树脂颗粒不能保持其完整性，发生破裂或破碎，会给使用带来困难。主要表现为：破碎树脂在反洗时排出、细末漏过通流部分进入后续设备， 结果导致树脂层高下降、交换容量降低、 水流阻力增加、污染后续设备中的树脂、系统出水水质下降、进入高温系统污染水汽品质等。所以应对树脂的机械性能或物理强度有一定要求。,1.7 不可逆膨胀和转型膨胀新离子交换树脂的体积是不稳定的，由于生产过程时间短，高分子链的缠结，所以未能充分膨胀，经过几个周期的使用，高分子骨架充分膨胀开，树脂体积才稳定下来。装入交换器的树脂层高度，在使用几个期后会增加。因为这种膨胀是不可逆的，故称不可逆膨胀。树脂的离子型态不同，其体积也不相同。当树脂从一种离子型态变为另一种离子型态时，树脂的体积就发生了变化。这种变化称为转型膨胀，是一种可逆膨胀。当恢复成原来的离子型态时，树脂的体积也恢复为原来的值。,1.8 耐热性与抗氧化性(1) 耐热性1) 阳树脂的耐热性强酸性阳离子交换树脂耐热性比较高，通常最高使用温度为100120，所以它在水处理中使用是足够稳定的。丙烯酸系弱酸性阳树脂的热稳定性更高一些。2) 阴树脂的耐热性季胺盐和季胺碱相比，其耐热性能要好得多，因此，盐型强碱树脂的耐热性比氢氧型的好。对不同离子型的阴树脂规定了不同的允许使用温度：ROH（型）为40，ROH（型）为60，RCl为80。弱碱阴树脂在受热时会发生交换容量的下降，其主要原因是胺基的脱落，但它们的耐热性能要比强碱性阴离子交换树脂的好得多。通常规定的使用温度是：聚苯乙烯类为100，丙烯酰胺类为60。根据以上所述，离子交换树脂的热稳定性顺序为：弱酸性强酸性弱碱性型强碱性型强碱性在水处理中经常碰到的问题是强碱性阴离子交换树脂交换容量迅速下降。这要特别注意水温，在我国南方某些地区夏天因冷却水温度高，致使凝结水温度有时高达5060，这对混床中强碱性阴离子交换树脂威胁很大。,2) 抗氧化性水中的重金属离子是氧化降解的催化剂，尤其是铁和铜。强酸性阳离子交换树脂氧化产生的低分子有机磺酸（水溶性的），可以从树脂中溶出，随水而进入后续阴床，污染阴树脂。在水处理系统中，最容易遭受氧化的是第一级阳离子交换树脂，因此对进入除盐系统的水中含氯量有所规定。,2 离子交换树脂的化学性能2.1 交换容量(1) 质量全交换容量通常称质量全交换容量为全交换容量，它表示的是单位质量树脂所具有的全部交换基团的数量。它是离子交换树脂固有性质的一个重要指标，反映在实际使用中可交换离子量的极限值。质量全交换容量是指干基交换容量，单位为mmol/g。离子交换树脂质量全交换容量是由其本身结构决定的，和外界条件无关。(2) 干基和湿基交换容量在实际中，经常使用的是湿态树脂的体积交换容量，它表示单位体积完全浸泡在水中的树脂所具有的交换基团总量。湿态体积全交换容量和干基质量全交换容量有如下关系：,式中：qv 体积全交换容量，湿态； q 质量全交换容量，干基； x 含水量； ds湿视密度。,(3) 基团容量某些离子交换树脂具有两种或两种以上的离子交换树脂基团，它们各有不同的特性。基团交换容量是用来表示单位质量或体积树脂中某种离子交换基团的量（如磺酸基团容量、羧酸基团容量、季胺基团容量、仲胺基团容量等）。(4) 平衡交换容量平衡交换容量用于表示达到平衡状态时单位质量或单位体积的树脂中参于反应的交换基团的量。它表示在给定条件下，该树脂可能发挥的最大交换容量，是离子交换体系的重要参数。平衡交换容量和平衡条件有关，它不是一个恒定值，平衡条件不同，平衡交换容量就不同。在同一条件下，不同树脂的平衡交换容量也不同，它反映了树脂化学性能的不同。(5) 交换容量和离子型态由于反离子种类不同，每个单元交换基团的质量也不相同。