《离子交换已讲》PPT课件.ppt

第12章 离子交换,12.1 离子交换基本原理 12.2 离子交换软化方法与系统 12.3 离子交换软化设备及其计算 12.4 离子交换除盐方法与系统,12.1 离子交换基本原理 12.1.1离子交换树脂的类型及命名 12.1.1.1离子交换树脂的类型,2 离子交换树脂 1） 分类,2） 结构 3 磺化煤：兼有强酸性和弱酸性两种活性基团的阳离子交换剂 分类名称 12.1.1.2 命名,12.1.2离子交换树脂的基本性能 1 外观 粒径0.31.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等 不透明或半透明球状颗粒 2交联度：以710%为宜,3含水率 树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约50%） 树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率 4溶胀性 干树脂+水湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度,5密度,6.有效PH值范围 由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的pH值势必对其交换容量产生影响。 表12.1 各种类型树脂有效pH值范围,12.1.3离子交换平衡,选择系数大于1，说明该树脂对B+的亲合力大与对A+的亲合力，即有利于进行离子交换反应。 选择系数用离子浓度分率表示：,二阶对一阶离子交换反应通式为：,12.1.4离子交换速度,膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？ 慢者控制离子交换反应的速度 (1) 浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步 浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步 介于中间则取决于具体情况 (2) 流速或搅拌速率： 大，则水膜薄膜扩散快 但孔隙扩散基本不受影响 (3) 树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比 孔道扩散，速度与粒径次方成反比 (4) 交联度： 交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显 著,12.1.5 树脂层离子交换过程,12.1.6树脂的再生 再生液与水流方向相同 1顺流再生 特点： 上部再生程度高，下部差，越是下部越差 再生剂耗量大，23倍理论值时，效果仍不理想 出水剩余硬度高 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低 适合于硬度较低的场合 2逆流再生 再生液饱和程度 特点： 再生效果好，耗量可降低20%以上 低 出水水质明显提高 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保 证出水水质 中 再生废液中再生剂有效浓度低 工作交换容量提高 高 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等,3移动床：再生液向下流，水流向上流的方式 适用：处理水量稳定，且不间断运行,12.2 离子交换软化方法与系统 12.2.1离子交换软化系统选择 1Na离子交换软化法,2H离子交换软化法,3HNa串联及并联： 并联：,12.2.2离子交换树脂的交换容量 1交换容量： 1）全交换容量 （1）定义：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量 代表交换能力的大小 （2）测定方法：滴定测定与理论上计算,12.3离子交换软化设备及其计算 12.3.1逆流再生固定床 再生液饱和程度 特点： 再生效果好，耗量可降低20%以上 低 出水水质明显提高 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出 水水质 中 再生废液中再生剂有效浓度低 工作交换容量提高 高 操作较复杂 从而使底部再生效果好及剂量低等 为何能降低出水硬度 （以H型树脂与含钠盐进行交换为例，即能降低钠的泄漏）,逆流再生操作步骤： 小反洗 放水 顶压 使床不乱 （为何需顶压，顺流时是否需顶压） 进再生液 逆向冲洗 （软化水，流速57m/h） 正洗 为何需软化水逆向冲洗： 逆流再生要用软化水清洗，否则底层已再生好的树脂在清洗过程中又被消耗，导致出水质量下降，失去了逆流再生的特点。