水的软化及技术

1、水的软化及技术一、概述1、概念硬度：钙和镁以化合物的形式存在的部分称为硬度。硬度分为暂时硬度和永久硬度。 暂时硬度：通过加热去除的硬度，碳酸盐硬度。永久硬度：非碳酸盐硬度。软化：去除水中部分或全部硬度的过程称为水的软化2、硬度单位硬度常用单位有 mg/L, mmol/L, 度(我国用德国度) ， meq/L (毫克当量浓度)2+ 2+ 各单位之间的换算关系为 1meq/L=2.8 度=50mgCaCO3/L=0.5 mmolCa 2+/L=1 mmol ( 1/2Ca 2+) /L二、软化技术1、软化基本方法( 1)加热法通过加热去除暂时硬度，其去除硬度的原理可用方程式Ca(H CO3)加热

2、CaCO3+H2O+CO2表示( 2)药剂软化 石灰软化法其基本原理表示如下：CaO + H 2O = Ca(OH) 2CO2 + Ca(OH) 2 -CaCO 3+ H2OCa(HCO3) 2 + Ca(OH) 2 - 2CaCO3 + 2H 2OMg(HCO3) 2 + 2Ca(OH) 2 - 2CaCO 3+ Mg(OH) 2 +2H2O若碱度 硬度，还应去除多余的HCO3 ，若水中存在 Fe 离子，也要消耗 Ca(OH) 2 。 石灰 - 纯碱法可以去除碳酸盐和非碳酸盐硬度 石灰石膏法当原水的碱度大于硬度，即负硬度(有碱度存在时)出现时采用，基本原理表示如下：2NaHCO3 + CaS

3、O 4 + Ca(OH) 2 2CaCO 3 + Na2SO 4 + 2H 2O( 3)离子交换法离子交换法去除硬度比较彻底，离子交换法软化水的工艺如下图所示48（ 4）膜法膜法去除硬度通常采用反渗透、超滤等。三、离子交换法 离子交换法是水处理中软化和除盐的主要方法之一。在水处理中主要用于去除水中的金属离子。离子 交换的实质是不溶性离子化合物（离子交换剂）上的金属离子与溶液中的其他同性离子的交换反应，是一 种特殊的吸附过程，通常是可逆性化学吸附。1. 离子交换剂 水处理中用的离子交换剂主要有磺化煤和离子交换树脂。磺化煤利用天然煤为原料，经浓硫酸磺化后 制成，但交换容量低，机械强度差，化学稳定性

4、较差，已逐渐为离子交换树脂所取代。离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由树脂本体（又称母体或骨架）和活性基团两部分组成。 生产离子交换剂的树脂母体最常见的是苯乙烯的聚合物，是线性结构的高分子有机化合物。活性基团由固 定离子和活动离子（或称交换离子）组成。树脂的外形呈球状颗粒，粒径为 0.6-1.2mm （大粒径树脂） ， 0.3-0.6mm （中粒径树脂） ，或 0.02-0.1mm （小粒径树脂） 。离子交换树脂按活性基团的不同主要可分为：含有酸性基团的阳离子交换树脂，含有碱性基团的阴离 子交换树脂（ 1）阳离子交换树脂分强酸性阳离子交换树脂（R-Na；R-H，命名为 001 7）和弱酸性

5、阳离子交换树脂（ R-COOH，命名为 D113）强酸性阳离子交换树脂软化机理为：2RNa + Ca2 +- R2Ca + 2Na+2RNa + Mg2+ - R2Mg + 2Na+49特点：去除碳酸盐和非碳酸盐硬度，总含盐量（阳离子总重量）有所变化，但碱度不变。（ 2）阴离子交换树脂分强碱性阴离子交换树脂（R-OH ； R-Cl ，命名为 201 7） 和弱碱性阴离子交换树脂 （R-NHOH） 。2. 离子交换树脂的选用 目前，我国生产的离子交换树脂品种很多，价格差别很大，而原水的成分复杂，要求的处理程度各异， 因此，合理的选择离子交换树脂，在生产和经济上都有重大意义。我们常用的树脂品牌有淄

6、博东大树脂、 英国漂莱特树脂、罗门哈斯、美国陶氏、金珠（前两种主要用于软化，后三种主要用于混床去离子） 。（ 1 ）交换容量交换 容量 是离 子交 换树脂最 重要 的性 能， 他定量的 表示 树脂 交换 能力的大 小。 交换 容量 的单位是 mol/kg （干树脂）或 mol/L （湿树脂） 。交换容量又可分为全交换容量与工作交换容量。全交换容量可用滴 定法测定或从理论上计算；工作交换容量为实际工作条件下，全交换容量的60 70 。（ 2 ）湿视密度湿视密度用来计算湿树脂用量，湿视密度等于湿树脂质量 / 树脂堆积体积，单位是 g/ml 。常用的树脂的 湿视密度为 0.6-0.85g/ml（ 漂

