水污染控制工程：离子交换

《水处理工程》离子交换

(IonExchange)

水中主要溶解杂质离子：Ca2+,Mg2+,Na+(K+)HCO3-,SO42-,Cl-一般Fe2+,SiO32-含量较少。气体：CO2,O2总硬度：Ca2+,Mg2+碳酸盐硬度（carbonatehardness、暂时硬度）非碳酸盐硬度（noncarbonatehardness）含盐量：Σ阳＋Σ阴2软化：降低硬度除碱：HCO3-－（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸）除盐：降低含盐量二、硬度单位mmol/L,meq/L,度（我国用德国度）德国度＝10mgCaO/L美国度＝1mgCaCO3/L3三、水的纯度以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆厘米）淡化水：高含盐量水经局部处理脱盐水：相当于普通蒸馏水，含盐量1－5mg/L纯水：亦称去离子水，含盐量<1mg/L高纯水：含盐量<0.1mg/L4软化和除盐基本方法1.软化(1)加热：去除暂时硬度(2)药剂软化：根据溶度积原理(3)离子交换：离子交换硬度去除比较彻底。2.除盐蒸馏法、离子交换法、电渗析法、反渗透法5药剂软化法一、石灰软化法：CaO：生石灰CaO+H2O=Ca(OH)2（消化过程）Ca(OH)2：熟石灰或消石灰6CO2+Ca(OH)2---CaCO3↓+H2OCa(HCO3)2+Ca(OH)2---2CaCO3↓+2H2OMg(HCO3)2+2Ca(OH)2---2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+2H2O若碱度>硬度，还应去除多余的HCO3－若水中存在Fe离子，也要消耗Ca(OH)27所以，石灰投加量：[CaO]=[CO2]+[Ca(HCO3)2]+2[Mg(HCO3)2]+[Fe]+aa：CaO过剩量，一般为0.1~0.2mmol/L经石灰处理，水的剩余碳酸盐硬度可降低到0.25-0.5mmol/L，碱度降低到0.8-1.2mmol/L为尽量降低碳酸盐硬度，石灰＋混凝沉淀可以同时进行。注意：石灰法只能降低碳酸盐硬度及降低水中的碱度。8石灰－纯碱法去除碳酸盐和非碳酸盐硬度CaSO4+Na2CO3----CaCO3↓+Na2SO4MgSO4+Na2CO3---MgCO3+Na2SO4MgCO3+Ca(OH)2–CaCO3↓+Mg(OH)2↓但纯碱太贵，此法一般不用。9离子交换概念Ionexchangeisanadsorptionphenomenonwherethemechanismofadsorptioniselectrostatic.Electrostaticforcesholdionstochargedfunctionalgroupsonthesurfaceoftheionexchangeresin.Theadsorbedionsreplaceionsthatareontheresinsurfaceona1:1chargebasis.10水与废水应用

Ca,Mg(hardnessremoval)exchangewithNaorH.

Fe,Mnremovalfromgroundwater.Heavymetals

RecoveryofvaluablewasteproductsAg,Au,U

Demineralization(exchangeallcationsforHall anionsforOH)

RemovalofNO3,NH4,PO4(nutrientremoval).11离子交换树脂结构母体（骨架）：高分子化合物和交联剂经聚合反应而生成的共聚物根据组成母体的单体材料：苯乙烯（最广泛）、丙烯酸、酚醛系列交联剂：二乙烯苯活性基团：遇水电离，称为固定部分和活动部分，具有交换性（可交换离子）1213交联剂：二乙烯苯14如聚苯乙烯磺化→磺酸基团（－SO3H）一种强酸性阳离子树脂微孔形态：凝胶型、大孔型、等孔型等1516主要性能1)密度：湿真密度：湿树脂质量/树脂颗粒本身所占体积（不包括颗粒之间的空隙）—用于确定反冲洗强度，混合床的分层湿视密度：湿树脂质量/树脂堆积体积—计算树脂用量172）交换容量：树脂交换能力的大小。以eq/L或eq/kg表示，合成树脂一般为2~10eq/kg。全交换容量：可用滴定法测定或从理论上计算分子量184.2,184.2g树脂中含有1g可交换离子H+。扣去交联剂所占份量（8%)，全交换容量为4.99mmol/g。工作交换容量：工作条件下，全的60－70％18总交换能力：面积abedca工作交换能力：面积abdca树脂工作交换容量＝工作交换能力/树脂体积193)离子交换树脂的选择性与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关系，同时也受离子浓度和温度的影响。•离子电荷愈多，愈易被交换•原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>Li+SO42->NO3->Cl->HCO3->HSiO3-•H＋和OH－的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。对于强酸阳树脂：H+>Li+而对于弱酸阳树脂：H+>Fe3+2021离子交换树脂分类22阳离子交换树脂交换前交换达到平衡后用强酸处理再生，交换速度快，稳定23阴离子交换树脂交换前交换达到平衡后2425离子交换化学26经推导：q0：树脂全交换容量，mmol/L；q：树脂中B+离子浓度,mmol/L；C0：溶液中两种交换离子的总浓度，mmol/L；C：溶液中B+离子浓度，mmol/L27二价对一价的离子交换反应离子交换选择系数：改写成：28离子交换速度(1)边界水膜内的迁移(2)交联网孔内的扩散(3)离子交换（反应快）(4)交联网内的扩散(5)边界水膜内的迁移离子交换速度通常由膜扩散或孔道扩散所控制。29离子交换速度的影响因素溶液浓度：影响扩散过程的重要因素浓度大→膜扩散快，孔道扩散为控制步骤流速或搅拌速度：主要影响膜扩散，孔道扩散基本不受影响。树脂粒径：对于膜扩散，离子交换速度与粒径成反比；对于孔道扩散，离子交换速度与粒径二次方成反比。交联度：对孔道扩散的影响更大30ResinparticlesizeIonexchangekineticsHeadloss：causingphysicaldamage过大的压降会引起树脂破坏

