水处理工艺——离子交换处理ppt课件

1、1. 离子交换树脂的构造及合成离子交换树脂的构造及合成 离子交换树脂是由高聚物骨架和连结在骨架上的可交换基团简称功能团组成的。骨架具有庞大的空间网络构造，它是有许多低分子化合物称为单体聚合而构成的不溶于水的高分了化合物，高分子链上有各种可交换功能基团。根据单体的的种类树脂可分为苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等。下面以苯乙烯系树酯为例讨论。苯乙烯系树脂的制备： 树脂制备过程可分为高分子聚合物骨架的制备和在高分子聚合物骨架上引入可交换的基团的两个反响阶段。苯乙烯系树脂是以苯乙烯和二乙烯苯为单体共聚而合成的高分子聚合物骨架。聚苯乙烯就是苯乙烯系树脂的高分子骨架，也称白球。二乙烯苯在高聚物中起的是空间架桥

2、作用，使聚合物构成网状交联，聚合物中二乙烯苯的含量愈多，白球的网状构培育愈巩固。我们通常把聚合物中二乙烯苯的质量百分数叫做交联度。如交联度为7，就是指白球中二乙烯苯的质量占7%。白球制备出来以后，再将白球经过磺化反响、氯甲基反响和胺化反响，即可分别得到阴、阳离子交换树脂。下面就分别引见。二乙烯苯二乙烯苯苯乙烯苯乙烯CH=CH2CH=CH2n nCHCH2CHCH2 CH聚苯乙烯聚苯乙烯CHCH2 CH+ +过氧化苯甲酰过氧化苯甲酰CH=CH2CH=CH2CH=CH2CH=CH2mm苯乙烯树脂的制备苯乙烯树脂的制备苯乙烯阳树脂的制备苯乙烯阳树脂的制备磺化反响：磺化反响：CHCH2 CHCHCH2

3、CH CH2SO3HSO3HSO3HSO3HCHCH2 CHCHCH2CH CH2+H2SO4 +H2SO4 聚苯乙烯聚苯乙烯苯乙烯系磺酸型阳树脂苯乙烯系磺酸型阳树脂100100，Ag2SO4Ag2SO4聚苯乙烯高分子骨架的制备：聚苯乙烯高分子骨架的制备：苯乙烯阴树脂的制备苯乙烯阴树脂的制备氯甲基化反响：氯甲基化反响：氨化反响：氨化反响：CHCH2氯球氯球 CH2CI三甲基胺三甲基胺+ (CH3)3 N CHCH2CI CH2N (CH3)3 苯乙烯季胺盐阴树脂苯乙烯季胺盐阴树脂 CH2CICHCH2聚苯乙烯聚苯乙烯+CH2OCH2CI氯甲醚氯甲醚CHCH2+CH3OH氯甲基聚苯乙烯氯球氯甲基

4、聚苯乙烯氯球2 离子交换树脂的命名离子交换树脂的命名 离子交换树脂产品型号是根据国家规范离子交换树脂产品型号是根据国家规范GBl63179而制定的。而制定的。 离子交换树脂的全称号由分类称号、骨架或基团称号、根本离子交换树脂的全称号由分类称号、骨架或基团称号、根本称号依次陈列组成。根本称号为离子交换树脂。大孔型树脂在全称号称号依次陈列组成。根本称号为离子交换树脂。大孔型树脂在全称号前加前加“大孔两字。分类属酸性的，在根本称号前加大孔两字。分类属酸性的，在根本称号前加“阳字；分类属阳字；分类属碱性的，在根本称号前加碱性的，在根本称号前加“阴字。阴字。 离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数字组成。

5、第一位数字代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分类，第二位数字代表产品骨架组成，第三位数字为顺序号，表产品分类，第二位数字代表产品骨架组成，第三位数字为顺序号，用以区别功能基或交联剂的差别。代号数字的意义见表用以区别功能基或交联剂的差别。代号数字的意义见表3.5.1和和3.5.2 。代号代号0 01 12 23 34 45 56 6功能基功能基强酸性强酸性弱酸性弱酸性强碱性强碱性弱碱性螯合性螯合性两性两性氧化复原氧化复原表表3.5.1 3.5.1 分类代号分类代号表表3.5.1 3.5.1 骨架代号骨架代号代号代号0 01 12 23 34 45 56 6骨架类型骨

