离子交换水用户培训教材

1、化学水处理设备用户培训教材化学水处理设备用户培训教材离子交换水处理设备本辑专供海容无顶压逆流强型复床离子交换器系列用户作技术培训教材之用合肥水泥研究设计院2011年1月安徽合肥目录离子交换树脂的基础知识离子交换器内部结构离子交换器的工况分析离子交换设备的运行再生工作原理与步序离子交换设备的运行监督控制指标和异常情况处理离子交换水处理系统设备的维护离子交换树脂的基础知识离子交换树脂离子交换 (Ion Exchange ) 是除去水中离子态物质的水处理方法之一 , 采用离子交换树脂法可制取软水、纯水和超纯水 ( 指电导率0. 1 S/cm 的水 ) , 因而在水处理领域中被广泛应用第一节离子交换剂

2、及其分类离子交换作用是用一种称为离子交换剂的物质来进行的 , 这种物质在溶液中能以所含 的可交换离子与溶液中的同种电荷的离子进行交换。离子交换剂的种类很多 , 有天然的和 合成的、有无机的和有机的、有阳离子型的和阴离子型的、有强型的和弱型的 , 如表1 所示。名称无机有机天然合成碳质合成海绿砂合成沸石磺化煤阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性强碱性弱碱性弱酸性活性基团钠离子交换基团钠离子交换基团阳离子交换基团磺酸基-SO3H羟酸基_COOH季铵基I型N(CH)3型(CH3 )2=N<C2H40H伯胺基-NHz。离子交换树脂是一种化工合成的高分子的聚合物 , 它与其他天然的离子交换剂相比具有

3、如下优点 : 1. 交换容量高。2. 外形大多为球状颗粒 , 水流阻力小。 3机械强度高4. 化学稳定性好早期使用的天然硅质离子交换剂如海绿砂、合成沸和磺化煤等在上世纪五六十年代曾广泛应用于软化水工艺 , 但使用过程中也暴露出交换容量低、机械强度差、化学稳定性较差等缺点 ,现水处理领域已完全被离子交换树脂所取代。因此离子交换树脂已成为目前最普遍采用的离子交换材料一、离子交换树脂的结构和类型离子交换树脂与其他交换剂一样 , 其结构通常分为两个部分。一部分称为骨架 , 在交换 过程中骨架不参与交换反应。另一部分为连接在骨架上的活性基团 , 活性基团所带的可交 换离子能与水中的离子进行交换离子交换树

4、脂外形大多呈珠状颗粒 , 它既不榕于水 , 也不溶于酸碱和有机溶剂。从微观来看 , 离子交换树脂具有三维空间网状结构 , 在网状结构的空隙部位分布着能提供可交换离子的活性基团。以最常见的苯乙烯系离子交换树脂为例 , 苯乙烯和二乙烯苯共聚制得高分子化合 物-交联聚苯乙烯 在聚合反应中 , 二乙烯苯起到将苯乙烯长链交联起来而形成网状的作用 , 二乙烯苯 在聚合中所用重量占参与聚合单体的总重量的百分率 , 称为离子交换树脂的交联度。 交联度越高 , 树脂的网状结构越紧密。此种聚苯乙烯没有活性基团 , 因而通常称为白球。将白球用浓硫酸磺化 , 可得磺酸型阳离子交换树脂 (RH) :上述胺化反应用叔胺处

5、理 , 制得季胺型强碱性阴离子交换树脂 （RNCl) , 若用仲胺（CR=NH) 或伯胺 （C RNH2 ) 处理 , 则生成弱碱性阴离子交换树脂 ,（分别为 R=N . HCl或RNH .2Cl) 。强碱性阴离子交换树脂分 I 型和 型 , 它们在制造过程中胺化虽都用叔胺 , 但 I 型用的是三甲胺（CH3) N,型则用二甲基乙醇胺 （CH3)2NC2H40H, 因此 I 型的碱性比 型强 ,但 型的交换容量比较高。按照树脂骨架的结构特征 , 离子交换树脂可分为凝胶型和大孔型 , 它们的区别在于结构中孔眼的大小 , 凝胶型树脂不具有物理孔眼 , 只是在浸人水中时才显示其分子链之间的网状孔眼，

6、而大孔树脂无论在干态或湿态 , 用电子显微镜观察 , 都可看到孔眼 , 其孔隙直径为20-1000nm,而凝胶网孔直径仅为 2-4 nm按聚合物单体分 , 水处理常用的树脂有苯乙烯系和丙烯酸系两类二、离子交换树脂的命名和型号国际上离子交换树脂的品种很多 , 型号也不统一 , 我国早期也存在这种情况 , 用户极不方便。为此 , 国家标准总局颁发了离子交换树脂分类、命名及型号国家标准 CGB 1631-79)离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架名称、基本名称组成。离子交换树脂分凝胶型和大孔型两种 , 凡具有物理孔结构的称大孔型树脂 , 在全名称前加 " 大孔 " 两字。分类属酸

7、性的应在名称前加一" 阳 " 字 ; 分类属碱 ' 性的 , 在名称前加一" 阴 " 字。离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数字组成 , 第一位数字代表产品的分类 , 第二位数字代表骨架的差异 , 第三位数字为顺序号 , 用以区别基团、交联剂等的差异。大孔型树脂在型号前加 "D" 。凝胶型树脂的交联度值可在型号后用 "x" 符号连接阿拉伯数字表示。代号数字的意义见表 2(a) 、表 2(b) 。表 2(a) 分类代号 第一位字 )代号O123456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'

