工业给水处理工程课件

4.2离子交换的基本原理四、离子交换树脂层内的工作过程1.离子交换树脂层内的交换过程以装有钠型树脂的离子交换柱为例，当通过含有Ca2+的水时，钠型树脂层内会进行交换反应，并发生系列的变化。交换反应进行一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品，并测定其所吸附的钙离子含量，以“饱和程度”表示。饱和程度：单位体积树脂所吸附钙、镁离子量与其全交换容量之比，以百分比表示。饱和程度曲线。第四章离子交换法处理工业给水4/29/20231用白点表示离子交换树脂层中的钙型树脂，黑点表示钠型树脂，以白点占白点与黑点之和的百分数表示白点（钙型树脂）的饱和程度，若钙型树脂的饱和程度为50％，则Ca型树脂占树脂容量的50％；若钙型树脂的饱和程度为100％，则Na型树脂全部转变为Ca型树脂。4/29/20232树脂层的变化可分为以下三个阶段：（P404）

（1）交换带的形成阶段；（2）交换带的移动阶段；（3）交换带的消失阶段。4/29/20233

影响交换带宽度的因素大致可分为两大方面:一是离子交换速度的因素;二是影响水流沿交换柱过流断面均匀分布的因素。

交换速度越快，水流越均匀，交换带就越薄。影响这两大方面的具有因素有树脂种类、树脂颗粒大小、树脂层空隙率、进水水质、出水水质控制标准水流的速度及水温、交换柱的结构等。在一般正常运行条件下，交换带宽度约为1000－2000mm。4/29/20234五、离子交换树脂层内的再生过程

采用含一定化学物质的水溶液，使树脂层内失效（失去交换能力）的树脂重新恢复交换能力，这种过程称为树脂的再生过程。再生能力或再生性能，通常用再生剂耗量、再生剂比耗表示。①再生剂的种类。对于不同性质的原水和不同类型的树脂，应采用不同的再生剂。选择的再生剂既要有利于再生液的回收利用，又要求再生效率高，洗脱速度快，价廉易得。一般对强酸性阳树脂用HCl或H2SO4等强酸及NaCl、Na2SO4再生；对弱酸性阳树脂用HCl、H2SO4再生；对强碱性阴树脂用NaOH等强碱及NaCl再生，对弱碱性阴树脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。4/29/20235②再生剂用量。树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可等容量恢复树脂交换容量，但实际上再生剂的用量要比理论值大得多，通常为2～5倍。当再生剂用量一定时，适当增加再生剂浓度，可以提高再生效率。但再生剂浓度太高，会缩短再生液与树脂的接触时间，反而降低再生效率，因此存在最佳浓度值。如用NaCl再生Na型树脂，最佳盐浓度范围在10％左右。③再生方式。再生主要有顺流和逆流两种方式。再生剂流向与交换时水流方向相同者，称为顺流再生，反之称为逆流再生。4/29/20236六、离子交换树脂的选用和保管（一）离子交换树脂的选用在离子交换水处理的设计中，应根据原水的水质、对出水水质的要求、离子交换树脂基本性能及离子交换设备性能，通过技术经济比较，合理地选用离子交换树脂。1．离子交换树脂的交换容量：树脂交换容量越大，其所交换离子的量就越大，相应地处理的水量越大。

2．原水的水质特征：原水（进水）的水质关系到离子交换水处理过程中要去除离子的性质，根据要去除离子的性质来选用树脂是至关重要的。仅去除水中交换吸附较强的阳离子；去除吸附性较弱的阳离子和阴离子；原水中有机物成分高。4/29/202373.处理出水的水质要求软化水处理:强酸性阳树脂与弱酸性阳树脂混合使用；除盐水处理:要求出水水质高，一定要选用强型树脂，以除去交换吸附能力较弱的离子，或者与弱型树脂组合使用。4/29/202384.离子交换设备的性能不同类型的设备要求选用不同性能的树脂。连续床（有移动床－交换柱、再生柱分为两柱进行