6、架类型 苯乙烯系苯乙烯系丙烯酸系丙烯酸系酚醛系酚醛系环氧系环氧系乙烯吡啶系乙烯吡啶系脲醛系脲醛系氯乙烯系氯乙烯系例如：例如：0010017(7(凝胶型凝胶型) )苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 7 。 110 1104(4(凝胶型凝胶型) )丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4 4。 D201 D201大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。3. 3. 离子交换树脂的特性离子交换树脂的特性 物理性能物理性能 ： (1)外观。外观。 (2)颗粒度。颗粒度。 (3)含水量。含水量。

7、 (4)密度。密度。 1)湿真密度。湿真密度。 2)湿视密度。湿视密度。5)机械强度。机械强度。 6)耐热性耐热性化学性能：化学性能： (1)交换反响的可逆性交换反响的可逆性 (2)酸、碱性酸、碱性 (3)选择性。选择性。 (4)交换容量。交换容量。 1)全交换容量。全交换容量。 2)任务交换容量。任务交换容量。树脂的离子交换是一种可逆反响，反响式可表示为：树脂的离子交换是一种可逆反响，反响式可表示为：RA+B RB+ARA+B RB+A与任何化学平衡一样，上述反响遵照质量作用定律，它的逆反响就是与任何化学平衡一样，上述反响遵照质量作用定律，它的逆反响就是A A型树脂的型树脂的再生。平衡常数表

8、达式：再生。平衡常数表达式： KBA=RBA/ KBA=RBA/RABRABKBA1KBA1树脂对树脂对B B的亲和力大于对的亲和力大于对A A的亲和力，的亲和力，图中曲线图中曲线c c；KBA1KBAA13+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+ 排水安装排水安装压脂层压脂层200mm进水安装进水安装反洗空间反洗空间中间排液安装中间排液安装树脂层树脂层1600mm逆流再生阳离子交换器构造图逆流再生阳离子交换器构造图进水安装的作用是均匀分布进水于进水安装的作用是均匀分布进水于交换器的过水断面上。另一个作用交换器的过水断面上。另一个作用是均匀搜集反洗排水。是均匀搜集反洗排水。排水安装的作用是均匀搜集

9、处置好排水安装的作用是均匀搜集处置好的水；另一个作用是均匀分配反洗的水；另一个作用是均匀分配反洗进水。进水。中间排液安装的作用：中间排液安中间排液安装的作用：中间排液安装对逆流再生离子交换器运转效果装对逆流再生离子交换器运转效果有较大影响，其作用是均匀排出再有较大影响，其作用是均匀排出再生液，防止树脂乱层、流失外，还生液，防止树脂乱层、流失外，还应有足够的强度，安装时应保证在应有足够的强度，安装时应保证在交换器内呈程度形状，交换器内呈程度形状，2. 阳离子交换器阳床阳离子交换器阳床压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机械杂质；使进水经过压脂层均及机械杂质；使进水经过压

10、脂层均匀作用于树脂层外表；防止树脂在匀作用于树脂层外表；防止树脂在逆流再生中乱层。逆流再生中乱层。 图图3.7.2 3.7.2 交换器中离子分布情况交换器中离子分布情况 (a) (a)开场进水时开场进水时 (b) (b)交换器失效时交换器失效时当交换器不断进水，随离子交换的不断进展，由于当交换器不断进水，随离子交换的不断进展，由于水中的水中的Ca2+Ca2+比比Mg2+Mg2+、Na2+Na2+与树脂的亲合力更大，与树脂的亲合力更大，更易被树脂吸收，所以水中的更易被树脂吸收，所以水中的Ca2+Ca2+离子可和已吸离子可和已吸收了收了Mg2+Mg2+的树脂进展交换反响，使的树脂进展交换反响，使C

11、aCa型树脂层向型树脂层向下扩展，而被置换下来的下扩展，而被置换下来的Mg2+Mg2+一同与一同与Na+Na+型树脂发型树脂发生交换，使生交换，使Mg2+Mg2+型树脂层下移而型树脂层下移而Na+Na+的交换区域也的交换区域也逐渐下移。在运转过程中，这三层不同型态的交换逐渐下移。在运转过程中，这三层不同型态的交换剂的高度在不断地向下扩展，如图剂的高度在不断地向下扩展，如图3.7.23.7.2所示。所示。阳床整个制水周期阳床整个制水周期( (运转开场到交换器失效这段时间运转开场到交换器失效这段时间) )中中电导率、钠离子浓度、酸度变化可用图电导率、钠离子浓度、酸度变化可用图3.7.33.7.3表

