建筑给排水水处理-离子交换

第8章离子子交换18.1离子交换概概述离子交换是一类特殊殊的固体吸吸附过程，，一般是一一种不溶于于水的固体体颗粒状物物质，它能能够从电解解质溶液中中吸取某种种阳离子或或阴离子，，而把本身身所含的另另外一种带带相同电荷荷符号的离离子等当量量地交换下下来并释放放到溶液中中。离子交换剂剂包括：无机机离子交换换剂、磺化化煤和有机机合成离子子交换树脂脂等。8.1.1无机离子交交换剂主要为弱酸酸性阳离子子交换剂，，少量为弱弱碱性阴离离子交换剂剂。常见有有沸石、绿绿砂和磺化化煤。沸石：铝硅酸盐类类，空间晶晶格形态，，交换容量量小不能吸吸取尺寸寸较大的离离子；绿砂：铁铝硅酸盐盐类，无定定形凝胶体体，交换容容量不大；；磺化煤：对褐煤、、无烟煤磺磺化处理含含有大量磺磺酸基团，，兼有强酸酸性和弱酸酸性两种活活性基团的的阳离子交交换剂8.1.2离子交换树树脂1.有机合成离离子交换树树脂的结构构2.有机合成离离子交换树树脂的分类类1）按活性基基团性质分分类凡与溶液中中阳离子进进行交换反反应在的树树脂称为阳阳离子交换换树脂；H+及金属离子子凡与溶液中中阴离子进进行交换反反应在的树树脂称为阴阴离子交换换树脂；OH-及酸根离子子阳离子交换换树脂强弱弱顺序：R-SO3H＞R-CH2SO3H＞R-PO3H2＞R-COOH＞R-OH磺酸基次次甲基基磺酸基磷磷酸酸基羧羧酸基酚酚基阴离子交换换树脂强弱弱顺序：R≡N+OH-＞R-NH3+OH-＞R=NH2+OH-＞R≡NH+OH-季胺基伯伯胺基仲仲胺基叔叔胺基基2）按结构特特征分类凝胶型（均均相高分子子凝胶结构构）、大孔型（形形成大量毛毛细孔道，，有利去除除高分子有有机物）均孔型树脂脂（改良型型大孔树脂脂）3）按单体种种类分类3.离子交换树树脂的命名名根据国家标标准《离子交换树树脂产品分分类、命名名及型号》而制定，名称：由分分类名称、、骨架（或或基团）名名称、基本本名称依次次排列型号：以三三位阿拉伯伯数字组成成，第一位位产品分类类，第二位位骨架组成成，第三位位为顺序号号例：常用的的强酸性苯苯乙烯系阳阳离子交换换树脂001×7大孔型弱酸酸性丙烯酸酸系阳离子子交换树脂脂型号：D1114.几种常见的的离子交换换树脂阳离子交换换树脂：苯乙烯磺酸酸型：现用用最广泛一一种，用苯苯乙烯和二二乙烯苯催催化共聚反反应制得白白球，再引引入可交换换离子的-SO3H基团；苯酚磺酸型型：苯酚和和甲醛经缩缩聚合成，，合成时硫硫酸处理导导入磺酸基基，各性能能较苯乙烯烯型差，但但制造简单单。丙烯酸系羧羧酸型：基基体是丙烯烯酸甲酯和和二乙烯苯苯共聚而成成，在浓氢氢氧化钾溶溶液作用下下水解。阴离子交换换树指：季胺型：母母体聚苯乙乙烯，处理理导入胺基基-N(CH3)3+,交换容量约约为1000-1200mmol/l，-OH-基很活泼，，属强碱性性阴离子型型。弱碱型：苯苯乙烯型和和丙烯酸型型交换树脂脂合成导入入胺基。150-2000mmol/l8.1.3离子交换树树脂的性质质1)物理性质1．外观粒径0.3～1.2mm苯乙烯系均均为淡黄，，其它有赤赤褐色、黑黑色等凝凝胶型呈呈透明或半半透明球状状颗粒，大大孔型呈不不透明状态态。2．粒度树脂粒度大大交换速度度慢;粒度小,树脂的交换换能力大,但水流阻力力大,反洗时清除除截留的悬悬浮杂质困困难.需保证一定定均一系数数(d40/d90=k40)3、交联度指交联剂在在离子交换换树脂内的的重量百分分含量。以以7-10%为宜。4．密度5．含水率树脂的含水水率以每克克树脂（在在水中充分分膨胀）所所含水分的的百分比（（约50%）树脂的含水水率相应地地反映了树树脂网架中中的孔隙率率6．