工业给水处理工程课件

4.2离子交换的基本原理四、离子交换树脂层内的工作过程1.离子交换树脂层内的交换过程以装有钠型树脂的离子交换柱为例，当通过含有Ca2+的水时，钠型树脂层内会进行交换反应，并发生系列的变化。交换反应进行一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品，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。第四章离子交换法处理工业给水11/20/20221用白点表示离子交换树脂层中的钙型树脂，黑点表示钠型树脂，以白点占白点与黑点之和的百分数表示白点（钙型树脂）的饱和程度，若钙型树脂的饱和程度为50％，则Ca型树脂占树脂容量的50％；若钙型树脂的饱和程度为100％，则Na型树脂全部转变为Ca型树脂。11/20/20222树脂层的变化可分为以下三个阶段：（P404）

（1）交换带的形成阶段；（2）交换带的移动阶段；（3）交换带的消失阶段。11/20/20223

影响交换带宽度的因素大致可分为两大方面:一是离子交换速度的因素;二是影响水流沿交换柱过流断面均匀分布的因素。

交换速度越快，水流越均匀，交换带就越薄。影响这两大方面的具有因素有树脂种类、树脂颗粒大小、树脂层空隙率、进水水质、出水水质控制标准水流的速度及水温、交换柱的结构等。在一般正常运行条件下，交换带宽度约为1000－2000mm。11/20/20224五、离子交换树脂层内的再生过程

采用含一定化学物质的水溶液，使树脂层内失效（失去交换能力）的树脂重新恢复交换能力，这种过程称为树脂的再生过程。再生能力或再生性能，通常用再生剂耗量、再生剂比耗表示。①再生剂的种类。对于不同性质的原水和不同类型的树脂，应采用不同的再生剂。选择的再生剂既要有利于再生液的回收利用，又要求再生效率高，洗脱速度快，价廉易得。一般对强酸性阳树脂用HCl或H2SO4等强酸及NaCl、Na2SO4再生；对弱酸性阳树脂用HCl、H2SO4再生；对强碱性阴树脂用NaOH等强碱及NaCl再生，对弱碱性阴树脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。11/20/20225②再生剂用量。树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可等容量恢复树脂交换容量，但实际上再生剂的用量要比理论值大得多，通常为2～5倍。当再生剂用量一定时，适当增加再生剂浓度，可以提高再生效率。但再生剂浓度太高，会缩短再生液与树脂的接触时间，反而降低再生效率，因此存在最佳浓度值。如用NaCl再生Na型树脂，最佳盐浓度范围在10％左右。③再生方式。再生主要有顺流和逆流两种方式。再生剂流向与交换时水流方向相同者，称为顺流再生，反之称为逆流再生。11/20/20226六、离子交换树脂的选用和保管（一）离子交换树脂的选用在离子交换水处理的设计中，应根据原水的水质、对出水水质的要求、离子交换树脂基本性能及离子交换设备性能，通过技术经济比较，合理地选用离子交换树脂。1．离子交换树脂的交换容量：树脂交换容量越大，其所交换离子的量就越大，相应地处理的水量越大。

2．原水的水质特征：原水（进水）的水质关系到离子交换水处理过程中要去除离子的性质，根据要去除离子的性质来选用树脂是至关重要的。仅去除水中交换吸附较强的阳离子；去除吸附性较弱的阳离子和阴离子；原水中有机物成分高。11/20/202273.处理出水的水质要求软化水处理:强酸性阳树脂与弱酸性阳树脂混合使用；除盐水处理:要求出水水质高，一定要选用强型树脂，以除去交换吸附能力较弱的离子，或者与弱型树脂组合使用。11/20/202284.离子交换设备的性能不同类型的设备要求选用不同性能的树脂。连续床（有移动床－交换柱、再生柱分为两柱进行

