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离子交换 离子交换原理一级除盐系统混合型离子交换器影响离子交换器运行的因素 树脂的离子交换是一种可逆反应 反应式可表示为 RA B RB A与任何化学平衡一样 上述反应遵循质量作用定律 它的逆反应就是A型树脂的再生 平衡常数表达式 KBA RB A RA B KBA 1树脂对B的亲和力大于对A的亲和力 图中曲线c KBA 1树脂对B的亲和力小于对A的亲和力图中曲线a KBA 1树脂对A的亲和力等于对B的亲和力图中曲线b 称KBA为树脂的选择性系数 在浓度很稀时只与温度有关 温度一定时即为常数 图1离子交换等温曲线 一离子交换原理 图2树脂层交换层工作状况1 失效层 2 工作层 3 保护层 工作层的下一个区域是尚未工作的A型树脂层 在离子交换进行过程中 这三层实际上无时不在变化 所以不可能找出明显的分界线 图中的分界线是为说明问题而大致划分的 在交换过程中 工作层不断下移 当下移到交换柱底部最后一层时 此时出水中就有B离子 也就说B离子开始穿透 交换柱开始失效了 所以最后一层离子交换容量未能充分发挥 只起保证出水质量的作用 为保护层 如果保护层厚度大 则交换柱的工作交换容量就小 反之 交换柱的工作交换容量就大 在实际运行时 交换树脂分为几个区域 上层全部转为B型树脂 是失效层 失效层的下一个区域为工作层 水经过工作层时 离子交换反应就在这一层进行 在这一层中的树脂是A型和B型的混合物 随着交换的进行 工作层树脂被B离子饱和 也就是说工作层变成了失效层 工作层又下移到下一区域 可见交换柱中的工作层是自上而下不断移动的 图2就是以A型树脂处理含B离子水时 树脂交换层的工作状况 一级化学除盐系统由阳离子交换器 除碳器和阴离子交换器所组成 其组合方式分为单元制和母管制 单元制 母管制 图3一级复床除盐系统1 阳床水泵 2 强酸性H型阳离子交换器 3 除碳器 4 中间水箱 5 中间水泵 6 强碱性OH型阴离子交换器 二一级除盐系统 进入一级除盐系统的水是经预处理 预脱盐的水 水中只含有少量的溶解性杂质 溶解性杂质包括阳离子 阴离子 少量胶体硅等 其中水中的阳离子主要由Ca2 Mg2 K Na 和极少量的Al3 Fe3 离子组成 阴离子主要由HCO3 SO42 Cl 和少量的NO3 HSiO3 离子组成 当水通过强酸性H型阳交换器时 水中所有的阳离子都被强酸性H型树脂吸收 活性基团上的H 被置换到水中 与水中的阴离子组合生成酸 其反应式 1 阳离子交换器 强酸性阳离子交换树脂交换反应 阳离子交换器的出水是酸性水 但当交换器运行失效时 其出水中就会有其它阳离子的泄漏 而在诸多的阳离子中 首先漏出的阳离子是Na 故习惯上称之为漏钠 当出水中的Na 超过一个给定的极限值时 阳离子交换器被判失效 需停运再生后才能投入运行 为什么阳交换器失效时 首先发生漏钠 而不是漏Ca2 或Mg2 离子 这是因为水中各种阳离子与树脂中H 发生交换反应时 因树脂对各种阳离子的吸收有选择性 故被树脂吸收的离子在交换器内有分层现象 根据树脂对被吸收离子的选择性顺序 最上层是最易被吸收的Ca2 次层以Mg2 为主 下层就是Na 强酸性阳树脂的选择性顺序为 Fe3 A13 Ca2 Mg2 K NH4 Na 进水装置的作用是均匀分布进水于交换器的进水截面上 另一个作用是均匀收集反洗排水 排水装置的作用是均匀收集处理好的水 另一个作用是均匀分配反洗进水 中间排液装置的作用 中间排液装置对逆流再生离子交换器运行效果有较大影响 其作用是均匀排出再生液 防止树脂乱层 流失外 还应有足够的强度 安装时应保证在交换器内呈水平状态 阳离子交换器结构 压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机械杂质 使进水通过压脂层均匀作用于树脂层表面 防止树脂在逆流再生中乱层 图4交换器中离子分布情况 a 开始进水时 b 交换器失效时 当交换器不断进水 随离子交换的不断进行 由于水中的Ca2 