《离子交换水处理》PPT课件

1、腾龙芳烃（厦门）有限公司,离子交换 公用部 张士敏,工业用水种类繁多，水质要求各不相同 食品、酿造、饮料原料用水：高于生活饮用水标准 纺织、造纸：水质清澈，对产生斑点的物质控制 锅炉补给水（与锅炉压力有关系） ： （1）避免锅炉水由于硬度而生垢浪费燃料、烧损部件、爆炸 （2）避免 Ca2+ 、 Mg2+对工业冷却设备正常运行 的影响传热系数低、导热性能差 电子工业：高纯水 循环冷却水：水温低，无悬浮物、藻类、微生物，对产生腐蚀、结垢等的物质控制,水的纯度 （1）淡化水：生活及生产用的淡水 （2）脱盐水：含盐量为15mg/l，强电解质大部分被去除 （3）纯水：去离子水，含盐量为0.1mg，强电解

2、质绝大部分被去除，弱电解质也去除到一定程度。25.0C，0.11.0106cm。 （4）高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。含盐量0.1mg/L，25.0C，10106cm 。理论上纯水（即理想纯水）的电阻率为18.3106cm,1、树脂的结构 、合成、分类、命名 2、树脂的基本性质 3、离子交换基本原理 4、离子交换的软化系统 5、复床和混床的运行 6、树脂的再生 7、新树脂的预处理 8、树脂的变质和污染 9、树脂的鉴别,概 述,离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物。它具有一般聚合物所没有的新功能离子交换功能，本质上属于

3、反应性聚合物,以上即为离子交换树脂概况及离子交换法的基本作用原理,1 离子交换树脂的结构 1.1 离子交换树脂的结构 离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网 状高分子材料，其外形一般为颗粒状，不溶于水和一 般的酸、碱，也不溶于普通的有机溶剂，如乙醇、丙 酮和烃类溶剂。常见的离子交换树脂的粒径为0.3 1.2mm。一些特殊用途的离子交换树脂的粒径可能大 于或小于这一范围,图1-1 树脂的网络骨架 图1-2树脂的三维结构,图1-2 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图,1.1.1高分子骨架 离子交换树脂的骨架是具有庞大空间结构的高分子化合物，是由单体聚合交联形成的。根据单体种类的不同，可将树脂分为

4、苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等。 1.1.2离子交换基团 离子交换基团是连接在高分子骨架上，带有可交换离子（也称反离子）的离子型官能团（如-SO3H、-COOH、）等，或带有极性的非离子型官能团 （-NH（CH3）。交换基团的结构由两部分组成一为固定部分，与高分子骨架结合，不能自由移动，成为固定离子；二是 活动部分，在水中能电离，并能在一定范围内 SO3 Na+ 自由移动，可与其周围水中的同性离子进行交 SO3 Na+ 换反应，称为可交换离子或反离子 SO3 Na+ 固定离子 反离子 离子交换基团,1.1.3孔 孔是树脂在高分子结构中的凝胶孔和高分子结构之间的毛细孔，它在干态和湿态的离子交换树脂

5、中都存在。 1.2离子交换树脂的合成 A、高分子骨架的合成 B、离子交换基团的引入,交联剂,活性基团,在图1-3中，我们可以了解到树脂很重要的一个概念： 1.2交联度：树脂中所含交联剂的质量百分率。比如图1-3中，它是以苯乙烯为单体，二乙烯苯作交联剂。（二乙烯苯分子上有两个可以聚合的乙烯基，可以把苯乙烯聚合物链交联起来，故称为交联剂。）它的交联度（简写为DVB），就是聚合时二乙烯苯的质量占苯乙烯与二苯乙烯总质量的百分率,交联度的影响 A、树脂的交联度小，则对水的溶胀性能好，网眼大，交换反应速度快；机械强度差；抗氧化性能也差。 B、树脂的交联度一般7一12为宜。 1.3白球：就是没有可进行离子交

6、换基团的高分子骨架，是半成品,附：强碱型阴离子交换树脂的制备 强碱型阴离子交换树脂主要以季胺基作为离子交 换基团，以聚苯乙烯作骨架。制备方法是：将聚苯乙 烯系白球进行氯甲基化，然后利用苯环对位上的氯甲 基的活泼氯，定量地与各种胺进行胺基化反应。 苯环可在路易氏酸如ZnCl2，AlCl3，SnCl4等催化下，与氯甲醚氯甲基化,所得的中间产品通常称为“氯球”。用氯球可十分 容易地进行胺基化反应,2 离子交换树脂的分类 离子交换树脂的分类方法有很多种，最常用和最重要的分类方法有以下两种。 2.1按交换基团的性质分类 按交换基团性质的不同，可将离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类,阳离

7、子交换树脂可进一步分为强酸型、中酸型和 弱酸型三种。如RSO3H为强酸型，RPO(OH)2为 中酸型，RCOOH为弱酸型。习惯上，一般将中酸 型和弱酸型统称为弱酸型。 阴离子交换树脂又可分为强碱型和弱碱型两种。 如R3NCl为强碱型，RNH2、RNRH和，R NR”2为弱碱型,2.2按树脂的物理结构分类 按其物理结构的不同，可将离子交换树脂分为凝胶型、大孔型和均孔型三类,图14 不同物理结构离子交换树脂的模型,1）凝胶型离子交换树脂 凡外观透明、具有均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂。这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔，其孔眼是由高分子链与交联剂相键合而形成的。在水