8、性表 2(b) 骨架代号 ( 第二位数字 )代号O123456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根据以上原则 , 水处理用四种常用离子交换树脂的全名和型号为 : 强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂 , 型号为 001 X 7 ; 强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂 , 型号为 201 X 7; 大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂 , 型号为 DIll 、 D113; 大孔型弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂 , 型号为 D301; 大孔型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂 , 型号为 DOOl; 大孔型强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂 , 型号为 D201( 一 ) 物理性能1. 外观 :常用凝

9、胶型离子交换树脂为透明或半透明的珠体 , 大孔树脂为乳白色或不透明珠体。优良的树脂圆球率高 , 无裂纹 , 颜色均匀 ,无杂质。2. 粒度 : 树脂颗粒度大小对水处理的工艺过程有一定的影响。颗粒度大 , 树脂的交换容量低。颗粒度小 , 水流阻力就大 , 因而颗粒度要适当。此外还要求颗粒度有一定的均匀性 , 否则。小颗粒夹在大颗粒空隙间 , 会使水流阻力增大 , 颗粒不均匀也不利于树脂的反冲洗 , 反冲洗强度过大会冲走小颗粒 , 反冲洗强度不够 , 反冲洗时大颗粒不能松动 , 达不到反冲洗目的。表示树脂颗粒度分布有两种指标 :（1）粒度范围 ： 树脂产品标准规定树脂的粒度为 0.315-1.25

10、 mm的颗粒体积应占全部树脂体积的 95% 以上。然而符合上述标准的树脂有可能其颗粒范围大部分在0315-0.60 mm 的范围 , 可见单用这一指标来表示是不够全面的。(2) 有效粒径和均一系数： 用标准筛对湿树脂进行筛分 , 有效粒径的含义为 10% 树脂颗粒能通过的筛孔孔径。例如规定树脂的有效粒径0.45 MM即若用孔径为0.45 mm的筛子对树脂进行筛分,则筛 子体积为 90% 以上。均一系数的含义是筛上体积为 40% 的筛孔孔径与筛上体积为 90% 的筛孔孔径之比。该比值1 , 比值越接近于 1, 说明树脂粒度越均匀。3 密度 : 树脂的密度是一个重要的性能指标 , 下面介绍与水处理

11、工艺有关的两种表示(1) 湿真密度 : 是指树脂在水中充分潜胀后的树脂颗粒密度湿真密度 = 湿树脂质量湿树脂真体积 (g/ml)湿树脂的真体积是指树脂颗粒珠体所占有的体积 ( 不包括颗粒间的孔隙。湿真密度可用密度瓶测得。湿真密度与树脂颗粒在水中的沉降速度有关。离子交换树脂的湿真密度一般在1.04-1. 3 g/ml 之间 ,阳树脂的湿真密度比阴树脂大 , 强型树脂比弱型树脂大。(2) 湿视密度 z 是指树脂在水中充分溶胀后的堆积密度。 湿视密度 = 温树脂质量湿树脂的堆积体积 (g/ml) 堆积体积包括颗粒体积与颗粒间隙体积之和,该指标用来计算交换器中所需装载树脂的数量。此值一般在0.60-0

12、.84 g/ml之间。4 含水量： 是指在水中充分溶胀的湿树脂中所含水分的百分数。水分是指树脂中的内在水分（也称化合水分），不包括要树脂表面的游离水分。含水量与树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交换容量、离子形态等因素有关，树脂在使用过程中含水量的变化可以反映出树脂质量的变化。5 溶胀性 ：干树脂浸入水中，由于活性基团的水化作用，交联网孔胀大，体积变大，这种现象称为溶胀。影响树脂在水中溶胀率大小的因素有如下几点 :1) 树脂交联度越大 , 溶胀率越低。(2) 树脂活性基团越易电离 , 树脂的溶胀率越高。(3) 树脂的交换容量越大 , 其溶胀率越高。(4) 水中的电解质浓度越大 , 树脂溶胀率越

13、小。(5) 树脂中可交换离子的水合半径越大 , 其溶胀率越大 , 因而不同离子形态的树脂体积不同 o强酸性阳树脂和强碱性阴树脂在不同离子形态时溶液胀率大小的顺序为 :H+> Na+> NH4+ > K + >Ag+ OH>HCO3CO32>SO42->Cl6. 强度 : 树脂在实际运行中由于互相摩擦以及胀缩 , 会发生破裂。破碎的树脂如不能在反冲洗时排出 ,会增加水流阻力 , 如漏入后级装置 , 则会影响出水质量。造成树脂破碎的原因非常复杂 , 目前还没有一种测定树脂强度的方法与实际使用状况完全符合。已经颁发的树脂性能测定方法国家标准采用磨后圆球率来判

14、断树脂的强度。按规定称取一定量的湿树脂 , 放人装有瓷球的滚筒滚磨 , 磨后树脂进行干燥 , 磨后的树脂圆球颗粒占样品总量的百 分率即为树脂的磨后圆球率。在使用过程中,树脂周期性进行转型也是造成树脂破裂的重要原因。将树脂用规定的方法进行反复转型 , 然后用前述方法测得树脂的磨后圆球率,称为树脂的渗磨圆球率,该指标反映树脂的耐渗透压能力,目前一般用来评价大孔树脂。7. 溶解性 ： 树脂本身不溶于水 ,但在合成生产过程中难免会有一些分子量比较低的低聚合物包含在树脂中,因而新树脂在使用初期,会有低聚合物溶出,使水呈微黄色。老化的旧树脂由于氧化断链或分解 ,也会在出水中含有溶解物。作为电厂锅炉补给水中

