水的除盐与咸水淡化上

水的除盐与咸水淡化上第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期三§3—1概述一、水的纯度二、海水（苦咸水）淡化与水的除盐方法三、进水水质预处理第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期三一、水的纯度：在工业用水中，水的纯度常以水中含盐量或水的电阻率来衡量。水的含盐量：指水中阴阳离子浓度总含量（mol/L）。水的电阻率：指断面1cm1cm、长1cm的水所测得的电阻（cm）。第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期三

根据工业用水对水质要求的不同，水的纯度分为四种：淡化水（一般除盐水）：将高含盐量的水经过局部除盐处理后变成生活及生产用的淡水。海水、苦咸水淡化属于这一类。脱盐水（深度除盐水，相当于普通蒸馏水）：水中大部分强电解质已去除，剩余含盐量约为1~5mg/L，水的电阻率为0.1~1.0106cm

。纯水(去离子水)：水中绝大部分强电介质已去除，而弱电解质如硅酸和碳酸等也去除到一定程度。剩余含盐量在1.0mg/L以下，25摄氏度电阻率1.0~10106cm

。第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期三理想纯水：理论上的纯水，25摄氏度电阻率18.3106cm

。超纯水（高纯水）：水中导电介质几乎已全部去除，而水中的胶体微粒、微生物、溶解气体和有机物等亦已经去除到最低程度。剩余含盐量应在0.1mg/L以下，25摄氏度时电阻率10106cm以上。超纯水容易被污染，所以在使用之前进行终端处理以确保水的纯度。第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期三二、海水（苦咸水）淡化与水的除盐方法：淡化水的制取经局部除盐，剩余含盐量很高，称苦咸水淡化。脱盐水，纯水，超纯水的制备统称为水的除盐。第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期三方法：冷冻法：蒸馏法：多级闪蒸海水淡化的主要方法反渗透法：应用较多电渗析法：与反渗透法同为膜分离技术以上方法用于苦咸水或海水淡化离子交换法：主要用于淡水除盐，与膜法联合用于水的深度除盐处理。第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期三进水水质预处理是水的淡化与除盐系统的一个重要组成部分，是保证处理装置安全运行的必要条件。预处理包括去除悬浮物，有机物，胶体物质，微生物，细菌以及某些有害物质（Fe、Mn）。第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期三三、进水水质预处理：

1.膜分离装置和离子交换器对进水水质的要求。第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期三2.水中杂质对膜和树脂的危害表现在：

(1)悬浮物和胶体物质容易粘附在膜面上或堵塞树脂微孔道，使脱盐效率降低；

(2)微生物、细菌容易在膜和树脂表面生长繁殖，降低设备性能；

[3)水中无机离子主要是高价离子(如铁、锰等)能与膜和树脂牢固结合，并使之中毒，从而降低其工作性能；钙、镁离子在某些情况下能在膜面上结垢沉淀，在反渗透法中应采取调整PH值控制措施；

(4)水中游离氯能对膜进行氧化，使树脂降解，出而对其含量有严格要求。第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期三§3—2离子交换除盐方法与系统一、阴离子交换树脂：二、阴离子交换树脂的工艺特性：三、离子交换除盐系统：四、特殊离子交换除盐：五、树脂的污染与复苏处理：第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期三一、阴离子交换树脂：阳离子交换树脂在水中解离生成阳离子，阴离子树脂在水中解离生成阴离子。对于H+树脂，交换后水中阳离子全部为H+，同样对OH-树脂，交换后水中阴离子全部为OH-，因此水中全部阴阳离子变为H+、OH-，结合为水，这样达到除盐的目的。第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期三1，阴离子树脂的构造：与阳离子类似，也分为两部分组成：空间网状结构的母体和活性基团（解离出阴离子）按解离常数的大小可分为强碱性、弱碱性树脂。区别：树脂在水中解离出阴离子，呈碱性，常用的阴离子交换树脂是胺类树脂，其活性基团有四种：第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期三R为简单的有机基团，上述基团也就是NH4OH中的H被若干个有机基团R取代而得，其中的交换离子为OH-，整体简化表示为ROH，R代表树脂母体及其所属的活性基团的固定部分。对于季胺型的强碱树脂又分为：一型：碱性较强，除硅能力强，适用于制取纯水；二型：碱性较弱，交换容量大于一型。第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期三2，阴离子交换树脂的特点：上述树脂均为凝胶型结构，特点是：容易破碎：浸入水中有溶胀现象，使用过程不断转型，体积随之不断变化；容易被高分子有机物堵塞：孔道不均匀（胶联不居于），有些孔道过于狭窄；交换容量低：抗有机污染能力差。第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期三针对上述特点，近年来研制出：大孔型离子交换树脂：大孔结构是树脂网络骨架中所固有的并非由于溶胀产生。特点：孔道大而且多，比表面积大，交换速度快，稳定性好，抗污染能力强。均孔型树脂：交联均匀，孔道大小基本一致，特点：对有机物的吸附与洗脱效果，交换容量高于大孔型树脂。第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期三二、阴离子交换树脂的工艺特性：1，树脂对水中阴离子的选择性（置换序列）：强碱树脂：