12、示。表示。开场通水正洗时随水的不断通入，水质越来越好。因开场通水正洗时随水的不断通入，水质越来越好。因此电导率、酸度、钠离子快速下降此电导率、酸度、钠离子快速下降a a点前。在点前。在abab为稳定制水过程，为稳定制水过程，b b点后树脂开场失效。此时水中钠添点后树脂开场失效。此时水中钠添加，氢离子减少而氢氧根添加，使酸度下降，电导率加，氢离子减少而氢氧根添加，使酸度下降，电导率下降。下降。图图3.7.3 3.7.3 强酸强酸H H型阳离子交型阳离子交 换换 器典型出水曲线器典型出水曲线ab运转时的交换情况运转时的交换情况无顶压逆流再生的操作步骤：无顶压逆流再生的操作步骤：1 1小反洗。只对压

13、脂层进展反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污小反洗。只对压脂层进展反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污染物。用水为该级交换器的进口水，流速树脂不乱层为宜，不染物。用水为该级交换器的进口水，流速树脂不乱层为宜，不断反洗至出水清澈为为止。断反洗至出水清澈为为止。2 2放水。待树脂颗粒下沉后，放掉中间排液安装以上的水。放水。待树脂颗粒下沉后，放掉中间排液安装以上的水。3 3进再生液。将再生液放入交换器内，严厉控制其流速和浓度进再生液。将再生液放入交换器内，严厉控制其流速和浓度4 4逆流再生。进完再生液，封锁再生液计量箱出口阀，按再生逆流再生。进完再生液，封锁再生液计量箱出口阀，按再生液的流速和流量继续用稀释再生

14、液的除盐水进展冲洗，直至出液的流速和流量继续用稀释再生液的除盐水进展冲洗，直至出水目的合格为止。封锁进水阀。水目的合格为止。封锁进水阀。5 5小正洗。水从上部进入，控制适当的流速，洗去再生后压脂小正洗。水从上部进入，控制适当的流速，洗去再生后压脂层中残留的再生废液和杂质。小正洗用水为运转时的进口水。层中残留的再生废液和杂质。小正洗用水为运转时的进口水。 6 6正洗。用水自上而下进展正洗，直到出水水质合格，即可投正洗。用水自上而下进展正洗，直到出水水质合格，即可投入运转。入运转。树脂的再生树脂的再生压脂层压脂层进进水水再再生生液液出出水水逆流固定床制水和再逆流固定床制水和再 生流向图生流向图再生

15、废液再生废液进进水水再再生生液液出出水水 交换器经过多周期运转后，下部树脂层也会遭到一定程度的污染，必需定期对交换器经过多周期运转后，下部树脂层也会遭到一定程度的污染，必需定期对整个树脂层进展大反洗，大反洗前先进展小反洗，在大反洗时流量应由小到大，逐整个树脂层进展大反洗，大反洗前先进展小反洗，在大反洗时流量应由小到大，逐渐增大。从下步进水废液由上部的反洗排水阀排出。渐增大。从下步进水废液由上部的反洗排水阀排出。离子交换器的运转中技术经济目的有交换器的出水水质，任务交换容量和相应的离子交换器的运转中技术经济目的有交换器的出水水质，任务交换容量和相应的再生剂再生剂 比耗，周期制水量及再生过程中耗费

16、水量。比耗，周期制水量及再生过程中耗费水量。任务交换容量任务交换容量(qi)(qi)：在一个制水运转周期中，平均单位体积树脂进展交换所放出的离子：在一个制水运转周期中，平均单位体积树脂进展交换所放出的离子量量mmol/mmol/。计算式：。计算式： qi=(A+S)V/Vi qi=(A+S)V/Vi。式中，。式中，A A为平均进水碱度为平均进水碱度,mmol,mmol；为平均出水酸度为平均出水酸度,mmol,mmol；为从正洗合格开场制水到失效一周期内的总制水量；为从正洗合格开场制水到失效一周期内的总制水量，m3;Vim3;Vi交换器内的树脂体积，交换器内的树脂体积， m3 m3。酸耗：使交换

17、剂恢复酸耗：使交换剂恢复molmol的离子交换才干，所耗费的酸的的克数。的离子交换才干，所耗费的酸的的克数。酸耗酸耗g gmolmol酸的克数酸的克数周期制水量周期制水量(L)(L)阳床出口平均酸度阳床进口平均阳床出口平均酸度阳床进口平均碱度碱度(mol(mol) )。比耗：再生剂的实践酸耗与实际酸耗酸的摩尔质量的比值。在实践中常用平均比比耗：再生剂的实践酸耗与实际酸耗酸的摩尔质量的比值。在实践中常用平均比耗来表示。平均比耗月或年的再生剂耗量耗来表示。平均比耗月或年的再生剂耗量制水量。制水量。水耗：每次再生所耗水的体积与树脂层体积之比。水耗：每次再生所耗水的体积与树脂层体积之比。出水水质：是监