例如1摩尔的离子交换基团RSO3Na的质量为x（约为222g），则当它变为RSO3H时，即交换基团中的钠离子被氢离子所取代，质量减少为x - （23-1）g（约为200g）。在计算单位质量（如1000g）树脂中交换基团的量时，显然由于反离子不同，其交换容量不同，前者约为4.5mmol/g（钠型）后者约为5.0mmol/g（氢型）。在计算树脂交换基团时必须注意其离子型态。,2.2 阳离子交换树脂交换容量常用的强酸性阳离子交换树脂是聚苯乙烯骨架经磺化反应而得，反应后苯环上接上磺酸基- SO3H，可能含有少量的弱酸基-COOH。常用的弱酸树脂是聚丙稀酸甲酯经水解反应而得，反应后聚合物上酯基变为羧酸基-COOH，但不会带有磺酸基。因此常用强酸阳树脂交换容量测定包括测定全交换容量及基团交换容量，而常用弱酸树脂只测定全交换容量即是弱酸基团容量。阳树脂交换容量测定结果mmol/ g,表中数据表明，同类树脂0017、00110、00114.5的交换容量随交联度增大而减少。D00116大孔树脂磺化反应温度较其它树脂高，其产生弱酸基的量也较大。,2.3 阴离子交换树脂交换容量阴离子交换树脂交换容量测定包括对强碱性和弱碱性两种阴树脂的全交换容量、强碱基团及弱碱基团容量的测定。下表列举了一些阴树脂测定结果，可以看出：（1）无论何种聚苯乙烯类阴树脂都存在强、弱两种基团，新的强碱性阴离子交换树脂中含有约10%的弱碱基团，而弱碱阴树脂中可能含有约15%的强碱基团； 常用阴树脂交换容量测定结果mmol/g（干）,2.4 离子交换的选择性（1）平衡常数（2）选择性系数（3）选择性顺序离子交换基团和反离子之间的吸引力是库仑力（静电引力），连在树脂骨架上的基团带有一个固定电荷，和反离子电荷相反，从而互相吸引。固定电荷是不变的，而反离子的电荷及其半径是可变的，因此反离子的电性能是影响树脂和离子结合能力的主要因素。a. 溶液中选择顺序；Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ K+ NH4+ Na+SO42- HSO4- ClO3-NO3-HSO3- NO2-Cl- HCO3- F-b. 溶液中选择顺序：K+ NH4+ Na+，Ca2+Mg2+，Fe3+AI3+HSO4-NO3- Cl-不等价离子的选择性顺序还应根据溶液浓度而定。,3 离子交换树脂工艺性能3.1 工作交换容量（1 ）基本概念工作交换容量是指在一定条件下，一个交换周期中单位体积树脂实现的离子交换量，即从再生型离子交换基团变为失效型基团的量。它可以用下式计算：q工 = q v (R 初R残)（1.60)式中：q工树脂工作交换容量，mmol/L；qv树脂体积全交换容量，mmol/L；R初整个树脂层平均初始再生度；R残整个树脂层平均残余再生度。树脂的工作交换容量除了和树脂本身的性能有关以外，还和工作条件有关。工作条件包括下列内容：树脂开始工作的状态，即树脂的再生度。对给定的树脂层，再生度与再生前树脂层的离子成分及分布情况有关，也与再生条件（再生剂种类、浓度、用量、再生液温度、流速、配制再生液用水质量等）有关。,（2）影响工作交换容量的因素1）影响R初的因素它包括水源的成分、杂质浓度、温度、流速及对出水水质要求、树脂层高度、运行方式、设备结构的合理性等。a树脂的酸碱性 b再生剂用量 c再生剂纯度 d再生液温度 e再生液流速 f再生液浓度 g失效树脂的离子组成,2）影响R残的因素A 水中离子总量 水中欲被去除的离子总量越大，工作层高度越高，残留再生度也越高。B 水中离子组成 欲被去除的离子和树脂的亲和力越大，树脂残留容量就越低。