8、中会溶胀成凝胶状，并呈现大分子链的间隙孔。大分子链之间的间隙约为24nm。一般无机小分子的半径在1nm以下，因此可自由地通过离子交换树脂内大分子链的间隙。对于直径较大的有机分子则容易堵塞孔道而影响交换能力，特别是阴离子交换树脂更容易受到有机污染。交联度不能太大，否则树脂孔眼过小而使离子交换反应太慢，没有使用价值；而交联度太小，则树脂的抗氧化性能和机械强度都很差,2）大孔型树脂 在大孔型树脂制造过程中，由于加入了制孔剂而在球体内部形成大量的毛细孔道，故称为大孔型树脂。在大孔型树脂的球体中，高分子的凝胶骨架被毛细孔道分割成非均相的凝胶结构。它同时存在毛细孔和凝胶孔，其中毛细孔的体积一般为0.5mL

9、(孔)/g（树脂）左右，孔径在20-100nm。大孔型树脂的交联度通常比凝胶型树脂大，因此其抗氧化性能比凝胶型树脂好，机械强度高。其孔大，使离子交换反应的速度加快，直径较大的有机物也能通过，因此可以防止有机物的污染。大孔型离子交换树脂的孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米因此其吸附功能十分显著，与交换离子的结合较牢固，再生时不容易重新恢复交换能力，需要消耗较多的再生剂,3）均孔型树脂 树脂产生有机物的中毒的原因之一是交联的不均匀，如果交联均匀，使所有的孔眼大小相近，在树脂内部内部不存在紧密区，树脂就不会“中毒”。因此，在制取均匀孔型树脂时不用二乙烯苯作交联剂，而是在引入氯

10、甲基时，利用副反应使树脂骨架上的氯甲基和邻近的苯环间生成亚甲基桥产生交联的。这种交联不会集拢在一起，网孔较均匀，孔径约几十nm，故称为均孔型树脂。均孔型树脂对有机物的吸附是可逆的，所以不会被污染。而且，均孔型树脂在交换容量和再生性能方面也都有改善,所谓的“中毒”是指其在使用了一段时间后，会失去离子交换功能现象。研究表明，这是由于苯乙烯与二乙烯基苯的共聚特性造成的。在共聚过程中，二乙烯基苯的自聚速率大于与苯乙烯共聚，因此在聚合初期，进入共聚物的二乙烯基苯单元比例较高，而聚合后期，二乙烯基苯单体已基本消耗完，反应主要为苯乙烯的自聚。结果，球状树脂内部的交联密度不同，外疏内密。 在离子交换树脂使用中

11、，体积较大的离子扩散进入树脂内部。而在再生时，由于外疏内密的结构，较大离子会卡在分子间隙中，不易与可移动离子发生交换，最终失去交换功能，造成树脂“中毒”现象。大孔型离子交换树脂不存在外疏内密的结构，从而克服了中毒现象,3 离子交换树脂的命名 我国前石油化学工业部于1977年7月l日正式颁布 了离子交换树脂的部颁标准HG2-884-886-76离子交 换树脂产品分类、命名及型号。 这套标准中规定，离子交换树脂的全名由分类名 称、骨架（或基团）名称和基本名称排列组成,离子交换树脂的基本名称为离子交换树脂。凡分 类中属酸性的，在基本名称前加“阳”字；凡分类中属 碱性的，在基本名称前加“阴”字。此外，

12、为了区别离 子交换树脂产品中同一类中的不同品种，在全名前必 须加型号,离子交换树脂的型号由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结构； 第三位数字为顺序号，用于区别离子交换树脂树脂中 基团、交联剂、致孔剂等的不同，由各生产厂自行掌 握和制定。对凝胶型离子交换树脂，往往在型号后面 用“”和一个阿拉伯树脂相连，以表示树脂的交联度 （质量百分数），而对大孔型树脂，则在型号前冠以 字母“D,各类离子交换树脂的具体编号为： 001099 强酸型阳离子交换树脂 100199 弱酸型阳离子交换树脂 200299 强碱型阴离子交换树脂 300399 弱碱型阴离子交换树脂 400499

13、 螯合型离子交换树脂 500599 两性型离子交换树脂 600699 氧化还原型离子交换树脂,表31 离子交换树脂骨架分类编号,例如，D113树脂是水处理应用中用量很大的一种树脂。从命名规定可知，这是种大孔型弱酸型丙烯酸系阳离子交换树脂；而00110树脂则是指交联度为10%的强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂,4 离子交换树脂的基本性能 4.1外形 离子交换树脂的外形大多是球形。球形树脂填充状态好，水通过树脂层的流量容易均匀，压力损失较小，单位体积的容器球形树脂的装载量最大。 4.2粒度 粒度是指树脂在水中充分膨胀后的颗粒粒径。水处理中常用树脂的粒度一般为16-50目（1.2-0.3mm）。影响：颗

14、粒大，交换速度速度慢；颗粒小，水流通过树脂层的压力损失大；颗粒不均匀时，水流分布也不均匀，导致反洗流速难以控制。流速过大会冲走小颗粒，过小又不能松动大颗粒,4.3颜色 树脂的颜色从乳白、浅黄、深黄至深褐色等多种。树脂的颜色并不影响树脂的使用，但树脂在使用中如果颜色改变，则可能是树脂受到污染。如，钠型阳离子交换树脂，但被铁污染后，树脂的颜色就会变深、变暗，以致破裂。 凝胶型树脂一般呈现透明或半透明状态；大孔型树脂由于毛细孔道对光的折射，呈不透明状态。 4.4密度 湿真密度和湿视密度,1） 湿真密度：指树脂在水中充分溶胀后，其重量与真实体积（不包括树脂间的孔隙）之比。（g/ml）(1.041.30

