第22-24章除盐膜法幻灯片.ppt

第22章水的除盐与咸水淡化,22.1水的纯度概念1、水的纯度是以水中的含盐量或水的电阻率来衡量。根据工业部门的水质的不同要求，水的纯度可分为4种淡化水、脱盐水、纯水、高纯水2、海水淡化与水的除盐方法主要有蒸馏法、反渗透法、电渗析法和冷冻法海水淡化方法的能耗,3、进水水质预处理,预处理包括去除悬浮物、有机物、胶体物质、微生物、细菌以及有害物质（杂质对膜和树脂的危害）膜分离装置和离子交换器对进水水质指标的要求,22.2离子交换除盐方法与系统,一、阴离子交换树脂的工艺特性阴离子交换树脂通常是在粒状高分子化合物母体的最后处理阶段导入伯胺、仲胺或叔胺基团而构成的。1、分类：强碱性阴离子交换树脂：季胺型、型、型弱碱性阴离子交换树脂：伯胺型、仲胺型、叔胺型2、结构：凝胶型、大孔型、均孔型,22.2离子交换除盐方法与系统,3、强碱性树脂的工艺特性：ROH+HClRCL+H2O2ROH+H2SO4R2SO4+2H2OROH+H2CO3RHCO3+H2OROH+H2SiO3RHSiO3+H2O,4、强碱树脂的选择性顺序：,SO42-NO-4Cl-F-HCO-3HSiO-35、强碱阴离子交换器运行过程：硅酸泄漏，电导率瞬时下降。除硅要求：1）进水成酸性，2）进水漏钠量要低，3）再生条件要求高。6、弱碱性树脂的工艺特性1）弱碱性树脂只能与强酸阴离子反应，而不能吸附弱酸阴离子，弱碱阴床往往设置在强酸阳床之后。2）弱碱性树脂极易再生。3）弱碱性树脂交换容量高于强碱性树脂4）抗有机污染物的能力强，可放在弱碱阴床之前。5）清洗以氯离子泄漏，电导率迅速上升为讯号。,二、阴离子交换树脂的工艺：,1、复床除盐：复床是指阳、阴离子交换器串联使用，达到水的除盐的目的。1）强酸脱气强碱系统强碱阴床设置在强酸阳床之后的原因：a:易生成碳酸钙、氢氧化镁沉淀，交换容量降低b:不利于去除硅酸c:抗有机污染物的能力d:碳酸的去除增加在阴离子交换器上,二、阴离子交换树脂的工艺：,2）强酸脱气弱碱强碱系统2、混合床除盐：1）基本原理：阴、阳离子交换树脂装填在同一个交换器内，再生时使之分层再生，使用时先将其均匀混合，这种阴、阳树脂混合在一起的离子交换器成为混合床。RH+ROH+NaClRNa+RCl+H2O特点：出水纯度高，水质稳定，间断运行影响小，失效终点明显。,二、阴离子交换树脂的工艺：,缺点：再生时阴阳树脂很难彻底分层，造成树脂的交叉污染。（三层床工艺）2）装置及再生方式：体内再生反洗分层进碱再生阴树脂正洗进酸再生阳树脂正洗混合最后正洗3）高纯水的制备和终端处理：复床与混合床串联或二级混合床串联是当前制取纯水和高纯水的有效办法，如：强酸脱气强碱混合床系统,二、阴离子交换树脂的工艺：,强酸弱碱混合床系统混合床系统3、氢型精处理器：克服了混合床再生操作复杂，阴、阳树脂难分开的缺点，近几年提出的新工艺，即在复床之后设置一高流速阳床以代替混合床，可以简单而且彻底的达到去除钠离子的目的。RH+NaOHRNa+H2O4、离子交换双层床：,二、阴离子交换树脂的工艺：,1）阳离子交换双层床原理：阳离子交换双层床即在同一交换器内装有弱酸111和强酸00111两种树脂，借助于树脂湿真密度之差别，经反洗分层后，使弱酸树脂位于上层，强酸树脂位于下层。特点：由于弱酸树脂及串联再生的应用，使阳离子交换双层床的交换能力提高，酸比耗降低，废酸量亦显著减少。