华北理工水质工程学Ⅰ课件21水的软化-4离子交换软化系统

1、21-4离子交换软化方法与系统一、离子交换 软化方法原理：目前常用方法： Na+交换法。 H+交换法 。 H+Na+交换法。 （一）Na+交换软化法： 反应： 2RNa+Ca(HCO3)2 R2Ca+NaHCO3 2RNa+CaSO4 R2Ca+Na2SO4 2RNa+MgCl2 R2Mg+2NaCl 特点：（1）不产生酸性水设备管道防腐简单。 （2）再生剂为食盐。 （二）H+交换软化法： 反应： 2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2CO2+2H2O 2RH+Mg(HCO3)2 R2Mg+2CO2+2H2O 2RH+CaCl2 R2Ca+2HCl 2RH+MgCl2 R2Mg+2HCl 特

2、点： （1）软化过程同时去除碱度 （2）产生酸，出水为酸性水对设备有腐蚀，这种方法用的较少。（三）H+Na+交换脱碱软化法: 将H+和Na+交换柱串联或并联。 出水偏酸性（有中和反应） NaHCO3+H2SO4Na2SO4+CO2+H2O 二、固定床离子交换软化装置： 装置分类： 单层床 阴 固定床 双层床 双层床离子交换装置 混合床 阳 移动床：短暂间歇，部分 连续床 交换剂移出柱外再生。 水由下向上流。 流动床 交换剂由上向下流。 固定床：交换器中的树脂在交换、冲洗、再生、操作过程中，不移出交换器。 顺流再生固定床：原水与再生液按按原水与再生 同一方向流动的交换器。 液流动方向 逆流再生固

3、定床：原水与再生液按 相反方向流动的交换器。 （一）顺流再生固定床：（用的较少）1、构造：一只离子交换柱（罐）。2、工艺过程：（1）交换（2）反洗：目的是使树脂松动一下，利于树脂再生，并排走树脂上层杂质 （3）再生，（4）清洗，目的：用软化水清洗掉再生液 （2）（4）为再生过程。 3、优缺点： （1）再生剂用量多。 （2）出水剩余硬度高。 （3）交换器失效早。 （4）构造简单。 （5）运行方便。 4、适用条件：原水硬度较低，水量也较小的场合。 （二）逆流再生固定床：（用的最多） 常见的是：软化水流向下，再生液水流向上（反向较少） 1、 构造： 2、工艺过程： （1）交换。 （2）再生： 水流上

4、向流交换工作，再生液向下流（浮动床法，少见） 水顶压法。 水流下向流工作，再生液向上流 气顶压法。 为什么顶压：防止再生时树脂乱层。（可节省再生剂）方法： 水压 在交换器中间设置排水装置，在顶部加压 气压 再生工艺过程：（1）小反洗：冲洗压脂层。流速：510m/h，时间：1015min 中间排水装置进水，顶部排水，去杂质。（2）放水：把中间排水装置上部的水放掉。 （3）顶压：从交换器顶部进压缩空气，维持3050KPa。 （4）进再生液：由交换器底部进再生液，柱中上升流速5m/h。 （5） 逆向清洗：洗去再生液，用软化水清洗，升速57m/h，排出水达出水要求为止。（注：不是达到运行指标） （6）

5、正洗：用软化水顺向清洗，出水水质符合运行指标止。流速控制1015m/h注：为了除树脂中的污物及碎粒，运行若干周期后要进行一次下反洗（可以乱层，但第一次再生要加大再生剂量） 3、优点：（与顺流再生相比） （1）再生剂耗量可低20%以上。（2）出水水质显著提高。（3）原水水质适用范围扩大，对于硬度较高的水，仍可保证出水水质。（4）再生废液中再生剂有效浓度明显降低，一般不超1%。（5）树脂工作交换容量有所提高。 4、新技术：（1）无顶压法再生工艺： 增加中间排水装置的开孔面积，小孔流速小于0.10.2m/s，压脂层厚20cm，再生流速小于7m/h，可不需顶压。 (2)浮动床技术： 交换工作时：上升水