15、) 苯乙烯型强酸树脂湿真密度约1.3g/ml，强碱树脂为1.1 g/ml。 意义： 1）决定反洗强度 2）混合床水力分级 2）湿视密度：树脂充分溶胀后，其重量与堆积体积之比。（g/ml）一般0.60.85g/ml,4.5含水率 树脂的含水率是指树脂在水中充分膨胀后，所含水分占湿树脂质量的百分数 树脂中所含水分是由交换基团的水合水分和交联网孔中的游离水分组成。树脂所含水率主要取决于树脂的交联度、交换基团的类别和数量等。树脂的交联度低，则树脂的空隙率大，其含水率就高；交换基团中可交换离子的水合力小，其含水量低。树脂在使用过程中，如果含水率发生变化，说明树脂的结构可能遭到破坏,4.6 溶胀性 膨胀体

16、积占全体积的百分率；分两个方面。 A 惰性骨架内的活性基团亲水，使水涌入骨架内。 所以：实际中总是先将树脂溶胀，然后再装。水合离子半径大的溶胀率大。 B 转型时，树脂体积发生变化。 RHRNa（为了运输方便） 各种离子水合离子半径不同；带电的水合离子也不尽相同。 一般，强性树脂转型变化不大，弱性树脂转型变化较大,影响溶胀率有关因素 A、交联度。交联度越小，溶胀率越大。 B、交换基团。交换基团越容易电离，溶胀率越大 C、溶液浓度。溶液中电解质浓度越大，由于渗透压加大，双电层被压缩，溶胀率就越小。 D、可交换离子的水合度。可交换离子的水合度或水合离子半径越大，溶胀率就越大。一般H+Na+NH+K+

17、Ag+；OH-HCO3-=CO32-SO42-Cl- 树脂在使用过程中，由于自身的膨胀，也能导致树脂的破裂。因此掌握树脂的膨胀性能，对延长树脂的使用寿命是有重要意义的,如，当树脂接近老化时，会发生不可逆膨胀的现象。这时，树脂的再生度突然提高，交换流速可以增至很大，但是很快就会降下来，此时树脂的质量交换容量并没有降低，而体积交换容量且显著下降。这种现象是由树脂交联度降低引起的，树脂很快就会老化而报废,唐南理论,唐南理论把离子交换树脂看作是一种具有弹性的凝胶,它能吸收水分而溶胀.溶胀后的离子交换树脂的颗粒内部可以看作是一滴浓的电解质溶液.树脂颗粒和外部溶液之间的界面可以看作是一种半透膜,膜的一边是

18、树脂相,另一边为外部溶液.树脂内的活泼基团上电离出来的离子和外部溶液中的离子一样,可以通过半透膜往来扩散;树脂网状结构骨架上的固定离子,以 表示之,当然是不能扩散的,唐南理论认为质量作用定律也适用与离子交换过程,如果将 型的阳离子交换树脂浸入于溶液中,于是可得式中: , 为树脂相中 和 的浓度; , 为外部溶液中 和 的浓度,由于膜的两边电荷必须呈中性,即: H+外=Cl-外 H+内=Cl-内+R- 因此: Cl-外2 =Cl-内( Cl-内+R- ) 由于膜内有较多的固定离子存在,因此: Cl-外 Cl-内 , H+内 H+外 即阳离子可以进入阳离子交换树脂中进行交换,阴离子则不能,这就是唐

19、南原则. 根据唐南原则阴离子交换树脂也只能交换阴离子,而不能交换阳离子,如果把树脂浸入含有不同离子的溶液中,例如将树脂R-A浸入含 有B+的溶液中,则B+将透过半透膜进入树脂相,与树脂上的A+发 生交换,树脂相中的A+则透过半透膜进入外部溶液,即: A+内+B+外 A+外+B+内 得平衡常数: 如果 1,表示B+比较固定地结合在树脂上;如果 1,则表示 A+比较牢固的结合在树脂上. 的数值说明了离子交换树脂对 于A+ 、 B+ 两种不同离子的选择性,因此称为选择系数,若推广到一般情况,以p,q分别代表离子的价数,则得: 可见各种不同的离子对同一种离子交换树脂的选择系数是 不同的，也就是说不同离

20、子交换亲和力不同，或者说，离子 交换具有一定的选择性 （注：以上各式严格来讲应用活度代替浓度,离子交换选择性问题,影响离子交换选择性的因素很多，目前最令人满意 的是Eisenman理论，现在从最简单的碱金属的交换选 择性入手来进行讨论。 由实验可知，对同一种阳离子交换树脂各种阳离子 的平衡系数按下列顺序增加： Li+Na+K+Rb+Cs+ 但是在含有-COOH基团的弱酸性阳离子交换树脂上， 上述离子交换亲和力的顺序刚好与此相反,一方面，由于离子半径最小的Li+，静电场力最强。因此它吸引水分子形成水合离子的现象最显著，所形成的水合离子的半径最大，于是水合了的Li+静电场引力最弱。而Cs+离子裸半

21、径最大的，静电场引力最弱于是水合的Cs+半径就最小，水合了的Cs+静电场引力就最强,另一方面，离子交换树脂上的活性基团，在电离以后也存在着静电引力。但是不同的活性基团静电场的强弱不同，-COO- 与 SO3- 比较，前者强，后者弱,对于具有弱静电场引力的强酸性阳离子交换树脂，它和水合 Cs+间的引力将最大，交换亲和力最大；和水合Li+间的引力将 最小，交换亲和力最小。因而碱金属离子的交换亲和力顺序是： Li+Na+K+Rb+Cs+ 对于弱酸性阳离子交换树脂，例如含有-COO-的树脂，由于 它具有较强的静电引力场，它将和水分子竞争阳离子，结果它 从水合分子中夺取出阳离子来而与之结合。这时离子裸半

