第三章水的软化(2)

1、n安装要点安装要点n泵前安装。泵前安装。n立式安装，水流自下而上，水充满磁水器，立式安装，水流自下而上，水充满磁水器，防止气泡产生。防止气泡产生。n水流速度不大于水流速度不大于1m/s。n水流过磁场时间不少于水流过磁场时间不少于0.6s。n磁钢对数不少于磁钢对数不少于8对。对。n磁化水不宜久存，不要与空气接触。磁化水不宜久存，不要与空气接触。n含盐量大于2000mg/l，总硬度大于2.5mmol/l，除垢能力达50以上。n含盐小于2000mg/l，总硬度小于2.5mmol/l且钙离子比镁离子大2.5倍的水，除垢能力可达80以上。n适用于：小型锅炉，如取暖锅炉和蒸汽质量要求不高的工业锅炉。 一、

2、离子交换基本知识一、离子交换基本知识n什么是离子交换：是一类特殊的固体吸附过程，由离子交换剂在电解质溶液中完成。n离子交换剂：不溶于水的固体颗粒，能够从电解质溶液中吸附某种离子，而将本身所含的另外一种电荷符号相同的离子释放到溶液中去。n两个问题：n离子交换反应在一定条件下方向和反应的限度。n离子交换反应的历程和达到平衡的时间，即是离子交换速度。 离子交换剂的种类：n无机：天然（海绿砂）、人造的（人造沸石）n有机：碳质类（磺化煤）、。：阳离子树脂（强酸性、弱酸性）、阴离子树脂（强碱性、弱碱性）、氧化还原树脂、两性树脂和螯合树脂等。n最早是无机、后来被有机磺化煤取代，再后来被合成树脂取代。 影响平

3、衡的因素：n离子交换选择性系数（亲和力系数）K：nRSO3H+Na+ RSO3Na+H+n达到反应平衡时，存在平衡常数K。 K= RSO3NaH+/RSO3HNa+ 选择性系数n离子交换速度：在单位时间内溶液中的离子浓度增加或减少的量。n两种交换速度：和。：开始离子浓度差较大，交换速度很快，慢慢随着离子交换的进行，速度变慢，最终达到平衡。：溶液流动层的交换，一般在离子交换柱中进行。流动较快，很短的时间不会达到交换平衡，始终保持不变的交换速度，最终Ca2+的最终残余浓度接近零。 离子交换步骤 控制步骤n离子交换的中间步骤，属于化学反应，瞬间完成，而前后的扩散过程很慢，受各种外界因素影响。n控制步

4、骤：和。n离子交换是膜扩散还是孔道扩散，由下列因素决定：影响离子交换速度的因素：浓度差是扩散的动力。n当反离子浓度大于0.1mol/L,膜扩散速度很快，离子交换速度决定于孔道扩散（控制步骤，树脂再生过程）；n当反离子浓度小于0.003mol/L,膜扩散很慢，离子交换速度决定于膜扩散（控制步骤，水软化过程）；：膜扩散受流速影响，而孔道扩散没有影响；：主要影响分子热运动和水的流动粘度。保持水温2040较佳，太高温度会影响树脂热稳定性；影响离子交换速度的因素：交联剂是孔道的障碍，交联度大交换速度慢，另外，交联的均匀性也会影响交换速度；交联度=树脂内交联剂含量（g）/树脂量（g）X100%：粒径越小，

5、交换速度越快。因为缩短了孔道扩散距离，又增大了膜的表面积，对膜扩散和孔道扩散都有利；：凝胶树脂和大孔径树脂相比，凝胶树脂对有机物交换渗透有利，但是容易堵塞，更适合处理无机离子；而大孔树脂对扩散有利适合于处理特殊有机杂质。 离子交换树脂n结构：单体、交联剂和交换基团组成。：是树脂的母体，主要组成是低聚物（如：苯乙烯和甲基丙烯酸等）：固定树脂形状和增强作用，常用二乙烯苯。n交联度：交联剂的百分含量。：联在树脂单体上的活性基团。离解能力强的低分子通过化学反应接到树脂上（如：硫酸、有机胺等），也可以是带有离解基团的高分子电解质直接聚合（如：甲基丙烯酸）n固定在树脂上的离子称为，可以离解的离子称为（自由

6、离子是用来交换的离子）。 离子交换树脂n凝胶型和大孔型：n凝胶型：0.3nm以下，只能通过直径很小的无机离子。n大孔型：克服凝胶容易堵塞的缺点，缺点是交换容积量稍低，价高，再生剂消耗量大。主要用于处理特殊有机杂质。n代号：代号0123456分类名称强酸性弱酸性强碱性弱碱性螯合性两性氧化还原性骨架名称苯乙烯系丙烯酸系酚醛系环氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系离子交换树脂n物理性能：球形，水的阻力最小，圆球率90%；：在水中充分膨胀后的直径。粒度大，交换速度慢；粒度小，水流阻力大；粒度不均反洗困难（很难控制合适的流速）；一般1650目（1.20.3mm）；：颜色对使用没有影响，但是，使用过程变色则意味受

