水的离子交换除盐以及阴、阳、混床的基础知识

1、离子交换的基本知识为了除去水中离子态杂质， 现在采用最普遍的方法是离子交换。这种方法可以将水中离子态杂质请出得比较彻底，因而能制得很纯的水。所以，在热力发电厂锅炉用水的制备工艺 中，它是一个必要的步骤。离子交换处理，必须用一种称作离子交换剂的物质 （简称交换剂）来进行。这种物质遇 水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换，如Na型离子交换剂遇到含有Cf的水时，就发生如式（4-1 ）的交换反应：2RNa+Ca2+RCa+2N程就很复杂。图5-4画出了水中同时含有 Ca2+、Mcj+ Na三种阳离子时进行的 H离子交换，而且再生和运行 都是从上向下通过交换剂层情况下离子变动的过

2、程。图5-4表示再生、清洗后，在交换剂层不同高度处Ca、Mg Na、H四种离子量的分布情况。当水流由 上向下运行时，也由于上部的交换剂先与进水接触， 交换反应首先在这里进行。因各种阳离子选择性的不 同，经一段时间的运行，交换剂层中各离子型态的分 布，从上向下大致是 Ca、Mg Na所占的比例依次增大。如图5-4 (b)所示。之所以出现这种情形，是因为当交换器不断进水时，Ca2+比Mg+和Na+更容易被交换剂吸着，进水中的Ca2+可和吸着了 M端的交换剂进行交换，使吸着C的交换剂量不断扩大；当被交换出来的M0+连同水中的Mg2+一起向下流遇到Na型交换剂时，M0+会置换Na+,结果使Mg型交换剂

3、量也不断增多，分布位置也下移；同理，Na型交换剂的量也会不断增多，分布位置也下移。当交换器运行到图5-4 (c)的状态时，如再运行，出水中将有Na+出现，酸度也开始下降，在要求严格的场合，交换器应停止运行，进行再生。当只要求除去水的硬度，不要求除去Na时，即使交换后的水中出现Na+,交换器仍可运行，直到出水中有Ca2+、mC+穿透时再停止运行，进行再生。第二节固定床离子交换固定床离子交换的运行方式是以离子交换剂为滤料，对水进行过滤。因此，常用作固定床的离子交换器和压力式过滤器结构相似，只是在离子交换器中设有进行再生液的装置。固定床离子交换器按其再生运行方式不同， 可分为顺流、对流和分流三种。

4、顺流式就是 指运行时水流的方向和再生时再生液流动的方向是一致的，通常都是由上向下流动。因为用这种方法的设备和运行都较简单， 所以从前用得比较多。 现在，只在进水水质较好时才应用。分流再生是在床层表面下约 400600mm#安装排水装置，使再生自上、下部同时进入，废 液自中间排水装置中排出。运行时水流自上而下通过床层，所以在这种交换器中， 下部床层为对流再生，上部床层为顺流再生。逆流再生式逆流式交换器宣换制层中离子变动过程 碑生后i逆流式交换器宣换制层中离子变动过程 碑生后i运行中e 失效时阳离子交换器实效后离子在交换剂层中的分布如下图所示：上层完全是失效层，被 C、Mcj+ Na+所饱和，下层

5、是部分实效的交换剂层。逆流再生时，下层部分实效的交换剂总是和新鲜的再生液接触，故可得到很高的再生度， 越往上交换剂的再生度越低。这种分布情况对交换很有利。因为运行时，出水接触的是这部分再生对彻底的交换剂，因此出水水质好。上层交换剂虽然再生不彻底， 但运行时它首先与进水相接触， 此时水中反离子浓度很小，故这部分交换剂仍能进行交换，故其交换容量得到充分的发挥。交换器的结构在用逆流再生工艺时， 必定要有液体向上流动的过程，由于这一特点，逆流交换的工艺过程就要比较复杂一些。 因为当液体通过交换剂层上流时，如其流速稍微快了一些， 就会发生和反洗一样的使交换剂层松动的现象。用小17 逆流再生阈干生和反洗一

