《离子交换处理》PPT课件.ppt

离子交换处理 为了除去水中的离子态杂质 目前电厂广泛采用的是离子交换法 这种方法可以将水中离子态杂质清除得比较彻底 因而能制得纯度很高的水 所以 在热力发电厂的补充水制备工艺中 离子交换处理是一个必要的步骤 离子交换树脂 离子交换处理使用离子交换剂 简称交换剂 来进行 这种物质遇水时 可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换 如H型离子交换剂遇到含有Ca2 的水时 就发生下列反应 式中R表示交换剂 RH表示交换剂中可交换的离子为H 称H型 反应结果 水中Ca2 被吸着在离子交换剂上 交换剂转变为Ca型 而交换剂上原有的H 跑入水中 这样水中的Ca2 就被除去了 转变成的Ca型离子交换剂 可以用酸溶液通过的办法 使其再变成H型的交换剂 以便重新使用 称为交换剂的再生 离子交换剂的种类很多 有天然和人造 有机和无机 阳离子型和阴离子型等之分 此外 按结构待征来分 还有大孔型和凝胶型等 目前广泛采用的是合成离子交换树脂 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 可以人为地分为两部分 一部分称为离子交换树脂的骨架 它是高分子化合物的聚体 具有庞大的空间结构 支撑着整个化合物 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 提供可交换的离子 活性基团也是由两部分组成 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 遇水可以电离 并能在一定范围内自由移动 可与周围水中的其它带同类电荷的离子进行交换反应 称为自由离子或可交换离子 离子交换树脂的分类1 按活性基团的性质分类分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂 带有酸性活性基团 能与水中阳离子进行交换的称阳离子交换树脂 带有碱性活性基团 能与水中阴离子进行交换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和弱酸性阳离子交换树脂以及强碱性阴离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂 2 按离子交换树脂的孔型分类分为凝胶型树脂和大孔型树脂 凝胶型树脂由苯乙烯和二乙烯苯混合物在引发剂存在下进行悬浮聚合得到的具有交联网状结构的聚合物 这种聚合物呈透明或半透明状态的凝胶结构 大孔型树脂在制备高分子聚合物骨架时 在单体混合物中加入致孔剂 待聚合反应完成后 再将致孔剂抽提出来 这样便留下了永久性网孔 称物理孔 3 按单体种类分类分为苯乙烯系 丙烯酸系等 分类代号 第一位数字 骨架代号 第二位数字 离子交换树脂的命名全名称由分类名称 骨架 或基团 名称 基本名称依次排列组成 基本名称为离子交换树脂 大孔型树脂在全名称前加 大孔 两字 分类属酸性的在基本名称前加 阳 字 分类属碱性的 在基本名称前加 阴 字 型号离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数字组成 第一位数字代表产品分类 第二位数字代表骨架组成 第三位数字为顺序号 用以区别活性基团或交联剂的差异 大孔型树脂 在型号前加 大 字的汉语拼音首位字母 D 交联度数值在型号后用 符号联接阿拉伯数字表示 如 001 7型表示强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂 201 7型表示强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂 交联度均为7 化学性能1 酸 碱性H型阳离子交换树脂和OH型阴离子交换树脂的性能与电解质酸 碱相同 在水中有电离出H 和OH 的能力 根据电解能力的大小还可以有强弱之分 2 离子交换反应的可逆性离子交换反应是可逆的 是离子交换树脂可以反复使用的重要性质 3 离子交换树脂的选择性离子交换树脂吸着各种离子的能力不一 有些离子易被交换树脂吸着 但吸着后要把它置换下来就比较困难 而另一些离子则很难被吸着 但被置换下来却比较容易 这种性能称为离子交换的选择性 选择性是由于离子交换树脂与各种反离子之间的亲和力大小不同而产生的 会影响到离子交换树脂的交换和再生过程 各种离子的选择性顺序如下 1 强酸性阳树脂 Fe3 Al3 Ca2 Mg2 K NH4 Na H 离子所带电荷量愈大 愈易被吸取 当离子所带电荷量相同时 离子水合半径较小的易被吸取 2 弱酸性阳树脂 H 的位置向前移动 H Fe3 Al3 Ca2 Mg2 K NH4 Na 3 强碱性阴树脂 SO42 NO3 Cl OH HCO3 HSiO3 4 弱碱性阴树脂 OH SO42 NO3 Cl HCO3 HSiO3 4 交换容量离子交换树脂的交换容量表示其可交换离子量的多少 其表示单位有以下两种 一是质量表示法 即单位质量离子交换树脂的吸着能力 通常用mmol g表示 另一种是体积表示法 即单位体积离子交换树脂的吸着能力 通常用mol m3表示 1 全交换容量 Q 全交换容量表示一定量的离子交换树脂中所有活性基团的总量 即将树脂中所有活性基团全部再生成某种可交换的离子 然后测定其全部交换下来的量 2 工作交换容量 QG 把离子交换树脂放在动态交换柱中 通过需要处理的水 直到滤出液中有要交换的离子漏出为止 此时交换剂所发挥出的交换容量 称为工作交换容量 工作交换容量常用体积表示法 即mol m3或mmol L 工作交换容量不是常数 而与下列因素有关 交换剂的粒度 同样性质的交换剂 颗粒越小 交换容量越大 但水流过交换剂层的阻力也大 在相同条件下过滤速度降低 树脂层的高度 交换剂层越高 交换剂的利用率越高 工作交换容量越大 因此树脂层高度一般不低于0 6m 进出水水质 进水中离子的浓度越高 交换终点的控制指标越严 出水水质指标要求越高 工作交换容量越小 水流速度 过滤速度过高时 工作交换容量降低 如交换剂层高度为1 5m交换器 过滤速度由10m h提高到30m h时 工作交换容量降低10 15 再生程度 离子交换树脂的再生程度对其交换容量有很大的影响 通常为了节约再生剂的用量 交换剂不能得到彻底再生 这也会对工作交换容量有很大影响 如经充分再生 则可得到最大的工作交换容量 但再生剂的用量大大增加 实际运行中 应既能使交换剂得到较好的再生 又不消耗过量的再生剂 即要选择最优的再生剂量 离子交换原理 强酸性阳树脂对水中所有阳离子均有较强的交换能力 与水中主要阳离子Ca2 Mg2 Na 的交换反应为 经H离子交换后 水中各种溶解盐类都转变成相应的酸 出水呈酸性 甚至出现盐酸 硫酸等强酸 由于强酸性阳树脂电离出H 的能力很强 所以它具有除去水中阳离子的彻底性 但将失效树脂恢复成H型则较为困难 为此必须用过量的强酸 HCl或H2SO4 进行再生 弱酸性阳树脂对水中碳酸盐硬度有较强的交换能力 其交换反应为 弱酸性阳树脂对水中的中性盐基本上无交换能力 这是因为交换反应产生的强酸抑制了树脂上可交换离子的电离 弱酸性阳树脂的交换能力与强酸性阳树脂比较虽有局限性 但其交换容量比强酸性树脂高很多 很容易再生 