15、含有溶解物,会影响水汽系统的pH值和热力设备的腐蚀。8. 耐热性 : 每种树脂所能承受的温度不一样 , 阳树脂可耐 lOO的高温 , 强碱性苯乙烯 系 I 型阴树脂只能耐 60, 弱碱性苯乙烯系阴树脂可耐 80 。超过这些温度范围 , 树脂会产生热分解。当温度在 O 或以下时 , 由于树脂内部水分结冰 , 会使树脂颗粒破碎。因此通常控制树脂的贮藏和使用温度在 5-40 为宜。9. 导电性 : 干燥的离子交换树脂不导电 ,湿树脂因有解离的离子所以能导电。( 二 ) 化学性能1. 离子交换反应的可逆性。以阳离子交换为例 :RH + Na+ RNa 十 H 十 RNa+ H+ RH 十 Na+这一性

16、能使离子交换树脂在交换能力耗尽后还能进行再生 , 从而能周而复始地应用。2. 酸碱性。 H 型阳树脂和 OH 型阴树脂与酸碱一样 , 在水中能电离出 H+ 和 OH 一 , 并根据其电离能力大小有强弱之分。 R-S03H 为强酸性阳树脂 ,R-COOH 为弱酸性阳树 脂 , RNOH 为强碱性阴树脂 ,R-NH30H、 R=NH20H、 RNHOH 为弱碱性阴树脂。、3. 选择性。离子交换树脂对各种不同的离子的吸附性不一样 , 有的离子易被吸附 , 但难以被置换 ； 有些离子很难被吸附 , 却容易被置换。这种性能称为离子交换的选 择性。阳离子交换树脂的选择性顺序为 ：Fe3 十 > Al

17、3+ > Ca2 十 >Mg2+ >K 十 NH4+ > Na+而 H+ 在其中的地位与阳树脂的交换基团有关 , 强酸性阳树脂 H+ 的选择性顺序排在 Na+ 之后 , 即 Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ NH4+ > Na+> H+；对弱酸性阳树脂 ,H+ 的选择性顺序却处于 Fe3 十之前 , 即 H+> Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+NH4+ > Na+ 。阴离子交换树脂对水中阴离子的选择顺序为 zSO42- > NO3- &g

18、t; Cl 一 > HCO3- > HSi03-OH- 的位置同样与树脂的交换基团有关 , 对于强碱性阴树脂 ,OH 位置如下 :SO42- > NO3- >Cl 一 > OH-> HCO3- > HSi03-弱碱性阴树脂 , 对硅酸几乎不交换 , 选择性顺序为 :OH 一 > SO42- 一 > NO3-> CI-> HC03-4. 交换容量。离子交换树脂的交换容量是表示其交换能力大小的一项性能指标。有以下两种表示方法。(1) 全交换容量 z 树脂中所有可交换的离子的总量 , 通常用 mmol/g( 干树脂 ) 表示 , 也可

19、用 mmol/mI （ 湿树脂 ) 表示。全交换容量的体积表示法与质量表示法之间的关系如下 :Ev=Em×（l- 含水率 ) ×湿视密度式中 :Ev- 单位体积树脂的全交换容量 mmol/mI（ 湿树脂 ) ;Em- 二单位质量树脂的全交换容量 mmol/g( 干树脂 ) 。(2) 工作交换容量 : 树脂在给定的工作条件下实际所发挥的交换能力 , 以 mol/m3 ( 湿树脂 ) 或 mmol/L C 湿树脂 ) 表示。工作交换容量与许多因素有关 , 如进水中离子浓度、交换终点的控制标准、交换器的结构、树脂层高、运行流速、再生方式和再生剂用量等。四、水处理常用离子交换树脂的

20、交换特性( 一强酸性阳离子交换树脂氢型强酸性阳离子交换树脂能与水中的中性盐进行交换 , 例如 tRH + NaCI 一 RNa 十 HCI 2RH 十 MgS04一 R2 Mg 十 H2S042RH 十 CaCl2一 R2Ca+2HCI也能与水中的弱酸盐 ( 重碳酸盐 ) 进行交换 ：RH 十 NaHC03 一 RNa+ H2C032RH +Ca（HC03)2- R2 Ca + 2H2 C03也就是说氢型强酸性阳树脂能与水中所有的阳离子进行交换。（二）弱酸性阳离子交换树脂氢型弱酸性阳离子交换树脂只能与水中的重碳酸钙和重碳酸镁交换 , 而不能交换中性盐的离子，如：2RCOOH 十 Ca（HC03

21、)2 - (RCOO)2Ca 十 2 H2C032RCOOH+Mg(HC03)2 - (RCOO)2Mg+ 2 H2C03RCOOH 十 NaCl ×-RCOONa 十 HCI2RCOOH 十 CaS04 ×-(RCOO)z Ca 十 Hz S04注 : 交换反应式中 ,表示可交换 , ×-表示不能交换 ( 以下同。因此弱酸性阳离子交换树脂 , 只能除去水中的碳酸盐硬度。弱酸性阳树脂的交换功能与强酸性阳树脂比较虽有局限性 , 但其交换容量比强酸性阳树脂高得多。此外 , 由于它与H+ 的亲和力特别强 , 因而很容易再生。可在原水碳酸盐硬度比较高的场合与强酸性阳树脂联

