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离子交换除盐简介 焦莉 1 离子交换 借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换 以达到提取或去除溶液中某些离子的目的 是一种属于传质分离过程的单元操作 离子交换是可逆的等当量交换反应 离子交换除盐即用离子交换技术将溶液中的盐离子通过交换除去 特点与应用 离子交换操作的过程和设备 与吸附基本相同 但离子交换的选择性较高 更适用于高纯度的分离和净化 目离子交换主要用于水处理 软化和纯化 可以单纯用于离子交换设备如阴 阳床 混床 也可作为净水设备的功能之一如其在EDI除盐设备中的重要作用 溶液 如糖液 的精制和脱色 从矿物浸出液中提取铀和稀有金属 从发酵液中提取抗生素以及从工业废水中回收贵金属等 2 离子交换过程 离子交换树脂 离子交换功与过 离子交换器运行过程 离子交换原理 最常见的离子交换剂 3 天然沸石 海绿砂 人造沸石 人造硅铝酸钠 磺化煤 离子交换树脂 4 离子交换树脂是一种不溶于水的高分子化合物 外观上为直径为0 3 1 2mm的淡黄色或者咖啡色小球 微观上为立体网状结构的骨架 骨架上连接着交换基团 阳离子交换树脂 交换基团能解离出阳离子的 如能解离出H 的 缩写 RH 强酸性或弱酸性 阴离子交换树脂 交换基团能解离的离子是阴离子型的 如能解离出OH 的 缩写 ROH 强碱性或弱碱性 溶胀性 树脂由干态变湿态体积会发生变化机械强度 良好的机械抗压缩性和很低的脆性耐热性 依种类而不同 一般RH 100 左右 ROH 60 80 交换容量 单位体积或质量的树脂可交换离子的量 用mmol g表示 5 弱酸性 H Fe3 Al3 Ca2 Mg2 K Na Li 选择性 强酸性 Fe3 Al3 Ca2 Mg2 K Na H Li 强碱性 SO42 NO3 Cl OH F HCO3 HSiO3 弱碱性 OH SO42 NO Cl HCO3 在生产中RH的再生液通常用4 5 的盐酸或者1 2 的硫酸 ROH的再生液通常用3 4 的氢氧化钠 6 对于通过离子交换法进行化学除盐化学除盐的反应主要包括两大步骤 即 除盐反应和再生反应 前面已经提到 1 除盐反应 A B C D a 含有NaCl的溶液缓缓从上自下流经树脂层 Na 受限于表层树脂中的H 进行交换 水中一部分Na 转入树脂中 树脂中的一部分H 转入水中 当水继续向下流动时 这种交换继续进行 因此水中的Na 不断减少 H 不断增加 在流经过一段距离后 水中原有的Na 全部交换成H 之后继续向下流的水及其流过的树脂不会再发生变化 交换器中的出水全部为H 而Na 含量等于0 7 1 除盐反应 A B C D b 随着水不断流过 上部进水端树脂很快全部转化为RNa 故失去了继续交换能力 交换进入下一层 这时在树脂中形成3个层区 如b图所示 上部AB层为失效层 树脂全部变成RNa 中部BC层为工作层 在这一层中从上到下RNa逐渐减少至0 下部CD层为未工作层 树脂仍然为RH 水通过这一层时水质不发生任何变化 天然水中常含有Ca2 Mg2 Na 等多种阳离子及其他多种阴离子 因此离子交换并非这么简单 但是从上自下被吸着的离子按照该离子选择性顺序在树脂层中依次排布 最上部是选择性最大的离子 最下部是选择性最小的离子 各种离子的选择性差异越大则在树脂层中的分层就越明显 故当下部出水中含有选择性最小的离子时说明离子交换达到终点且离子树脂已经除盐完毕 全部失效 8 2 再生反应 树脂失去继续交换水中离子的能力时称为失效 通常交换器运行至欲出去离子开始泄露即认为失效 失效树脂需再生才能恢复交换能力 恢复树脂的交换能力称为再生 再生所用的化学药剂称为再生剂 阴离子树脂的再生剂一般用NaOH等 阳离子树脂再生剂一般选用HCl或者H2SO4 因为离子交换反应是可逆的 故树脂运行所吸着的离子完全有可能由再生剂中带同类电荷的离子取代 但是实际上 再生反应只能进行到平衡状态 只用理论量的再生剂是不能使树脂的交换容量完全恢复的 因此再生剂的用量通常超过理论量 9 10 离子交换器种类 