、流动床－同一柱内，再生段与交换段在不同部位，树脂可在同一柱内流动

），要求离子交换树脂的耐磨性好，强度高；固定床（单层床－只装一种树脂、双层床－装两种性质不同的树脂

、混合床－装阴阳两种树脂

）要求离子交换树脂的湿真密度相差大。

顺流再生固定床：原水流动方向与再生液流向一致，一般是从上往下流动。操作比较方便，有利于处理低硬度的原水。但是，再生程度差，再生剂耗量较大。

逆流再生固定床：再生液的流向与交换时水流流向相反。一般是原水向下流动，再生液向上流动。适合于处理高硬度的原水，再生效果好，再生剂耗量较少。11/20/20229（二）离子交换树脂的保管在新树脂使用前与旧树脂停用时，均需采用适当的保管措施，否则会直接影响树脂的使用寿命和其交换容量。

1．新树脂的保管

(1)保持树脂的水分；干树脂应用饱和盐水逐级稀释法使其含水率饱和。(2)防止树脂受凉和受热；低温造成树脂胀裂失去交换能力，高温时树脂易变形，交换基团分解和滋生细菌。(3)防止树脂劣化；避免与铁质容器、氧化剂和油类物质直接接触，防止树脂被污染和氧化分解，劣化树脂性能。11/20/2022102．旧树脂的的保管若离子交换换树脂在使使用过程中中有较长时时间停用，，其保管要要采取下列列措施：(1)树脂转型：通常把树树脂转变成成Cl型或Na型长期贮存存，故可将将阴树脂、、阳树脂用用食盐溶液液转型，阳阳树脂不宜宜以Ca型或H型长期存放放；(2)湿法存放：在交换器器内将停用用的树脂浸浸没于水中中保存；(3)防止霉变：交换器内内长期存放放树脂，其其表面容易易滋长微生生物，发生生霉变，尤尤其在温度度较高的条条件下。因因此，必须须定期进行行换水和用用水反冲洗洗，同时亦亦可用1.5％甲醛溶液液(福尔马林液液)浸泡消毒。。11/15/202211（三）离子子交换树脂脂的装填1．离子交换换器的清理理与检查2．离子交换换树脂的装装填（1）用水力装卸器器装填树脂脂时，用澄清水装填填阳树脂，用除盐水装填填阴树脂。在装填树树脂前，先往交换器器中加入一一定高度(如1m左右)的水层，避免树脂脂直接冲击击交换器底底部装置和和垫层。（2）按设设计计要要求求量量装装填填完完后后，测测量量树树脂脂高高度度，，符符合合要要求求后后即即封封闭闭交交换换器器。。对树树脂脂层层进进行行反反洗洗、、沉沉降降、、排排水水后再再打打开开交交换换器器，，平平整整树树脂脂层层．．将将漂漂在在树树脂脂层层上上面面的的细细颗颗粒粒树树脂脂刮刮去去。。并并再再补补装装填填入入树树脂脂，，使使树树脂脂层层高高度度达达到到设设计计要要求求。。（3）对对于于大大孔孔树树脂脂，，尤尤其其是是弱弱酸酸树树脂脂，，应应检查查有有否否软软球球和和透透明明球球，因因它它们们易易粘粘在在通通流流部部位位，，影影响响正正常常使使用用，，必必须须除除去去。。11/15/2022124.3离子子交交换换水水处处理理多种种类类型型的的离离子子交交换换组组合合达达到到不不同同的的水水处处理理目目的的原原水水的的软软化化、、或或软软化化并并脱脱碱碱、、或或脱脱盐盐。。一、、离离子子交交换换软化化水水处处理理离子子交交换换软软化化处处理理是是利利用用阳阳离离子子交交换换树树脂脂中中可可交交换换的的阳阳离离子子（（如如Na+、H+），，把水水中中所所含含的的钙钙、、镁镁离离子子交交换换出出来来，，去去除除水水中中的的硬硬度度，，这这一一过过程程称称为为离子子交交换换软软化化水水处处理理。目目前前常常用用的的有有钠离离子子交交换换软软化化法法、、氢氢离离子子交交换换软软化化法法和和氢氢钠钠离离子子交交换换软软化化法法等11/15/202213(一)离子交换软化化方法1.