比Mg2 Na2 与树脂的亲合力更大 更易被树脂吸收 所以水中的Ca2 离子可和已吸收了Mg2 的树脂进行交换反应 使Ca型树脂层向下扩展 而被置换下来的Mg2 一起与Na 型树脂发生交换 使Mg2 型树脂层下移而Na 的交换区域也逐渐下移 在运行过程中 这三层不同型态的交换剂的高度在不断地向下扩展 如图4所示 阳床整个制水周期 运行开始到交换器失效这段时间 中电导率 钠离子浓度 酸度变化可用图5表示 开始通水正洗时随水的不断通入 水质越来越好 因而电导率 酸度 钠离子快速下降 a点前 在ab为稳定制水过程 b点后树脂开始失效 此时水中钠增加 氢离子减少而氢氧根增加 使酸度下降 电导率下降 图5强酸H型阳离子交换器典型出水曲线 运行时的交换情况 无顶压逆流再生的操作步骤 1 小反洗 只对压脂层进行反洗 冲洗掉积聚在压脂层上的污染物 用水为该级交换器的进口水 流速树脂不乱层为宜 一直反洗至出水清澈为为止 2 放水 待树脂颗粒下沉后 放掉中间排液装置以上的水 3 进再生液 将再生液从底部充入交换器内 严格控制其流速和浓度 4 置换 进完再生液 关闭再生液计量箱出口阀 按再生液的流速和流量继续用稀释再生液的除盐水进行置换 直至出水指标合格为止 关闭进水阀 5 小正洗 水从上部进入 控制适当的流速 洗去再生后压脂层中残留的再生废液和杂质 6 正洗 用水自上而下进行正洗 直到出水水质合格 即可投入运行 树脂的再生 交换器经过多周期运行后 下部树脂层也会受到一定程度的污染 必须定期对整个树脂层进行大反洗 大反洗前先进行小反洗 在大反洗时流量应由小到大 逐步增大 离子交换器的运行中技术经济指标有交换器的出水水质 工作交换容量和相应的再生剂比耗 周期制水量及再生过程中消耗水量 工作交换容量 qi 在一个制水运行周期中 平均单位体积树脂进行交换所放出的离子量 mmol 计算式 qi A S V Vi 式中 A为平均进水碱度 mmol 为平均出水酸度 mmol 为从正洗合格开始制水到失效一周期内的总制水量 m3 Vi交换器内的树脂体积 m3 酸耗 使交换剂恢复 mol的离子交换能力 所消耗的酸的的克数 酸耗 g mol 酸的克数 周期制水量 L 阳床出口平均酸度 阳床进口平均碱度 mol 比耗 再生剂的实际酸耗与理论酸耗 酸的摩尔质量 的比值 在实际中常用平均比耗来表示 水耗 每次再生所耗水的体积与树脂层体积之比 出水水质 是监督阳床出水的含钠量 运行时的技术经济指标 2 除碳器 除碳原理水通过阳离子交换器 水中的HCO3 与从树脂上交换下来的H 结合 形成H2CO3极不稳定 随即分解生成的CO2 H2CO3 H2O CO2水中的CO2 可以看作是溶解在水中的气体 它的溶解度与气体分压的关系符合亨利定律 即在一定的温度下气体在液体中的溶解度与该气体在液面上的分压成正比 只要降低水面上CO2的分压力 溶于水中的游离CO2就能解吸出来 降低液面CO2气体分压的常用方法有鼓风和抽真空两种 图6除碳器结构 除碳器工作时水中上部布水扳扳淋下 通过填料层后 从下部排入水箱 空气从下部由风机引入 通过填料层后由顶部排出 在除碳器中因填料的阻挡作用 从上面流下来的水被分散成许多小股水流 微小滴或水膜 增大了空气与水的接触面积 因空气中CO2含量很小 约0 03 在水中溶解达平衡时不到0 45mg L 这样水与空气接触时 水中的CO2便会析出 真空除碳真空除碳通过真空泵或喷射器 从除碳器的不同部位抽真空而达到除碳的目的 鼓风除碳器的结构 它的工作原理除了同上述的鼓风除碳所不同的是 在真空除碳过程中 水中其它溶解气体 如氧气 也同时被除去 这是鼓风除碳所不能做到的 3 阴离子交换器 阴床 阴离子交换实质上是阴树脂中的OH与酸性水 经过阳离子交换及除碳 中的负离子进行交换 所以在强碱性阴离子交换器内发生的反应为 图7强碱性OH型离子交换器出水水质变化 根据强碱阴树脂的交换规律 HSiO3 集中在交换器中树脂的底部 所以当强碱性OH型阴离子交换器失效时 HSiO3 先漏出来 致使出水的硅含量升高 因强碱阴树脂的选择性顺序为 