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水的离子交换除盐 戴昆仑 天然水经预处理后除去了水中的悬浮物 胶体和大部分有机物 但水中的溶解盐并没有改变 用于锅炉的补给水时 还必须进一步处理 除去水中溶解性盐类目前主要有三种方法 离子交换法 膜分离法和蒸馏法 在水处理领域内以离子交换法最为普遍 离子交换法是指 某些物质遇水时能将本身具有的离子与水中带同类电荷的离子进行交换反应的方法 这些物质称为离子交换剂 目前普遍应用于水处理中的离子交换剂是合成的离子交换树脂 采用离子交换法可制的软化水 除碱水 和除盐水 一 离子交换树脂 1 1离子交换树脂的结构离子交换树脂是一种带有活性基团的网状结构的高分子化合物 它由两部分组成 一部分是离子交换树脂的骨架 用R表示 它是高分子化合物的基体 另一部分是带有可交换离子的活性基团 它化合在高分子骨架上 活性基团也有两部分组成 一是固定部分 与骨架牢固结合 不能自由移动 称为固定离子 二是活动部分 与水可以电离 可与周围水中的其他带同类电荷的离子进行交换反应 称为可交换离子 注意内外两部分离子电性有区别 1 2离子交换树脂分类 1 凡带有酸性活性基团 能与水中阳离子进行交换反应的称阳离子交换树脂 凡带有碱性活性基团 能与水中阴离子进行交换反应的称阴离子交换树脂 按活性基团上H 或OH 电离的强弱程度 又可分为强酸性阳离子交换树脂 如RSO3H 和弱酸性阳离子交换树脂 如RCOOH 强碱性阴离子交换树脂 RNOH 和弱碱性阴离子交换树脂 RNHOH 2 按合成离子交换树脂的单体种类不同 可分为苯乙烯系 丙烯酸系 3 按离子交换树脂的孔型不同 可分为凝胶型和大孔型两大类 凝胶型树脂的网孔很小 平均孔径1 2nm 且大小不一 在干的状态下 这些网孔并不存在 当浸入水中呈湿态时 它们才显示出来 大孔型树脂具有永久性网孔 无论在干态或湿态都存在比凝胶树脂更多更大的孔 孔径一般在20 100nm 大孔树脂的优点 抗氧化能力较强 机械强度较高 1 3离子交换树脂的命名 1 名称 离子交换树脂的全名称由分类名称 骨架名称 基本名称依次排列组成 基本名称为离子交换树脂 阳 阴分类名称在基本名称前加 阳 或 阴 字 凝胶型树脂在型号前不加任何字母 大孔型树脂在全名称前加 大孔 两字 2 型号第一位数字代表产品分类 活性基团 第二位数字代表骨架 单体 组成 第三位数字为顺序号 交联度值可在型号后用 号表示 0 0 1 7 凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂树脂 二 离子交换树脂的性能 2 1离子交换树脂的物理性能1 外观 浅黄或深黄色球形颗粒 粒径一般在0 3 1 2毫米范围 2 密度 树脂的密度分为视真密度和湿视密度 湿视密度可用来计算交换器中装载的湿树脂重量 湿视密度 是指树脂在水中充分溶胀后的质量与其堆积体积之比 湿视密度 湿树脂质量 湿树脂的堆积体积 克 毫升 3 含水率 在离子交换树脂骨架的空间都充满着水 其中的含水量与树脂重量的百分比称为含水率 含水率 湿树脂重 干树脂重 湿树脂重 100 4 溶胀性 将干树脂浸入水中后 其体积会膨胀 树脂由一种离子型转为另一种离子型时 体积也会变化 这种现象称为树脂的溶胀性 2 2离子交换树脂的化学性能 离子交换树脂的选择性 交换容量 2 3离子交换原理 离子交换树脂在水溶液中形成双电层 即固定层和反离子 扩散 层 离子交换就是扩散层中的反离子和溶液中带同类电荷的离子相互交换位置 而扩散层中的反离子与溶液中的反离子相互交换能够进行的推动力 是离子之间存在着浓度差 对于每一颗粒树脂来说 其中的交换基团很难全部转变成一种离子形式 