7、莱特树脂的湿视密度为 0.8）（ 3 ）交换势 离子交换是可逆反应，可利用化学中的质量作用定律解释离子交换平衡定律。关于不同离子的交换势大小的解释有多种理论，但是，由于影响因素还不是很清楚，因此关于离子交 换势的规律还需依靠实践，下面介绍一些规律可供参考。在常温和低浓度水溶液中，离子电荷愈多，愈易被交换 在常温和低浓度水溶液中，等价阳离子的交换势，一般是原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被 交换 ，例如，按交换势排列有： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+= NH4+ Na+Li+在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子交换树脂而言，阴离子的交换序列如下： SO42-NO3-Cl-HCO3-H

8、SiO3- H和 OH的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。 对于强酸阳树脂： H+Li+ ，而对于弱酸阳树脂： H+Fe3+。由上述的交换顺序可以看出当金水中K+、 Na+浓度较高时，采用 RNa 型阳离子交换树脂不利于Ca2+、Mg2+的去除，此时可选用RH 型阳离子树脂。当进水中含有较高的铁、锰时，铁和锰优先和树脂交换，造成树脂中毒，堵塞树脂空隙，同时减小了对Ca2+、 Mg2+的交换容量，因此当检测进水中铁、锰浓度较高时可用锰砂预处理去除铁锰，当树脂出现中毒现象时通过增加盐浓度再生效果很小，此时可用 Hcl 清洗后再 进行再生。50四、离子交换工艺和设备离子交换装置，按照进行方

9、式的不同，可分为固定床和连续床两大类；在水处理中，单层固定床离子 交换装置是最常用、最基本的一种形式。离子交换的运行运行操作包括五个步骤：交换、反洗、吸盐、慢冲洗、快冲洗。不同软化水设备的所 有工序非常接 近，只是由于实际工艺的不同或控制的需要，可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交 换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的（ 其中，全自动软化水设备会增加盐水重注过程）。1. 交换 交换过程主要与树脂层高度、水流速度、原水浓度、树脂性能以及再生程度等因素有关；当初水中的 离子浓度达到限值时，应进行再生。2. 反洗 工作一段时间后的设备，会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物，把这些污

10、物除去后，离子交换树 脂才能完全曝露出来，再生的效果才能得到保证。反洗过程就是水从树脂的底部洗入，从顶部流出，这样 可以把顶部拦截下来的污物冲走。这个过程一般需要 5-15 分钟左右。3. 吸盐（再生） 即将盐水注入树脂罐体的过程，传统设备是采用盐泵将盐水注入，全自动的设备是采用专用的内置喷 射器将盐水吸入 （ 只要进水有一定的压力即可） 。在实际工作过程中，盐水以较慢的速度流过树脂的再生效果比单纯用盐水浸泡树脂的效果好， 所以软化水设备都是采用盐水慢速流过树脂的方法再生， 这个过 一般需要 30 分钟左右，实际时间受用盐量的影响。4. 慢冲洗（置换） 在用盐水流过树脂以后，用原水以同样的流速

11、慢慢将树脂中的盐全部冲洗干净的过程叫慢冲洗，由于 这个冲洗过程中仍有大量的功能基团上的钙镁 离子被钠离子交换，根据实际经验，这个过程中是再生的 主要过程，所以很多人将这个过程称作置换。这个过程一般为吸盐的时间相同，即 30 分钟左右。5. 快冲洗 为了将残留的盐彻底冲洗干净，要采用与实际工作接近的流速，用原水对树脂进行冲洗，这个过程的 最后出水应为达标的软水。一般情况下，快冲洗过程为 5-15 分钟。五、离子交换器交换容量的影响因素1、进水含盐量：进水含盐量的高低直接影响出水的品质, 而进水含盐量中 K+, Na+ 的总含量对出水品质的影响非常大。2、温度：水温增加能同时加快内扩散，提高交换能

12、力，无论是运行或再生。3、再生剂质量：再生剂纯度越高，树脂的再生度越高，出水的离子泄露量少。因此提高再生剂纯度51以及运用软化水溶盐可提高再生度。当 Na+ 、 K+浓度几乎为零时进水钙、镁含量、再生盐用量对出水水质的影响当 Na+、 K+浓度为 50%时 , 进水钙、镁含量、再生盐用量对出水水质的影响52再生剂纯度对树脂再生度的影响100908070再 生60程 度 %5040302010050100150200250300350400450500再生溶液的硬度（毫克当量/升）再生剂质量对树脂再生度的影响4. 再生液流量通常再生液流量越小 , 获得的再生效果越好。但过低的再生液流量会使再生时