6、流以3040m/h流速，将树脂处于悬浮状态。 再生时：再生液由顶部向下流经树脂层。 特点：同样具有逆流再生的特点。 但工作一定时间后，需将树脂移出体外擦洗，原因是浮动床内树脂填充较满，难以在交换器内清洗。 适用情况：不宜用于水量不稳定和需经常间歇的情况。原因：保持层床不乱才具有逆流再生的特点。水量不稳和经常间歇易乱层。（三）固定床软化设备计算： 计算基本公式： （物料平衡方程） F离子交换器截面积，。 h树脂层高度，m。 Eop树脂工作交换容量，mmol/L。 Q软化水的水量，m3/h。 T软化工作时间，h。 Ht原水硬度，以 表示，mmol/L。 计算步骤：（1）交换器直径d （m）（ ）

7、据圆面积公式为： （m） Q给定流量。 v所选水流流速，强酸树脂v取1520m/h 。（2）树脂层高度h： （m） （3）树脂装量VR ：（湿树脂） （m3） 相应于湿树脂重量 Wm（Kg）： （Kg） Da树脂湿视密度或堆溶液，一般为600850Kg/m3 实际工程中：固定软化设备台数2台以上，便于再生和检修。 （4）树脂工作交换容量Eop：由漏出曲线来分析:图中：面积abedca为 具体工作条件下交换 器总的交换能力，称 为饱和交换容量： 与再生度有关，与具 体工作条件有关。 面积abdca称为工作交换容量，与再生度有关。 工作条件：流速v，温度t，树脂粒径di，硬度Ht Et总交换容量，

8、交换基团总数。 可用式表示为： 利用系数。 利用硬度开始泄漏时树脂层饱和 程度示意图。 （1）面积表示再生后，未能再生 的部分。 （2）面积表示交换剂工作部分。 （3）面积表示泄漏时，树脂中未 被交换的可工作部分。 实际利用率：再生度： 树脂饱和度： 交换后饱和程度再生前树脂层剩余交换能力的比率：三、离子交换系统的选择：选择依据：原水水质及出水水质要求。 （一）Na离子交换软化系统： 1、软化过程：将水中的Ca2+和Mg2+交换成Na+ 2、处理后水质：碱度不变，去除了硬度。 不产生酸性水，出水硬度也高， 可达0.05mmol/L（1/2Ca2+）3、适用条件：原水碱度低，对软化后的硬度要求不

9、高。 如要求硬度严格也可串联形式。 （二）强酸H+离子交换树脂的工艺特性：1、软化过程：用H+交换水中的Ca2+、Mg2+2、特点：（1）与碳酸盐硬度反应，产生CO2气体 2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2H2CO3 2CO2+2H2O 2RH+Mg(HCO3)2 R2Mg+2H2CO3 2CO2+2H2O（2）与非碳酸盐反应生成酸: 2RH+CaCl2 R2Ca+2HCl （3）与Na盐反应生成酸 RH+NaCl RNa+HCl 一般不单独使用，因为产生了酸性，常与Na离子交换器一起使用。3、出水水质变化过程： 强酸树脂对水 中离子的选择 性顺序为 Ca2+Mg2+Na+ 所以出水中出

10、 现离子顺序为 H+Na+Mg2+ Ca2+ (三)HNa并联离子交换系统：（1）原理：通过Na+交换器出水呈碱性：（出水含：NaHCO3； Na2SO4；NaCl） 通过H+交换器出水呈酸性：（出水含：CO2；H2SO4；HCl）混和，酸碱中和。 CO2脱气中和产物 NaSO4 软化水 NaCl （2）流量分配计算公式： 与原水水质和要求出水水质有关， 与H+交换器出水失效点有关，漏失Na+为失效点。 通过H+柱水量为QH ，通过Na+柱水量为QNa Q=QH+QNa 要求出水有剩余碱度Ar一般约为Ar=0.5mmol/L 式中： c(HCO3)原水碱度。可得： 式中： c(A)总阴离子浓度

