华北理工水质工程学Ⅰ(工业给水处理)课件第2章水的软化

1、第2章 水的软化第一节 软化的目的与方法概述一、软化的目的锅炉用水对硬度要求很高，主要是硬度盐类会在锅炉受热面上生成水垢，从而降低锅炉热效率，增大燃料消耗，甚至因金属壁面局部过热而引起爆炸。因此对低压锅炉用水需软化处理，高压锅炉不仅软化甚至需脱盐处理。软化的目的就是去除水中钙、镁、铁、锰、铝等易形成难溶盐类的金属阳离子，期中主要是钙镁硬度。消除不良影响，满足生活和工业用水的要求。具体目的有： （1）避免锅炉水由于硬度而生垢浪费燃料、烧损部件、爆炸； （2）避免 Ca2+ 、 Mg2+对工业冷却设备正常运行 的影响传热系数低、导热性能差； （3）避免影响造纸、纺织等行业产品质量。二、软化的方法1

2、.药剂软化法（沉淀软化法）：基于溶度积原理，加入某些药剂，把水中钙、镁离子转变成难溶化合物使之沉淀析出。 CaCO3 Ca2+CO32- （向水中加CO32-） 当Ksp Ca2+CO32-时反应向右进行2.离子交换法：利用某些离子交换剂所具有的阳离子（ H+、Na+ ）与水中Ca2+、Mg2+进行交换反应达到软化的目的。3.电渗析法：基于电渗析原理，利用离子交换膜的选择透过性，在外加直流电场的作用下通过离子的迁移，在进行水的局部除盐的同时达到软化的目的。4.纳滤法：同ED和RO一样，在进行水的局部除盐的同时达到软化的目的，纳滤对二价离子去除滤高达90以上，而对一价离子的去除率只有4080。5

3、.掩蔽剂法：利用络合物的掩蔽性去除水中硬度或利用络合物的掩蔽性使络合物中的离子失去原离子反应性的方法，如加阻垢剂。（并不一定真正去除）第二节 水的药剂软化一、概述定义：基于溶度积原理，加入某些药剂，把水中钙、镁离子转变成难溶化合物使之沉淀析出。 A、原理：溶度积原理 B、药剂：石灰、苏打、石膏 C、CaCO3 、Mg(OH)2溶度积最小 水处理中常见难溶化合物的溶度积（25）化合物CaCO3CaSO4Ca(OH)2MgCO3Mg(OH)2溶度积4.710-92.510-55.010-54.010-58.910-12二、石灰软化法1、石灰的生产过程 石灰石CaCO3煅烧而成生石灰CaO，生石灰加

4、水消化为熟石灰Ca(OH)2，再配制成一定浓度的石灰乳可用于石灰软化。2、原理：主要利用了加入的OH-和水中原有的HCO3-反应，产生过剩的CO32-，使之与水中Ca 2生成CaCO3沉淀析出。当：HtA Ht=Hc+ Hn Hc有以上反应，可去除； 而Hn有一下反应： MgSO4+Ca(OH)2=CaSO4+Mg(OH)2 CaCl2+Ca(OH)2= CaCl2+Ca(OH)2 MgCl2+Ca(OH)2= CaCl2+Mg(OH)2产生了等当量的钙硬度， Hn 不能去除。当：A=0 Ht=Hn 无软化效果。 3、特点：（1）只能除Hc，不能除Hn（2）去除1摩尔Ca(HCO3)2需1摩尔

5、Ca(OH)2，去除1摩尔Mg(HCO3)2需2摩尔Ca(OH)2。（3）可以去除碱度（4）可去除水中部分铁和硅的化合物（5）石灰软化与混凝处理同时进行，可产生共沉效果（6）余硬：Hn+0.250.5mmol/L(溶度积及CaO过剩量)（7）含盐量略有降低（沉淀） （8）经济费用低4、适用条件： （1） Hc占大部分的原水; （2）预处理钠离子交换5、石灰用量的计算：（1）通过实验确定：以石灰投量（mgCaO/L）为横坐标，以水中残留硬度（H）为纵坐标，根据实验数据绘曲线，得出最佳石灰投量。 （2）理论计算：当：HCaHc 水中Hc仅以Ca(HCO3)2形式出现 （CaO）=56c(CO2)+