弱酸和强酸两种树脂的体积比主要取决于树脂交换容量和原水水质。（22-11）阳离子交换双层床适用于硬度/碱度的比值接近于1或略大于1而钠离子含量不大的水质。2）阴离子交换双层床,阴离子交换双层床由弱碱301和强碱2017两种树脂组成，上层弱碱树脂主要去除强酸阴离子，下层强碱树脂主要去除弱酸阴离子。,实践表明，弱碱树脂及逆流串联再生的采用给阴离子交换双层床增添如下特点：a:交换能力提高。b:碱比耗减少，废碱量降低。c:对原水含盐量的适用范围扩大。d:伴以热再生，提高水质，减少硅含量。,e:用工业低质碱液再生的适应能力较强。阴离子交换双层床再生过程出现大量的胶体硅的原因及防止措施：a:下层强碱的再生产物进入上层弱碱树脂发生反应置换出大量的硅酸和碳酸，易析出胶体硅。b:失效后立即再生。c:交换器及再生液保持一定的温度（40）。d:先用1%的碱液快速通过双层床，再用3%的碱液以正常流速再生。,5、树脂的污染与复苏处理,1）树脂的污染：主要是由原水中的悬浮物、微生物、各中有机物和无机物所致。阳树脂的污染主要来自无机物，阴树脂的污染主要来自有机物的吸附。2）污染树脂的复苏处理：受无机阳离子污染的阳树脂通常用盐酸酸洗处理硅污染的阴树脂可用过量的碱再生液（约40度）进行再生,22.3电渗析法,电渗析、反渗透、超滤以及渗析统称为膜分离法。渗透：膜能使溶剂（水）透过的现象。渗析：膜能使溶质透过的现象。一、电渗析原理：在外加电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性（即阳膜只允许阳离子透过，阴膜只允许阴离子透过），是水中阴、阳离子作定向迁移，从而达到离子从水中分离的一种物理化学过程。阴极还原反应：H2OH+OH-2H+2eH2极水成碱性，同时有碳酸钙和氢氧化镁沉淀出现。阳极氧化反应：H2OH+OH-,22.3电渗析法,4OH-O2+2H2O+4e2Cl-Cl2+2e极水成酸性，对电极有腐蚀性。二、电渗析器的构造：包括压板、电极托板、电极、极框、阴膜、阳膜、浓水隔板、淡水隔板等部件。整个结构可分为膜堆、极区、紧固装置等3个部分。1、膜堆：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列，组成基本的脱盐单元，称为膜对。电极（包括共电极）之间由若干组膜对堆叠一起即为膜堆。,22.3电渗析法,隔板构造：配水孔、布水槽、流水道、隔网。隔板材料：聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡胶隔板形式：有回路式、无回路式2、极区：原水进口、淡水出口、浓水出口、极水出口3、紧固装置,22.3电渗析法,4、电渗析器的组装：一对电极之间的膜堆称为一级，具有同向水流的并联膜堆称为一段。增加段数就等于增加脱盐流程，提高脱盐效率。增加膜对数，可提高出水量。三、电流效率：是一个淡室实际去除的盐量与应析出的盐量之比。电能效率：指电渗析器脱盐所需的理论耗电量与实际耗电量之比。极限电流密度：膜界面的浓差极化现象：阳膜淡室一侧膜表面存在一层厚的界面层，在电流密度i下，阳离子在阳膜的迁移数比在溶液的迁移数多，造成膜表面的阳离子亏空，使界面层两侧出现浓度差，从而产生了离子扩散的推动力，若i逐渐增大值到一定程度，离子扩散不及，膜界面引起水的离解，H+透过阳膜来传递电流，这种界面现象称作浓差极化现象。