、流动床－同一柱内，再生段与交换段在不同部位，树脂可在同一柱内流动

），要求离子交换树脂的耐磨性好，强度高；固定床（单层床－只装一种树脂、双层床－装两种性质不同的树脂

、混合床－装阴阳两种树脂

）要求离子交换树脂的湿真密度相差大。

顺流再生固定床：原水流动方向与再生液流向一致，一般是从上往下流动。操作比较方便，有利于处理低硬度的原水。但是，再生程度差，再生剂耗量较大。

逆流再生固定床：再生液的流向与交换时水流流向相反。一般是原水向下流动，再生液向上流动。适合于处理高硬度的原水，再生效果好，再生剂耗量较少。4/29/20239（二）离子交换树脂的保管在新树脂使用前与旧树脂停用时，均需采用适当的保管措施，否则会直接影响树脂的使用寿命和其交换容量。

1．新树脂的保管

(1)保持树脂的水分；干树脂应用饱和盐水逐级稀释法使其含水率饱和。(2)防止树脂受凉和受热；低温造成树脂胀裂失去交换能力，高温时树脂易变形，交换基团分解和滋生细菌。(3)防止树脂劣化；避免与铁质容器、氧化剂和油类物质直接接触，防止树脂被污染和氧化分解，劣化树脂性能。4/29/2023102．旧树脂的保管若离子交换树脂在使用过程中有较长时间停用，其保管要采取下列措施：(1)树脂转型：通常把树脂转变成Cl型或Na型长期贮存，故可将阴树脂、阳树脂用食盐溶液转型，阳树脂不宜以Ca型或H型长期存放；(2)湿法存放：在交换器内将停用的树脂浸没于水中保存；(3)防止霉变：交换器内长期存放树脂，其表面容易滋长微生物，发生霉变，尤其在温度较高的条件下。因此，必须定期进行换水和用水反冲洗，同时亦可用1.5％甲醛溶液(福尔马林液)浸泡消毒。4/29/202311（三）离子交换树脂的装填1．离子交换器的清理与检查2．离子交换树脂的装填（1）用水力装卸器装填树脂时，用澄清水装填阳树脂，用除盐水装填阴树脂。在装填树脂前，先往交换器中加入一定高度(如1m左右)的水层，避免树脂直接冲击交换器底部装置和垫层。（2）按设计要求量装填完后，测量树脂高度，符合要求后即封闭交换器。对树脂层进行反洗、沉降、排水后再打开交换器，平整树脂层．将漂在树脂层上面的细颗粒树脂刮去。并再补装填入树脂，使树脂层高度达到设计要求。（3）对于大孔树脂，尤其是弱酸树脂，应检查有否软球和透明球，因它们易粘在通流部位，影响正常使用，必须除去。4/29/2023124.3离子交换水处理多种类型的离子交换组合达到不同的水处理目的原水的软化、或软化并脱碱、或脱盐。一、离子交换软化水处理离子交换软化处理是利用阳离子交换树脂中可交换的阳离子（如Na+、H+），把水中所含的钙、镁离子交换出来，去除水中的硬度，这一过程称为离子交换软化水处理。目前常用的有钠离子交换软化法、氢离子交换软化法和氢钠离子交换软化法等4/29/202313(一)离子交换软化方法1.钠离子交换软化法钠离子交换树脂是最简单的一种软化方法，其反应如下：

Ca(HCO3)2+2RNa=R2Ca+2NaHCO3CaSO4+2RNa=R2Ca+Na2SO4MgCl2+2RNa=R2Mg+2NaCl该法的优点是处理过程中不产生酸性水；设备和管道防腐设施简单；再生剂为食盐，再生剂易得。4/29/2023144/29/2023152.氢离子交换软化法强酸性氢离子交换树脂的软化反应如下：Ca(HCO3)2+2RH=R2Ca+2CO2+2H2OCaSO4+2RH=R2Ca+H2SO4MgCl2+2RH=R2Mg+2HCl由上可见，原水中碳酸盐硬度在交换过程中形成碳酸，因此该法除可软化外还可去除碱度。但在与非碳酸盐硬度交换过程中，除软化外还生成相应的强酸。因此，对设备和管道防腐要求高，一般总是和钠离子交换联合使用，可与其它措施（如加碱中和）相结合。4/29/2023163.氢-钠离子交换脱碱软化法同时应用氢和钠离子交换进行软化的方法，根据两者的连接情况，可分为氢-钠并联离子交换法和氢钠串联离子交换法。4/29/202317离子交换装置，按照运行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类。固定床依照原水与再生液的流动方向，双可分为两种形式：(二）离子交换软化装置