6、样的使交换剂层松动的现象。用小17 逆流再生阈干M粉器的结构训.府F 2进水鬻工3中间悻源 出水管f 进再生般强.存坤施安的.梅逆流再生式离子交换器的机构如图所示。为了防止再生液和清洗水上流时发生乱层，逆流再生式离子交换 器在交换剂层的表面部分设有排水系统，使向上流动的再生液或冲洗水能均匀地从此排水装置中排走，不会因为有水流流向交换剂层上面的空间，而将交换剂层松 动。逆流交换器中间排水装置的结构，主要是要求不漏交换剂颗粒，分布均匀。它在交换器中应安装牢固，防止运行中被水流冲坏。目前中排装置常用的形式是母管 支管式。母管置于树脂层上面， 阻力较小，也不至于造 成中部死区。支管是以短管与母管连接，

7、用不锈钢螺栓固定。在中间排水装置之上，交换剂层上加一层厚约150200mm勺粒状物质作为压脂层，这是为了使液体上流时不乱层。水的离子交换除盐第一节阴离子交换树脂的工艺性能阴离子交换和阳离子交换作用相同，是同符号离子间的相互交换，也有可逆性，是按等物质的量进行的。但阴离子交换剂的交换能力、选择性和化学稳定性等方面和阳离子交换有差别，而且水中需要用它除去的某些阴离子也有特殊性，所以它的使用条件就和阳离子交换剂有些不同。、强碱性阴树脂的工艺性能强碱性OH型交换剂可以用来和水中各种阴离子进行交换，在稀释液中它对各种阴离子的选择性为 SO2- NO-Cl-OH F-HCOHSiQ，由此可知，它对于强酸阴

8、离子的系着能力很强，对于弱酸阴离子则吸着能力较小。对于很弱的硅酸，虽然能吸着其 HSid-,但吸着能力很差。如果它和水中硅酸盐NaHSiQ反应，生成物中有强碱 NaOH ROH + NaHSiO3 - RHSiO + NaOH此时，由于出水中有大量反离子OH,交换反应就不能彻底，除硅的作用往往不完全，难以满足高参数锅炉的要求。所以在水处理工艺中，必须设法排除OH的干扰，创造有利于吸着HSiQ-的条件。现在普遍采用的办法是先将水通过强酸性H型交换剂，使水中各种盐类都转变为相应的酸。这样，在用强碱性OH型交换剂处理时，由于交换产物中有电离度非常小的H20,故可防止水中 OH的干扰，反应式：ROH

9、+ HSiO3f RHSiO + 0 2H二、弱碱性阴树脂的工艺性能弱碱性阴树脂只能吸着SO2-、Cl-、NO-等强酸根，对弱酸根 HCO的吸着能力很弱，对于更弱的酸根 HSiQ-不能吸着。不仅如此，而且弱碱性OH型树脂对于这些酸根的吸着是有条件的，那就是吸着过程只能在酸性溶液中进行，或者说只有当这些酸根成酸的型态时才能被吸着，如反应式所示：R(NHOH 2 + HSiO3fR (NH) 2SO + 2QH; RNH3OH+ HClfRNHCl + C2H至于在中性溶液中，弱酸性OH树脂就不能和它们进行交换。这是弱碱性树脂不同于强碱性树脂的地方。强碱性 OH型树脂能和中性盐反应，将它们转变成碱

10、。阴树脂的碱性越 强，将中性盐转变成氢氧化物的能力也越大，这种性能称为分解中性盐的能力。而弱碱性 OH树脂没有这种能力。用弱碱性阴树脂处理水时，对水的pH值有一定的限制。当水的pH值过大时，可以看作由于水中OH浓度大，它抑制了树脂的电离。不再具有可交换性能；也可看作由于弱碱性阴 树脂对OH的选择性较强，优先吸着 OH,所以当水中OH交多时，别的离子无法取代它。虽然弱碱性Oh树脂的交换性能不如强碱性的好，但它极易用碱再生。在离子交换除盐系统中， 弱碱性OH树脂常常是和强碱性 OH树脂联合使用的， 所以 它还可以利用再生强碱性 OH树脂后的废液来再生。第二节一级复床除盐将H型阳床和OHS1阴床组成