22、合使用 , 以提高除盐系统的技术经济性能。( 三强碱性阴离子交换树脂在除盐系统中 , 阴交换器一般都置于阳交换器之后 , 阳交换器出水中含有强酸 ( HCI,H2 S04 ) 和弱酸 ( H2CO3 、 H2SiO3) ,OH 型强碱性阴树脂能与其中所有阴离子进行交换。如 :ROH 十 HCI 一 RCI 十 H202ROH 十H2 S04 一 R2 S04 十 2 H20ROH 十 H2C03 一 RHC03 十H20ROH 十H2SiO3 一 RHSi03 十H20OH 型强碱性阴树脂也能与中性盐进行交换 , 如 :ROH 十 NaCl 一 RCI + NaOH( 四 ) 弱碱性阴离子交换

23、树脂弱碱性阴树脂不能交换中性盐的阴离子 , 以叔胶型阴离子交换树脂为例 :R NHOH 十 NaCI ×-RNHCl 十 NaOH注：×-表示不能进行的反应 , 以下同在阳床出水的酸性条件下能与水中的强酸性阴离子如： Cl- ,SO42-等交换。如：RNHOH + HCl 一 RNHCl 十H202R NHOH 十H2 S04 一 (R NH)2S04 十 2 H20但不能交换 H2C03 和 H2Si03 中的阴离子。可见弱碱性阴离子交换树脂的交换功能也有局限性 , 但它的交换容量要比强碱性阴树脂大得多 , 也特别容易再生。常在原水中强酸性阴离子比较高的场合 , 与强碱性

24、阴树脂联合使用 , 以提高除盐系统的技术经济性能。五、离子交换树脂的验收、保存、使用和鉴别( 一 ) 离子交换树脂的验收离子交换树脂的物理化学性能的优劣对水站的水质和运行经济性有直接的影响。目前国家技术监督机构已颁布了多种离子交换树脂的技术标准，可作为用户的验收依据。离子交换树脂的各项性能 , 如含水量、粒度、交换容量、密度、强度、颗粒度等的测定方法也己作为国家标准颁发执行。因此用户在购买离子交换树脂时应掌握这些标准 , 并严格按标准进行验收。离子交换树脂用量最大的电力行业和石化行业针对本行业水处理工艺的要求 , 分别制定了相关的行业标准 。验收标准中对各种牌号离子交换树脂的外观和出厂的形态做

25、了规定 , 还规定树脂包装件中应无游离水分 , 当有游离水分时 , 需扣除后计量。标准中除规定了通用树脂的各种技术要求外 , 还对用于双层床、浮动床、 混合床、三层混床等工艺的树脂中的某些性能提出了特殊的要求。( 二离子支换树脂的保存1 离子交换树脂应在下述形态中保存 , 强酸性阳树脂应为钠型，强碱性阴树脂应为氯型，弱酸性阳树应为氢型 ; 弱碱性阴树脂应为游离胺型。因为在这些形态时 , 离子交换树脂的性能最稳定。2. 离子交换树脂在存放时应保持湿润 , 防止脱水。如果发现树脂有脱水现象 , 切勿急于用水浸泡 , 防止干树脂遇水后体积榕胀而破碎 , 可采用澄清的饱和食盐水浸泡数小时 , 然后逐步

26、稀释。3. 离子交换树脂存放应注意防冻。当环境温度达到 O 或以下时 , 树脂的内部水分会结冰而可能造成树脂颗粒崩裂。因此树脂应存放在室内 , 如无条件保温时 , 应根据气温条件 , 将树脂存于不同浓度的盐水中 , 防止冰冻。食盐液的浓度和冰点的关系见表3浓度%5101520235冰点-5-7-10.3-16.3-21.2环境温度也不宜太高 , 以小于 40 ° C 为宜 , 应避免日光直接照射 , 防止树脂加速老化。 4. 长期停运放置在交换器中的树脂应注意定期换水 , 否则会由于青苔和微生物滋长而受到污染。 ( 三新树脂在使用前的预处理在离子交换树脂的工业产品中 , 往往含有少量

27、的有机低聚物及一些无机杂质 , 在使用初期会逐渐溶解释放 , 影响出水水质。因此新树脂在使用前一般都应事先进行适当的处理 , 除 去这些杂质 , 对于水质要求较高的场合 , 树脂的预处理更为重要。具体步骤如下 :1. 用水反冲洗树脂 , 以除去树脂中的机械杂质和细碎树脂。2. 用 5% HCI 浸泡树脂 4-8 h, 排去酸液 , 用水冲洗树指至出水呈中性。3. 用 2%-4% NaOH 浸泡树脂 4-8 h, 放掉碱液 , 用水冲洗至出水近中性。酸、碱处理若能反复进行 2-3 次 , 效果更佳。对于没有上述处理条件的场合 , 可用 1% NaOH+10% NaCI 的碱性食盐水浸泡或低流速处

28、理 , 更简单的方法是用 40-50 的温水或清水冲洗数小时。对阴树脂不应使用含有硬度的水进行清洗。 处理后的树脂在第一次再生时至少应使用两倍再生剂量 , 以保证树脂获得充分的再生。( 四 ) 离子交换树脂的鉴别1. 阳树脂与阴树脂的区分 :(1) 取树脂样品 2 时 , 置于 30 ml 的试管中 , 用吸管吸去树脂层上部的水。(2) 加入 1M HCl 15 ml , 摇动 1-2 min, 将上部清液吸去 , 这样重复操作 2-3 次。(3) 加人纯水清洗 , 摇动后 , 将上部清液吸去 , 重复操作 2-3 次 , 以去除过剩的 HCI 。经上述操作后 , 阳树脂转为 H 型 , 阴树