这对再生不利。C 运行流速 根据离子交换速度可知，运行流速对弱型树脂的离子交换过程影响较大。强型树脂的残留容量受流速影响较小。D 运行水温 和运行流速一样，温度对弱型树脂的离子交换影响较大，运行水温越高，残留容量就越低。,(3)树脂层高度从整个树脂层看，残留容量的分布是不均匀的。出水端处工作层内树脂的残留容量最多。在一定条件下运行时，工作层高度和树脂层高度有关。因此，树脂层高度越大，工作交换容量就越大。(4)树脂的性质除了树脂层高度以外，上述的每一项都和树脂本身的性质有关，它包括树脂的体积全交换容量、选择性系数和动力学性质。在实际运行中，离子交换设备还会出现水流分布不均的现象，同一层面上各点的树脂再生度和失效度也不同。树脂在使用一段时间后，其性能会发生一定的变化或受到一定程度的污染。 (5) 标准条件下测定结果只有在一个统一标准条件下测定的工作交换容量才具有可比性，才能用于比较不同生产厂的产品。,3.2 再生剂耗、比耗一般用再生剂耗（通常分别称为盐耗、酸耗或碱耗）、比耗来衡量树脂再生能力。在失效的树脂中再生每摩尔交换基团所耗用的再生剂质量（g）称为再生剂耗（单位为g/mol）。 在树脂中再生每摩尔交换基团所耗用的HCl或NaOH的摩尔数称为比耗（单位是mol/mol），通常以无量纲形式表示。显然，比耗越接近于1，再生效率越高。,3.3 自用水率整个离子交换周期包括反洗、再生、清洗和交换等过程。根据床层干净程度，定期或不定期的反洗，要耗用一定量的水。再生时要耗用一定量的水来配再生剂溶液，置换时也要耗用相当于床层12倍体积的水，清洗时还要耗用更多的水。每周期耗用的这些水量的和与周期制水量的比，称为离子交换设备的自用水率。其中清洗用水量最大，它和树脂结构及树脂污染情况等有直接的关系。所以自用水率也表示了树脂的一种性能。新品种树脂在投入使用前，必须测定自用水率。一般说来，阳离子交换树脂清洗用水量较少，清洗时间约为20min；阴树脂清洗用水量较大，清洗时间约为40min。自用水率计算公式如下：,式中：RW树脂自用水率，%； W1配制再生液用水量，m3； W2置换用水量，m3； W3清洗用水量，m3； W4反洗用水量，m3； QT周期制水量，m3。,如果不是每周期都进行反洗，则每次反洗用水量按周期数平均分配计算。当离子交换设备完好时，如发现清洗水用量逐渐增大，这是树脂性能劣化的一种反映（它表示树脂受到污染或有其它树脂的混杂）。通常以清洗时间长短来判断清洗水用量的情况。,4 离子交换树脂的使用方法 4.1 投运前的处理 在正式投运前应对树脂进行预处理，最好的办法是用酸碱反复处理两次，即按树脂床层体积的5倍量通过1mol/l的酸和碱（要注意转型膨胀对设备的损害。当用硫酸时要加大流量，防止结硫酸钙），在进酸碱之间，必须用水洗至中性。 如果处理不彻底，初期运行的几个周期出水水质较差，以后才达到正常的出水指标。,(1) 反洗流失 (2) 通流部位损坏 (3) 树脂分层不清 (4) 浊度对阳树脂的污染 (5) 结硫酸钙沉淀 (6) 铁污染 (7) 结胶体硅(8) 热降解(9) 有机物污染阴树脂受到有机物污染程度的顺序是：凝胶强碱型 大孔强碱型 强碱型 弱碱,4.2 使用中可能出现问题,一般来说，短期停运的离子交换设备，不需要采取特别措施。 长期停用，必须考虑有适当的保护措施防止树脂失水和受冻，还要防止树脂发霉和细菌繁殖。应该定期地用水冲洗来保护树脂的清洁。长期停运的树脂都应采用失效状态备用，并将设备压力释放。,4.3 停运,4.4 定期检查4.5 离子交换树脂的补充,4.6 离子交换树脂的寿命和更换树脂的寿命或者树脂是否需要更换应