钠离子交换软软化法钠离子交换树树脂是最简单单的一种软化化方法，其反反应如下：Ca(HCO3)2+2RNa=R2Ca+2NaHCO3CaSO4+2RNa=R2Ca+Na2SO4MgCl2+2RNa=R2Mg+2NaCl该法的优点是是处理过程中中不产生酸性性水；设备和和管道防腐设设施简单；再再生剂为食盐盐，再生剂易易得。11/15/20221411/15/2022152.氢离子交换软软化法强酸性氢离子子交换树脂的的软化反应如如下：Ca(HCO3)2+2RH=R2Ca+2CO2+2H2OCaSO4+2RH=R2Ca+H2SO4MgCl2+2RH=R2Mg+2HCl由上可可见，，原水水中碳碳酸盐盐硬度度在交交换过过程中中形成成碳酸酸，因因此该该法除除可软化化外还还可去去除碱碱度。但在在与非非碳酸酸盐硬硬度交交换过过程中中，除除软化化外还还生成成相应的的强酸酸。因此此，对对设备备和管管道防防腐要要求高高，一一般总总是和和钠离离子交交换联联合使使用，，可与与其它它措施施（如如加碱碱中和和）相相结合合。11/15/2022163.氢-钠离子子交换换脱碱碱软化化法同时应应用氢氢和钠钠离子子交换换进行行软化化的方方法，，根据据两者者的连连接情情况，，可分分为氢氢-钠并联联离子子交换换法和和氢钠钠串联联离子子交换换法。。11/15/202217离子交交换装装置，，按照照运行行方式式的不不同，，可分分为固定床床和连续床床两大类类。固固定床床依照照原水水与再再生液液的流流动方方向，，双可可分为为两种种形式式：(二）离离子交交换软软化装装置工作运行图顺流再生图工作运行图逆流再生图顺流再再生固固定床床；逆流再再生固固定床床。11/15/2022181.顺流再再生固固定床床原水与与再生生液分分别从从上而而下以以同一一方向向流经经离子子交换换器的的离子子交换换装置置，称称为顺顺流再再生固固定床床。顺流再再生固固定床床存在在如下下主要要缺点点树脂脂层上上部再再生程程度高高，而而越是是下部部，再再生程程度越越差；；在软软化工工作期期间，，出水水剩余余硬度度较高高；到到软化化工作作后期期，，由于于树脂脂层下下半部部原先先再不不好，，出水水剩余余硬度度提前前超出出规定定指标标，导导到交交换器器过早早地失失效，，降低低了设设备工工作效效率。。因此，，顺流流再生生固定定床只只适用用于设设备较较小、、原水水硬度度较低低的场场合。。11/15/2022192.逆流再生固固定床凡时再生时时再生液流流向与交换换时水流方方向相反的的离子交换换软化装置置，均属于于逆流（对对流）再生生固定床。。常见的是再再生液向上上流、水流流向下流的的逆流再生生固定床。。逆流再生固固定床的优优点有：再再生时，再再生液首先先接触接触触饱和程度度低的底层层树脂，然然后再生饱饱和程度高高的中、上上层树脂。。这样，再再生液可被被充分利用用，再生剂剂用量显著著降低，并并能保证底底层树脂得得到充分再再生。软化化时，处理理水在经过过相当软化化之后又与与这一底层层树脂接触触，进行充充分交换，，从而提高高了出水水水质。这一一优点在处处理高硬度度水时更为为突出。11/15/202220与顺流再生生固定床相相比，逆流流再生固定定床具有如如下优点：：1）再生剂耗耗量可降低低20%以上；2）出水质量量显著提高高；3）原水水水质适用范范围扩大，，对于硬度度较高的水水，仍能保保证出水水水质；4）再生废液液中再生剂剂有效浓度度明显降低低，一般不不超1%。5）树脂工作作交换容量量有所提高高。与顺流再生生固定床相相比，其主主要缺点是是结构复杂杂、造价高高、运行操操作复杂。。11/15/202221(三)离子交换软软化系统的的选择1.钠离子交换换软化系统统一般用于原原水碱度低低，只须进进行软化的的场合，可可用作低压压锅炉的给给水处理系系统。该系统的局局限性在于于，当原水水硬度高、、碱度较大大的情况下下，单靠这这种软化处处理难以满满足要求。。从软化反应应看出，处处理后的水水质是：碱碱度不变，，去除了硬硬度，但蒸发残渣（（溶解性固固体）含量量反而略有有增加。