溶胀性和和转型体积积改变率干树脂+水→湿树脂脂体体积胀胀大绝绝对溶胀度度树脂由一种种离子型转转为另一种种离子型时时体积发生生改变，改改变百分数数为转型体体积改变率率。7、耐磨性影响其实用用性能指标标之一，一一般年耗损损应不超过过3-7%。2)化学性质1、酸碱性.有效PH值范围由于树脂活活性基团分分为强酸、、强碱、弱弱酸、弱碱碱性，水的的pH值势必对其其交换容量量产生影响响。表8.1各种类型型树脂有有效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0~144~140~140~72、选择性性一般化合合价越大大的离子子被交换换的能力力越强；；在同价价离子中中则优先先交换原原子序数数大的离离子。同同样也影影响离子子交换树树脂的再再生过程程。3、交换容容量一定数量量的离子子交换树树脂所具具有的可可交换离离子的数数量称为为交换容容量。1）全交换换容量单位质量量的离子子交换树树脂中全全部离子子交换基基团的数数量。滴滴定法测测定2）工作交交换容量量实际工作作中的容容量，在在一定的的工作条条件以及及水质条条件下，，一个固固定周期期中单位位体积树树脂实现现的离离子交换换容量。。4、热稳定定性在受热情情况下，，离子交交换树脂脂保持理理化性能能不变的的能力。。弱酸性性阳离子子交换树树脂热稳稳定性相相对来说说最高。。弱酸性〉强酸性〉弱碱性〉Ⅰ型强碱性性〉Ⅱ型强碱性性8.2离子交换换反应8.2.1离子交换换平衡一价对一一价交换换选择系数数大于1，说明该该树脂对对B+的亲合力力大于对对A+的亲合力力，即有有利于进进行离子子交换反反应。选择系数数用离子子浓度分分率表示示：一阶对两两阶离子子交换反反应通式式为：8.2.2离子交换换动力学学过程及及交换速速度控制离子子交换反反应的速速度．(1)浓度：浓浓度大于于0.1mol/l时，孔道道扩散为为控制步步；浓度度小于0.003mol/l时，膜扩扩散成为为控制步步；介于于中间则则取决于于具体情情况．(2)流速或搅搅拌速率率：大大，则水水膜薄．．膜扩散散快，但但孔隙扩扩散基本本不受影影响．(3)树脂粒径径、空隙隙度：膜膜扩散速速度与粒粒径、空空隙度成成反比；；孔道扩散散速度与与粒径２２次方成成反比．．(4)交联度：：交联联度对于于孔道扩扩散影响响比对膜膜扩散更更为显著著．（5）溶液的温温度：与与液膜扩扩散和孔孔道扩散散速度成成正比。。8.2.3固定床离离子交换换过程8.3离子交换换装置及及运行操操作装有离子子交换剂剂的交换换器称为为离子交交换床;离子交换换装置种种类很多多,一般可分分为固定床式式离子交交换器和移动床式式交换器器两大类,最广泛应应用的为为固定床床式.8.3.1固定床式式离子交交换器按其水和和再生液液的流动动方向分分为:顺流再生生式、逆逆流再生生式、分分流再生生式，详详细介绍绍前两种。1、顺流再再生离子子交换器器再生液与与水流方方向相同同运行周期期五步：：反洗，，进再生生液，置置换，正正洗，制制水。P257图8-8、7顺流再生生离子交交换器运运行失效效后、再再生前和和再生后后的树脂层态态图8-9（a)最下部树树脂的交交换容量量未利用用,存在H型树脂(b)经过反洗洗后各离离子型树树脂在床床层中基基本呈均均匀分布布状态(c)由上而下下再生度度降低,下部未得得到再生生主要是是Ca,Mg型树脂也也有少量量Na型其特点：：⑴上上部再生生程度高高，下部部差，越越是下部越差差⑵再生剂耗耗量大，2～3倍理论值值时，效效果仍不不理想⑶交换器器失效早早，降低低工作效效率，工作交换换容量降降低⑷出水剩剩余硬度度高，适合于水质较好好，硬度度较低，，Na+值较低的的水质⑸对经济性要要求不高高的小容量量除盐装装置。2．