此时的电流密度称作极限电流密度。（22-25）,四、极化与沉淀：在电渗析器的界面现象中，极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧，而另一侧沉淀现象则主要发生在阴膜的浓室一侧。当阴膜淡室一侧出现水的离解，产生OH-离子迁移通过阴膜进入浓室，使浓水的PH值上升，出现CaCO3以及Mg(OH)2沉淀现象。这些沉淀物附着于膜表面，从而增加膜电阻、加大电能消耗、减小膜的有效面积、降低出水水质、影响正常运行。目前防止和消除结垢的主要措施有：（1）控制操作电流，以避免极化现象的发生，减缓水垢的生成。（2）定时倒换电极，使浓淡室随之相应变换，这样，阴膜两侧表面上的水垢，溶解和沉积相互叫特，处于不稳定状态,（3）定期清洗，用浓度1-1.5%盐酸溶液在电渗析器内循环清洗以消除结垢，酸洗周期从每周到每月一次，视实际情况而定。五、电渗析法适用于进水含盐量在500-4000mg/L，当进水含盐量大于4000mg/L可与反渗透法作技术经济比较，确定合理的淡化水的系统。由于所电渗析法需压力较低，设备简单，因而便于推广使用，但该法对胶体硅和有机物则难以去除。电渗析技术的发展：,1、频繁倒极电渗析工艺2、提高电渗析器的水利用率3、高温电渗析4、不解体清洗的电渗析5、鼓泡式电渗析6、与其他脱盐技术相组合的除盐工艺。,22.4反渗透与超滤,渗透现象：用只能让水分子透过，而溶质不能透过的半透膜将纯水和咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过，结果使咸水一侧的液面上升，此所谓渗透现象。渗透达到平衡状态时，半透膜两侧存在一定的水位差或压力差，即为在指定温度下的溶液的渗透压。反渗透；当咸水一侧施加压力P大于该溶液的渗透压，可迫使渗透反向，实现反渗透过程。超滤：用于截留水中胶体大小的颗粒，而水和低分子量溶质则允许透过膜。超滤膜的平均孔径介与反渗透膜和微孔滤膜之间。,一、反渗透膜及其透过机理,目前用于水的淡化除盐的反渗透膜主要有醋酸纤维素（CA)膜和芳香族聚酰胺膜两大类。透过机理：选择性吸着-毛细管流机理CA膜反渗透装置使用于含盐量在10000mg/L以下的苦咸水的淡化，进水含盐量超过10000mg/L可采用复合膜反渗透装置。也可用反渗透-离子交换联合除盐，达到纯水的水平。二、反渗透装置、工艺流程与布置系统,装置：板框式、管式、卷式合中空纤维式流程：预处理、膜分离、后处理布置系统：单程式、循环式、多段式,三、超滤膜；多孔结构，机理主要是筛除作用。种类及装置同反渗透膜。超滤虽无脱盐性能，但对于去除水中的细菌、病毒、胶体、大分子等微粒相当有效，与反渗透相比，操作压力低，设备简单，用于纯水的终端处理较为理想。超滤过程的浓差极化：在膜分离过程中，水连同小分子透过膜，而大分子溶质则被膜所阻拦并不断积累在膜的表面上，使溶质在膜面处的浓度高于溶质在主体溶液中的浓度，从而在膜的附近边界层内形成浓度差，并促使溶质从膜表面向着主体溶液进行反向扩散，这种现象称作浓差极化。,四、纯水的制备：前处理反渗透器脱盐水箱离子交换复床离子交换混合床紫外线灯超滤器使用点表22-14,22.5蒸馏法,在目前以实用化的淡化方法有三种：蒸馏、反渗透、电渗析蒸馏法有多效蒸发、多级闪蒸、压气式蒸馏和太阳能正蒸馏多效蒸发：为了提高热效能，将多个蒸发器串联操作。