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1、第5-6章 水的离子交换,5.1 离子交换基本原理5.2离子交换树脂的性质5.3离子交换操作设备6.1离子交换水质软化方法与系统6.2离子交换水质除盐方法与系统,5.1 离子交换基本原理一、离子交换树脂概念 离子交换树脂是由空间网状结构骨架（母体）与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分子化合物。活性基团遇水电离，水解形成：1）固定部分 2）活动部分活动部分能在一定空间移动，并与周围其它同性离子发生交换反应。称为可交换离子。,以R-SO3-H+为例，R，为母体;-SO3-H+为活性基团，H+为活性基团可交换离子有时可进一步简化为R-H+。,二、离子交换树脂分类,三、离子交换树脂命名与型号
2、分类名称：强酸型强碱型等。骨架名称：本体的材料，如苯乙烯系等基本名称：阳离子交换树脂等如-强酸苯乙烯阳离子交换树脂,为了方便，人们给各种树脂进行编号第1个，数字表示活性基团代号第2个，数字表示骨架代号第3个，数字表示顺序代号第4个，数字表示交联度如：0017；D311，D201分类代号见表5-2骨架代号见表5-3,5.2离子交换树脂的性质一、基本性质 1 外观 粒径0.31.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等 不透明或半透明球状颗粒,2交联度：取决于生产过程，表示母体中交联剂的含量，以710%为宜，对于苯乙烯系树脂，二乙烯苯就是交联剂。,3含水率 树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百
3、分比（约50%）树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率交联度越小，孔隙率越大，含水率越大,4溶胀性 干树脂+水湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度,5密度湿真密度通常1.3mg/l，用于确定反洗强度与膨胀率湿视密度通常，用于确定所需树脂的体积,6.有效PH值范围 由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水的pH值势必对其交换容量产生影响。表 各种类型树脂有效pH值范围,7.交换容量单位数量离子交换树脂具有离子交换基团的数量，是树脂最重要的性能，表示树脂交换能力的大小。以体积和重量两种表示方式。mmol/g，mmol/L1）全交换容量：2）平衡交换容量：3）工作交换容量：实际工作条件下的，全交
4、换容量的6070,（1）定义：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量代表交换能力的大小（2）测定方法：滴定测定与理论上计算,8.离子交换树脂的选择性与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关系，同时也受离子浓度和温度的影响。在常温和低浓度时：*离子电荷愈多，愈易被交换*原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+=NH4+Na+Li+SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3-,*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+对于强碱：OH HCO3-对于弱碱：OH SO42-,二、离子
5、交换平衡,选择系数用离子浓度分率表示：,二阶对一阶离子交换反应通式为：,三、离子交换速度,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,四、树脂层离子交换过程,五、离子交换树脂的再生原理离子交换反应的逆过程阳树脂：2R-SO3H+Ca2+-R2Ca+2H+
6、，2RNa+Ca2+-R2Ca+2Na+，阴树脂：R-OH+CI-RCI+OH-R-OH+SO42-R2 SO4+OH-将饱合树脂放入相应的浓溶液中。,5.3离子交换的操作设备,固定床最为常见，按再生液与水溶液的流向，又可分为顺流再生床与逆流再生床。,一、离子交换设备分类,1顺流再生特点：上部再生程度高，下部差，越是下部越差 再生剂耗量大，23倍理论值时，效果仍不理想 出水剩余硬度高 交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低 适合于硬度较低的场合,2逆流再生 特点：再生效果好，耗量可降低20%以上 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 再生废液中再生剂有
7、效浓度低 工作交换容量提高 操作较复杂再生效果好及剂量低等,二、离子交换设备构造,三、逆流再生固定床的运行过程1.制水 2小反洗 3放水,4.进再生液 5反洗 6正洗,四.阀系统及其控制程序,五.运行参数,1.制水，运行流速15-20m/h.2.小反洗流速5-10m/h，时间10-15min3.再生液流速，5m/h,时间50min4置换：流速5-10m/h，出水酸度小于3-5mmol/l,或碱度小于0.5mmol/l.时间一般5-10m/h6正洗：10-15m/h，时间10-15min,再生液配制与消耗：,6.1 离子交换软化方法与系统,钠离子交换法氢离子交换法氢-钠离子交换法,一、钠离子交换
8、法,水中的Ca2+、Mg2+交换到树脂上，钠离子进入水中，而钠盐的溶解度很大，不会沉淀析出，达到软化目的。,再生,经软化过程后，树脂为Ca2+、Mg2+型树脂，需再生，恢复能力：,缺点：在锅炉给水中，往往在软化的同时，要求碱度也降低，否则，软化中生成的NaHCO3在加热时有如下反应：,二、氢离子交换脱碱软化法,交换下来的H+与水中原有的阴离子结合成酸不单独使用碳酸盐硬度产生的H2CO3分解被去除脱碱,H离子交换软化法过程曲线,开始时出水呈酸性。Na开始泄漏时，出水酸度急剧下降。之后，RH交换转变为RNa型运行模式，对Ca和Mg仍有交换能力。出水Na离子逐渐超过原水中的浓度，呈碱性。然后硬度离子