6、c(Ca(HCO3)2)+c(Fe2+ )+K+(mg/L) c(CO2)原水中游离二氧化碳浓度，mmol/L c(Ca(HCO3)2)原水中Ca(HCO3)2浓度，mmol/L c(Fe2+）源水中Fe2+浓度，mmol/L K混凝剂投量，mmol/L CaO过剩量：0.10.2mmol/L当：HCaCa2+Mg2+K+NH4+Na+H+Li+ 弱酸性阳离子交换树： H+Fe3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+Li+ 强碱性阴离子交换树脂：PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSiO3 弱碱性阴离子交换树脂：OHSO42NO3ClHCO3 （4）交换容量：交换容量是树脂最重要的性能，它

7、定量地表示树脂交换能力地大小。交换容量的单位mg当量/g(干树脂)或meq/L(湿树脂)。交换容量分为两部分，即全交换容量与工作交换容量。 全交换容量:是指单位重量或体积树脂内的交换基团总量或可交换离子的总数量，表示单位树脂所能吸附去除离子的最大量。可用滴定测定。 重量交换容量， mmol/g(干树脂) 体积交换容量，mmol/mL (湿树脂) 工作交换容量：指在给定的条件下树脂实际交换容量 ，受再生条件、原水水质运行条件等的影响。一般为全交换容量的6070，可通过试验或查有关设计规范。（5）有效pH值范围 此范围与树脂内活性基团的解离常数有关。 由于树脂活性基团分为强酸、弱酸、强碱和弱碱，水

8、的PH值势必对它们的交换容量产生影响。强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与pH值无关。 弱酸树脂在水pH值低时不电离或只部分电离，因而只能在碱性溶液中，才含有较高的交换能力。弱碱性树脂相反，在pH值高时不电离或只部分电离。只是在酸性溶液中才含有较高的交换能力。各种类型树脂有效pH值范围树脂类型强酸性弱酸性强碱性弱碱性有效pH值范围1-145-141-120-7三、离子交换平衡 离子交换实质是一种可逆反应，一价对一价的反应通式如下：选择系数可以用离子浓度分率表示：选择系数大于1，说明该树脂对B+的亲合力大与对A+的亲合力，即有利于进行离子交换反应。二阶对一阶离子交换反应通式为：改

9、变液相中的离子总浓度可以改变离子交换体系的反应方向，低浓度处理水，高浓度再生。（单位均为mmol/L）四、离子交换速度 离子交换过程受离子浓度和树脂对各种离子亲和力的影响外，还受离子扩散过程的影响。 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，速度与粒径的次方成反比。(4) 交联度：对于孔道扩散影

10、响比对膜扩散更为显著。五、树脂层离子交换过程 以钠型树脂软化为例，以一定浓度钙离子的硬水通过交换柱，交换反应一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品并测定其吸收钙、镁离子含量以及饱和度（树脂中钙、镁离子含量与其全交换容量之比），树脂层饱和度示意如下图所示。 实验证明，树脂层离子交换过程可分为两个阶段，第一阶段即交换带形成阶段，第二阶段是已定形的交换带沿水流方向以一定速率向前推移的过程。 当交换带下端到达树脂层底部，硬度也就开始泄露。此时整个树脂层分为两部分：树脂交换容量得到充分利用的部分称为饱和层，树脂交换容量只是部分利用的部分称为保护层。 交换进水流速大、硬度高，则交换带厚度就大，保护层厚度也