SO42->NO3->Cl->OH->F->HCO3->HSiO3-弱碱树脂：OH->SO42->NO3->Cl->HCO3-置换序列是根据一定条件下树脂的活性基团对溶液中阴离子的亲和力大小而定，亲和力大的先置换，亲和力小的排在后面。上述序列强弱的明显区别是OH-的位置，显然一定条件下强碱性树脂对OH-的亲和力小于弱碱性树脂。第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期三2,工作原理：(1)强碱树脂可以去除强酸和弱酸的阴离子：第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期三

天然水中常常含有一定量的硅，以H2SiO3形式存在，可用强碱树脂将其去除，具体要求有：进水呈酸性，在低PH运行。此时硅酸以H4SiO4形式存在，有利于交换进行，如酸性降低则以NaHSiO3形式存在，交换以后以离解出大量的OH-，影响除硅效果。进水Na+含量要低，否则酸度低，水的碱度增大。再生条件要求高：再生剂用量64~96KgNaOH/m3，再生液浓度2~4%，再生时间大于1Hr，n=4~6，适当提高再生液温度，能改善再生效果，有利于提高下一周期出水水质。一般对强碱一型控制在40~50℃，二型为35℃.第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期三(2)弱碱树脂只能去除强酸离子：解释一：弱酸树脂在水溶液中不易解离，[OH-]小，对于强酸：水中[H+]高，易发生H++OH-=H2O，推动了ROH的解离所以SO42-可以被吸附到树脂上，对于弱酸：水中[H+]低，不易发生H++OH-=H2O，解释二：虽然亲和力OH->SO42-，但水中，[OH-]低，而[SO42-]高，所以易吸附。弱碱树脂不能与水中弱酸发生反应，对中性盐类也没有分解能力。第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期三3,树脂的再生：(1)强碱树脂：R2SO4+2NaOH=2ROH+Na2SO4RCl+NaOH=ROH+NaCl因亲和力Cl-、SO42-大于OH-，要使再生顺利进行，必须提高[NaOH]，同时增加NaOH用量，n=4。第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期三(2)弱碱树脂：再生容易，再生剂选用NaOH、Na2CO3、NH4OH均可，再生效果依次变差，NH4OH克当量低，价格便宜。R2SO4+Na2CO3+2H2O=2ROH+Na2SO4+H2CO3RCl+NH4OH=ROH+HCl+NH3因OH-与树脂的亲和力大，易被树脂吸附所以再生剂用量少，n=1.0~1.2。第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期三强碱性树脂可以去除强酸弱酸，但再生剂用量高n=4，弱碱性树脂只能去除强碱，但再生剂耗量少，n=1.0~1.2，维护费用低。4,强碱树脂和弱碱树脂的比较：第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期三下图表示强碱阴离子交换器的运行过程曲线。清洗分为两步：第一步将清洗水排出，直到清洗排水总溶解固体等于进水总溶解固体；第二步将清洗水循环回收到阳离子交换器的入口，直到出水电导率符合要求，即开始正常运行。在运行阶段，出水电导率与硅含量均较稳定。当到达运行终点时，在电导率上升之前，硅酸已经开始泄漏。而在硅酸泄漏过程中，电导率出现瞬时下降，这是由于出水中含有的微量苛性钠为突然出现的弱酸所中和。生成硅酸钠和碳酸氢钠，其导电性能低于氢氧化钠的缘故。若阴床运行以硅酸开始泄漏作为失效控制点，则电导率瞬时下降可视作周期终点的讯号。由图看出，在开始泄漏之后，出水硅含量迅速上升。

第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期三右图为弱碱阴离子交换器的运行过程曲线。清洗亦分为两步。正常出水水质呈弱碱性，当Cl-开始漏泄，出水出现酸性，由于酸导电性能较碱为强，因而出水电导率迅速上升，即为周期终点的讯号。弱减阴离子交换器的运行过程曲线第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期三三、离子交换除盐系统：一般适用于原水含盐量小于500mg/L的情况。阴床的构造类似于阳床，但是阴树脂的工作交换容量常是阳树脂的0.5倍，所以，与阳床配套时，阴树脂层厚为阳树脂层厚的2被左右。系统根据原水水质和对出水的要求不同有所区别，最基本的有：第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期三1,复床除盐：（1）强酸——脱气——强碱系统：该系统适用于制取脱盐水。含盐量不大于500mg／L的原水经处理后，出水电阻率可达到0.1xl06