22、径最 小的结合能最大，离子交换亲和力最大，离子裸半径最大的交 换亲和力最小。此时亲和力的顺序是： Cs+Rb+K+Na+Li,离子交换动力学,一个离子交换过程一般用一个反应式表示，如 RH+Na+ RNa+H+ 但实际上包括五个步骤： 溶液中的Na+扩散到达树脂颗粒表面。此过程又叫膜扩散或 外扩散 2 Na+扩散透过树脂表面的半透膜进入树脂颗粒内部的网状结 构中，这一过程称颗粒扩散或内扩散 3 Na+和H+之间发生的交换反应。 被交换下来的H+扩散通过树脂内部及其表面的半透摸即经 内扩散离开树脂相 离开树脂相后的H+必须扩散经过树脂表面一薄层静止不动 的溶液薄膜，即经外扩散后进入溶液主体,由于

23、外部溶液和树脂内部都必须保持 电中性，因此进入树脂与离开树脂的 速度必定相等，所以这五个步骤实质 上可以看作是三个步骤，即膜扩散 颗粒扩散和交换反应 这三个步骤中，交换反应进行是较快 的，而膜扩散和颗粒扩散进行较慢，故 整个交换过程的速度就由膜扩散和 颗粒扩散的速度所决定,对于溶胀了的树脂，在很稀的外部溶液 中（0.01N），膜扩散比颗粒扩散更慢， 此时扩散速率决定于膜扩散速率， 在溶液较浓时（0.01N），颗粒扩散比 膜扩散更慢，此时扩散速率决定于颗粒 扩散速率；浓度介于两者间时，颗粒扩散 和膜扩散速度差不多，交换速度由它们一起控制。 此外，膜扩散和颗粒扩散的速度与树脂颗粒 温度等都有一定关

24、系，这里就不多加讨论了,4.7机械强度 机械强度是一项重要的经济指标。关系到树脂的使用寿命。树脂在运行过程中，由于受到冲击、碰撞、摩擦等机械作用和胀缩的影响，会发生磨损和破碎现象。树脂颗粒应具有一定的机械强度，以保证每年树脂的损耗不超过3%-7%。 树脂的机械强度决定于交联度，交联度大，机械强度就高,4.8总交换容量 交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力地大小。交换容量的单位mg当量/g(干树脂)或meq/L(湿树脂)。交换容量分为两部分，即总交换容量与工作交换容量。 总交换容量是指单位重量或体积树脂内的交换基团总量或可交换离子的总数量。 重量：重量交换容量，毫克当量/克 干树

25、脂 体积：体积交换容量，毫克当量/mL 湿树脂 国产：强酸树脂 45 meq/g 弱酸树脂912meq/ml 实质上，从构造上看，单位重量或体积的空间网状结构因各苯环末端所“具有”的活性基团总数。 A、总交换容量是表示单位树脂所能吸附去除离子的最大量。 B、工作交换容量：指在给定的条件下树脂实际交换容量,4.9 有效工作PH范围 由于树脂活性基团分为强酸、弱酸、强碱和弱碱，水的PH值势必对它们的交换容量产生影响。强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与PH值无关。弱酸树脂在水PH值低时不电离或只部分电离，因而只能在碱性溶液中，才含有较高的交还能力。弱碱性树脂相反，在PH值高时不电离

26、或只部分电离。只是在酸性溶液中才含有较高的交换能力。因此我们得出各种类型树脂的使用有效PH值范围,5离子交换基本原理 离子交换基本原理说明两个方面问题 A、离子交换平衡问题 B、离子交换速度问题 5.1离子交换平衡 离子交换如同化学反应一样，服从当量定律，且是可逆反应，离子交换技术就是基于等当量交换与可逆反应来进行交换与再生的；离子交换中的等当量性、可逆性、选择性是进行水质软化的基本理论依据,5.2离子交换平衡和选择性系数,如果让离子交换树脂与溶液离子的交换达到平衡,选择性系数,对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子M+接触时,选择性系数值的大小表示树脂对金属离子M+的亲和力的大小，它与树脂的

27、类型、离子的性质以及溶液的组成有关,影响离子交换选择性的因素 水合离子半径：半径越小，亲和力越大； 离子化合价：高价离子易于被吸附； 溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量； 离子强度：越低越好； 有机溶剂：不利于吸附； 交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少； 树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力,实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，离子交换树脂树脂亲和力大小有如下一些规律。 金属离子的价数增大，亲和力增大。如 Na+ Ca2+ Al3+ Th4+ 离子价数相同时，亲和力大小随着水合离子半径的

28、减少而增大。如 1价离子：Li+ H+ Na+ NH4+ K+ Rb+ Cs+ Tl+ Ag+； 2价离子：Mg2+ Zn2+ Co2+ Cu2+ Cd2+ Ni2+ Ca2+ Sr2+ Pb2+ Ba2+。 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为： PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSIO3,5.3 离子交换动力学,离子交换是在固相与液相之间完成，交换速度比较慢。一般的离子交换过程有五个步骤： 溶液离子向树脂表面扩散（膜扩散）； 离子通过树脂表面向内部扩散（孔道扩散）； 树脂内进行离子交换（交换反应）； 已交换离子从树脂内部向外扩散（孔道扩散）； 已交换离子由

29、树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散,M,膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？ 慢者控制离子交换反应的速度 (1) 浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步 浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步 介于中间则取决于具体情况 (2) 流速或搅拌速率： 大，则水膜薄膜扩散快 但孔隙扩散基本不受影响 (3) 树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比 孔道扩散，速度与粒径次方成反比 (4) 交联度：交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著,5 .5交换过程分析方法： 在离子交换柱中装填Na 型树脂，从上而下通过含有 一定浓度Ca2+的硬水。交换 反应进行一段时间后，停止 运行，逐层取出