29、脂转变为 CI 型。(4) 加入已酸化的 10 % CuS04 ( 其中含 1% H2S04)5 ml 摇动 1 min. 放置 5 min 如树脂呈浅绿色 , 即为阳树脂 , 如树脂不变色则为阴树脂。2. 强酸性阳树脂与弱酸性阳树脂的区分 : 在上述区分阳树脂与阴树脂的操作后 , 将呈 浅绿色的阳树脂用纯水清洗后 , 加入 5M 的氨液 2 mI. 摇动 1 min 再用纯水清洗 , 如树脂 转变为深蓝色的为强酸性阳树脂 , 颜色不变的为弱酸性阳树脂。3. 强碱性阴树脂与弱碱性阴树脂的区分 : 在前述区分阳树脂与阴树脂的基础上 , 将未变颜色的阴树脂 , 用纯水清洗 , 加入 1M 的 Na

30、OH 溶液 5 时 , 摇动 1 min. 用纯水充分清洗。再加入 5 滴酚酞指示剂 , 摇动 1 min, 用清水充分清洗 , 如树脂呈红色则为强碱性阴树脂 , 如 不变色的可能为弱碱性阴树脂。要确定不变色的树脂是否为弱碱性阴树脂 , 则可加入 1 M HC1, 摇动 1 min, 用纯水洗 净 , 如树脂呈桃红色 , 则可肯定为弱碱性阴树脂 , 如不变色则为无交换能力的树脂。离子交换平衡及其应用一、离子交换平衡和离子交换选择性离子交换反应与许多化学反应一样是可逆的 , 但是由于离子交换树脂的溶胀性 , 使树脂在交换前后体积有所变化 , 它与水溶液间的平衡与一般的化学平衡不尽相同。因此只能应

31、用质量作用定律近似地研究离子交换平衡。以强酸性阳离子交换树脂 RH 与 Na+ 的交换为例 : RH 十 Na+RNa 十 H+式中代表可逆反应的双向箭头 当上述交换反应达到平衡 , 即正反应与逆反应速度相等时 , 符合下式 :（RNa × H 十 ）/ （RH×. Na+）= KNaH式中 : RNa 一一平衡时树脂中 Na+ 摩尔浓度 ;RH 一一平衡时树脂中 H 十摩尔浓度 ; H+ 一一平衡时溶液中 H+ 摩尔浓度 ;Na+ 一平衡时溶液中 Na+摩尔浓度 ;KNaH 氢型阳树脂对 Na+ 的选择性系数。表 4 为强酸性阳树脂的选择性系数。表 5 为强碱性 I 型阴

32、树脂的选择性系数表 4 强酸性阳树脂选择性系数的近似值 r.矗i- -_ _ riKLiHKNaHKNH4HKKHKMgHKCaHKKNaKMgNaKCaNa0.82.03.03.026421.71.0-1.53-6表5型阴树脂选择性系数的近似值KNO3ClKBrClKFClKHCO3ClKCNClKSO4ClKHSO4ClKSO4NO3KClOH430.10.51.50.151.60.0415-20选择性系数与化学平衡常数不同 , 除了与温度有关外还与榕液的浓度、组成及树脂的结构等因数有关 , 表中所列只是在一定条件下测得的近似值 , 可以认为它在某一条件下为常数。离子交换选择性系数的大小决

33、定离子交换的选择顺序。对于同价离子来说 , 如 Kabl, 说明树脂吸着 B 离子比 A 离子容易 , 该值越大 , 吸着 B 离子的能力相对越强。例如 , 从表4 可知KNaH = 2.0, KNH4H = 3.0 , KLiH = 0.8. 可见强酸性阳离子交换对上述阳离子的选择顺序为: 选择性。离子交换树脂对各种不同的离子的吸附性不一样 , 有的离子易被吸附 , 但难以被置换 ； 有些离子很难被吸附 , 却容易被置换。这种性能称为离子交换的选择性。阳离子交换树脂的选择性顺序为 ：Fe3 十 > Al3+ > Ca2 十 >Mg2+ >K 十 NH4+ > N

34、a+而 H+ 在其中的地位与阳树脂的交换基团有关 , 强酸性阳树脂 H+ 的选择性顺序排在 Na+ 之后 , 即 Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ NH4+ > Na+> H+；对弱酸性阳树脂 ,H+ 的选择性顺序却处于 Fe3 十之前 , 即 H+> Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+NH4+ > Na+ 。阴离子交换树脂对水中阴离子的选择顺序为 zSO42- > NO3- > Cl 一 > HCO3- > HSi03-OH- 的位置同样与树脂

35、的交换基团有关 , 对于强碱性阴树脂 ,OH 位置如下 :SO42- > NO3- >Cl 一 > OH-> HCO3- > HSi03-弱碱性阴树脂 , 对硅酸几乎不交换 , 选择性顺序为 :OH 一 > SO42- 一 > NO3-> CI-> HC03- NH4+ > Na+> H+> Li+ 对于不同价的离子交换的平衡以 RNa 与 Ca 抖的交换为例 : 2RNa 十 Ca2 +=R2Ca + 2Na+ 达到平衡时 ,( R2Ca ×H+_) /(RH ×Na 十)= KCaNa一般来说离子价