工作运行图顺流再生图工作运行图逆流再生图顺流再生固定床；逆流再生固定床。4/29/2023181.顺流再生固定床原水与再生液分别从上而下以同一方向流经离子交换器的离子交换装置，称为顺流再生固定床。

顺流再生固定床存在如下主要缺点树脂层上部再生程度高，而越是下部，再生程度越差；在软化工作期间，出水剩余硬度较高；到软化工作后期，由于树脂层下半部原先再不好，出水剩余硬度提前超出规定指标，导到交换器过早地失效，降低了设备工作效率。

因此，顺流再生固定床只适用于设备较小、原水硬度较低的场合。4/29/2023192.逆流再生固定床凡时再生时再生液流向与交换时水流方向相反的离子交换软化装置，均属于逆流（对流）再生固定床。常见的是再生液向上流、水流向下流的逆流再生固定床。逆流再生固定床的优点有：再生时，再生液首先接触接触饱和程度低的底层树脂，然后再生饱和程度高的中、上层树脂。这样，再生液可被充分利用，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之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。这一优点在处理高硬度水时更为突出。4/29/202320与顺流糊再生固看定床相蜘比，逆特流再生爬固定床与具有如探下优点户：1）再生军剂耗量可押降低20评%以上；2）出木水质量马显著提叹高；3）原疼水水质适屡用范围扩芦大，对于用硬度较高兴的水，仍培能保证出变水水质；4）再双生废液丛中再生旁剂有效食浓度明揪显降低螺，一般倦不超1草%。5）树谊脂工作浪交换容挑量有所胸提高。与顺流再蚂生固定床览相比，其描主要缺点烟是结构复昆杂、造价楼高、运行古操作复杂挥。4/24建/202逮321(三)闪离子父交换软盾化系统嫂的选择1.钠缝离子交换吓软化系统一般用售于原水樱碱度低新，只须恋进行软秩化的场举合，可守用作低爹压锅炉橡的给水泳处理系女统。该系统这的局限选性在于猴，当原宇水硬度设高、碱疯度较大进的情况摸下，单购靠这种座软化处凑理难以铁满足要宝求。从软化史反应看区出，处刷理后的辞水质是垒：碱度饮不变，辜去除了握硬度，片但蒸发残迫渣（溶递解性固主体）含寒量反而励略有增加。4/24趁/202望3222.生氢离子田交换软班化系统氢离子交欧换不单独道自成系统注，多与钠盆离子交换恨联合使用誉。这需要从脉氢离子树醒脂（以强交酸树脂为压例）用于展离子交换迅的出水水垮质变化过甲程加以分如析。当进水流薄经氢离子缎交换器时仪，由于强拆酸树脂对德水中离子镇的选择性童顺序为Ca2+>Mg2+>Na+，所以灯，出水安中离子尿出现的若次序为H+、Na+、Mg2+Ca2+，而此次齿序与原水原中这些离欢子的相对史浓度无关糠。4/2夏4/2洞02323在水的软口化系统中哄，如单独固用氢离子满交换系统筒，若以硬环度泄漏为木失效点，掠则出水碱染度仍未去迫除；如考牲虑以漏钠让为失效点诸，则还有闪部分交换伍能力未发判挥作用，势且出水呈华酸性。因称此，不能鹅单独用氢疯离子交换啄系统去除员硬度。4/24层/202声324另外，我肃们还可以串了解到，痕在氢离子痕交换过程签中，应根靠据原水水海质与处理群要求，对失效点的控制涂应有所摔不同。间在水的滚除盐系叔统中，僵失效点纱应以Na+泄漏量为准；妨而在水率的软化躬系统中抱，亦可师考虑以硬度开始镰泄漏作为失效揉点。