30、树脂样品， 并测定其所吸附的钙离子含 量，以“饱和程度”表示。 饱和程度：单位体积树 脂所吸附钙、镁离子量与其 全交换容量之比，以百分比 表示。 饱和程度曲线,6 交换过程： （1）两个阶段： 交换带形成阶段：饱和程度曲线形状不 断变化随即形成一定形式的曲线。 交换带推移阶段： “交换带”：在某时刻正在进行交换反应 的软化工作层。 “交换带厚度”：可理解为处于动态的软 化工作层厚。沿水流方向，以一定形式每 刻都在推移。 当硬度开始泄露时，树脂层分为两部分： 饱和层：交换容量得到充分利用； 保护层：交换容量得到部分利用，相 当于交换带厚,3）“交换带厚度”的影响因素： 流速： Ca2+：硬度 树

31、脂再生程度 “交换带厚度”对树脂层的有效利用是有影响的。如原水硬度高、采用流速偏大，则交换带厚度大，降低树脂层的利用率,6 离子交换软化方法与系统 6.1 Na离子交换软化法 Na+摩尔质量大，蒸发残渣略有增加 碱度不变 适用于碱度低，只须软化的场合，硬度高，碱度高，难以满足要求,进水初期，进水中所用阳离子均交换出H+，生成相当量的无机酸，出水酸度保持定值。运行至a点时，Na+首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当Na+泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性；当Na+增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度相等。至此，H离子交换结束，交换器开始进行N

32、a+交换，稳定运行至b点之后，硬度离子开始穿透，出水Na+含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出水Na+接近进水Na+，树脂层全部饱和,f) H型树脂与水中Ca2+、Mg2+、Na+交换时水质变化,水中阳离子全部被H+交换,Na+开始泄露，H+下降,硬度泄露，Na+下降,为水中全 部阳离子,交换能 力耗竭,Na+=c(1/2Ca2+1/2Mg2+)碱 度开始泄漏,全部变为钠交换,Ca2+Mg2+已置换树 脂中原吸附的Na,6.2 HNa串联及并联,6.3 除碳器 除碳器原理 由上式可知，水中H浓度越大，水中碳酸越不稳定，平衡向右移动。根据亨利定律，在一定温度下气体在溶液中的溶解度与液面上该

33、气体的分压成正比，当液体中该气体溶解量超过它溶解度时，它会从水中逸出。工业条件下，水中CO2逸出速度与下列条件有关：（1）水与空气的接触面积越大，逸出速度越快；（2）水温与其逸出条件下的沸点越接近，逸出速度越快；（3）水中pH越低，逸出速度越快,CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷.(一般为H床后,除碳器有鼓风式和真空式两种。前者只能除去二氧化碳；后者不仅能除去二氧化碳，还可以除去氧气等各种溶解气体。目前采用比较广泛的是鼓风式除碳器。 A、鼓风式除碳器的结构为圆柱型塔式结构，由配水装置、填料层（拉希环、多面空心塑料球、波纹板等）和鼓风装置（脱碳风机）所组成。水从上部进入塔体，由配水装置均匀地喷

34、淋在填料表面形成水膜，经填料层与空气接触后，流入下部集水箱（中间水箱）。空气由鼓风机从塔底鼓入，与水中析出的二氧化碳一起从顶部排出。 水通过鼓风机除碳，一般可将CO2含量降至5mg/L以下。 B、真空式除碳器 真空式除碳器是利用真空泵或喷射器从除碳器的上部抽真空，使水在常温下呈沸腾状态以除去气体。 水由上部进入塔体，经喷水装置后，在整个截面上喷成雾状，再经填料层后呈水膜状向下流动；所释放的气体则通过顶部真空管路抽出塔外。真空式除碳器的淋洗密度一般为4060m3/(m3h,7 阴离子交换树脂的特性 7.1 强碱性阴树脂的工业特性（ROH ） ROH+H2SO4RHSO4+H2O 2ROH+ H2

35、SO4R2SO4+2 H2O ROH+HClRCl+ H2O ROH +H2CO3RHCO3+ H2O ROH+H2SiO3RHSiO3+ H2O 式和式一般同时进行,但当H2SO4ROH中OH-浓度时，占优势，低浓度时占优势。R2SO4+H2SO42RHSO4-可以进行，树脂由R2SO4变成RHSO4型。 1） 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为： PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSIO3 （1）电荷愈多，选择性愈好 （2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好 （3）还与离子交换基团的性质有关 （4）强酸性选择性好,2） 强碱性阴树脂对水

36、中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得： ROH+NaHSiO3RHSiO3+NaOH （几乎不能进行） 除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过Na床，且通过H型树脂应减少漏钠量 ROH+H2SiO3RHSiO3+H2O H2O电离度极小 （强碱1型碱性较强，除硅能力较大适用于制取纯水，而强碱2型碱性较弱，交换容量大于1型） 3） 阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（600C800C），易受氧化剂的影响而变质 如水中存在氧化剂时，则会使,4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，由于孔道分布 强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出水导电率增加。 树脂孔道大

37、小不一，水中的一些有机物（如腐殖酸等）在树脂颗粒内交联紧密部位会被卡住，时间一长，把该部分交换基团遮盖住，从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后，相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团（-COOH）。 用碱再生时： R-COOH+NaOH RCOONa+H2O 正洗和反应时： R-COONa+H2O RCOOH+NaOH 从而正洗水量大大增加，同时由于正洗时阴离子与ROH发生交换，从而使运行时交换容量低,5）强碱性阴树脂的运行过程,当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水循环回收。 清洗水回收，清洗延长。就是因为树脂受到污染 RCOONa+ H2ORCOOH+NaOH （刚开始出水

38、时，电导率会增加，所以需连续清洗，直到出水达到要求，这就是清洗水回收阶段） 6）除Si求： 出水呈酸性； 进水漏钠量低； 再生条件高，提高温度至（40-500C）有利于再生的进行,这是由于出水中含有的微量NaOH为突然出现的弱酸所中和，生成NaSiO3和NaHCO3，其导电性能低于NaOH的缘故,硅含量,7.2弱碱树脂的工艺特性： R=NH2-OH R-NH3OH 仲胺型 伯胺型 1）.交换能力差，不能吸附弱酸阴离子。 只能吸附强酸阴离子： 2R-NH3OH+H2SO4（R-NH3）2SO4+2H2O PH值（0 7） R-NH3OH+HCIR-NH3Cl+H2O PH值（0 7） 2R-NH