这就是树脂的工作交换容量和再生交换容量小于全交换容量的原因之一 三 交换树脂的使用 贮存及污染 3 1新树脂使用前的处理 1 用食盐水处理 用约为两倍树脂体积的10 的NaCI溶液浸泡18 20小时以上 排掉食盐水 用水冲洗树脂直至排出的水不呈黄色为止 然后进行反洗 以除去混在树脂中的机械杂质和细碎的树脂粉末 2 用稀盐酸处理 用约为两倍树脂体积的5 的HCI溶液浸泡4 8小时 放掉酸液 再用小流量进行反洗 直至排水接近中性为止 3 用稀氢氧化钠处理 用约为两倍树脂体积的2 的NaOH溶液浸泡4 8小时 放掉碱液 冲洗树脂至排水接近中性为止 对于阴树脂经上述处理后已变成OH型 可直接应用 对于阳树脂经上述处理后是Na型 用于化学除盐系统 还需再用盐酸处理转变为H型 3 2树脂在使用中应注意的问题 1 防止游离氯对树脂的破坏 污染 自来水中残留的余氯是造成强酸性阳树脂结构破坏的主要原因 现象 树脂颜色变浅 体积增大 强度降低易破碎 工作交换容量降低 除去水中余氯的主要方法 在自来水中加还原剂亚硫酸钠去除游离氯 在交换器前设置活性碳过滤器 进行吸附处理 2 防止铁离子污染 阴树脂易被铁离子污染 主要是水源水或再生剂中含铁量过高 及钢制水处理设备防腐不良所造成 现象 树脂颜色明显变深 体积变小 再生困难 交换容量降低 产水量明显减少 且出水水质变差 防止铁离子污染的方法 应及时消除设备衬胶层的渗漏与破损处 避免铁的腐蚀产物进入交换器内 含铁地下水不能直接进入交换器 间隔一定时间 采用稀盐酸对阴树脂进行浸泡处理 3 3树脂在贮存中应注意的问题 1 防冻 冬季注意室内保温 不用的贮存在10 15 NaCI盐水中 2 防脱水 树脂应贮存在10 NaCI盐水中 如是包装未拆封的新树脂 应注意包装的密封完整 定时检查防止包装破损失水 3 防发霉 定期检查更换浸泡树脂水溶液 4 树脂分开存放 防止不同型号树脂混用 阳树脂混入阴树脂 将会使出水质量降低 4离子交换器的运行过程 失效层 工作层 尚未工作的树脂层 R2Ca RNa RH 进水 出水 R2Mg RNa 根据交换器的实际运行情况 近似的将整个交换剂层分为三个区域 失效层工作层 交换带 尚未工作的树脂层交换器的运行实质上是其中交换剂工作层自上而下不断移动的过程 因树脂对各种离子的选择性不同 被吸着离子在树脂层中有分层现象 沿水流方向依 Ca2 Mg2 Na H 次分布 最上层是吸着能力最大的离子 最下部为吸着能力最小的离子 当工作层下移至出水端 未工作层消失 出水中Na 离子浓度达到规定值时 即运行终止 树脂失效 4 1交换器出水的水质变化 A点至B点是交换器运行初期和中期阶段出水水质 水中的Na 浓度几乎接近于零 且水质稳定 B点是Na 离子的穿透点 此时即达到交换运行的终点 如果继续通水运行水中的Na 浓度就会很快增加 直至与进水中Na 浓度相等 继续延长运行时间出水就会有Ca2 离子穿透 所以BC线段为交换器运行末期水质变化曲线 图中ABDE的面积相当于交换器内树脂的工作交换容量 ABCDE就相当于全交换容量 两面积之比则为交换器数值的利用率 4 2离子交换器的再生过程 离子交换器运行至树脂失去交换水中欲除去离子的能力时称为失效 恢复树脂交换能力的过程叫再生 为了恢复交换器内树脂的交换能力 必须用专门配置的酸 碱药液进行再生处理 使失效树脂重新转变成所要求得型态 再生程度的优劣不但对以后运行时的交换容量 出水水质有着直接的影响 而且再生剂的消耗量在很大程度上决定着离子交换系统运行经济费用 因此对再生过程中各种影响因素及操作方法必须高度重视 4 2 离子交换器的再生步骤 无顶压逆流再生操作1小反洗大反洗 一般连续运行10 20周期进行一次 清除树脂上层沉积的悬浮物 