SO42 NO3 Cl OH F HCO3 HSiO3 逆流再生阴离子交换器示意图 阴离子交换器与阳离子交换器一样是逆流再生工艺 其操作步骤与阳离子交换器相同 其交换器结构示意图与阳离子交换器也相同 进入离子交换器的水 应注意水中浊度 有机物 余氯和铁的含量 1 因为余氯在水中可以氧化强酸阳树脂 所以进入离子交换器前的余氯应小于0 1mg l 2 离子交换器进水浊度 对其运行有较大的影响 浊度大 会使污泥等被截留在树脂层表面 有时污泥会进入树脂层深处 影响出水和再生效果 尤其是对流再生设备 会造成大反洗次数增多 降低或失去了对流再生的优点 因此顺流再生设备 进水浊度小于5NTU 逆流再生设备进水浊度小于2NTU 3 有机物对强碱阴树脂的污染 不但造成交换容量明显下降 还会使出水电导率升高 漏硅量增大 pH值降低 若进入势力系统还会引起腐蚀 所以进入离子交换器原水化学耗氧量应小于2mg l 4 铁含量超标会污染阳 阴树脂 所以一级除盐进水铁含量应小于0 3mg l 混床进水铁含量小于0 1mg l 一级除盐系统进水水质要求 三混合型离子交换器 由于阳 阴树脂混合均匀 所以阳 阴离子交换反应几乎是同时进行的 置换出的H 和OH 立即生成水 都不会积累 消除了反离子作用 交换反应进行得十分彻底 出水水质很好 交换反应如下 混合床结构示意图 混合床是圆柱型密闭容器 其内部有进水装置 排水装置 中部有再生时排再生废液的中间排水装置等 为了便于阳 阴树脂分层 混合床中阳树脂与阴树脂的湿真密度差应大于0 15 0 20g cm3 国内混合床采用的阳 阴树脂的体积比为1 2 经过一级复床处理后的水质 一般电导率小于0 2 S cm pH接近中性 含硅量 以SiO2计 在20 g L以下 混合床结构 1 失效终点的控制失效终点控制越严格 则出水越好 但同时树脂的工作交换容量降低 运行周期短 周期制水量少 制水成本高 因此 失效终点的控制应按实际需要 不要过低 也不能要求过高 2 进水总离子含量的影响一般说来 进水总离子含量少许增加时 由于树脂失效度提高 故树脂的工作交换容量会有少量增加 但进水总离子含量若大量增加 则由于树脂的工作层加厚 将会造成成树脂的工作交换容量降低 周期制水量减少 运行周期短 在树脂层增高不能适应时 将会影响出水水质 3 运行流速的影响流速过低时 树脂表面液膜较厚 水流呈滞流状态 水中离子不易交换 使出水水质较差 适当提高流速 加快了离子扩散速度 增加了离子交换的可能性 出水水质也相应地得到了提高 但是 流速过高 接触时间短 交换反应进行不完全 同时工作层厚度增加 将造成出水水质恶化和树脂工作交换容量降低 因此 一般运行流速在10 30m h范围内 四影响离子交换器运行的因素 4 树脂层高度的影响首先影响出水的水质 一般当流速在10 30m h范围内时 出水水质随着树脂高度增加而提高 其次 树脂层高度影响树脂的工作交换容量 从交换器分层失效的原理可以看出 在进水杂质浓度 出水水质及流速一定的条件下 一般保护层高度是不变的 因此 适当地增加树脂层高度是有好处的 但过高会增加交换器阻力 5 运行方式的影响交换器是连续运行还是间断运行 对出水水质和运行的经济性有很大的影响 阴床间断运行的缺点更加明显 当阴床中断运行 重新投运时 出水水质很差 必须经过清洗才能投入运行 6 水温的影响再生液温度的提高 会增加扩散速度 对各种类型的树脂及其不同的失效型态的影响是不同的 强酸树脂的再生液一般不需加热 若将盐酸加热到40 再生H型离子交换树脂 能大大改善树脂中铁及氧化物的清除效果 强碱型树脂的再生时提高再生液的温度 对氯型 硫酸型 碳酸型树脂影响不大 而对硅酸型树脂的洗脱率却有着明显的提高 如再生液16 时交换时间为100分钟 硅酸洗脱率只有50 而加热35 时 硅酸洗脱率可达100 强碱树脂使用较高温度的再生液再生 可使下一个运行周期中出水SiO 含量明显降低 但温度过高 会造成树脂的交换基团分解 影响其交换容量和使用寿命 7 再生程度的影响树脂再生的好坏 对于工作周期 交换