39、3-OH+Na2SO42（R-NH3）2SO4+2NaOH （不能进行） 因为PO43-SO42-NO3-Cl-F-HCO3-HSiO3- 2）.再生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可，实际值是理论值的1.21.4倍,3）.交换容量大 可做强碱阴床前的预处理 4）.抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理 5）.出水呈碱性，NaHCO3，Na HSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸性. Cl- ,首先泄漏（只能吸附强酸阴离子，这是周期讯号,由于酸导电性能较碱为强，因而出水电导率上升,8 运行 8.1复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水

40、的除盐目的） 1）一级复床除盐 强酸脱气强碱系统,一级复床出水的特点： 呈弱碱性 PH= 8 9.5 （阳床微量Na泄漏） . 出水电阻率 0.1 1.0106 *CM脱盐水（普通蒸馏水） . 如果阳床泄漏Na过量的话，电导率会升高。 因而关键是控制阳床的Na泄露，另外除硅时，可采用热碱液再生。 阴床设在阳床之后： A、会在阴床生成CaCO3、Mg（OH）2沉淀 B、不利于除硅 C、阴床抗有机污染物差 D、增加阴床负担（H2CO3,图中b点以前三条曲线都迅速下降，表明离子交换器中树脂再生后，正洗时出水中各种杂质的含量（酸度、钠离子浓度和硬度）都迅速下降，当出水水质达到一定的标准（如b点）时就可

41、以投入运行。所以，在ba段运行期间，阳床出水呈酸性，而且基本呈缓慢变化趋势。运行至a点时，阳床开始有阳离子穿透，根据离子交换活性知道，最先泄漏出的是钠离子；在除盐系统中，为了除去水中H+以外的所有阳离子，强酸性离子交换器必须在有钠泄漏时停止运行(一般此时出水的酸度接近中性)，并进行再生，如图中的a点位置，此点为钠离子穿透点,阳床出水水质 图,图中，b点以前几条曲线迅速下降，表明再生后正洗时，水中杂质迅速下降直至达到运行的出水水质标准，ba区间为稳定交换运行期，出水水质的pH为一定值，电导率缓慢下降,含硅量（以SiO2计）也在一定范围内。运行至a点后，阴床开始失效，但阳床仍在正常运行。此时，阴床

42、由于酸泄漏，故PH值下降；与此同时，阴床出水中的硅含量和电导率增加,阳床正常运行,阴床失效时出水水质,PH值下降，出水二氧化硅含量增加，电导率变化不大,图中复床系统运行到a点，阳床开始失效，但阴床仍在正常运行。此时阳床漏出的Na+流经阴床，在阴床的出水中含有NaOH,使阴床出水PH值升高，并对强碱性阴树脂对HSiO3-的吸附产生干扰作用，使出水的含硅量增加，其反应为： RHSiO3+NaOH=ROH+NaHSiO3,阳床先失效，阴床出水水质 图,PH值上升，出水二氧化硅含量变化不大，电导率增加（NaOH增加,8.2一些典型故障及其原因和消除故障的方法,8.2一些典型故障及其原因和消除故障的方法

43、续,8.2离子交换器运行中的问题,8.3混合床除盐 1）原理与特点： 阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达510106Cm。 RH + ROH + NaCl RNa + RCL +H2O,混合床的特点： . 阴、阳离子交换反应几乎同时进行 . 出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水） .不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性） .失效终点分明 . 设备小 缺点： . 再生时，难以彻底分层 。 . 混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降 . 一般常需进行预处理（混凝、沉淀 、活性炭吸附） . 再生操作复杂 交叉污染：

44、部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分阳树脂转为Na型，造成运行后Na+泄漏,混床出水不合格,9 树脂再生 9.1再生方式 再生方式按再生液流向与运行时水流方向分为顺流、对流和分流三种。 顺流再生是指再生液流向与运行时水流方向一致的再生方式，通常是自上而下流动。 对流再生指再生液流向与运行时水流方向是相对的。习惯上将运行时水流向下流动，再生液向上流动的水处理工艺称逆流再生工艺。将运行时水向上流，床层浮动；再生时再生液向下流的水处理工艺称浮动床工艺。对流再生可使出水端树脂层再生度最高，出水水质好。 分流再生是指再生液自交换器的上端和下端同时进入，由树脂层中间的排水装置排出，运行时水自上而

45、下流过床层。这种交换器上部床层采用顺流再生工艺，下部床层采用对流再生工艺,9.2 顺流再生 （1）优点：构造简单、运转方便、占地少 （2）缺点： 再生剂耗量偏大，再生效果不好（上层好、下层差） 如出水残留硬度大高，因软化时，上层被Ca2+置换出来的Na+与底层未被再生好的树脂起逆反应，使上一周期残留的（未被再生）的硬度离子出现在软化水中,9.3 逆流再生固定床 再生液饱和程度 特点： 再生效果好，耗量可降低20%以上 低 出水水质明显提高 原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出 水水质 中 再生废液中再生剂有效浓度低 工作交换容量提高 高 操作较复杂 从而使底部再生效果好及剂量低等 为

46、何能降低出水硬度,以H型树脂与含钠盐进行交换为例，即能降低钠的泄漏 RH+Na+ RNa+H+ 显然，RNa和C0越小，RH和K越大，则泄漏量Na+就越小。在特定的情况下，当C0和K为定值时，再生后底层树脂的组成RH和RNa直接影响着Na+的树值。逆流再生恰能做到该处RH值最大和RNa值最小，因而水漏钠量可大大减少,9.3.1与顺流再生的不同之处 A、气顶压法： 交换器顶部多一个顶压装置（再生时顶压） 在树脂表面处安装有中间排水装置（穿孔管） 作用：排再生废液、小反洗进水，冲洗白球压层（压脂层）、排气 在中间排水装置上面装填一层厚约15cm的树脂或比重小于树脂而略大于水的惰性树脂（没引入活性基