7、到污染了。离子交换树脂：膨胀的湿树脂含溶胀水质量占湿树脂总质量的百分数；交联度越高，含水率越低。一般含水率2555，与空隙率成正比。：干树脂膨胀（绝对溶胀度）或者湿树脂转型（相对溶胀度）均发生膨胀。：湿真密度：一般1.041.3g/ml； 湿视密度（其中包含了空隙体积）：一般0.60.85g/ml。离子交换树脂n化学性能：磺酸、羧酸树脂电离成酸性；氨基、酰胺树脂电离成碱性。：n强型：可与中性盐（NaCl）、中和（NaOH）、复分解反应（CaCl2）。n弱型：非中性盐（Ca(HCO3)2）、中和反应（NaOH） 、复分解反应（CaCl2） 。：就是交换能力，质量单位mmol/g，或mol/t，容

8、量单位mmol/ml，或mol/m3。n全交换容量全交换容量：从起作用到完全失效的交换能力。n工作交换容量工作交换容量：达到一定失效程度的交换能力。是全交换容量的6070。化学性能：n离子交换的选择性：反离子的直径越小，电荷越高，反应作用力越大。强型交换容易，再生难；弱型再生容易，交换难。n强酸性阳离子反应顺序：nFe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+H+n弱酸性阳离子反应顺序：nH+ Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+ n强碱性阴离子反应顺序：nSO42-NO3-Cl-OH-HCO3-HSiO3-n弱碱性阴离子反应顺序：nOH- SO42-NO3-Cl-HCO3-

9、HSiO3 离子交换树脂n使用前：n10食盐水浸泡1820h，然后水冲洗。n稀盐酸浸泡：5HCl浸泡24h，然后水冲洗至中性。n稀碱浸泡：24NaOH浸泡24h，然后水冲洗至中性。n上述处理后阴离子可直接使用，阳离子需再用5HCl处理，变成H型才能使用。 离子交换树脂n使用中注意：n保持强度：减少机械损坏。n保持稳定：避免污染，远离铁、锰等。n树脂污染后处理：n灭菌：1甲醛浸泡数小时，然后水冲干净。n消除有机物污染：无油压缩空气冲刷，然后用水反洗。阴离子树脂可用10热盐水循环；或10NaCl和5NaOH复合溶液处理。n铁、铝及其氧化物污染：可采用1015盐酸处理，再转型再生。n沉淀物：5HCl

10、处理。离子交换树脂n树脂保管：n湿法保管：盐水浸泡，防止干燥损坏。n保管温度：520。n防止污染、避免机械挤压。n盐型封存最稳定。二、离子交换器运行工作过程二、离子交换器运行工作过程 n运行过程：运行过程n交换带形成： 分为三个阶段。： 从交换开始到交换平衡，形成一个交换反应带。n运行中期阶段： n运行末期阶段：正常工作条件下，工作层（交换带）厚度基本不变，而失效层不断增大，未交换层不断减少。当交换带下移到树脂底部时，Ca2开始泄露，当交换带完全消失时，出水的Ca2浓度和进水的相同全部失效，所以工作层又叫保护层。 水质变化曲线n面积ABCDE为交换最大容量。BF反映了交换带宽度。B越提前，后拖

11、尾越大，容量越小。影响交换带宽度的因素n不变因素：树脂的选择系数越大，交换带越小；树脂粒径小，交换带窄；树脂交联度大，交换带就宽。n操作条件和设备结构影响：n流速：n浓度：n树脂粒度：n离子交换设备结构： n离子供给速度：处理水的流量和离子浓度的乘积。水流速度越大，供给速度越大，交换带越宽。n离子交换速度：膜扩散和孔道扩散速度决定。水流越大，膜扩散速度增加，交换带又变窄。n流速与交换容量有关：流速/（m/h）所能达到的工作交换容量/%510040907082运行流速对出水质量的影响 n同样两个方面影响：n离子浓度大，供给离子速度大，交换带变宽；n离子浓度大，浓度差大，扩散速度大，交换带变窄。n

12、实际处理：浓度大时，调整流速变小；浓度小时，调整流速变大。n还要考虑：树脂层高度和压头损失等因素。n树脂颗粒大小与均匀程度都会影响到交换带的大小。n对于均匀的颗粒，粒度小，交换带窄；粒度大，交换带宽；n对于不均匀树脂，尤其是结构破碎的树脂，由于反洗的冲击，破碎树脂集中到交换层上面，势必造成水压过高，阻力增大，形成不均匀过流，从而破坏了工作层。n进水和排水装置布水不均匀，可造成工作层变形。nNa离子用NaCl再生，H离子用HCl或H2SO4再生等。n再生是离子交换的必要过程，关系到运行费用。n再生方式：顺流、对流。 再生方式：再生剂利用不高；树脂交换容量低；出水质量差等缺点。上面开始时交换再生快