11/15/2022222.氢离子交交换软化化系统氢离子交交换不单单独自成成系统，，多与钠钠离子交交换联合合使用。。这需要从从氢离子子树脂（（以强酸酸树脂为为例）用用于离子子交换的的出水水水质变化化过程加加以分析析。当进水流流经氢离离子交换换器时，，由于强强酸树脂脂对水中中离子的的选择性性顺序为为Ca2+>Mg2+>Na+，所以，，出水中中离子出出现的次次序为H+、Na+、Mg2+Ca2+，而此次次序与原原水中这这些离子子的相对对浓度无无关。11/15/202223在水的软软化系统统中，如如单独用用氢离子子交换系系统，若若以硬度度泄漏为为失效点点，则出出水碱度度仍未去去除；如如考虑以以漏钠为为失效点点，则还还有部分分交换能能力未发发挥作用用，且出出水呈酸酸性。因因此，不不能单独独用氢离离子交换换系统去去除硬度度。11/15/202224另外，我我们还可可以了解解到，在在氢离子子交换过过程中，，应根据据原水水水质与处处理要求求，对失效点的控制应应有所不不同。在在水的除除盐系统统中，失失效点应应以Na+泄漏量为准；而而在水的的软化系系统中，，亦可考考虑以硬度开始始泄漏作为失效效点。11/15/2022253.氢-钠离子交交换脱碱碱软化系系统该系统适适用于原原水硬度度高、碱碱度大的的情况。。可分为为并联和和串联两两种形式式。主要要是需要要考虑原原水流量量的分配配，这与与原水水水质及其其处理要要求有关关，还需需要考虑虑在系统统中增加加除二氧氧化碳器器。11/15/202226二、离子子交换除盐水处处理离子交换换除盐水水处理是是指水中中所含的的各种离离子和离离子交换换树脂进进行离子子交换反反应而被被除去的的过程，，又称为化化学除盐盐处理。锅炉的过过热器和和汽轮机机部分有有积盐的的危险，，亦会影影响石油油化工等等工业对对蒸汽品品质的要要求。因因此，要要求锅炉炉补给水水必须除除盐。11/15/202227（一）离子交交换除盐水处处理的原理当水中的各种种阳离子和阳离子交换树树脂反应后，水中中就含有一种种从阳树脂上被交换下来来的阳离子；而水中的各各种阴离子和阴离子交换树树脂反应后，水中中就只含一种种从阴离子树脂上被交换下来来的阴离子。若水中仅存存在的阳离子或阴离子能结合成水，则就能实现现水的离子交换换除盐。显然，这两种种离子只能是是H+和OH-。11/15/2022281．氢型阳树脂脂的交换反应应Ca2++2RH→R2Ca+2H+Na++RH→RNa+H+2．氢氧型阴树树脂的交换反反应Cl-+ROH→RCl+OH-SO42-+2ROH→→R2SO4+2OH-HCO3-+ROH→RHCO3+OH-3．中和反应水中的阳离子子和阴离子各各自与H型阳树脂和OH型阴树脂反应应，分别形成成的H+和OH-结合生成水，，其反应式如如下：H++OH-→H2O11/15/202229（四）离子交交换除盐水处处理系统1.一级复床离子子交换除盐水水处理系统原水只一次相相继地通过H型强酸性阳离离子交换器（（阳床）和OH型强碱性阴离离子交换器（（阴床）的除除盐水处理。。典型的一级级复床除盐系系统，包括H型强酸性阳离离子交换器、、除碳器（除除二氧化碳器器）和OH型强酸性阴离离子的交换器器，并构成串串联系统。（1）一级复床除除盐的原理原水经H型强酸性阳离离子树脂交换换后，除去了了水中所有的的阳离子，被被交换下来的的H＋与水中的阴离离子基团结合合形成相应的的酸，原水中中的HCO3-则变成了游离离的CO2,形成的游离CO2很容易用除碳碳器除去。11/15/202230OH型强碱碱性阴阴树脂脂对进进水中中以酸酸形式式存在在的阴阴离子子（包包括H2SiO3）很容容易进进行交交换反反应，，除去去水中中所含含的阴阴离子子，从从而得得到除除盐水水。