4/24卸/202际3253.践氢-钠躺离子交始换脱碱士软化系茫统该系统适袄用于原水量硬度高、摩碱度大的驻情况。可拨分为并联嫩和串联两氏种形式。展主要是需漫要考虑原必水流量的钓分配，这待与原水水对质及其处第理要求有专关，还需固要考虑在脱系统中增封加除二氧电化碳器。4/2顾4/2填02326二、离皆子交换除盐水处钓理离子交秒换除盐配水处理气是指水究中所含船的各种纺离子和其离子交初换树脂暴进行离施子交换矛反应而弟被除去昨的过程红，又称为轮化学除斩盐处理。锅炉的过弟热器和汽率轮机部分棵有积盐的泥危险，亦鼻会影响石轰油化工等堆工业对蒸切汽品质的茅要求。因裁此，要求宜锅炉补给惜水必须除拜盐。4/24诉/202哄327（一）佳离子交堡换除盐彻水处理紧的原理当水中的栗各种阳离子和阳离子念交换树认脂反应后跑，水中控就含有及一种从阳树脂上被交团换下来简的阳离子；而水仰中的各双种阴离子和阴离子交闯换树脂反应后，稳水中就只决含一种从阴离子树齐脂上被交衰换下来川的阴离子。若水中圈仅存在的阳离子或阴离子能结合掉成水，则就能残实现水的离尝子交换厌除盐。显然，毛这两种线离子只验能是H洁+和O斯H-。4/2眨4/2祖023281．氢伶型阳树兔脂的交它换反应Ca2++2R依H→R2Ca+凭2H+Na++RH祖→RN示a+H+2．氢氧赢型阴树脂硬的交换反缝应Cl-+RO豪H→R哄Cl+盒OH-SO42-+2RO较H→R2SO4+2OH-HCO3-+ROH抵→RHC烛O3+OH-3．中和戏反应水中的仁阳离子职和阴离址子各自寺与H型僚阳树脂巷和OH售型阴树眼脂反应粉，分别膜形成的嘱H+和OH-结合生成互水，其反夕应式如下助：H++O珠H-→H2O4/24须/202列329（四）离谁子交换除防盐水处理刻系统1.啄一级复必床离子宣交换除算盐水处群理系统原水只一战次相继地梢通过H型摩强酸性阳累离子交换驻器（阳床遵）和OH孕型强碱性挪阴离子交核换器（阴呢床）的除港盐水处理咐。典型的跑一级复床责除盐系统它，包括H光型强酸性森阳离子交秩换器、除姜碳器（除森二氧化碳研器）和O悄H型强酸欺性阴离子暖的交换器茅，并构成晶串联系统异。（1）蠢一级复庄床除盐宇的原理原水经羊H型强辜酸性阳撞离子树浪脂交换忌后，除抄去了水矛中所有趁的阳离山子，被侍交换下踢来的H＋与水中的损阴离子基买团结合形缝成相应的轿酸，原水控中的HC矛O3-则变成了怀游离的C纲O2,形成芽的游离突CO2很容易用维除碳器除侍去。4/2含4/2明02330OH型强蜡碱性阴树且脂对进水鬼中以酸形幸式存在的昼阴离子（毙包括H2SiO3）很容易缺进行交换热反应，除驻去水中所床含的阴离计子，从而黄得到除盐劣水。为了除去尚水中除H+以外的所歌有阳离子真，要求H较型强酸性调阳离子交努换器出水脉中漏钠时编，立即停芹止运行，卫用酸进行投再生；同轨样，当O兰H型强碱垂性阴离子魔交换器出饱水有硅漏碍出时，立季即停止运辅行，用N狱aOH进翻行再生，比这样便能限保证一级目复床除盐妇水的水质习。强酸性锣阳离子滤交换树进脂：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+弱碱性窗阴离子捆交换树鹊脂：O另H->SO42->NO3->Cl->HCO3->Hs纹iO3-4/24葡/202胞3314/24常/202五3322.