不论再生方式如何 都能得到较好的再生效果 4 13 强碱性OH型交换剂可以用来和水中各种阴离子进行交换 在稀溶液中它对各种阴离子的选择性为 SO42 NO3 Cl OH HCO3 HSiO3 它对强酸阴离子的吸着能力很强 而对于弱酸阴离子的吸着能力则较小 对于很弱的硅酸 它虽然能吸着HSiO3 但吸着能力很差 如与水中硅酸盐NaHSiO3反应 生成物中有强碱NaOH 使出水中有大量反离子OH 交换反应就不能彻底 除硅的作用往往不完全 难以满足高参数锅炉的要求 在水处理工艺中 必须设法排除OH 的干扰 创造有利于吸着HSiO3 的条件 现在普遍采用的办法是先将水通过强酸性H型交换剂 使水中各种盐类都转变为相应的酸 这样 在用强碱性OH型交换剂处理时 由于交换产物中有电离度非常小的H2O 故可防止水中OH 的干扰 弱碱性阴树脂只能吸着SO42 Cl NO3 等强酸根 对弱酸根HCO3 的吸着能力很弱 对更弱的硅酸根HSiO3 不能吸着 不仅如此 弱碱性OH型树脂对于这些酸根的吸着过程只能在酸性溶液中进行 或者说只有当这些酸根成酸的形态时才能被吸着 虽然弱碱性OH型树脂的交换性能不如强碱性的好 但它极易用碱再生 这对于降低离子交换除盐系统运行中的碱耗 具有很大意义 特别是当原水中含有强酸阴离子的量较多时 在离子交换除盐系统中 弱碱性OH型树脂常常是和强碱性OH型树脂联合使用的 所以它还可以利用再生强碱性OH型树脂后的废液来再生 这样 不仅可节约用碱量 而且可减少废碱的排除量 离子交换设备 电厂水处理中广泛采用固定床作为阳离子交换器 阳床 和阴离子交换器 阴床 另外为了保证出水水质 除盐系统中还会设置混床 混床的结构形式也采用固定床 在运行中 离子交换剂层固定在交换器中 基本静止不动 再生时 交换剂也相对静止 一般不将交换剂转移到床体外部进行再生 固定床的运行方式 通常是使水由上向下不断地通过交换剂层 当将水由上部通入交换剂时 水中杂质粒子首先遇到处于表面层的交换剂 与树脂进行交换反应 所以这层交换剂通水后很快就失效了 水继续通过时 表面层的交换剂已不能与水中的离子进行交换 交换作用就移动到下一层的交换剂 此后 整个交换剂层分为三个区域 上部是已失效的交换剂层 称为失效层 也叫饱和层 在它下面的一层称为工作层 由于离子交换反应速度较小 水中的离子不可能马上被交换 未交换的离子继续向下移动 直至达到交换平衡 从而形成一定厚度的工作层 工作层的厚度取决于交换反应速度和相应的离子供给速度的大小 最下部的交换剂层是未参加反应的一层 因为通过工作层后的水质已达到与离子交换剂呈平衡的状态 该层树脂层不参与交换 仅起保护作用 固定床离子交换的运行方式是以离子交换剂为滤料 对水进行过滤 因此 常用作固定床的离子交换器和压力式过滤器结构相似 只是在离子交换器中设有进再生液的装置 固定床离子交换按其再生运行方式不同 可分为顺流 逆流和分流三种 一 顺流再生固定床离子交换装置顺流式是指再生时再生液流动的方向和运行时的水流方向是一致的 通常都是由上向下流动 以下简称下流 顺流再生离子交换器结构图1 放空气管 2 进水装置 3 进再生液装置 4 出水装置 交换器管路系统 交换器的运行顺流式固定床离子交换器的运行分为四个步骤 1 反洗交换器中的交换剂失效后 在再生以前常先用水自下而上对交换剂进行短时间的强烈冲洗 反洗的目的是 1 松动交换剂层在交换过程中 带有一定压力的水自上而下地通过交换剂层 故交换剂层被压得很紧 为了使再生液在交换剂层中均匀分布 使交换剂得到充分再生 所以在再生前进行反洗 使交换剂层得以充分松动 2 清除交换剂上层中的悬浮物 碎粒和气泡在交换过程中 交换剂上层还起着过滤作用 