36、数越高 , 越容易被吸着。离子交换平衡是离子交换的基本规律之一 , 可以根据离子交换平衡来说明离子交换中的一些现象 , 也可根据离子交换平衡式和选择性系数 , 估算交换过程中某些极限值。以 RH 与 NaCI 搭液的交换为例 :RH 十 Na+= = RNa 十 H+平衡时(RNa ×H+ )/ RH ×Na 十 )= KNaH令 XNa=Na+/( RNa+ H + ); XH=H + /( Na+ + H + )式中XNa 与 XH 分别为溶液中 Na+ 和 H+ 的摩尔分率 . XN.+XH = 1令XNa = RNa/(RNa+ RH) XH=RH / (RNa+

37、RH) 式中XNa 与 XH 分别为树脂 中 Na+ 和 H+ 的摩尔分率 . XNa +XH = 1前述离子交换平衡式可转化为以下形式 t XNa/( 1- XNa )= KNaH×( XNa/(1-Xna)在制水的过程中 , 人们希望出水的离子泄漏量小 , 即 XNa 的数值小。从上式可知 , 欲使 XNa 小 , 应降低XNa, 提高 XH 。在上述交换反应中 XH 称为树脂的再生度 , 可见提高树脂的 再生度能获得较好的水质。在再生过程中 , 当再生剂量足够充分时 , 也同样会达到上述平衡状态 , 由平衡式可知 , 树脂的再生度与再生剂的纯度有关 , 当再生液中反离子含量 (

38、XNa) 越低 , 则树脂的再生度( H) 越高 , 运行中的离子泄漏量也越小。离子交换平衡式对于各种等价离子之间的交换 , 可以表示为通式 : （ ） .（）下面举一应用实例 例 : 工业液碱中 NaOH 含量为 30%, 氯化钠含量为 3%, 某厂生产的水处理专用离子膜拜碱NaOH 含量为 40% .NaCl 含量为 0.01% 。试用离子交换平衡原理计算 201 X 7 强碱性 I 型 阴树脂采用这两种碱液再生分别可能达到的最高再生度。解 ： 根据表5, 201X7 阴树脂KClOH = 15 。再生时的离子交换如下 :RCI 十 OH-ROH 十 Cl-当再生剂量足够大达到平衡时XCI

39、 XCI = KClOH ×XCI（XCI ）1. 工业液碱中 Cl- 的摩尔分率XCI = (3/35.5)/(40/40)=0.113 代入上式XCI (XCI )=15×0.113/0.887= 1.91 得: XCI = O. 656再生度XOH =1-0.656=0.344 2. 水处理专用碱中 Cl- 的摩尔分率 XCI =(0.01 /35. 5)/(40/40) = O. 000 28代人平衡式 得 XCI (XCI )= 15*0.00028/0.99972=0.00421XCI =0.00418 再生度 XOH = 1- 0.00418 = 0.9958

40、当然在实际生产中 , 再生剂量不可能无限大 , 离子交换反应也要复杂得多 , 树脂实际能达到的再生度比计算值要小。 该例题碱液的纯度对 201×7 的再生度有很大的影响。二、离子交换速度在实际生产过程中 , 人们希望设备能高流速运行 , 以求提高设备的产水能力。水和离子交换树脂接触的时间是有限的 , 一般并未达到离子交换平衡状态 , 因此讨论离子交换速度具有实际意义。离子交换过程一般可分为五个步骤 , 现以 H 型阳树脂(RH)与水中 Na+ 进行交换为例来说明 : RH 十 Na+RNa+H+1. 水中 Na+ 首先在水中扩散 , 到达树脂颗粒表面的边界水膜 , 逐渐扩散通过此膜。

41、2. Na+ 进入树脂颗粒内部的交联网孔 , 并进行扩散。3. Na+ 与树脂内交换基团接触 , 并与交换基团上可交换的 H+ 进行交换。4. 被交换下来的 H 十在树脂颗粒内部交联网孔中向树脂表面扩散。5. 被交换下来的 H+ 扩散通过树脂颗粒表面的边界水膜 , 进入水溶液。 上述第三步属离子间的化学反应 , 在瞬间完成 , 第一、第五两步是离子在水膜中的扩散 ,可以将它们看作同一问题 , 称为膜扩散 ; 同样第二、第四两步是在树脂颗粒内部交联网孔中 扩散 , 称为内扩散。 在离子交换中 , 往往因某一步骤的速度特别慢 , 以致离子交换的时间大部分消耗在这一步骤上 , 这个步骤称控制步骤。离

42、子交换的控制步骤是膜扩散或内扩散。 影响离子交换速度的主要因素有 :1. 树脂的交联度越大 , 网孔越小 , 则内扩散越慢 , 交换速度就慢。2. 树脂的颗粒越小 , 交换速度越快。这是因为树脂颗粒越小 , 内扩散的距离越短 ; 同时颗粒越小 , 也等于扩大了膜扩散的表面积 , 从而加快交换速度。但树脂颗粒也不宜太小 , 因 太小会增大水流通过树脂层的阻力 , 且在反冲洗运行时容易流失。3. 溶液浓度是影响扩散速度的重要因素 , 被度越大 , 扩散速度越快。一般来说 , 在树脂再生时 , 交换速度的控制步骤是内扩散。在交换制水时 , 膜扩散是离子交换的控制步骤。4. 提高水温能同时加快内扩散和