11、要求大。 树脂层离子交换过程如下图示意。第四节 离子交换软化方法与系统一、离子交换软化方法 目前常用三种方法： Na型树脂软化法、 H型树脂软化法、H- Na联合软化法。1Na离子交换软化法 Na离子交换是最简单的一种软化法，其反应如下： 2RNa+Ca(HCO3)2=R2Ca+2NaHCO3 2RNa+CaSO4=R2Ca+Na2SO4 2RNa+MgCl2=R2Ca+2NaCl 处理后产水为中性，再生剂为食盐。Na离子交换软化法示意图可作为低压锅炉的给水处理系统。 2H 离子交换软化法 H 离子交换软化法反应如下： 2RH+Ca(HCO3)2=R2Ca+2CO2+H2O 2RH+CaCl2

12、=R2Ca+2HCl 2RH+MgSO4=R2Mg+H4SO4 处理后产水为酸性，在软化的同时还可以除碱，一般总是与Na离子交换联合使用。 我们知道强酸树脂的离子选择顺序为Ca2+Mg2+，所以出水中离子出现的次序为H+、 Na+、 Mg2+和Ca2+。H 离子交换的出水水质变化过程图在开始阶段，原水中所有阳离子均被树脂上的H+所交换，出水强酸酸度保持定值，并与原水中 浓度相当。a点开始钠泄漏，在a-c 阶段c点酸度等于零，d点碱度与原水相等， 钠离子含量达到最高， b点硬度开始泄漏，直到出水硬度、钠离子接近原水，整个树脂层完全失效。3HNa离子交换脱碱软化法 可分为 HNa串联和 HNa并联

13、。QHQNaHNa串联软化法示意 1.H离子交换器，2.Na离子交换器，4.除CO2器，5.中间水箱，6.中间水泵HNa串联和 HNa并联关键是计算流量的分配，为了保证混合后出水不呈酸性，且有少量剩余碱度，H离子交换过程运行到钠泄露为宜。即原水中阴离子总浓度HNa串联适合于原水硬度较高的场合，因为部分原水于H交换后与原水混合硬度较低，再经Na交换。就设备而言，并联系统比较紧凑，投资省，但从运行看，串联较安全可靠，更适合于高硬度水。经过HNa交换处理，蒸发残渣可降低3050，能够满足低压锅炉对水质的要求。二、离子交换装置 离子交换装置按运行方式分为： 固体床（单层床、双层床、混合床） 连续床（移

14、动床、流到床） 按原水与再生液的流动方向分为： 顺流再生固体床 对流再生（逆流再生固体床、浮动床） 离子交换器的材料有： 碳钢衬胶（常用）、玻璃钢、有机玻璃、不锈钢、硬聚氯乙烯等。1. 顺流再生固定床 常用碳钢衬胶钢罐，承压0.40.6 MPa ，内上部设配水管，树脂层，下部设配水系统（管、滤帽），类似压力过滤器。树脂层高度一般为1.52.0m，上部有足够空间，使树脂层膨胀。运行操作包括交换过程和再生过程，再生过程由反洗、再生、清洗三步完成。 主要缺点：树脂层上层再生程度高，而越是下部，再生程度越差，通常，即使再生剂耗量23倍于理论值，而再生效果仍不理想；软化时出水剩余硬度较高，到后期，由于下

15、部再生不好，出水剩余硬度提前超标，导致交换器过早失效，降低了设备工作效率。 基于上述原因，顺流再生只适用于设备较小，原水硬度较低的场合。2.逆流再生固定床（1）原理：通常是再生液向上流，水流向下流。再生时，再生液首先接触饱和程度低的底层树脂，然后再生饱和程度较高的中、上层树脂，这样再生液被充分利用，再生剂用量显著降低，并能保证底层树脂得到充分再生，软化时，处理水在经过相当软化后又与这一底层树脂接触，进行充分交换，从而提高了出水水质。 以H型树脂与含钠盐进行交换为例，即能降低钠的泄漏 （2）特点： 再生剂耗量可降低20%以上； 出水水质明显提高，硬度一般小于20； 原水水质适应范围扩大，对硬度较