47、团），称压脂层， 作用是：预过滤、使压缩空气在整个树脂层断面上均匀分布,气顶压法注意问题： 运行若干周期后大反洗一次，将压脂层和树脂层充分清洗（用软化水） 大反洗后第一次再生要适当增加再生剂耗量 设计时要注意布水均匀性,B、水顶压法： 装置原理与气顶压相同，只是将压缩空气用具一定压力的水代替。 设计时必须保证上部压力水与下部再生液的压力平衡，这样才能保证再生废液从中间排水管中排除,C、无顶压逆流再生： 增加中间排水孔开孔面积，使穿孔管的小孔流速在0.10.2m/s 增加压脂层厚度：一般压脂层厚20cm，再生速度小于7m/hr时，不需任何顶压设备，可保证树脂层固定密实，再生效果与有顶压设备相同,

48、9.4 逆流再生操作步骤： 逆流再生固定床的运行通常分为四个步骤，从床层失效后算起为：反洗、再生、正洗和交换。这四个步骤为交换器的一个运行周期。 （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。 （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。 顶压 使床不乱,4）进再生液。开进酸（碱）一次、二次门，启动自用水泵，开喷射器入口门，维持进水流速58m/h，同时开启并调

49、整中间排水门。开酸（碱）计量箱出口门，调整进酸浓度为34%范围内。进碱浓度为22.5%范围内。 （5）逆流冲洗。当再生液进完后，关闭进再生液阀门，停止送入再生液，但喷射器保持原来的流量，在有顶压的情况下，进行逆流冲洗，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（OH-）。逆流冲洗所需的时间一般为3040min，逆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）正洗。最后，用水由上而下进行正洗至出水合格，即可投入运行。 逆流离子交换器一般在运行1020个或更多周期后，进行一次大反洗，以除去交换剂层中的污物和破碎的树脂微粒。通常运行，不进行大反

50、洗。大反洗是从底部进水，废水由上部反洗排水阀门放掉。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1倍以上,为何需软化水逆向冲洗： 逆流再生要用软化水清洗，否则底层已再生好的树脂在清洗过程中又被消耗，导致出水质量下降，失去了逆流再生的特点,9.5 在再生的操作中要注意以下几个问题： 1）压脂层的厚度要符合要求。 2）为使底部树脂的再生程度高，不致被杂质污染而影响出水水质，故在逆流再生后，应用水质较好的水逆流冲洗，如用经过H离子交换的水来逆流冲洗阴离子交换器。 3）中部排水装置应进行必要的加固，以防止其上的管子断裂或弯曲。此外，为了防止在反冲洗的过程中产生过大的应力，

51、在大反洗时的流量应由小到大，以逐渐排除交换器中的空气和疏松树脂层。进入交换器水中的悬浮物含量要小，以免压脂层中积聚污物，造成过大的压降。 4）逆流再生所用的再生剂质量要好，否则，仍不能保证出水水质良好。逆流再生的再生废液中剩余的再生剂量较少，故不宜再用。 5）应防止有气泡混入交换剂层中,9.6混床再生 再生方法有体内再生和体外再生，体内再生又分为酸、碱同时再生和酸、碱分别再生，现以酸、碱分别再生为例,1）反洗分层：反洗流速10m/h左右，反洗到阴、阳树脂明显分层约需时15min。 2）进碱再生：浓度4%再生液以5m/h流速通过阴树脂层，经中间排水管排出，与此同时，小量水流经阳树脂层向上流，以防

52、止碱液下渗。碱耗量为200-250g/mol。 3）阴树脂正洗：用脱盐水以12-15m/h流速通过阴树脂层，正洗到出水碱度在0.5mmol/L以下为止，正洗水量约为10L/L树脂。 4）进酸再生：浓度5%HCl（或1.5%H2SO4）再生液由底部向上流经阳树脂层，由中间排水管排出，与此同时，小量水流经阴树脂层向下流，以防止酸液渗入。酸耗量为100-150g/mol,5）阳树脂正洗：用脱盐水以12-15m/h流速上下同时正洗到出水酸度在0.5mmol/L左右为止，正洗水量约为15L/L树脂。 6）混合：将水放至树脂层表面上约10cm处，通入压缩空气约2-3min使之均匀混合，立即快速排水，使整个

53、树脂层迅速下落，以防止重新分层。 7）最后正洗：流速15-20m/h，正洗到出水电导率大于5105cm， PH7，即可运行,酸再生系统 图,9.7 树脂再生的影响因素 再生剂的品种与纯度 一般认为盐酸的再生效果优于硫酸，硫酸再生成本低于盐酸。再生剂的纯度高，杂质含量少，树脂的再生程度就高，特别是对阴树脂影响更大。 再生剂用量 提高再生剂的用量，可以提高树脂的再生程度，但再生剂比耗增加到一定程度之后，再生程度的提高则不明显。再生剂用量与离子交换树脂的性质有关，一般强型树脂所需再生剂用量高于弱型树脂。不同的再生方式，再生剂用量也有所不同，一般顺流再生的再生剂用量要高于逆流再生的。 再生液的浓度 再