43、膜扩散。所以离子交换设备在再生时 , 在树脂热稳定性允许的条件下 , 应尽量使进入离子交换设备的液温高些。5. 交换过程中的搅拌或提高水的流速 , 能加快膜扩散 , 但不能影响内扩散。 6. 大孔型树脂的内扩散速度要比普通树脂快得多。由此可见 , 选用适当的树脂交联度及粒径 , 溶液的浓度高些 , 水温高些 , 选用较高的流速都可加快离子交换速度 , 当然水流速度过 d 快 , 使工业设备中水与树脂接触时间缩短 , 会导致 水流在流经树脂层时未能完成交换而影响出水水质。三、动态离子交换过程离子交换法制水有动态和静态两种方法 , 动态制水时 , 不但可以连续制水 , 而且由于交换反应的生成物不断

44、排出 , 交换反应可以进行得比较完全。动态法是在装有离子交换树脂的交换柱内进行的 , 下面以阳离子交换为例 , 讨论交换柱中的离子交换过程。( 一 ) RNa 与水中的 Ca2+ 交换交换柱内装有用 NaCl 再生过的纳型强酸性阳离子交换树脂 (RNa) 。当运行初期 , 含有 Ca2+ 的水进入交换柱 , 首先与面层的树脂进行交换 , 交换反应如下 : 2RNa+Ca2 十 _ R2Ca+ 2Na+ 当水向下流动时 , 水中 Ca2+ 逐渐减少 , 经过一定距离后 , 交换反应完成 , 水中的 Ca2+ 全部交 换成 Na+ 。见图 3 - l(a)继续通水 , 上部的树脂很快地全部转为钙型

45、称为失效层 , 失效层以下的一部分树脂正在 进行交换过程 , 这部分树脂称为工作层 , 水流通过工作层以后 , 水中的 Ca2+ 全部除去 , 因此 流过工作层以下树脂层时 , 水质和树脂形态均不发生变化 , 这部分树脂称为保护层。见图 3 l(b) 。继续运行时 , 失效层逐渐扩大 , 工作层向下移动 , 保护层逐渐缩小 , 当工作层下缘到达树脂层底部时 , 出水开始有 Ca2+ 漏出 , 见图 3 一 1 (c),再继续运行 , 出水中的 Ca2+ 含量迅速增加 , 直至与进水的 Ca2+ 含量相同 , 此时离子交换树脂全部呈钙型。见图 3-1(d) 。交换器在运行中出水水质变化情况见图

46、3 - 2为了保证出水水质 , 当 Ca2+ 开始泄漏 , 即图 3 一 2 中的B 点时 , 认为交换器己失效需进行再生 , 此时交换树脂层的 形态见图 3 - 1(c) 。 ( 二 ) RH 与水中 Ca2 十、 Mg2+ 、 Na+ 的交换天然水中常见的阳离子为Ca2 十、 Mg2+ 、 Na+ 它们的选择顺序为Ca2 十十 > Mg2+ >Na+ 。进水初期 , 由于树脂为 H 型强酸性阳离子交换树脂 , 水中各种阳离子都能与其交换 , 失效层的排列从上至下的排列顺序与选择性顺序一致 , 依次为 Ca2+ 、 Mg2 、 Na+ , 见图 3 3。当交换器继续进水时 , 由

47、于 Ca2+ 比 Mg2+ 更易被交换 , 进水中的 Ca2+ 可与镁型树脂进交换 , 使钙型失效层不断向下扩大。被置换出来的Mg2+连同进水中的Mg2+进入下面的钠型树脂 , 镁型失效层也向下扩大。同理钠型树脂也向下扩展 , 交换器中钙型、镁型、钠型树 脂层的高度大致与进水中这几种离子比值相符。显而易见 , 随着进水量的增加 , 首先漏出的 离子是选择性顺序居末位的 Na+ 。图3-3 H型 树脂的离子层分布出水水质变化见图 3 - 4 制水初期 , 进水中所有阳离子均交换成 H+ 生成相当量的无 机酸 , 出水酸度保持定值。运行至点时 ,Na+ 首先泄漏 , 且迅速增加 , 同时酸度降低

48、, 当 Na 泄漏量增大到超过进水中强酸阴离子含量总和时 , 出水开始呈现碱度 ; 当 Na+ 增加到 与进水阳离子含量总和相当时 , 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 Na 交换 , 稳定运行至 b 点之后 , 硬度开始泄漏 , 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+ , 树脂层已无交换能力。离子交换器内部结构离子交换设备必须根据离子交换树脂的有关参数 ( 不仅化学参数 , 还要考虑其物理参数 ) 来设计。例如 , 考虑到树脂的物理强度 , 设计时应遵守下述规定 ( 以防树脂磨损过大)：最大流速正

49、常流速下的最大压降（m/h）（MPa）阳离子交换树脂600.2阴离子交换树脂凝股型450.15大孔型600.20水除盐设备中所用离子交换器的结构,无论是与氢型阳离子交换器或阴离子交换器以及混合离子交换器基本上是一样的。均为直立圆柱形筒体,主要不同点是筒体内部填装了不同功能的离子交换树脂，充填强酸阳离子交换树脂的筒体即为阳离子交换器；充填强碱阴离子交换树脂的筒体即为阴离子交换器；。除盐设备在工作中使离子交换过程沿圆柱均匀起作用 , 以保持水流平缓、稳定，并且沿床的整个截面像活塞一样地运动, 需要指出的是： 按上述要求而设计的设备 , 如果运行不良, 也可能引起扰动及不均匀的水流 , 导致树脂功能