18、视阳床出水的含钠量。出水水质：是监视阳床出水的含钠量。运转时的技术经济目的运转时的技术经济目的2 . 2 . 除碳器除碳器 除碳原理除碳原理水经过阳离子交换器，水中的水经过阳离子交换器，水中的HCO3-HCO3-与从树脂上交与从树脂上交换下来的换下来的H+H+结合，构成结合，构成H2CO3H2CO3极不稳定，随即分解极不稳定，随即分解生成的生成的CO2CO2：H2CO3H2CO3 H2O+CO2 H2O+CO2水中的水中的CO2CO2，可以看作是溶解在水中的气体，它的，可以看作是溶解在水中的气体，它的溶解度与气体分压的关系符合亨利定律，即在一定的溶解度与气体分压的关系符合亨利定律，即在一定的温

19、度下气体在液体中的溶解度与该气体在液面上的分温度下气体在液体中的溶解度与该气体在液面上的分压成正比。只需降低水面上压成正比。只需降低水面上CO2CO2的分压力，溶于水中的分压力，溶于水中的游离的游离CO2CO2就能解吸出来。就能解吸出来。降低液面降低液面CO2CO2气体分压的常用方法有鼓风和抽真空气体分压的常用方法有鼓风和抽真空两种。两种。 图图3.7.3 3.7.3 除碳器构造除碳器构造除碳器任务时水中上部布水扳扳淋下，经过除碳器任务时水中上部布水扳扳淋下，经过填料层后，从下部排入水箱。空气从下部由填料层后，从下部排入水箱。空气从下部由风机引入，经过填料层后由顶部排出。风机引入，经过填料层后

20、由顶部排出。在除碳器中因填料的阴挡作用，从上面流下在除碳器中因填料的阴挡作用，从上面流下来的水被分散成许多小股水流、微小滴或水来的水被分散成许多小股水流、微小滴或水膜，增大了空气与水的接触面积。膜，增大了空气与水的接触面积。因空气中因空气中CO2CO2含量很小约含量很小约0.03%0.03%，在水，在水中溶解达平衡时不到中溶解达平衡时不到0.45mg/L0.45mg/L，这样水与，这样水与空气接触时，水中的空气接触时，水中的CO2CO2便会析出。便会析出。真空除碳真空除碳真空除碳经过真空泵或放射器，从除碳器的真空除碳经过真空泵或放射器，从除碳器的不同部位抽真空而到达除碳的目的。不同部位抽真空而

21、到达除碳的目的。排水口排水口进气口进气口进水口进水口 o o o o o o o o 排气口排气口填料支撑填料支撑 扳扳填料层填料层布水扳布水扳鼓风除碳器的构造鼓风除碳器的构造 它的任务原理除了同上述的鼓风除碳所不同的是：在真空除碳过程中，它的任务原理除了同上述的鼓风除碳所不同的是：在真空除碳过程中，水中其它溶解气体水中其它溶解气体(如氧气如氧气)也同时被除去，这是鼓风除碳所不能做到的。也同时被除去，这是鼓风除碳所不能做到的。 3. 阴离子交换器阴离子交换器(阴床阴床)1/2H2SO4 1/2SO41/2H2SO4 1/2SO4 HNO3 NO3 HNO3 NO31/2H2CO3 +ROHR

22、1/2CO3+2H2O1/2H2CO3 +ROHR 1/2CO3+2H2OHCl CIHCl CI1/2H2SiO3 HSiO31/2H2SiO3 HSiO3阴离子交换本质上是阴树脂中的阴离子交换本质上是阴树脂中的OH与酸性水与酸性水(经过阳离子交换及除碳经过阳离子交换及除碳)中的负离子进展交换。所以在强碱性阴离子交换器内发生的反响为：中的负离子进展交换。所以在强碱性阴离子交换器内发生的反响为： 图图3.7.4 3.7.4 强碱性强碱性OHOH型离子型离子 交换器出水水量变化交换器出水水量变化根据强碱阴树脂的交换规律，根据强碱阴树脂的交换规律，HSiO3-HSiO3-集中集中在交换器中树脂的底