16、高原水仍能保证出水水质； 再生废液中再生剂有效浓度低，小于1； 工作交换容量提高； 自用水率低，相应排水量也少，比顺流低约30。 缺点是：操作较复杂。（3）构造 上配水：进水水流分布均匀 中间排液管：再生液排出，小反洗进水及排除积水 下配水（管或滤帽）：出水均匀 压脂层：15厘米树脂或比重轻于树脂而略重于水的惰性树脂。气顶压时，使压缩空气比较均匀而缓慢地从中间排水装置逸出，交换时起一定的过滤作用，主要是防止树脂乱层。（4）工艺（逆流再生操作步骤及关键） 再生和交换时树脂层不发生乱层是保证逆流再生效果的关键。 再生操作方法有4种：气顶压法、水顶压法、低流速法、无顶压法。 气顶压法：再生之前，在交

17、换器顶部进压强约3050 kPa的 压缩空气，从而在正常再生流速下树脂不乱层。 水顶压法：水压0.5 MPa。 低流速法：水流流速2 m/h。 无顶压法：加厚压脂层（200厘米以上） 逆流再生操作步骤： 小反洗：从中间排水装置引入反洗水，冲洗压脂层，流速510 m/h，1015分钟； 放水：将中间排水管上部水排掉； 顶压：使床不乱； 进再生液：从底部进再生液，上升流速5m/h； 逆向冲洗：用软化水，流速57m/h； 正洗：顺向清洗到出水水质符合标准， 1015 m/h； 再生结束，转入正常运行， 1520 m/h。逆流再生固定床运行若干周期后要进行一次大反洗，去除树脂层里的污物与碎粒，大反洗后

18、第一次再生耗药量适当增加。下面是逆流再生操作示意3.固定床软化设备计算 离子交换器内的物料平衡关系式： F h q = Q T Ht F交换器截面积，m2 h树脂层厚度，m q工作交换容量，mmol/L Q软化水量，m3/h T工作时间，h Ht原水硬度，mmol/L 上式两边分别表示实际交换能力和树脂吸附的硬度总量。q工 qo r （1s） qo r：树脂再生程度，再生度, ：树脂实际利用率 s：树脂饱和程度，饱和度 再生、清洗后整个树脂内的交换能力未得到再生部分 软化时树脂实际用于交换所占部分 漏泄开始时，尚未利用的部分再生度，实际中8090饱和度，实际中8090设计计算：湿视密度一般60

19、0850kg/m3实际中软化器一般不小于两台，便于维修。4.弱酸树脂的工艺特性及其应用 弱酸树脂目前应用最多的是丙烯酸型，如：111弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，其活性基团主要是羧（suo)酸(-COOH),表示为：RCOOH 。 弱酸树脂的工艺特性：（1）弱酸树脂与水中碳酸盐硬度交换，反应产水的H2CO3只有极少量离解为H，并不影响树脂上的可交换H继续与水中钙镁离子交换。可H2CO3分解为二氧化碳逸出。（2）弱酸树脂对于水中非碳酸盐硬度以及钠盐一类的中性盐基本不起反应，因为反应产物为强酸，离解度大，立即产水可逆反应，抑制了交换反应的继续进行。（3）易再生，由于羧酸根(-COO)与结合所生成的羧酸离解度很小,弱酸性树脂对H的亲和力大，再生容易，再生剂浓度可以很低。（4）弱酸性树脂单体结合活性基团多，交换容量大。 如111全交换容量大于12mmol/g干树脂，0017全交换容量大于4.99mmol/g干树脂。 应用： 弱酸树脂与钠型树脂联合使用可适合于水的脱碱软化，有两种方式：弱HNa串联或双层床。 双层床交换能力提高，再生比耗降低，废酸量显著减少，下一章与阴双层床一起讲。三、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