11、mmol/L 同理可得：（3）适用范围： 原水非碳酸盐阴离子总浓度 不宜超过34mmol/L，并 不宜小于 0.5 。 Hc碳酸盐硬度（暂时硬度） Ht原水硬度对强酸性阳离子交换剂，不受限制。 2、HNa串联离子交换系统：（1）原理： 原水（Q）H+交换器（QH） QQH Ca(HCO3)2+RHCaR2+CO2+H2O 脱气CO2 QNa Na+交换器 Ca(HCO3)2+RNaCaR2+NaHCO3 出水 （少量） （2）计算：与并联相同 （3）适用条件：适用于处理原水硬度较高的水，并且出水水质硬度较低。（4）注意：除CO2器的设置位置，在H柱和Na柱之间。如果在Na柱之后，则CO2在Na

12、柱中反应： NaR+H2CO3=HR+NaCO3 产生碱度较大。 （5）比较：HNa并联设备紧凑，投资省。 HNa串联出水硬度低，安全 可靠。 经HNa离子交换器处理，蒸发残渣可降低1/21/3 详见书 P415自学 （四）弱酸树脂的工艺特性及应用： 丙烯酸型（111型），弱酸性树脂 1、结构： 起活性作用的 主要是羧基 （COOH），所以也称羧酸树脂。 2、特性：（1）主要与水中重碳酸盐硬度进行交换反应， 与重碳酸盐交换反应后，生成H2CO3，离解出的H+很少。 与非碳酸盐反应： 如： 2RCOOH+CaCl2 (RCOO)2Ca+2HCl 可离解出许多H+，对RCOOH的反应起抑制作用。

13、（2）对H+的亲合力比强酸树脂大，容易进行再生。 再生剂用量少，浓度可降低。 （3）交换容量高，结合的活性基团多。 如国产111，交换容量12.0mmol/g(干树脂) (4)若与Na型强酸树脂联合使用，可适用于水的脱碱软化。 HNa串联系统。 两种方式 HNa同柱，HNa离子交换双层床。四、再生附属设备（一）食盐系统： 食盐贮存，盐液配制，和输送设备。 常用湿式贮存， 用量小时， 也可用干式贮存。 （二）酸系统： 贮存，输送，计量，投加等构成。安全投加问题。 （三）再生剂耗量计算： Q原水流量m3/h Ht进水硬度 mol/L T运行时间hr MB再生剂摩尔质量 g/mol n再生剂比耗（m

14、ol/mol）单位体积树脂，所耗的纯再生剂物质的量，与树脂工作交换容量的比值。 工业用酸和盐的浓度或纯度。 %除CO2器（一）基本原理： 1、除CO2的目的： （1）CO2对金属，砼有腐蚀作用。 （2）对Na+交换器有影响。 （3）增加阴离子交换负担。 除CO2的原理：据分压定律和享利定律， 15时，CO2的溶解度为0.6mg/L ，当水中的CO2含量大于溶解度时， CO2自动由水中析出(解吸过程) 。 当水中的CO2含量小于溶解度时， CO2自动由气中转入水中(吸收过程)。 但两种过程非常慢，设置除CO2器的目的就是加快CO2的解吸过程。 (二)除CO2器的构造与计算： 有瓷、聚丙烯等构成：

15、布水器 填料 环状、空心球、 （原理：增大解吸面积和延长解吸时间） 计算公式： （1）除CO2气的总工作面积F：m2 K解吸系数kg/（hm2Kg/m3）或m/h 即单位时间，单位接触面积，单位平均解吸动力下的去除CO2数量。该值可由实验曲线求出。为一实验曲线 G需从水中去除的CO2数量（Kg/h） （Kg/h） Q水量，m3/h (CO2)1进水CO2浓度（mg/L） (CO2)1=44C(HCO3) +(CO2) mg/L C (HCO3)原水碱度mmol/L (CO2)原水游离CO2的质量浓度mg/L (CO2)2出水剩余CO2浓度，一般取5mg/L C平均解吸动力（Kg/m3），表示除CO2器上下两端推动力的对数平均值，近似为： 也可由图求出C值： （2）求填料总体积W（m3） E单位体积填料的表面积，如瓷环 E=204m2/m3 （3）定出淋水密度：q 常选q=60m3/m2h m2截面积。 （4）塔截面积f（m2）： 水量 （5）填料层高度：h（m） （6）风机：风量：2