,逆流再生固定床的再生剂耗量与再生液浓度,钠离子交换器顺流、逆流再生盐耗量和出水水质,12.3.2再生附属设备 1食盐系统,2酸系统,3再生剂用量计算： 再生剂用量G表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量（g / L，kg / m3） 比耗：n mol / mol （再生剂 / 工作交换容量） 再生1mol所需质量：RnMB 再生剂摩尔质量 GqRqnMB （g / L） q:树脂工作交换容量 每台离子交换器再生一次所需要再生剂的总量等于： 式中工业用酸或盐的浓度或纯度，%,12.3.3除二氧化碳器 1 原理：,CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，且一般为H床后 ：,2构造和计算： 1） 构造：,2） 填料：常用瓷环 204 m2 / m3 空隙率 74% 3） 计算： GKFC kgh G单位时间能够去除CO2的量（能力） K 解吸系数 单位时间、单位接触面积、单位推动力下去除的CO2的数量瓷环面积,单位时间需去除量 ：,求F瓷环面积 （1）求体积V VF/E,（）风量 2030 m3/ m3（水） 瓷环阻力0.30.5 KPam， 据风量，风压选风机 其它局部阻力0.4 KPa,结论： K解析系数，温度高则其值大，CO2溶解度低，冬天鼓热风 水封高度大于风压 进风口高于水面距离25cm，伸入内壁，防止水溅入风口 通风管有一定坡向水面的坡度 防止出水管不通，使水漫入鼓风机 设备防腐,12.3.4固定床软化系统的设计计算 物料平衡关系式： FhqQTHt Qqo r （1s）qo ：树脂实际利用率 r ：树脂再生程度，再生度 s ：树脂饱和程度，饱和度,12.4离子交换除盐方法与系统,12.4.1水的纯度概念 电阻率：1cm1cm1cm体积的水所测得的电阻（cm） 1 .淡化水：生活及生产用的淡水 2. 脱盐水：含盐量为15mg/l，强电解质大部分被去除 （普通蒸馏水） 25 0C 电阻率 0.11.0106cm 3 .纯水：去离子水，含盐量为.mg，强电解质绝大部分被去除，弱电解质也去除到一定程度 25 0C，0.11.0106cm。 .高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。 含盐量0.1mg/L， 250C ，10106cm,12.4.2阴离子交换树脂的特性 1 强碱性阴树脂的工业特性（ROH ） ROH+H2SO4RHSO4+H2O 2ROH+ H2SO4R2SO4+2 H2O ROH+HClRCl+ H2O ROH +H2CO3RHCO3+ H2O ROH+H2SiO3RHSiO3+ H2O 式和式一般同时进行,但当H2SO4ROH中OH-浓度时，占优势，低浓度时占优势。R2SO4+H2SO42RHSO4-可以进行，树脂由R2SO4变成RHSO4型。 1） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为： PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSIO3 （1）电荷愈多，选择性愈好 （2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好 （3）还与离子交换基团的性质有关 （4）强酸性选择性好,2） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得： ROH+NaSiO3RHSiO3+NaOH （几乎不能进行） 除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过Na床，且通过H型树脂应减少漏钠量 ROH+H2SiO3RHSiO3+H2O H2O电离度极小 3） 阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（600C800C），易受氧化剂的影响而变质 如水中存在氧化剂时，则会使：,4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，由于孔道分布 强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出水导电率增加。 树脂孔道大小不一，水中的一些有机物（如腐殖酸等）在树脂颗粒内交联紧密部位会被卡住，时间一长，把该部分交换基团遮盖住，从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后，相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团（-COOH）。 用碱再生时： R-COOH+NaOH RCOONa+H2O 正洗和反应时： R-COONa+H2O RCOOH+NaOH 从而正洗水量大大增加，同时由于正洗时阴离子与ROH发生交换，从而使运行时交换容量低。,5）强碱性阴树脂的运行过程,当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水循环回收。 清洗水回收，刚洗好，就是因为树脂受到污染 RCOONa+ H2ORCOOH+NaOH （刚开始出水时，电导率会增加，所以需连续清洗，知道出水达到要求，这就是清洗水回收阶段） 6）除Si求： 出水呈酸性； 进水漏钠量低； 再生条件高，提高温度至（40-500C）有利于再生的进行。,2弱.碱树脂的工艺特性： R=NH2-OH R-NH3OH 仲胺型 伯胺型 1）.交换能力差，不能吸附弱酸阴离子。 