13、，向下慢慢效率降低。再生容量也小。再生剂利用率37。但是顺流再生不易乱层，构造简单，操作方便。：开始Na离子浓度高，使再生能够进行；向上一直可以保证再生交换进行下去。再生剂效率高（可以达到7585），用量少；对流再生容易乱层，设备结构和操作复杂。 不同再生方式出水纯度比较 再生剂用量n再生剂利用率：3050；n再生极限：当再生剂用量是理论4倍时，再生容量趋于平缓。再生程度控制在6080。n再生水平：一定体积树脂所需再生剂的质量，g/l或kg/m3表示。 再生剂浓度n理论上：再生剂浓度越高，再生越彻底。n实际上：太高的浓度再生程度反而下降：n接触时间短很难达成交换平衡；n反离子浓度过高，双电层受

14、到压缩，不利于交换反应进行；n再生液浓度高，溶液中再生物浓度也提高，反离子干扰作用会使再生反应受阻；n再生浓度也不能太低：浓度低，再生反应不彻底。一般NaCl38；HCl25；H2SO4（防止硫酸钙沉淀分两步，第一步0.52；第二步35）； 再生液流速n两种速度：没有装填树脂时，水或再生液单位时间流经的距离。Lv=Q/F Q-交换器流量，m3/h; F-交换器截面积，m2：单位体积的树脂在单位时间内所通过的溶液的体积，m3/(m3.h)； Sv=Q/V V-交换器中树脂体积，m3 Lv= Sv.h适宜的速度：流速一般不低于3m/h（48m/h）。停留时间：3060min。 再生液的纯度 提高纯

15、度的措施n尽量使用高等级食盐。n食盐贮存时防止石灰等含钙、镁及铁杂质污染。n尽量不使用水泥和铁槽储存食盐。n溶解食盐用软化水。 离子交换树脂的污染和复苏n分两种情况：n树脂结构没有变化，孔道堵塞，表面覆盖。称为中毒。可以逆转，复苏。n树脂结构被破坏，交换基团降解或交联剂断裂。不可以逆转，称为老化。 树脂的铁污染n原因：水源污染，管线中铁腐蚀。n常见：铁以胶体态或悬浮态形式进入交换树脂，在其表面形成覆盖层，阻止水中离子交换。n以亚铁离子的形式进入交换器，与交换树脂反应，使铁离子占据交换位置。n强碱性阴离子交换树脂也会被铁污染。 铁污染鉴别方法n外观：颜色变深，甚至变黑。n鉴别：测水的铁离子含量。

16、将树脂用清水洗净，浸泡在食盐水中再生半个小时，再用蒸馏水洗涤23次；取一部分树脂放入试管，加两倍树脂体积的6mol/l盐酸，振荡15min，取出酸液，滴入亚铁氰化钾溶液，从颜色深浅可以判断树脂被铁污染出程度。 铁污染的复苏方法n用4的连二亚硫酸钠（Na2S2O4）溶液浸泡412h，配合EDTA、三乙醇胺、酒石酸等络合剂。n树脂内部的铁，用10盐酸浸泡512h。n辅助方法：吹气、超声波。n强碱性阴离子复苏前先转化成氯型，再复苏。 铁污染的预防措施n加强水处理设备的防腐，避免铁的腐蚀产物进入系统。n含铁地下水必须除铁后再进入离子交换。n自来水水源要过滤。 树脂的铝、钙污染n由于混凝采用铝盐，沉淀过

17、滤效果不好，使铝进入离子交换。n铝会覆盖在交换位置，使食盐再生困难。：n阳离子交换树脂用硫酸再生时，会产生硫酸钙沉淀覆盖在树脂上，再生完毕后，交换过程再溶解下来，造成污染。n石灰处理过程用硬水配置再生剂时，受到碳酸钙污染。 铝、钙污染的复苏方法n用10盐酸，配合络合剂进行反洗。n盐酸用量：每升树脂加300g浓盐酸（质量分数为33的盐酸）计算。n污染严重时，盐酸用量可以提高到500g/l 树脂的油污染：润滑油、脂肪等很容易混入设备运行系统。油脂覆盖在树脂表面造成交换容量下降。：树脂由棕色变黑色。加两倍水，振荡观察油的析出（珠光反射）。：58NaOH溶液，循环反洗。如果加热到40，辅以压缩空气效果

18、更好。必须先将树脂转化成Na型。 树脂的硅污染n原因：阴离子树脂容易被硅污染。硅酸盐进入系统。n现象：交换效率下降，不断有硅放出。n复苏：58NaOH溶液，在5060条件下再生。 树脂的有机物污染n原因：有机腐质产生的带电线性大分子。通常这些大分子带有多个交换基团，在树脂骨架上形成不可逆转的污染。常发生在阴离子交换树脂上。n现象：再生后水洗时不断有钠离子释放。交换容量急剧下降。n鉴别：取树脂水洗后，在用10食盐水振荡510min，观察颜色变化。见下表。 有机物污染后的颜色判断色泽污染程度清除透明不污染淡草绿色轻度污染琥珀色中度污染棕色重度污染深棕色或黑色严重污染 效果n氯化钠和氢氧化钠混合处理效果较好。但会产生大量氢氧化镁沉淀，应该再用盐酸处理。n次氯酸钠处理，对颜色和容量效果较好，但是对树脂氧化作用大，只能处理12次，并且对浓度、温度和时间要严格控制。n经常用氯化钠和