破碎树脂颗粒 反洗排出水中不应含有效树脂颗粒 反洗至水质澄清为止 2 放水让树脂借助重力自然沉降 使树脂表面平坦 3 进再生液用较高浓度的再生剂对失效树脂进行还原 大反洗周期再生剂用量加倍 要求控制进口 出口阀门流量平衡 不允许排出液流量大于进再生液的流量 以免再生液发生偏流 严格控制进再生液的百分浓度 采用现场取样打比重 或在线浓度计进行分析 控制进再生液时间不能低于30分钟 不包括小型钠离子自动交换器 4 置换 逆洗 停止进再生液 但保持进水流量不便 继续进水15 30分钟 让交换器内再生液继续进行交换反应 5 小正洗冲洗树脂上层残留再生液6 大正洗加大进水与排水流量 将残余的再生液和反应产物排出交换器 正洗至出水硬度合格 钠型树脂硬度小于0 03毫摩尔 每升 氢型树脂不含硬度 4 3影响再生效果的因素 1再生剂2再生方式3再生剂的用量再生剂用量不足 树脂的再生度低 交换容量小 制水周期缩短 自耗水量增大 再生剂用量越多 树脂的再生程度越高 再生交换容量越接近于全交换容量 但当再生剂的比耗增大到约4倍理论量后 再生程度不会再有明显提高 再生剂的利用率越来越低 所以采用过高的的再生剂的比耗是不经济的 再生剂的单耗 是指恢复交换剂1摩尔的交换容量 所消耗再生剂的克数 用食盐再生时称为盐耗 用盐酸再生称为酸耗 符号W W G Cj Cc Vg moLG 再生一次所用纯再生剂的质量Cj 进水离子浓度Cc 出水离子浓度比耗 是指恢复树脂1摩尔的交换容量 实际用纯再生剂的量与理论量之比 也即再生剂用量为树脂工作交换容量理论量的倍数 符号RR W MM 再生剂的摩尔质量g moL再生剂的比耗总是大于1 4 4离子交换设备 阴 阳 离子交换床主体结构图 1 进水装置 布水器 均匀分布进水 收集反洗水 2 中排装置均匀排出再生液 防止树脂乱层 流失 3 出水装置均匀收集处理好的水 均匀分布反洗水 4 压脂层截留水中的悬浮物质 防止树脂在逆流再生过程中乱层 4 5离子交换器管道阀门布置图 五 离子交换除盐 除去水中各种溶解盐类的处理工艺称为除盐 在实际生产过程中 为了充分利用各种离子交换工艺的的特点和各种离子交换设备的功能 用不同性质的离子交换剂与设备组成不同形式的除盐系统 可以制取满足不同工艺要求的水质 常见离子交换除盐系统一级复床除盐一级复床 混床除盐原水只一次相继通过H型离子交换器和OH型离子交换器进行除盐的工艺 称一级复床除盐 5 1一级复床除盐 典型的一级复床除盐由一台H离子交换器 一个除碳器和一个OH离子交换器串联而成 原水在H离子交换器中经H离子交换后 水中各种阳离子被吸附在树脂上 被交换下来的H 与水中的阴离子结合成相应的酸 其中所有的HCO3 全部转变成游离CO2在除碳器中被脱除 水进入OH离子交换器后 以酸根形式存在的阴离子与OH型阴树脂进行交换反应被除去 被交换下来的OH离子与水中的H离子结合 生成水 H2O 从而将水中溶解盐类除去 其反应实质 H OH H2O 5 2运行中的交换反应及水质变化 1 H型交换器中的交换反应及水质变化 强酸性阳树脂的活性基团与水中主要阳离子交换反应为 2RH Ca HCO3 2 R2Ca 2H2CO32RH Mg HCO3 2 R2Mg 2H2CO32RH Na2SO4 R2Na 2H2SO4RH NaCl R2Na HCl经H离子交换后 水中的各种阳离子都被交换成H 其中的碳酸盐转变成弱酸H2CO3 中性盐转变成相应的强酸 5 2运行中的交换反应及水质变化 在实际运行过程中 由于树脂对Na 的选择型最小 因此 当出水中残留的钠离子浓度增加时 即为阳离子交换树脂失效 电导率 强酸酸度 通过水量 水质 Na 2 OH型交换器中的交换反应及水质变化 在一级复床除盐系统中 