为了除除去水水中除除H+以外的的所有有阳离离子，，要求求H型强酸酸性阳阳离子子交换换器出出水中中漏钠钠时，，立即即停止止运行行，用用酸进进行再再生；；同样样，当当OH型强碱碱性阴阴离子子交换换器出出水有有硅漏漏出时时，立立即停停止运运行，，用NaOH进行再再生，，这样样便能能保证证一级级复床床除盐盐水的的水质质。强酸性性阳离离子交交换树树脂：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+弱碱性性阴离离子交交换树树脂：OH->SO42->NO3->Cl->HCO3->HsiO3-11/15/20223111/15/2022322.混合床床离子子交换换除盐盐水处处理系系统混合床床离子子交换换器是是以阳、、阴两两种离离子交交换树树脂按按一定定比例例均匀匀混合合后装填填于同同一交交换器器内，，相当当于一一个多多级的的除盐盐系统统。其其中经经H型强酸酸性阳阳树脂脂与水水中阳阳离子子交换换后形形成的的H+，和经经OH型强碱碱性阴阴树脂脂与水水中阴阴离子子交换换后形形成的的OH-相结合合，形形成电电离度度很小小的水水。混合床床树脂脂失效效后，，可利利用其其H型强酸酸性阳阳树脂脂的湿湿真密密度与与OH型强碱碱性阴阴树脂脂的湿湿真密密度不不同，，用水水力反反洗法法将两两种树树脂分分开，，然后后用酸酸和碱碱液分分别对对其进进行再再生．．再生生后用用除盐盐水正正洗(按运行行制水水的方方向对对树脂脂进行行清洗洗，叫叫正洗洗)至合格格，再再用压压缩空空气将将两种种树脂脂混和和．即即可投投入运运行。。11/15/20223311/15/202234一级复床除盐水混合床除盐水电导率，μS/cm(25℃)<10<0.2SiO2，μg/L<100<20pH8－9.57.0±0.2表12－2除盐盐水水水水质质指指标标11/15/2022354.4离子子交交换换附附属属设设备备一、、再再生生附附属属设设备备1.食盐盐系系统统包括括食食盐盐贮贮存存、、盐液液配配制制及及输输送送等等设设备备。。一般般为为湿湿法法贮贮存存。2.酸系统酸系统主主要由贮贮存、输输送、计计量以及及投加等等设备组组成。由由于酸的的腐蚀强强，与酸酸接触的的管道、、设备均均应有防防腐措施施。11/15/2022363.再生剂用用量的计计算再生剂用用量G表示单位位体积树树脂所需需的纯再再生剂量量，g/L。要计算算再生剂剂用量需需用到两两个参数数：再生剂耗耗R和再生剂剂比耗n。再生剂耗耗R是指在失失效的树树脂中再再生单位位工作交交换容量量（1摩尔交换换基团））所耗用用的纯再再生剂质质量，单单位为g/mol。再生剂比比耗n表示单位位体积树树脂所消消耗的再再生剂物物质的量量与树脂脂工作交交换容量量q的比值（（mol/mol)。11/15/202237上述参数数之间的的关系为为R=n·MB(g/mol)G=q·R(g/L)其中MB—再生剂的的摩尔质质量，g/mol;q——树脂工作作交换容容量,mol/L.每台离子子交换器器再生一一次需要要的再生生剂总量量等于11/15/202238可见，再再生剂的的用量与与再生剂耗耗和再生剂比比耗成正比关关系。在在实际应应用中，，在一定定条件下下应通过过工作交交换容量量随比耗耗变化的的趋势确确定一个个即经济济又实用用的再生生剂比耗耗。下表表列出各各种离子子交换树树脂的再再生剂耗耗和比耗耗。11/15/202239二、除除二氧氧化碳碳器1.离子交交换水水处理理中二二氧化化碳的的来源源与危危害若原水水中存存在碳碳酸盐盐硬度度或碱碱度，，在H离子交交换过过程中中，处处理水水中产产生大大量的的CO2，将会会产生生如下下危害害：1）二氧氧化碳碳溶于于水体体，呈呈弱酸酸性，，对金金属设设备产产生腐腐蚀危危害；；2）二氧氧化碳碳会对对混凝凝土起起侵蚀蚀作用用，破破坏水水处理理构筑筑物；；3）游离离碳酸