水中的悬浮物被截留在这部分交换剂层中 这不仅使水通过交换剂层的压降增大 还可使交换剂结块 造成交换容量不能充分发挥 此外 在运行中产生的交换剂碎粒 也会使压降增加 水流分布不均匀 反洗不仅可以清除这些悬浮物和碎粒 还可排除交换剂层中的气泡 2 再生再生的目的是恢复交换剂的交换能力 这是固定床离子交换器运行操作中很重要的一环 影响再生效果的因素很多 如 再生操作的方式 再生剂的种类 浓度 纯度 用量 再生液的流速 温度 交换剂的类型 等等 顺流式再生的优点是 装置简单 操作方便 缺点是再生效果不理想 再生液在流动过程中 首先接触到的是上部完全失效的交换剂 这一部分可得到较好的再生 再生液继续往下流 当与交换器底部交换剂接触时 再生液中已积累了相当数量的反离子 严重地影响了离子交换剂的再生 也就是说这一部分交换剂得到的再生程度较低 而这部分交换剂再生得不好 又直接影响到出水水质 如果要提高这一部分交换剂的再生程度 就要增加再生剂的用量 那么再生的经济性就要下降 3 正洗阳离子交换器经再生后 为了清除其中过剩的再生剂和再生产物 应用清洗水按再生液通过交换剂层的方向进行清洗 开始时可用3 5m h的小流速清洗约15min左右 这主要是为了能充分利用仍然存留在交换剂层中的再生液 然后加大流速至6 10m h 一般清洗25 30min即可达到标准 4 交换清洗合格的阳离子交换器即可投入交换运行 一级阳离子交换器运行的流速一般控制在20 30m h 此流速与进水水质 交换剂的性质有关 如进水中要除去的离子浓度愈大 则流速应控制得愈小 每个离子交换器的最优运行条件可通过调整试验来确定 二 逆流再生固定床离子交换装置为了克服顺流再生方式中底层交换剂再生程度低的缺陷 现在广泛采用对流再生方式 即运行时水流方向和再生时再生液流动方向相反的水处理工艺 习惯上将运行时水流向下流动 再生时再生液向上流动的对流水处理工艺称逆流再生工艺 将运行时水流向上流动 再生时再生液向下流动的对流水处理工艺称浮动床水处理工艺 逆流再生离子交换器结构图1 进气管 2 进水管 3 中间排液 4 出水管 5 进再生液管 6 穹形多孔扳 气顶压逆流再生离子交换器管路系统 为了防止再生液和清洗水上流时发生乱层 逆流再生式离子交换器的结构和顺流离子交换器结构不同的地方是 在交换剂层的表面部分设有中间排水装置 在中间排水装置之上 交换剂层上加一层厚约为150 200mm的粒状物质作为压脂层 使向上流动的再生液或冲洗水能均匀地从中间排水装置中排走 不会因为有水流流向交换剂层上面的空间 而将交换剂层松动 压脂层的材料可以采用密度比树脂小的聚苯乙烯白球 20 30目 泡沫塑料球或离子交换树脂 交换器的运行在逆流再生离子交换器的运行操作中 交换过程和顺流式的没有区别 再生操作随防止乱层措施的不同而不同 1 小反洗 交换器运行到失效时 停止交换运行 将反洗水从中间排水管引进 对中间排水管上面的压脂层进行反洗 以冲去运行时积聚在表面层和中间排水装置上的污物 然后由上部排走 冲洗流速应使压脂层能充分松动 但又不至将正常的颗粒冲走 反洗一直进行到出水澄清 这一步操作 不一定每次再生时都要进行 视压脂层的污染状况而定 2 放水 小反洗后 待交换剂颗粒下降后 放掉交换器内中间排水装置上部的水 以便进行再生 3 顶压 待交换器内中间排水装置上部的水放掉后 从交换器顶部送入压缩空气 使气压维持在30 50kPa的范围内 这样可以防止再生时交换剂乱层 用来顶压的空气应经除油净化处理 4 再生 启动再生水泵 开启再生用喷射器进水门 流量控制在10 15t h 5 7 5m h 调整手动门将阳床进酸浓度控制在2 3 阴床进碱浓度控制在1 5 