只能吸附强酸阴离子： 2R-NH3OH+H2SO4（R-NH3）2SO4+2H2O PH值（0 7） R-NH3OH+HCIR-NH3Cl+H2O PH值（0 7） 2R-NH3-OH+Na2SO42（R-NH3）2SO4+2NaOH （不能进行） 因为PO43-SO42-NO3-Cl-F-HCO3-HSiO3- 2）.生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可，实际值是理论值的1.21.4倍。,3）.交换容量大 可做强碱阴床前的预处理 4）.抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理 5）.出水呈碱性，NaHCO3，Na HSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸性. Cl- ,首先泄漏。,12.4.3离子交换除盐方法与系统,1复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目的） 1）一级复床除盐 强酸脱气强碱系统,一级复床出水的特点： 呈弱碱性 PH= 8 9.5 （阳床微量Na泄漏） . 出水电阻率 0.1 1.0106 *CM脱盐水（普通蒸馏水） . 如果阳床泄漏Na过量的话，电导率会升高。 因而关键是控制阳床的Na泄露，另外除硅时，可采用热碱液再生。 阴床设在阳床之后（为什么？）：,2）强碱弱碱脱气系统,事实上脱气放在后面是因为采用NaCO3，NaHCO3再生时会产生CO2气体，否则采用NaOH再生时可放在前面后面都行。 出水呈酸性 66.8 . 不能除Si . 电阻率 5104达不到脱盐的标准,3）强酸脱气弱碱强碱系统,适合于原水强酸阴离子含量较大 H2SO4 弱碱用于去除强酸阴离子 HCl 强碱用于去除Si SiO32- 采用串联再生法，用NaOH再生，可适当提高温度。,2混合床除盐 1）原理与特点： 阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达510106Cm。 RH + ROH + NaCl RNa + RCL +H2O,混合床的特点： . 阴、阳离子交换反应几乎同时进行 . 出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水） .不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性） .失效终点分明 . 设备小 缺点： . 再生时，难以彻底分层 。 . 混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降 . 一般常需进行预处理（混凝、沉淀 、活性炭吸附） . 再生操作复杂 交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分阳树脂转为Na型，造成运行后Na+泄漏。 三层混合床：（为了有利于分层）中间另装1015cm惰性树脂使其分层彻底。 2） 混合床离子交换器装置及再生方式 a. 装置 b. 再生 再生方法有体内再生和体外再生体内再生又分为酸、碱同时再生和酸、碱分别再生，现以酸、碱分别再生为例。,步骤：1、反洗分层 2、阴树脂再生 3、阴树脂正洗 4、阳树脂再生 5、阳树脂清洗 6、混合 7、最后正洗至PH7，电阻率大于5105cm，即可运行。,3). 高纯水制备与终端处理： 强酸脱气强碱混合床系统 使用前终端处理有：紫外线，精制混床，超滤。 3.氢型精处理器： 强酸脱气强碱强酸 能彻底去除Na，出水水质好， 流速高 100m/h 不能除Si，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混合床提纯水质。 4.离子交换双层床： 阳离子交换双层床 阴离子交换双层床 1) 阳离子交换双层床,采用逆流再生，耗酸量相当于全部是阳树脂来说从3倍降到1.1倍理论值。,适应于：原水硬度=碱度的水，或硬度略大于碱度的水。 2) 阴离子交换双层床,（1）. 逆流再生，碱耗量低，理论值的1.1倍。强碱是理论值的34倍 （2）. 交换容量提高，出水量增加。 （3）.适应的含盐量范围可提高。 （4）.出水水质好。,缺点：要求再生条件严格，否则会出现如下现象，大量胶体硅（甚至胶冻）聚积在弱碱树脂上，使出水水质严重恶化。 原因：再生时：下层强碱树脂： 在NaOH存在的情况下，以Na2SiO3，Na2CO3存在。 2R-NH3Cl + Na2SiO3 2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO3 2R-NH3Cl + Na2CO3 2R-NH3OH+2NaCl+H2CO3 从而使PH值下降，出现大量H2SiO3, 从而析出胶体硅,粘附在弱碱树脂上,故对再生条件要求严格. 立即再生, 否则强碱性树脂硅酸发生聚合,会污染强碱性树脂 加热再生,400碱液 (避免产生胶体硅,降低出水硅含量) 先低浓度后高浓度 1%3%碱液或(2% 快慢),思考题 1、与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水水质显著提高？ 2、实现逆流再生的关键是什么？ 3、为什么说在HtHc的条件下，经H离子交换（到硬度开始泄漏）的周期出水平均强