50、得不到充分利用而使出水水质恶化。容器通常用钢板制成 , 内部衬 以耐酸、耐碱材料 ( 如橡胶、pp、玻璃钢等 ) 。除盐设备尺寸的变化范围很大 , 这决定于处理系统中要用多少台设备 ( 运行的加上备用的 ) , 以及所需树脂的数量。 设备直径一般不大于 4m, 床层高度可达 3.6m 。直径的上限是根据所需要的均匀水流分布和经济性而定的, 高度的上限 则主要考虑水流的阻力。通常离子交换设备内的树脂层高 ( 即床深 ) 至少应为 600mm, 但最好不超过 1. 8m, 以取得 水力学方面的高效率。逆流再生设备的树脂层可略高些 , 一 般在 2m 以上 , 最低为 1.6m 。树脂颗粒应该比较均

51、匀。在离子交换纯水制备装置前 , 一般都设计有进水澄清、过滤的预处理装置。但还不能完全避免有少量的杂质进入树脂床。这些漏入的悬浮物质及胶态物质同树脂的粉末及碎屑一起聚集在树 脂床的上表面处 ( 不是附在整个树脂床内的树脂颗粒表面上) , 会形成薄膜 , 使水流穿透处形成沟道 , 导致水动力学条件变坏 , 压降增大。我国火力发电厂水汽质量标准中规定 , 进入离子交 换器的水质 应注意水中悬浮物、有机物和残余氯的含量 ,一般按下列标准控制：浊度 <5mg/L ( 固定床顺流再生 ) ; 浊度 <2mg/L ( 固定床对流再生 ) ; 残余氯 <O.lmg/L;耗氧量 <2m

52、g/L ( 暂定高锰酸钾法 ) 。混床除盐设备与阳、阴离子交换器的不同处是 ： 树脂床由阳、阴离子交换树脂的混合物构成。此外 , 混合离子交换器（混合床）设备 ( 见下图) 的特点是要有上、中、下窥视窗和两种树脂交界面再生剂收集装置/中排装置，在其他方面，混床除盐设备与阳、阴离子交换器内部大同小异。一 交换器内部部件 1 离子交换器上部进水装置进水分配装置/反洗收集装置 进水一般从交换器顶部引入，以充分利用交换器上部空间。一般采用有喇叭口、十字管、辐射形支管、鱼剌型支母管、喷头、环形管、多孔板加水帽、穹形多孔板（参见以下图例）。由于交换器上部留有一定高度的容水空间，交换器的设计一般将进水分配装

53、置/反洗收集装置布置在该空间内，并安装在设计中规定的树脂反洗膨胀高度以上150mm以内。进水装置形式实际上对运行效果影响不大。 离子交换器上部进水装置图以下几点可供 设计参考 :1) 形式应力求简单 , 由 . 顶部进入 , 可以减少容器内 的水流阻力 , 并保证分配均 匀。2) 要保证畅通 , 开孔面 积应大于进水管面积的 2_ 3 倍 , 以便反洗时易于冲掉 污物。3) 应与排气口分开 , 以 保证容器内空气能完全排 出。4) 应与树脂层保持一定的距离 , 并保证有必要的 膨胀空间。 2中间申问排液装置中间排液管的主要型式有：如下面图中所示有母管支管开孔型、鱼刺式支管开孔型、鱼刺式支管带水

54、帽型等数种。 母管支管型排液管的使用较为普遍 , 效果也较满意。母管置于树脂层上面 , 阻力较小 , 也不致造成中部死区。支管以短管与母管连接 , 用不锈钢螺丝固定。这样比较容易使所有支管处在同一平面上 ( 如用焊接 , 则容易弯曲 ) 。支管上可 用水帽 , 也可在支管上开孔或开缝隙并加装网套。网套一般内层采用 10-20 目或 O. 5mm X O. 5mm 聚氯乙烯塑料窗纱 , 外层用涤纶、尼龙、锦纶或不锈钢等材料制成的 60-70 目网。现在主泛采用T型绕丝结构的水帽和疏水支管，水力特性良好，材质一般为316L，有足够的耐腐蚀性和机械强度。逆对流再生设备内中间排液管是用来排除废再生液、

55、上部压实树脂层的冲洗水或顶压用压缩空气( 或水 ) 。这一组管道 是埋设在树脂层中间的 , 因此 , 当树脂层表面污泥严重或在反洗中操作不当时 , 即使是用不锈钢制成的中间排液管也可能弯曲、断裂。为此,对该组管的水力分配均匀性及其强度、结构等都要作足够细致的考虑在再生时要承受较大的推力，对于无顶压逆对流再生设备内中间排液管，其排液通流总面积比水、气汽顶压逆对流再生设备内中间排液管通流总面积大得多。3 底部装置 底部装置的功能是将水流引出交换器但在对流再生设备中 , 底部装置除在运行周期内收集经过处理的水之外 , 还必须在再生期间对再生剂进行分配。这两种情况下的流量大不相同。为了实现对流设备的高效率再生 , 再生剂必须按规定的浓度均匀地通过树脂层。所以 , 收集出水的装置与再生剂的分配装置最好分别设置。此外 , 底层若有偏流、死区 , 就会产生水流不匀或引起再生剂不应有的稀释或扩散, 对出水水质或再生剂耗量会有很大影响。对底部配液装置 / 集液装置还应注意防