9、开始泄漏出水中离子泄漏的顺序为：H、Na、Mg2、Ca2,三、HNa串联及并联：并联：,串联：,四、再生附属设备1食盐系统,2酸系统,3再生剂用量计算：再生剂用量G表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量（g/L，kg/m3）比耗：n mol/mol（再生剂/工作交换容量）q:树脂工作交换容量(mol/L)MB 再生剂摩尔质量再生1mol所需质量：RnMBGqRqnMB（g/L）,4.除二氧化碳器 1 原理：,CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，且一般为H床后：,2构造和计算：1）构造：,2）填料：常用瓷环 204 m2/m3 空隙率 74%3）计算：GKFC kgh G单位时间能够去除CO2的量
10、（能力）K 解吸系数 单位时间、单位接触面积、单位推动力下去除的CO2的数量F-瓷环面积,结论：K解析系数，温度高则其值大，CO2溶解度低，冬天鼓热风 水封高度大于风压 进风口高于水面距离25cm，伸入内壁，防止水溅入风口 通风管有一定坡向水面的坡度 防止出水管不通，使水漫入鼓风机 设备防腐,6.2离子交换除盐方法与系统,一、水的纯度概念 电阻率：1cm1cm1cm体积的水所测得的电阻（cm）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（普通蒸馏水）25 0C 电阻率 0.11.0106cm 3.纯水：去离子水，含盐量为.mg，强电解质绝大部分被去除，
11、弱电解质也去除到一定程度25 0C，0.11.0106cm。.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，250C，10106cm,二、阴离子交换树脂的特性1）强碱性阴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）强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上，从而可得：ROH+NaSiO3RHSiO3+NaOH（几乎不能
12、进行）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，由于孔道分布不均,故容易堵塞.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。,5）强碱性阴树脂的运行过程,三、弱碱阴离子交换树脂的特性1）.交换容量大 可做强碱阴床前的预处理2）.抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理3）.出水呈碱性，NaHCO3，Na HSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸性.Cl-,首先泄漏。,四、离子交换除盐方法与系统,1复床除盐：（复床系指阴、
13、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目的）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。阴床设在阳床之后（为什么？）：,2）强碱弱碱脱气系统,3）强酸脱气弱碱强碱系统,适合于原水强酸阴离子含量较大 H2SO4 弱碱用于去除强酸阴离子 HCl 强碱用于去除其它阴离子,2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+RCI+H2O,
14、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,2）混合床离子交换器装置及再生方式 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。,步骤：1、反洗分层 2、阴树脂再生 3、阴树脂正洗 4、阳树脂再生 5、阳树脂清洗 6、混合 7、最后正洗至PH7，电阻率大于5105cm，即可
15、运行。,3).高纯水制备与终端处理：强酸脱气强碱混合床系统 使用前终端处理有：紫外线，精制混床，超滤。3.氢型精处理器：强酸脱气强碱强酸能彻底去除Na，出水水质好，流速高 100m/h不能除Si，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混合床提纯水质。,4.离子交换双层床：阳离子交换双层床阴离子交换双层床 1)阳离子交换双层床,采用逆流再生，耗酸量相当于全部是阳树脂来说从3倍降到1.1倍理论值。,适应于：原水硬度=碱度的水，或硬度略大于碱度的水。2)阴离子交换双层床,（1）.逆流再生，碱耗量低，理论值的1.1倍。强碱是理论值的34倍（2）.交换容量提高，出水量增加。（3）.适应的含盐量范围可提
16、高。（4）.出水水质好。,缺点：要求再生条件严格，否则会出现如下现象，大量胶体硅（甚至胶冻）聚积在弱碱树脂上，使出水水质严重恶化。原因：再生时：下层强碱树脂：在NaOH存在的情况下，以Na2SiO3，Na2CO3存在。2R-NH3Cl+Na2SiO3 2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO3 2R-NH3Cl+Na2CO3 2R-NH3OH+2NaCl+H2CO3 从而使PH值下降，出现大量H2SiO3,从而析出胶体硅,粘附在弱碱树脂上,故对再生条件要求严格.1立即再生,否则强碱性树脂硅酸发生聚合,会污染强碱性树脂2加热再生,400碱液(避免产生胶体硅,降低出水硅含量)3先低浓度后高浓度 1
17、%3%碱液或(2%快慢),思考题1、与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水水质显著提高？2、实现逆流再生的关键是什么？3、为什么说在HtHc的条件下，经H离子交换（到硬度开始泄漏）的周期出水平均强酸酸度在数值上与原水Hn相当？此时HNa离子交换系统的QH和QNa表达式为何？若原水碱度大于硬度，情况又是如何？4、在离子交换除盐系统中，阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前后位置的布置应如何考虑？试说明理由。,3、在固定床逆流再生中，用工业盐酸再生强酸阳离子交换树脂。若工业盐酸中HCl含量为31%，而HCl含量为3%，试估算强酸树脂的极限再生度,4、试说明离子交换混合床工作原理，其除盐效果好的原因何在？,习 题:1、如下图所示，当氢离子交换出水强酸酸度为零，与其相应，出水Na+含量应是多少？2、在固定床逆流再生条件下，树脂工作交换容量能否由下式表示，试阐明其理由。,