11、的系统称为复床,原水只一次相继地经过 H将H型阳床和OHS1阴床组成的系统称为复床,一、原理2+进入除盐系统的原水中，常含有Ca、M、Na+等阳离子和 SQ2-、Cl-、HCO等阴 离子，以及弱酸 HbCO和H2SiO3O当此水通 过强酸性H型树脂层是，水中的各种阳离图6臼一级复床除盐系统 性H型交换器，2除磁器： 国硬性。H型交换器,中间水箱子均被树脂吸着，树脂上的 H+被置换到水中。所以，此H型交换器的出水呈酸性，其中含有 和进水中阴离子相应的 H2SO和HCl等强酸，以及 HCO和H2SQ3等弱酸。这种含有 CO和其 他无机酸的水，先经除碳器除去 CO,之后，通过强碱性OH型树脂时，水中

12、的各种阴离子均 被树脂吸着，树脂上的 OH被置换到水中，与水中的 H+结合成水。通过一级复床除盐的出水水质：硅酸达0.1mg/L以下，电导率达 5（iS/cm以下。二、运行1、强酸性H型交换器在除盐系统中，为了要除去水中的H+以外的所有阳离子，必须在有漏Na+现象时，即停止运行，进行再生。当强酸性H型树脂交换器经再生后冲洗时，出水中各种杂质的含量便迅速下降，但出水水质达到一定标准时就可投入运行，以后，水质就保持平稳。当出水中开始漏Na+现象时，即停止运行。2、强碱性OH型交换器因为强碱性OH型交换器常设在强酸性 H型交换器的后面，所以它的进水中各种阴离子 都以酸的形态存在。在强碱性Oh交换器正

13、常运彳T中，出水的pH大都在79之间，电导率为25S/cm,含硅量以SiO2计为1020pg/L。当强碱性 OH型树脂实效时，由于有酸 漏过，pH值下降；与此同时，集中在交换剂层下部的硅漏出，致使出水中硅含量上升。至 于电导率，则常常出现先略微下降，而后上升的情况。第三节 混合床除盐经一级离子交换除盐系统处理过的水质虽已较高，但还不能满足许多工业部门对水质的要求。为了得到更好的水质，人们曾采用过二级复床除盐系统（即在一级复床除盐后面又加一级复床）。近年来，随着生产技术的发展，有些工业部门对水质的要求更高了，以至二级 复床除盐也不能满足要求，再增加除盐设备的级数，会使除盐系统越来越复杂。为此，现

14、在常采用一种在同一交换器中，完成许多级阴、阳离子交换过程，以制出更纯的水的方法，这就是常称的混合床除盐。、原理混合床离子交换法， 就是把阴、阳离子交换树脂放在同一个交换器中，并且在运行前将它们混合均匀。所以，混合床可以看作是由许多阴、阳树脂交错排列而组成的多级式复床， 如以阴、阳混匀的情况推算，其级数约可达 10002000级。在混合床中，由于阴、阳树脂是相互混匀的，所以其阴、阳离子H睛空气交换反应几乎是同时进行的。或者说，水的阳离子交换和阴离子交换 是多次交错进行的。所以经 H型交换器所产生的 OHTB不能累积起来, 基本上消除了反离子的影响，交换反应进行得十分彻底，出水水质很H睛空气混合床