复床是指把装有阳离子交换树脂的离子交换器与装有阴离子交换树脂的离子交换器先后串联起来使用以达到同时除去电解质溶液中的阳离子与阴离子或两种以上不同物质的目的交换器 混床是指将阴阳离子交换树脂按一定比例混合后放在同一个交换器内所组成离子交换系统 通过复床可将水中的种矿物盐基本除去 为了获取较好的除盐效果 阳床内装载强酸阳离子交换树脂 阴床一般内装载强碱阴离子交换树脂 混床也分为体内同步再生式混床和体外再生式混床 11 离子交换器运行过程 一个完整的离子交换除盐系统运行周期包括 除盐 反洗 再生 正洗4步 除盐 经RH除去金属离子的水再经过ROH树脂层依次除去水中的阳离子和阴离子最后得到纯水 反洗 用清水松动交换剂层 清除树脂层内的悬浮物 破碎的树脂和气泡等 反洗至水澄清为止 反洗水从下而上进行洗涤 便于将树脂层清洁干净并且将密实的树脂层适当松动 12 离子交换器运行过程 再生 打开空气门和进水门 后将一定浓度的再生液送入交换器内 由再生装置将再生液均匀分布到整个树脂层 并将交换器内的空气经气管排出 空气排净后关闭空气门打开排水门 此时再生液流过树脂层 并与失效的阳离子 或者阴离子 树脂发生离子交换反应 使失效的树脂再生 再生过程废液从排水门排出 正洗 待树脂再生后的废液基本排完 树脂中仍有残留的再生剂和再生产物 必须将其洗除 交换器方能投入运行 正洗时清水沿运行线路进入交换器 排水门 排入地沟 正洗开始时排出废液中仍然有再生剂和再生产物 随着正洗的进行 出水中两者含量逐渐减少 除盐交换反应开始发生 排水基本符合水质标准时关闭排水门结束正洗 开始进行下一周期的运行 13 离子交换器 混合床离子交换器结构1 放空气管 2 观察孔 3 进水装置 4 多孔板 5 档水板 6 滤布层 7 中间排水装置 14 离子交换器 离子交换器结构离子交换器再生装置1 放空气管 2 进水漏斗 3 再生装置 4 缝式滤头 5 混凝土 15 混床运行过程 混床是把阳 阴树脂混合装在同一个交换器内运行的 所以运行操作与一般固定床不同 特别是混床的再生操作差别很大 当混床树脂失效再生时 首先应把混合的阳 阴树脂分层 然后才能分别通过酸 碱再生液进行再生 这是混床操作的特点 再生方法分为体内再生法和体外再生法 其体内再生法 其步骤为 反洗分层 再生和正洗 16 混床运行过程 反洗分层 由于阳 阴树脂比重的不同 当混床树脂反洗时 在水流作用下树脂会自动会层 阳 阴树脂的比重差越大 分层越迅速 彻底 再生 混床中阳 阴树脂分层后 就可以对上层的阴树脂和下层的阳树脂分别进行再生 亦可同时进行再生 再生阴树脂时 碱液从上部的进碱管进入 通过失效的阴树脂层 使失效树脂再生 其废液由混床中部排液装置排出 再生阳树脂时 酸液从下面通过底部配水装置进入失效树脂层 使失效的阳树脂再生 其废液从混床中部的排液装置排出 正洗 正洗就是用清洗水从上部进入 通过再生后的树脂层由底部排出 首先进行混合前正洗 当正洗到排水的导电度在规定值以下时 停止混合前正洗 然后从混床交换器底部进入压缩空气 把两种树脂混合均匀 进行混合后的大流量正洗 流速约为20米 时左右 至出水合格 投入运行或备用 17 混床运行过程 混床体外再生 凝结水混床常采用体外再生方式 体外再生系统有三个主要功能 一是分离阴 阳树脂 二是空气擦洗树脂除去金属腐蚀产物 三是对失效树脂进行再生和清洗 体外再生系统中包括下述子系统 1 用于树脂分离 再生 贮存的系统 2 用于酸碱贮存 计量 投加的酸 碱系统 3 用于树脂反洗 清洗 输送及稀释再生剂的自用水系统 4 用于擦洗树脂 混合树脂的压缩空气系统 其余基本原理与体内再生基本一致 18 混床体外再生 再生液系统 阴 阳树脂再生塔 酸碱输送泵 贮存罐 计量箱 计量泵 热水罐 再生泵 再生过程 分离塔 送失效树脂 再生塔 空气擦洗 树脂再生 送回分离塔 19 混床运行特点 混床和复床运行相比有以下特点 1 出水水质优良 2 出水水质稳定 3 间断运行对出水水质影响较小 4 终点明显 5 混床设备比复床少 6 混床设备比复床少 布置集中 7 树脂交换利用率低 树脂损耗率大 再生操作复杂 为保证出水水质常须投入较多再生剂 20 离子交换功与过 1 离子交换出水水质好 设备占地小 除盐系统可以简化 2 对水源水质变化具有适应性和出水质量的可靠性 3 由