.cm以上，硅含量在0.1mg／L以下。在运行中，有时出水的pH值和电导率都偏高，这往往是由于阳床泄漏Na+过量所致。为提高出水水质，可采用逆流再生，另外，强碱阴床采用热碱液再生，有利于除硅。第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期三除二氧化碳器放在阴床之前是为了减轻阴床负荷。水量小和进水碱度低的小型除盐装置可以省去除二氧化碳器。强碱阴床设置在强酸阳床之后的原因在于；1．若进水先通过阴床，容易生成CaCO3、MgOH)2沉积在树脂层内，使强碱树脂交换容量降低。2．阴床在酸性介质中易于进行离子交换，若进水先经过阴床，更不利于去除硅酸，因为强碱树脂对硅酸盐的吸附要比对硅酸的吸附差得褥多。3．强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂。4．若原水先通过阴床，本应由除二氧化碳器去除的碳酸，都要由阴床承担，从而加了再生剂耗用量。第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期三（2）强酸——弱碱——脱气系统：该脱盐系统适用于无除硅要求的场合(见图22—4)。由于弱碱树脂的应用，不仅交换容量有所提高，而且再生比耗显著降低。弱碱树脂用Na2CO3或NaHCO3再生时，由于经弱碱阴床后，水中会增加大量的碳酸，因此脱气应在最后进行。若用NaOH再生，除二氧化碳器设置在弱碱阴床之前或之后均可。该系统正常运行时，出水的pH值为6～6.5，电阻率在5x104.cm左右。第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期三（3）强酸——脱气——弱碱——强碱系统：适用于原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况。弱碱树脂用于去除强酸阴离于，强碱树脂主要用于除硅。再生采用串联再生方式，全部NaOH再生液先用来再生强碱树脂，然后再生弱碱树脂。对于强碱树脂来说，再生水平是很高的，而总的看，再生比耗并不大，再生剂能有效地加以利用。除二氧化碳器设置在阴床前面，以便于强碱阴床与弱碱阴床串联再生。该系统出水水质与系统(一)大致相同，但运行费用略低。若将本系统中的强碱阴床代之以阴、阳树脂混合床，可得到纯度更高的纯水阴离子再生树脂以氢氧化钠为主。工业用氢氧化钠有液态和固态两种。前者浓度为40%～42%，其贮存、输送、配制大致与酸再生系统相同；后者可参照食盐再生系统，但溶碱时应用蒸气加热至35～40℃。第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期三（4）强酸——弱碱——脱气——强碱系统：当原水中各种酸根阴离子浓度相近时,原水(滤后水)RH(出水酸性)弱ROH(除强酸)除CO2器强ROH(除弱酸主要是硅酸)纯水（5）强酸——弱碱——强碱系统：当原水中SO42-、Cl-浓度高，碱度低时利用弱ROH、强ROH的优势且不用除CO2第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期三2、混合床除盐：阴阳离子交换树脂装填在同一个交换器内，再生时使之分层再生，使用时先将其均匀混合，这种阴、阳树脂混合在一起的离子交换器称为混合床。第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期三(1)原理与特点：A.原理：由于混合床中阴、阳树脂紧密交替接触。好像有许多阳床和阴床串联一起，构成无数微型复床，反复进行多次脱盐，因而出水纯度高，其电阻率达到5～10×106Ω

·cm第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期三B.特点：a.出水水质纯度高。混床离子交换可以把水中含有的离子几乎全部去除，出水含盐量在10mg／L以下。对需高纯水的场合，混合床完全成了标准的方法，一般不需考虑其它技术。下表列出混合床与双层床出水水质的比较。b.工作条件变化时对出水水质影响较小，且工作周期较长。混床开始运行时有3~2min出水的电导串较高，然后急剧降到0.5μscm-1以下，这是因为床内残留的微量酸，碱和盐很快地被阳、阴树脂吸收掉。另外，快速正洗是混合床的一大特点，再生总时间比双层床少，相应地工作周期长，而且原水水质变化和再生剂比耗对出水纯度影响较小，这是因为混合床中离子的泄漏因另一种树脂的存在而大大减少所致。第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期三c.间断运行对出水水质的影响小。d.交换终点明显。