2 5 5 逆流冲洗 为了充分利用再生剂 并防止再生废液污染树脂 当再生液进完后 关闭进再生液阀门 保持喷射器原来的流量 用水进行逆流冲洗30 40min 直至排出废液达到一定标准为止 如H型交换器 控制排出废液中酸度小于10mmol L 冲洗水应采用质量较好的水 不然会影响底部交换剂的再生程度 6 小反洗 停止逆流冲洗和顶压 放尽交换器内剩余空气 然后按步骤1的操作程序进行小反洗 直至压脂层内剩余再生液清洗干净为止 这一步操作也可以用小正洗的方法进行 采用小正洗的效果会优于小反洗 因为反洗时易使交换剂颗粒浮起 不易将残留的再生液洗净 经验指出 用小反洗需进行20 30min 用小正洗约需l0 15min 7 正洗 最后用需要交换处理的原水由上而下对压脂层和交换剂层按交换时水的流动方向进行清洗 至出水合格后 即可转为投入运行 逆流再生离子交换器一般在运行10 20个周期后 进行一次大反洗 以除去交换剂层中的污物和破碎的树脂颗粒 通常运行中不进行大反洗 大反洗是从底部进水 废水由上部的反洗排水阀门放掉 由于大反洗时扰乱了整个树脂层 所以大反洗后第一次再生时 再生剂的用量应加大l倍以上 四 混合床除盐原理及设备经过H型离子交换器除去水中的阳离子 然后经过OH型离子交换器除去水中的阴离子 称为一级复床除盐系统 经一级复床除盐处理过的水 虽然水质已经很好 但通常还达不到要求的指标 其主要原因是位于系统首位的H离子交换器的出水中有强酸 离子交换的逆反应倾向比较显著 以致出水中仍残留少量Na 当对水质要求更高时 尽管可采取增加级数的办法来提高水质 但增加了设备的台数和系统的复杂性 为了解决这个问题 采用混床除盐是一种有效办法 所谓混合床除盐就是将阴 阳树脂按一定比例均匀混合后装在同一个交换器中 从而完成多级阴 阳离子交换的过程 除盐原理混床离子交换除盐 就是把阴 阳离子交换树脂放在同一个交换器中 在运行前 先把它们分别再生成OH型和H型 然后混合均匀 所以 混床可以看作是由许多阴 阳树脂交错排列而组成的多级复床 在混合床中 由于运行时阴 阳树脂是相互混合均匀的 所以其阴 阳离子的交换反应几乎是同时进行的 或者说 水中阳离子交换和阴离子交换是多次交错进行的 因此经H离子交换所产生的H 和经OH离子交换所产生的OH 都不会累积起来 而是迅速中和生成H2O 这就使交换反应进行得十分彻底 出水水质很好 混床中树脂失效后 应先将两种树脂分离 然后分别进行再生和清洗 再生清洗后 再将两种树脂混合均匀 投入运行 为了便于混合床中阴 阳树脂的分离 两种树脂的湿真密度差应大于15 为了适应高流速运行的需要 混合床使用的树脂应该机械强度高 颗粒大小均匀 确定混合床中阴 阳树脂比例的原则是使两种树脂同时失效 以获得树脂交换容量的最大利用率 一般来说 混合床中阳树脂的工作交换容量为阴树脂的2 3倍 因此 如果单独采用混合床除盐 则阴 阳树脂的体积比应为 2 3 1 用于一级复床之后 因其进水PH在7 8之间 所以阳树脂的比例应比单独混床时高些 目前国内采用的强碱阴树脂与强酸阳树脂的体积比通常为2 1 电厂实际采用阴树脂 阳树脂装填高度为1000 500mm 在火力发电厂中 由于锅炉补给水的用量较大和原水含盐量较高 如单独使用混合床 再生将过于频繁 所以混合床都是串联在复床除盐系统或者在其他预脱盐装置之后使用的 混床结构示意图1 进水装置 2 进碱装置 3 树脂层 4 中间排液装置 5 下部配水装置 6 进酸装置 混床管路系统图 运行操作1 反洗分层混合床除盐装置运行操作中的关键问题之一 就是如何将失效的阴 阳树脂分开 以便分别通入再生液进行再生 目前常用水力筛分法对阴 阳树脂进行分层 