压降是树脂颗粒粒径选择的考虑因素，而不是动力学速度31StructurestabilityPressuredropsOxidationExcessiveconsofFe、Mn：formingprecipitationnotexceed0.3mg/LNOM：bindingtostrongbaseanionexchangeresinsTurbidity:notexceed5NTU

32操作方式间歇操作：反应——分离——再生回用连续操作：交换床，下流式填料床——反洗——再生33穿透点3435RegenerationCocurrentoperation（顺流）：再生与交换同一流向普通采用。设计费低、操作简单Countercurrentoperation（逆流）：再生与交换流向相反低泄漏率、高化学再生效率设计费高、操作复杂36逆流再生再生剂用量降低，再生充分工作交换容量提高出水质量提高RNa型：用NaCl再生RH型：用HCl

或H2SO4再生。37Regeneration5-10%NaClMassloading:80-160kgNaCl/m3Flowrate:60-120m/d38Bypass提高水的稳定性、减小腐蚀以及操作费用3940Flowrate空床接触时间empty-bedcontacttime（EBCT）流速serviceflowrate（SFR）1.5~7.5min200~1000m3/d.m341Surfaceloadingrate(SLR)

SLR175–880m/dPressuredrop:35–70kpa42设计参数43Brinedisposal（卤水）

污水厂排海深井注射在设计之初就要考虑再生液的处置。44离子交换软化阳离子交换树脂特性分强酸和弱酸。强酸主要有RNa

和RH。1．RNa2RNa+Ca(HCO3)2---R2Ca+2NaHCO32RNa+CaSO4---R2Ca+Na2SO4特点：去除碳酸盐和非碳酸盐硬度，总含盐量（阳离子总重量）有所变化，但碱度不变。45462．RH•碳酸盐硬度：生成CO2、H2O――同时去除碱度。2RH+Ca(HCO3)2---R2Ca+2CO2+2H2O•非碳酸盐硬度：生成H2SO4，HCl

――出水酸性2RH+CaCl2---R2Ca+2HCl•对于Na+：RH+NaCl---RNa+HCl---产生钠型树脂，但不起软化作用4748开始时出水呈酸性。•Na＋开始泄漏时，出水酸度急剧下降。•之后，RH交换转变为RNa型运行模式，对Ca和Mg仍有交换能力。出水Na离子逐渐超过原水中浓度呈碱性。•然后硬度离子开始泄漏•出水中离子泄漏的顺序为：H＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋•失效点控制：脱碱，以Na泄漏为准软化，以硬度离子泄漏为准。493．弱酸型RCOOH（目前应用广的主要是丙烯酸型）50由于电离较弱，只能去除碳酸盐硬度2RCOOH+Ca(HCO3)2-----(RCOO)2Ca+2H2O+CO2↑但交换容量大（活性基团多），比强酸型高一倍。再生容易。51离子交换软化系统1．RNa

系统原水碱度低（因为RNa不能去除碱度），不要求降低碱度的情况。可采用一级或二级串联。52脱碱软化系统1〕H－Na并联53542）H－Na串联系统55H-Na并联：适用于碱度高的原水。因为只有一部分水过RNa。投资省。H-Na串联：适用于硬度高的原水，出水水质能保证。运行安全可靠。56强碱阴离子交换树脂可以交换经H离子交换出来的阴离子。SO42－、Cl－、HCO3－、HSiO3-ROH+HCl

→RCl+H2O2ROH+H2SO4→R2SO4+2H2OROH+H2CO3→RHCO3+H2OROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O从反应式来看，阴离子交换出水应呈中性，但实际却呈弱碱性（阳床出水中总有微量Na+泄漏，致使阴床出水含有微量的NaOH）。57强碱树脂除硅要求：进水应呈酸性。水中硅酸化合物以H2SiO3的形式存在ROH+H2SiO3----RHSiO3+H2O若进水酸性降低，硅酸部分以HSiO3-存在，则ROH+NaHSiO3----RHSiO3+NaOH生成的NaOH阻碍反应向右进行。进水泄钠量低。阳床出水泄钠量增加，会导致阴床出水碱度增加，对除硅不利。再生条件要求高58化学稳定性比阳树脂差易受氧化剂的氧化而变质。特别是其中的氮氧化后，碱性逐渐变弱。交换容量逐渐减少。抗有机物污染能力较差――交换能力逐渐降低。59弱碱性阴树脂只能与强酸阴离子交换反应（以酸形式存在时，pH