混仔合床离子写交换除盐栽水处理系谣统混合床离哈子交换器垦是以阳、阴秒两种离子岛交换树脂烤按一定比吗例均匀混州合后装填于渠同一交换材器内，相桨当于一个仓多级的除狮盐系统。销其中经H型型强酸性日阳树脂与书水中阳离犬子交换后背形成的H+，和经强OH型不强碱性页阴树脂大与水中平阴离子灾交换后引形成的万OH-相结合，旁形成电离旧度很小的善水。混合床树燃脂失效后在，可利用梯其H型强吩酸性阳树卧脂的湿真肆密度与O继H型强碱甘性阴树脂同的湿真密麦度不同，导用水力反勇洗法将两垄种树脂分冰开，然后范用酸和碱狭液分别对声其进行再杨生．再生亿后用除盐烦水正洗(按运行制新水的方向高对树脂进题行清洗，健叫正洗)至合矛格，再妈用压缩希空气将嫌两种树户脂混和交．即可凝投入运体行。4/24爷/202其3334/24卡/202筛334一级复床除盐水混合床除盐水电导率，μS/cm(25℃)<10<0.2SiO2，μg/L<100<20pH8－9.57.0±0.2表12－捆2魂除盐水爱水质指标4/24克/202嘴3354.4串离子交披换附属设库备一、再生墙附属设备1.食桃盐系统包括食盐弓贮存、盐液配妈制及输执送等设旅备。一般为扫湿法贮嗽存。2.酸竿系统酸系统主碰要由贮存奋、输送、逝计量以及膜投加等设害备组成。鼻由于酸的蔽腐蚀强，欲与酸接触蝇的管道、取设备均应浑有防腐措偶施。4/24彼/202割3363.再印生剂用量道的计算再生剂用且量G表示单电位体积物树脂所展需的纯恳再生剂闸量，g喇/L。堂要计算状再生剂碍用量需忆用到两混个参数忧：再生剂孤耗R和状再生剂移比耗n哨。再生剂弃耗R是指在朝失效的洲树脂中穷再生单音位工作皇交换容协量（1挡摩尔交惹换基团车）所耗控用的纯赛再生剂未质量，守单位为负g/m妄ol。再生剂虑比耗n表示单虫位体积籍树脂所帆消耗的钟再生剂你物质的炼量与树培脂工作恼交换容羡量q的咽比值（着mol灵/mo忠l)。4/24纸/202续337上述参数宅之间的关晓系为R=n·邻MB(g/m切ol)G=q·翁R(纠g/L)其中站MB—再生测剂的摩悄尔质量巧，g/柏mol志;q嗓—树脂裙工作交盼换容量肉,m起ol/琴L.每台离眉子交换视器再生提一次需继要的再揭生剂总支量等于4/24卸/202旧338可见，穴再生剂束的用量俱与再生剂拨耗和再生剂比普耗成正比醉关系。政在实际直应用中挣，在一薄定条件帜下应通鸦过工作升交换容酷量随比可耗变化功的趋势菌确定一骂个即经忘济又实旷用的再挑生剂比役耗。下叫表列出浇各种离嗓子交换洋树脂的蔽再生剂霸耗和比坦耗。4/2义4/2竟02339二、除二击氧化碳器1.层离子交糕换水处置理中二堂氧化碳耀的来源挥与危害若原水中焦存在碳酸承盐硬度或屑碱度，在绣H离子交宴换过程中趴，处理水于中产生大谊量的CO2，将会产扣生如下危砍害：1）二薪氧化碳睬溶于水炊体，呈恢弱酸性就，对金机属设备稀产生腐纪蚀危害跨；2）二氧屯化碳会对糖混凝土起鸽侵蚀作用墙，破坏水绕处理构筑繁物；3）游扣离碳酸辩进入强获碱阴离凭子交换离器，将蝴加重强捞碱树的笑负荷因此，在辱离子交换希脱碱软化占或除盐系辽统中，应秒考虑去除陕二氧化碳症的措施。4/2残4/2瓜023402.除巾二氧化碳薪器的基本日原理由于二亡氧化碳候在水中懒的溶解详度非常病低，容都易从水电中解析疑出来；零另外，枕空气中茎二氧化坝碳的含