借反洗水的冲力将树脂悬浮起来 使树脂层达到一定的膨胀率 利用阴 阳树脂的湿真密度差 达到自然分层的目的 阴树脂的密度较阳树脂的小 分层后阴树脂在上 阳树脂在下 只要控制适当 就可以做到两层树脂之间有一明显的分界面 开启反洗进水门 缓慢开启混床进口手动门 开反洗排水门 用混床进口手动门调整反洗流量 开始时 流速宜小 待树脂层松动后 逐渐加大流速到10m h左右 使树脂充分膨胀 膨胀率在50 70 膨胀高度不超过上窥视孔 维持10 15min 当反洗排水清澈 分层明显后 关反洗进水门 反洗排水门 关混床进口手动门 树脂自然沉降5 10min 观察树脂分层情况 若分层不明显 应重新分层直至合格为止 2 放水开空气门 液位控制排水门 放水至液位控制排水门不再出水时 关闭空气门 液位控制排水门 准备进再生液 3 再生目前混床系统广泛采用体内再生法 体内再生法是指树脂在交换器内进行再生的方法 根据进酸 进碱和清洗步骤的不同 可分为两步法和同时再生法 两步法指再生时酸 碱再生液不是同时进入交换器 而是分先后进入 同时再生法再生时 由混床上 下同时送入碱液和酸液 并接着进清洗水 使之分别经阴 阳树脂层后 由中排管同时排出 采用此法时 若酸液进完后 碱液还未进完时 下部仍应以同样流速通清洗水 以防碱液串入下部 污染已再生好的阳树脂 同时再生法 启动再生泵 开混床进酸 碱门 混床酸 碱喷射器进水门 开中排门 维持压力0 05MPa左右 调整好喷射器流量 使酸 碱喷射器流量均在15 20m3 h之间 调整酸 碱浓度在5 左右 4 置换进完酸 碱后保持原流量冲洗30 40min 当排水电导率 100 s cm时停止冲洗 5 阴树脂正洗开混床空气门 进口手动门及进水门 当空气门出水后 关空气门 进行阴树脂正洗 调整正洗流量在40 50m3 h 时间30 40min 阴树脂正洗结束后 关中排门 6 阳树脂正洗 放水开混床正排门 开手工取样门 投入在线仪表 当排水导电率 10 s cm 关进水门 正排门 开空气门 液位控制排水门 放水至液位控制排水门不再出水后 关液位控制排水门 空气门 7 阴 阳树脂的混合树脂经再生和清洗后 在投入运行前必须将分层的树脂重新混合均匀 通常用从底部通入压缩空气的办法搅拌混合 所用压缩空气应经过净化处理 以防止其中有油类杂质污染树脂 压缩空气压力一般采用0 1 0 15MPa 流量为2 0 3 0m3 m2 h 开启混床进气门 缓慢开启混床再生用气总门 向混床进气 树脂充分混合5min左右 迅速关闭进气门 迅速开启正排门 进水门 对树脂进行迫降 检查树脂混合情况 若混合不均 应重新混合 直至合格 混合合格后关闭混床再生用气总门 8 正洗混合后的树脂层 还要用除盐水以10 20m h的流速进行正洗 直至出水合格后方可投入运行 正洗初期 由于排出水浑浊 可将其排入地沟 待排水变清后 可回收利用 适当调整正排门流量 待空气门出水后关空气门 开手动取样门 投入在线SiO2 电导率表 当正洗排水DD 0 20 s cm SiO2 20 g L时 正洗合格 开混床出水门及手动门 关正排门 使混床投入运行 若不需运行 则停运备用 9 制水混合床的运行制水与普通固定床相同 只是它可以采用更高的流速 通常对凝胶型树脂可取40 60m h 如用大孔型树脂可高达100m h以上 混合床的运行失效标准 通常是按规定的失效水质标准控制 即当其用于一级复床除盐设备之后时 出水电导率为0 2 S cm或SiO2为20 g L 也可按预定的运行时间或产水量控制 即在前级除盐装置出水电导率 10 S cm SiO2 100 g L的水质条件下 混合床产水比按10000 15000m3 m3树脂计