23、部。所以当强碱性在交换器中树脂的底部。所以当强碱性OHOH型阴离子交换器失效时，型阴离子交换器失效时，HSiO3-HSiO3-先漏出来，先漏出来，致使出水的硅含量升高。致使出水的硅含量升高。因强碱阴树脂的选择性顺序为：因强碱阴树脂的选择性顺序为：SO42SO42NO3NO3ClClOHOHFFHCO3HCO3HSiO3HSiO3压脂层压脂层进水安装进水安装反洗空间反洗空间中间排液安装中间排液安装树脂层树脂层2500mm排水安装排水安装逆流再生阴离子交换器表示图逆流再生阴离子交换器表示图阴离子交换器与阳离子交换阴离子交换器与阳离子交换器一样是逆流再生工艺，其器一样是逆流再生工艺，其操作步骤与阳离

24、子交换器一操作步骤与阳离子交换器一样。其交换器构造表示图与样。其交换器构造表示图与阳离子交换器也一样。阳离子交换器也一样。混合型离子交换器混合床除盐混合型离子交换器混合床除盐 1/2Ca2+ 1/2Ca2+、1/2Mg2+1/2Mg2+、Na+Na+RH +RRH +R，OH +OH + 1/2SO42 1/2SO42、CICI、HCO3HCO3、HSiO3HSiO3 Na 1/2SO4 Na 1/2SO4R 1/2Ca + RR 1/2Ca + R， CI + H2O CI + H2O HCO3 HCO3 1/2Mg HSiO3 1/2Mg HSiO3 由于阳、阴树脂混合均匀，所以阳、阴离子

25、交换反响几乎是同时进展由于阳、阴树脂混合均匀，所以阳、阴离子交换反响几乎是同时进展的，置换出的的，置换出的H+和和OH-立刻生成水，都不会积累，消除了反离子作用，立刻生成水，都不会积累，消除了反离子作用，交换反响进展得非常彻底，出水水质很好。交换反响如下：交换反响进展得非常彻底，出水水质很好。交换反响如下： 混合床是圆柱型密闭容器。其内部有进水安装、排水安装、中部有再混合床是圆柱型密闭容器。其内部有进水安装、排水安装、中部有再生时排再生废液的中间排水安装等。为了便于阳、阴树脂分层，混合生时排再生废液的中间排水安装等。为了便于阳、阴树脂分层，混合床中阳树脂与阴树脂的湿真密度差应大于床中阳树脂与阴

26、树脂的湿真密度差应大于0.150.20gcm3。国内混。国内混合床采用的阳、阴树脂的体积比为合床采用的阳、阴树脂的体积比为1：2。混合床构造表示图混合床构造表示图进水安装进水安装中间排液安装中间排液安装排水安装排水安装进碱安装进碱安装反洗空间反洗空间树脂层树脂层混合床是圆柱型密闭容器。其内部有进混合床是圆柱型密闭容器。其内部有进水安装、排水安装、中部有再生时排再水安装、排水安装、中部有再生时排再生废液的中间排水安装等。为了便于阳、生废液的中间排水安装等。为了便于阳、阴树脂分层，混合床中阳树脂与阴树脂阴树脂分层，混合床中阳树脂与阴树脂的湿真密度差应大于的湿真密度差应大于0.150.20gcm3。

27、国内混合床采用的阳、阴树脂的体积比国内混合床采用的阳、阴树脂的体积比为为1：2。经过一级复床处置后的水质，普通电导经过一级复床处置后的水质，普通电导率小于率小于0.2S0.2Scmcm，pHpH接近中性，含接近中性，含硅量硅量( (以以SiO2SiO2计计) )在在20g20gL L以下。以下。混合床构造混合床构造化学水处置所用的转动机械设备种类及数量很多。现简介常用的转动机械设备。化学水处置所用的转动机械设备种类及数量很多。现简介常用的转动机械设备。搅拌器。其作用是均匀混合包括物质、和能量，促进物理化学过程的加速进展。搅拌器。其作用是均匀混合包括物质、和能量，促进物理化学过程的加速进展。常用的是电机带动的旋桨式搅拌器和带减速安装的桨式搅拌器。用于混凝廓清池等。常用的是电机带动的旋桨式搅拌器和带减速安装的桨式搅拌器。用于混凝廓清池等。空气紧缩机。由主体、冷水系统、调理系统、光滑系统、平安阀、储气罐、除油器、空气紧缩机。由主体、冷水系统、调理系统、光滑系统、平安阀、储气罐、除油器、粉尘过滤器、电动机及控制设备等组成。在离子交换树脂再生中均需用紧缩空气。粉尘过滤器、电动机及控制设备等组成。在离子交换树脂再生中均需用紧缩空气。柱塞泵。加药泵均为柱塞泵，由螺轮柱塞泵。加药泵