逆流再再生离子子交换器器逆流再生生操作步步骤：⑴小反反洗⑵放水水⑶顶压→→使床床不乱（为何需需顶压，，顺流时时是否需需顶压））⑷进再再生液⑸逆向向冲洗（（软化化水，流流速5～7m/h）⑹小正正洗(7)正洗(流速10-15m/h,直到合格格为止)为何需软软化水逆逆向冲洗洗：逆流再生生要用软软化水清清洗，否否则底层层已再生生好的树树脂在清清洗过程程中又被被消耗，，导致出出水质量量下降，，失去了了逆流再再生的特特点。逆流再生生固定床床的再生生剂耗量量与再生生液浓度度再生剂耗量(g/mol)浓度(%)NaCl80～1005～8HCl50～551.5～3NaOH55～651～3钠离子交交换器顺顺流、逆逆流再生生盐耗量量和出水水水质盐耗量(g/mol)出水硬度c（1/2Ca2+）umol/L顺流逆流节约（%）逆流再生盐比耗顺流逆流A厂109.586.720.81.55~100B厂109.68819.71.54~62C厂12474.6401.310~16<3特点：⑴再生生效果好，耗量可可降低20%以上⑵出水水水质明显显提高⑶原水水水质适应范围围大，对硬度度较高原原水仍能能保证证出出水水水质⑷再生生废液中中再生剂剂有效浓度度低⑸工作作交换容量量提高⑹操作作较复杂杂从而使使底部再生效果果好及剂剂量低等等3．其他形形式的离离子交换换器(1)分流再生生离子交交换器类类似于于逆流式式交换器器结构,但中间排液液装置设置在树树脂层表表面下400-600mm以下,不设压脂脂层、无无顶压。。(2)浮床式离离子交换换器再生液向向下流，，水流向向上流的的方式运行过程程：制制水:失效落落床:树脂本身身重力下下落,疏松树脂脂、排除除气泡的的作用；；

进再再生液：：水射器器输送，，打开计计量箱出出口阀门门，置置换：再再生液进进完后，，关闭计计量箱调调整浓度度再生；；

下向向流清液液：开清清洗水阀阀门，调调流速至至10-15m/h15-30min;成床、上上向流清清：20-30m/h较高速进进水托起起树脂直直至达标标；再再转制水水。无无反洗空空间，需需体外反反洗，一一般20-30个周期清清洗一次次。特点：1）速度2）水和再再生流动动方向3）阻力小小、树脂脂层厚4）浊度要要求《2NTU,减少清洗洗次数…适用：处处理水量量稳定，，且不间间断运行行（3）双层床床和双室室双层床床属于强、弱型型树脂联合应应用，分层装装填在同一个个交换器中；；通常弱型树树脂的密度比比相应的强型型树脂小的的特点，使其其处于上层，，强型处于下下层，运行时时水流自上而而下通过弱再再强型；；再生时相反反，具有逆流流再生工艺特特点。特点发挥需较较好地分层。。（4）混合床主要装置有：：上部进水装装置、下部配配水装置、进进碱装置、进进酸装置及压压缩空气装置置，在阴阳树树脂分界处设设有中间排液液装置。8.2.4、固定床软化化系统的设计计计算设计计算内容容：（1）交换器直径径的确定d-单台设备的内内径mQ1-单台设备的产产水量m3/hV-运行流速m/h（2）一台设备一一个周期离子子交换容量C0-进水中需去除除的离子总含含量mmol/LT-设备运行一个个周期的工作作时间h（3）交换器装载载树脂高度E0-树脂的工作交交换容量mmol/L一般高度不小小于1.2m在1.5-2.0m之间.8.2.5除二氧化碳器器1．原理：CO2具有腐蚀性，，并增加强碱碱树脂负荷，，且一般为H床后：2．构造和计算算：1）构造：2）计算：A、有效直径:Q——除碳器设计处处理水量（m3/h）q——设计淋水密度度m3/(m2.h)基准=60B、除碳所需填填料高度.