其优点是不受水的含盐量的限制，适用于废热利用的场合。缺点是设备费用高，防腐要求高，结垢危害较严重。多级闪蒸：是改进的多效蒸发，其优点是适用于淡化海水可利用低位热能或废热，由于加热面与蒸发面分开，结垢危害教轻，适用大型淡化装置。其缺点是海水循环量大，浓缩比较低。,水的冷却和循环冷却水水质处理,第23章水的冷却冷却水系统：直流冷却水系统循环冷却水系统：封闭式、敞开式（冷却塔）23.1冷却构筑物的类型冷却构筑物大体有三类：水面冷却池、喷水冷却池、冷却塔。冷却塔分湿式（敞开式）、干式（密闭式）和干湿式（混合式）3种湿式冷却塔是指热水和空气直接接触、传热和传质同时进行的敞开式循环冷却系统。干式冷却塔是指水和空气不直接接触，冷却介质为空气。干湿式冷却塔是热水和空气进行干式冷却后再进行湿式冷却的构筑物。,一、水面冷却池,浅水水池：h4m明显异重流产生河流、湖泊、海湾：主流区、回流区、死水区综合散热系数：蒸发、对流、水面辐射水力负荷：0.01-0.1m3/(m2h)二、喷水冷却池配水管系统、喷嘴（49-69kPa）、集水井、溢流井、增压系统三、湿式冷却塔（图23-5）传质、传热：热水上下空气下上,23.2冷却塔的工艺构造,抽风式逆流冷却塔：1、热水分配装置（配水系统、淋水填料）2、通风及空气分配装置（风机、风筒、进风口）3、其它装置（集水池、除水器、塔体）抽风式横流冷却塔：,23.2冷却塔的工艺构造,一、配水系统：将热水均匀的分配到整个淋水面积上。形式：1、管式配水系统1）固定管式：配水干管、支管、喷嘴（离心式、冲击式）2）旋转管式：旋转布水器有利于热交换，适用于小型玻璃钢逆流冷却塔。2、槽式配水系统：配水总槽、支槽、溅水喷嘴。用于大型塔或水质差或供水压力低的系统，管理方便、通风阻力大，易积沉淀物。,23.2冷却塔的工艺构造,3、池式配水系统：横流塔。配水均匀，供水压力低，维护方便，但易生藻类。二、淋水填料：溅散成小水滴或水膜，增大水和空气的接触面积，延长接触时间，是冷却的主要过程。淋水填料的基本要求：亲水性、阻力小、加工方便、价廉、表面积大形式：1、点滴式淋水填料横断面为三角形，水膜散热25-30%，水滴散热65-70%,23.2冷却塔的工艺构造,填料排列：弧形板条、十字形板条、L形2、薄膜式淋水填料1）斜交错（斜波）淋水填料2）梯形淋水填料3）塑料折波淋水填料3、点滴膜式淋水填料,23.2冷却塔的工艺构造,1）水泥格网淋水填料2）蜂窝淋水填料4、各种淋水填料的比较1）60大中斜波、折波、梯形波填料在大中型逆流式自然或机械通风塔中应用较广，但要防止堵塞和结垢。2）水泥格网填料在大中型逆流钢筋混凝土塔中应用较多。3）30斜波、折波、弧形波填料在横流塔中采用。,23.2冷却塔的工艺构造,三、通风及空气分配装置1、风机：自然通风：风筒机械通风：轴流式风机2、通风筒：进风口收缩段、进风口、扩散筒3、空气分配装置：进风口、导风装置,23.2冷却塔的工艺构造,四、其它装置1、除水器：雾状小水滴分散回收，减少水量损失。形式：塑料斜波：小型冷却塔弧形除水片组成单元块：大中型冷却塔2、集水池：储存和调节水量的作用，作为循环水泵的吸水井。3、塔体：封闭、维护作用。大中型冷却塔：钢筋混凝土、防腐钢小型冷却塔：玻璃钢,23.3水冷却的理论基础,一、湿空气性质：压力、湿度、密度、比热、焓决定绝对湿度：每立方米湿空气中所含水蒸气的质量称为空