54、生液的浓度与再生方式有关，一般顺流再生的再生液浓度应高于逆流再生的。通常HCl以3%5%为宜，NaOH以2%4%为宜,再生液的温度与流速 提高再生液的温度能提高树脂的再生程度，但再生温度不能超过树脂允许的最高使用温度，一般强酸性阳树脂用盐酸再生时不需加热。强碱性型阴树脂的再生液温度为3550。强碱性型阴树脂适宜的再生液温度为353。 再生液流速影响着再生液与树脂的接触时间，一般以48m/h为宜。逆流再生的再生液流速应保证不使树脂乱层。再生液的温度很低时，不宜提高流速,10 新树脂的处理 离子交换树脂的工业产品中，常含有少量低聚合物和未参与聚合或缩合反应的单体。当树脂与水、酸、碱或其他溶液接触时

55、，上述物质就会转入溶液中，影响出水水质。除了这些有机物外，树脂中还往往含有铁、铅、铜等无机杂质。因此，在对水质要求较高的时候，新树脂在使用前必须进行处理，以除去树脂中的可溶性杂质。 新树脂在用药剂处理前，必须首先用水使树脂充分膨胀。然后，对其中的无机杂质（主要为铁的化合物）可用稀盐酸除去；有机杂质可用稀氢氧化钠溶液除去。但如果树脂在运输或贮存过程中脱了水，则不能将其直接放入水中，以防止树脂因急剧膨胀而破裂，应先把树脂放在10%食盐水中浸泡一定时间后，再用水稀释使树脂缓慢膨胀到最大体积,10.1 脱水树脂的食盐水处理 将树脂装入交换器中，用大于树脂体积的10% NaCl溶液浸泡树脂12h。浸泡完

56、后放掉食盐水，用水冲洗树脂，直至排出的水不呈黄色为止，然后最好再进行反洗。以除去混在树脂中的机械杂质和细碎树脂粉末。 10.2 阳树脂的预处理 将阳树脂浸泡于2%4%NaOH溶液中，经48h后进行小流量反洗，至排水澄清、耗氧量稳定为止，然后再浸泡于5%HCl溶液中，经48h后进行正洗，至排水Cl-含量与进水相接近为止。 10.3 阴树脂的预处理 将阴树脂浸泡于5%HCl溶液中，经48h后，用氢离子交换器出水进行小流量反洗，至排水Cl-含量与进水相接为止。然后再用4% NaOH溶液浸泡，经48h后进行正洗，至排水接近中性为止,10.4 树脂的贮存 如需长期贮存树脂时，最好把树脂转变成盐型，并浸泡

57、在水中。如贮存过程中树脂脱了水，也应先用浓（如10%）食盐水浸泡，再逐渐稀释，以免树脂急剧膨胀而破碎。 树脂在贮存处和运输过程中的温度不宜过高或过低，一般最高应不超过40；最低不得在0以下，以免冻裂。如冬季没有保温设备时，可将树脂贮存在食盐水中，食盐水的浓度可根据具体气温条件而定,10.6树脂变质 10.6.1 阳树脂 阳树脂在应用中变质的主要原因是由于水中有氧化剂，如游离氯、硝酸根等。当温度高时，树脂受氧化剂的侵蚀更为严重，若水中有重金属离子，因其能起催化作用，致使树脂加速变质。 阳树脂氧化后发生的现象为：颜色变浅，树脂体积变大，因此易碎和体积交换容量降低，但质量交换容量变化不大。由于设备中

58、树脂上下层与进水接触先后顺序不同，受侵害的程度也不同，当水下流时，上层树脂首先与含氧化剂的水接触，所以遭受侵害的程度最大,实践证明，强酸性H型树脂受侵害的程度最为强烈，如当进水中含有0.5mg/L Cl2时，只要运行46个月，树脂就有显著的变质。而且由于树脂颗粒变小，使水通过树脂层的压力损失明显增大。磺酸基阳树脂的碳链氧化断裂产物（有些是含磺酸基的苯乙烯聚合物），由树脂上脱落下来以后，变为可溶性物质。这些可溶性物质中还会有弱酸基，因此当这随水流入阴离子交换器时，首先被阴树脂吸着，吸着不完全时，就留在阴离子交换器的出水中，使水质降低。除去水中游离氯，常用两种方法，一种是用活性炭过滤，另一种是投加

59、亚硫酸钠。活性碳除氯机理： 大孔强酸性阳离子交换树脂，在抗氧化性和机械强度方面都比较好，而交换容量、再生效率、漏钠量均与凝胶型树脂相差不多,10.6.2 阴树脂 总的来说，阴树脂的化学稳定性比阳树脂要差，所以它对氧化剂和高温的抵抗力也较差，但阴离子交换器在除盐系统中一般都是布置在阳离子交换器之后，进入除盐装置的水中的强氧化剂都消耗在氧化阳树脂上了，无形中对阴树脂起了保护作用，一般只是溶于水中的氧对阴树脂起破坏作用。 强碱性阴树脂在氧化变质的过程中，表现出来的是交换基团的总量和强碱性交换基团的数量逐渐减少，且后者的速度大于前者。这是因为阴树脂被氧化的初期，季铵基团在大多数情况下变成能进行阴离子交

60、换的弱碱性基团。氧化变质的速度，开始时最大，随后逐渐减低，约两年后氧化速度几乎为恒定。这是因为，各种季铵基团的稳定性不同，在新树脂中含有加快树脂降解速度的杂质，这些杂质在作用过程中渐渐被除掉。树脂颗粒表面或接近表面处最易受侵害。 型强碱性阴树脂比型易受氧化，运行时提高水温会使树脂的氧化速度加快。防止阴树脂氧化可采用真空除气，这对应用型强碱性阴树脂时更有必要,10.7树脂污染 10.7.1阳树脂 阳树脂会受到进水中的悬浮物、铁、铝、硫酸钙、油脂类等物质的污染。在除盐系统中用的阳树脂受铁、铝污染的可能性很少，因为以酸作再生剂能很好地溶解和清除掉铁、铝的沉积物。但在软化水系统中的阳树脂，会在相当时间