总体积K----解吸系数单单位时间、、单位接触面面积、单位推推动力下去除除的CO2的数量瓷环面面积Gc---设计所需脱除除的CO2量Cc1—进水CO2浓度Cc2—出水残余浓度度S—单位体积填料料所具有的工工作表面积△C---脱除CO2的平均解析推推动力C、除碳器所需需鼓风量W（m3/h)及所需进风压压力P0（kPa)风量20～30m3/m3（水）空空气阻阻力0.2～0.5KPa／m，据风量，风压压选风机其其它它局部阻力0.4KPa8.4离子交换的应应用8.4.1水的软化1．Na＋离子交换软化化法优点：处理过过程中不产生生酸；再生剂为食盐盐，设备和防防腐设施简单单；碱度不变，适适应于碱度低低，只须软化化的场合，硬硬度高，碱度度大，难以满满足要求2．H＋离子交换软化化法交换过程中形形成碳酸、盐盐酸、硫酸。。除软化外还还能除碱H型树脂交换阳阳离子的顺序序为Ca>Mg>Na故a点为Na泄漏点b点为Ca,Mg的泄漏点因出水常为酸性性运行时一般和和Na离子交换联合使用。3．H－Na离子交换脱碱碱软化法：酸碱性水混合合后HCl+NaHCO3=NaCl+H2O+CO2H2SO4+2NaHCO3=Na2SO4+2H2O+2CO2产生的CO2可用除二氧化化碳器去除。。⑴强酸性H-Na并联离子交换换软化的脱脱碱系统：见书P270图8-23进水分两部分分：一部分流流经Na离子交换器，，一部分流经经H离子交换，排排出CO2后的软化水贮贮存在水箱中中。根据进水水水质适当调调整流经两个个不同离子交交换器的水量量比例。优点：H型离子交换器器以控制出水水漏Na为运行终点，，出水碱度低低，能降至0.5mmol/l左右，可随水水质变化而随随时调整，设设备费用低，，投资少。缺点：再生剂消耗耗量大，运行行控制要求高高（腐蚀问题题）。（2）强酸性H-Na串联离子交换换软化和脱碱碱系统见书P271图8-24进水也分两部部分：一部分分进入H型离子交换器器，其出水直直接与另一部部分原水混合合，（出水的的酸与原水的的碱中和反应应）生成CO2通过除二氧化化碳器去除，，再经Na型离子交换除除去混合水后后的硬度。要点：除碳器必须须要设在Na型离子交换器器之前。否则则，大量碳酸酸水又重新出出现碱度。8.4.2离子交换除盐盐一般可用阳离离子H交换的、阴离离子OH交换的复床法法或混床方法法。1．复床除盐：：（复床系指指阴、阳离子子交换器串联联使用，达到到水的除盐目目的）1）一级复床除除盐强强酸——脱气——强碱系统一级复床出水水的特点：①．呈弱碱性PH=8～9.5（阳床微量Na泄漏）②.出水电阻率0.1～1.0×106Ω*CM脱盐水（普通通蒸馏水）③.如果阳床泄漏Na过量的话，电导率会升高高。因而关键是控控制阳床的Na泄露，提高除硅效果果（再生剂用量量充足、提高高再生液温度度、增加接触触时间），可可采用热碱液液再生P274。阴床设在阳床床之后（为什什么？）：2）强酸——弱碱——脱气系统事实上脱气放放在后面是因因为采用NaCO3，NaHCO3再生时会产生生CO2气体，否则采采用NaOH再生时可放在在前面后面都都行。①．出水呈酸性6～6.8②.不能除Si③.电阻率5×104达不到脱盐的的标准3）强酸——脱气——弱碱——强碱系统适合于原水强强酸阴离子含含量较大H2SO4弱碱用于去除除强酸阴离子子HCl强碱用于去除除SiSiO32-采用串联再生生法，用NaOH再生，可适当当提高温度。。2．混合床除盐盐1）原理与特点点：阴阳离子装在在一个床内，，使用时均匀匀混合，构成成无数微型复床床，反复脱盐盐，故其出水电率率可达5～10×106Ω·Cm。RH+ROH+NaCl→RNa+RCL+H2OK>>>>1K>>>>1所以反映远比比复床彻底得得多。混合床的特点点：①.阴、阳离子交交换反应几乎乎同时进行②.出水呈中性，，出水水质稳稳定，纯度高高（用于制