13、间过长 , 使再生剂绕过 树脂仅将树脂表面再生。因此一般要求再生液流量在 0.250.9gpm/ft3（ 或顺流流量 46m/h, 逆流再生 23m/h） 。5. 再生液浓度根据离子平衡原理 , 再生液浓度提高 , 可以使树脂的交换能力得到提高 , 但在再生剂用量一定的条 件下 , 再生液浓度过高 , 会缩短再生液与树脂的接触时间 , 从而降低了再生效果 , 一般盐液浓度控制在 10%左右为宜。6. 再生剂用量树脂的交换在理论上是按等当量进行 , 即 1mol 的再生剂可恢复一个 1mol 的交换容量 , （ 即使用 58.43g 的 NaCl） 。但实际上再生剂的耗量要比理论值大得多。实验证

14、明再生剂用量越多 , 获得的树脂工 作交换容量越大 , 出水质量越好。但随着再生剂用量的不断增加 , 工作交换容量的提高会越来越少 , 经济 性会不断下降。 因此 , 再生盐耗应根据不同的原水水质 , 在保证一定的交换能力及水质条件下 , 尽可能选 用比较经济合理的耗盐量。我们通常采用 120-240g 盐再生一升树脂。53547. 树脂层高度树脂层越低 , 流速对其交换能力的影响就越大 , 当树脂层高度达到 30 英尺 (762mm) 时 , 树脂层高度造 成的流速对其交换能力的影响可降到比较低的程度。因此 , 一般建议树脂层高度大于30 英尺 (762mm) 。未交换区8. 滤速通常流速越

15、大离子交换所需要的工作层越大，树脂有效利用率会下降，但设备产水能力会提高。反之 流速越小所需的工作层越少，树脂利用率增加，但设备掺水能力下降。过小的流速会造成原水只与数值表 面的离子进行交换，不能进入树脂内部。数值表面通常仅提供20%的交换容量，树脂里面能提供80%交换容量。合理的交换流速对提高设备产水能力是非常重要的，一般建议运行流速控制在 20-30m/h ，小型装置 可适当提高。55六、全自动软水器设计数据1. 软水器设备应遵循的标准中国（ GBJ109-8T）美国注解运 行滤速15-30m/h4-10gpm/f2t1.0-5.0gpm/ft31.0-5.0gpm/ft3 此指标是用来衡

16、量再生液 与树脂接触的时间反流速15m/h5gpm/ft2 (12.23m/h)以反洗膨胀空间 50%为准洗时间5-15 min10-20 min再生再生剂耗 量(120-240g/mol)80-174g/mol盐耗由进水含盐量及硬度决定，具体需查表浓度5-8%8-10%流速4-6m/h(0.25-0.90gpm/ft3)0.5gpm/ft3无顶压逆流再生小于 2m/h 以防树脂乱层置 换水耗0.5-1 树脂量0.5-1 树脂量流速同再生流速0.3gpm/ft3时间计算确定计算确定正水耗3-63-6以出水达到合格为止洗流速15-20m/h同反洗流速工作交换容量(0.8-1.2mol/l)0.9

17、-1.37mol/l美国树脂的交联度为 8% 因此交换能力略大于国产树脂工作周期自动大于 6小时手动一天再生一次 ; 自动以盐液达到饱和为准2. 全自动软化器主要的参数计算（ 1 ）软化器规格的计算已知反洗流量 Q（m3/h） 进水硬度 Hi（mg/L） 情况下设计近水流速 v 取 15-30m/h（ 进水水质较好，硬度 较低时流速取较高值，反之取较低值 ） ，设计树脂高度 HCR大于 800mm（一般取 1000mm，根据水质情况可适 当调整）由公式 Q=V*S 计算交换器截面积，再由公式S=1/4 d2计算出交换器直径，当计算得到的交换器直径过大时可选用 n个交换器并联同时使用， S=n*S 单=n*1/4 d 单2，经反复验证交换器数量后，计算出合理的 单个交换器直径，及交换器数量。单台交换器流量 Q单台=Q/n单台交换器树脂装载体积 V树脂= S 单*HCR单台交换器再生周期 =工作交换容量 *V 树脂/（1/2Ca 2+*Q 单台） ，一般盐饱和时间为6h ，所以再生周期一般要大56于 6h ，最好大于 8h，当计算出的再生周期小于8h 时可采用增大交换器直径或增大树脂高度的方法增大交换容量，直到再生周期大于8h。因为交换器需要留出足够大的反洗空间，树脂以上高度可以取1/3 H CR，所以交换器高度为4/