强碱OH交换器是用来除去水中OH 以外所有阴离子的 强碱OH交换器总是设置在H交换器和除碳器之后 此时水中阴离子以酸的形式存在 其交换反应为 2 OH型交换器中的交换反应及水质变化 ROH HCl RCl H2O2ROH H2SO4 R2SO4 2H2OROH H2CO3 RHCO3 H2OROH H2SiO3 RHSiO3 H2O PH 通过水量 水质 电导率 SiO2 Na 5 3一级复床的运行特点 1 因为阴树脂的工作交换容量只有阳树脂的一半左右 为了和阳离子交换器配套使用 阴离子交换器中的阴树脂体积一般为阳树脂的两倍 2 强酸性阳离子交换器以产水漏钠为运行失效终点 Na 100PPb 3 阴离子交换器以产水漏SiO2为运行失效终点 SiO2 100PPb 事故隐患 运行中因对失效设备监督切换不及时 易造成酸性水进入锅炉造成热力设备金属腐蚀事故 5 4带有弱型树脂交换器的复床除盐 弱型树脂具有交换容量高 阳1500 1800摩尔 立方米 阴700 900摩尔 立方米 容易再生 再生剂比耗低的优点 使用强弱型树脂联合组成的不同除盐工艺 可以提高树脂的平均工作交换容量 保证更好的出水水质 降低再生剂比耗 具有较高的经济性 下图所示为常见的几种复床串联除盐方式 表示强酸H交换器 表示强碱OH交换器 表示弱酸H交换器 表示弱碱OH交换器 表示除碳器 带有弱型树脂的复床除盐系统 运行时进水先流经弱型树脂再流经强型树脂 失效终点一般以串联在其后的强型树脂的出水水质为监督标准 失效后树脂再生采用串联再生方式 再生液先流经强型树脂层使强型树脂得到较充分再生 未被利用的再生液再流经弱型树脂层时 被弱型树脂充分利用 对于双室双层床中的强弱型树脂比例需根据水质进行计算 专业树脂生产厂家提供专用双层床用树脂 5 5除碳器工作原理 天然水中含有大量的碳酸氢盐 它是碱度的主要成分 当水经H离子交换后 其中的HCO3 转化成碳酸 虽然可以在OH离子交换器中交换除去 但增加了OH交换器的负担 降低制水量 使碱耗增大 所以通常在阴床前增加除碳器来将其除去 除CO2原理水中碳酸化合物存在如下的平衡关系H HCO3 H2CO3CO2 H2O水中H 浓度越大 平衡越易向右移动 当水的PH值低达4 3时水中的碳酸化合物全部以游离CO2的形式存在 CO2气体在水中的溶解度服从于亨利定律 即在一定温度下 气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的分压成正比 当水中CO2浓度超过了它在该分压时的溶解度 它就会从水中析出 所以只要降低与水相接触的气体中CO2的分压 溶解于水中的游离CO2就会从水中解析出来 从而将水中游离CO2除去 除碳器就是利用这一原理来除CO2的装置 大气式除碳器 降低CO2气体分压除去CO2气体的方法 是在除碳器中鼓入空气 使水中的CO2随吹过的空气排入大气 因为空气中的CO2含量很少 所以当鼓入除碳器的空气流和经H离子交换处理的水接触时 水中CO2便会析出并被空气流带走 通过鼓风除碳器一般可将水中的CO2含量降至5毫克 升以下 影响除碳效果的因素 水和空气的接触面积 风量和风压 进水碳酸化合物的含量 水封效果 5 6混合床除盐 所谓混合床就是将阴 阳两种树脂按一定比例均匀混合在同一个交换器中 水通过混合床就能完成许多级阴 阳离子交换过程 根据阴 阳离子交换树脂的不同性能 组成的不同类型的混合床 其出水水质是不同的 5 6 1混床除盐原理 在混合床中阴阳离子交换树脂均匀混合 水中的阴离子和阳离子几乎同时发生离子交换反应 床层中经过阳树脂交换反应生成的H 和经过阴树脂交换反应生成的OH 在床层内立即发生中和反应 消除了反离子的干扰 交换反应进行的比较彻底 混合床内阳阴两种树脂的体积