15、中树脂实效后，应先将两种树脂分离，然后分别进行再生和清洗。分离的方法一般是用水力筛选法，即用水反洗，利用阳树脂 的湿真密度比阴树脂大的特点，使阳树脂处于下层，阴树脂处于上层。6-7混合床陶/交换器的靖何 再生清洗后，再将两种树脂混合均匀， 又可投入运行。一般地，混合床主要做成固定床式的。二、固定床式混合床1、设备结构固定床式混合床离子交换设备的壳体和压力式过滤器的相同，是圆柱形密闭容器。 壳体中常装置有上部进水装置，下部配水装置；为了将其中阴、阳树脂分开再生，在其中部还设 有配水装置。为了便于阴、阳树脂分层，混合床用的阳树脂和阴树脂的湿真密度差应大于15%- 20%关于阴、阳树脂的配比，应从影

16、响出水水质和一个周期中交换器的出水量两个方面来考虑决 定。目前，国内采用的树脂体积比通常为阴：阳=2：1。2、运行由于混合床是将阴阳树脂装在同一个交换器中运行的，因此在运行上有许多与普通固定床不同的地方。(1)反洗分层。混合床除盐装置运行操作中的关键问题之一，就是如何将失效的阴、 阳树脂分开，以便分别通入再生液进行再生。在热力发电厂中，目前都是用水力筛选法，对阴、阳树脂进行分层。这种方法就是借反洗的水力将树脂悬浮起来，使树脂层达到一定的膨胀率，在利用阴、阳树脂的密度差达到分层的目的。一般阴树脂的密度较阳树脂的小，分层后阴树脂在上，阳树脂在下。只要控制适当，可以做到两层树脂间有一明显的分界面。反

17、洗开始时，流速宜小， 待树脂层松动后，逐渐加大流速至10m/h左右，使整个树脂层的膨胀率在50%o如反洗流速过大，虽然可以增加树脂的膨胀率，有利于分离，但需要 用较高级的设备，这就要增加投资。一般反洗需1015min。为了容易分层，可在分层前通入NaOHB液，将阴树脂再生成OH型，将阳树脂再生成Na型，使两者间的密度差加大，从而加快其分层。(2)再生。混合床的再生通常有三种方法：体内再生、体外再生和阴树脂外移再生。 在热力发电厂中一般不用第三种方法，下面仅介绍前两种方法。1)体内再生。就是树脂在交换器内部进行再生的方法。根据进酸、进碱和冲洗步骤的 不同，它又可分为两步法和同时处理法两种。所谓两

18、步法是指酸、 碱再生液不是同时而是先后进入交换器，两步法又可分为碱液流经阴、阳树脂的两步法和酸、碱分别通过阳、阴树脂的两步法。在大型装置中，一般都使用酸、碱分别单独通过阳、阴树脂层的两步法。这种方法，实 在反洗分层完毕后，将交换器中的水放至树脂表面上约10cm处，从上部送入NaOHB液再生阴树脂，废液从阴、阳树脂分界处的排液管排出，并按同样的流程进行阴树脂的清洗，清洗至排出水的OH碱度至0.5mmol/L以下。在再生和清洗时，可用水自下部通入阳树脂层，以 减轻碱液污染阳树脂。然后，再生阳树脂时酸由底部通入，废液也由阴，阳树脂分界处的排 液管中排出。此时，为了防止酸液进入阴树脂层， 需继续自上部通以小流量的水清洗阴树脂。 阳树脂的清洗流程也和再生时相同，清洗至排出水的酸度降到 0.5mmol/L以下为止。最后进行整体正洗，即从上部进水，底部排水，一直洗至排出水电导率至2S/cm以下。体内再生的另一种方法就是同时处理法。此法实际上与碱、 酸分别通过阴、阳树脂的两 步法相似。2)体外再生。这种方法只是把失效的树脂全部转移到专用的再生器中进行再生，其再 生过程与体内再生相同。(3)阴、阳树脂的混合。树脂经再生和洗涤后，在投入运行前必须将分层的树脂重新 混合均匀。热力发电厂通常用从底部通入压缩空气的办法搅拌