混床的主要缺点是：树脂层工作交换容量的利用率低，再生剂利用率低；再生时阳、阴树脂很难彻底分层，特别是当有部分阳树脂混杂在阴树脂层内时，这部分阳树脂在碱液再生阴树脂时转为钠型，造成运行后的Na＋泄漏，即所谓的交叉污染；混床对有机物污染很敏感，污染后很快出现出水质量降低、正洗时间延长和工作容量减少。为了克服交叉污染所引起的Na＋泄漏，近年来曾发展了三层混床新技术。此法即在普通混合床中另装填一层厚约10～15cm的惰性树脂，其密度介于阴，阳树脂之间，其颗粒大小也能保证在反洗时将阴、阳树脂分隔开来。实践表明，三层混床水质忧于昔通混床，出水Na＋的含量不大于0.1μg／L。第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期三(2)装置及再生方式：装置：混床交换器里，阴树脂的体积一般是阳树脂的两倍。其再生过程巧妙地利用了阳、阴树脂真比重的差异这一性质。混床在反洗时阳树脂(比重1.23～1.27g／ml)会逐渐下沉到阴树脂(比重1.06～1.11g／mL)的下面，反洗完毕阴阳树脂自动分成为两层。在两层交界处装了一个再生排水系统，再生碱液从上面进入交换器，由中间排水系统排出；再生的酸液由下部进入交换器，也由这个排水系统排出。每层树脂分别再生完毕后，最后从树脂层底部的压缩空气管进压缩空气，把两种树脂均匀混合成为交换层。第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期三再生方式及步骤（P427）：混合床反洗分层主要借助于阴、阳树脂湿真密度的差别。再生方式有体内再生与体外再生两种。体内再生又区分为酸、碱分别再生和同时再生。以体内分别再生为例(见下图)，混合床再生操作步骤有第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期三(2)装置及再生方式：混床还可以对阴树脂采用体外再生法。即在阴阳树脂分层后将阴树脂外卸到阴树脂再生罐内再生，阳树脂则仍在原罐内再生。阴树脂再生。清洗净后再装进原交换器内与阳树脂混合。体内再生还可采用同步再生法，即再生时以相同的流速从树脂层上、下两端同时进碱再生液与酸再生液，废液从中间排水装置排出，然后由上、下同时进清洗水洗净。第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期三(3)影响混合床运行质量的因素：再生剂用量:对树脂的工作交换容量影响很大,但再生水平对其出水质量并无明显影响。阴(anion)阳（cation）树脂的比例：选用原则，等当量，以便二者同时失效：qCVC=qAVA，理论上qC=（2.5~3.5）qA所以VA=（2.5~3.5）VC，对其他体积比实验，出水水质变化不大，国内一般采用VA=（1.5~2）VC强碱树脂被水中污染物或毒物污染,FI污染指数第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期三(4)高纯水的制备与终端处理：复床与混合床串联或二级混合床串联是制取纯水及高纯水的有效方法.

强酸——脱气——强碱——混合床系统:电阻率107cm，硅含量0.02mg/L；强酸——弱碱——混合床——混合床系统：电阻率107cm以上，硅含量0.005mg/L电子工业用水水质要求同时去除水中全部电解质和水中的微粒及有机物；这种纯水极易被污染，在适用之前要进行终端处理，方法有：紫外线杀菌、精制混床、超滤等。第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期三在逆流再生固定床设备内，按一定比例装填强、弱两种同性离子交换树脂所构成的交换器，称双层床交换器。由于强、弱树脂密度与粒径的差异，密度小，颗粒细的弱性树脂处于上部，密度大、颗粒粗的强性树脂处于下部，在交换器内形成上下两层，称双层床。运行时，水自上而下，先经过弱性树脂，后经过强性树脂，再生时采用逆流再生，再生液自下而上，先经过强性树脂，后经过弱性树脂，从而充分利用再生剂（再生强性树脂后的低浓度再生液对弱性树脂仍有80~100%的效率）。3、离子交换双层床：第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期三双层床的优点：减少了交换器个数，简化了系统，降低了设备投资及占地面积；利用弱性树脂的大交换容量，应用逆流串联再生，使双层床的交换能力大为提高，特别是强碱树脂增强了除硅能力；再生剂比耗大为降低；排除的再生废液浓度降低；强碱树脂对有机物有良好的吸收和解析能力，从而减缓了强碱树脂被有机物的污染状况。第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期三第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期三第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期三（1）阳离子交换双层床：阳离子交换双层床即在同一交换器内装有弱酸和强酸两种树脂，借助于树脂湿真密度之差别，经反洗分层后，使弱酸树脂位于上层，强酸树脂位于下层，组成了如左图所示的双层床。由于弱酸树脂以及逆流串联再生的应用，使阳双层床的交换能力提高，酸比耗降低，废酸量亦显著减少第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期三再就离子交换过程来看，弱酸树脂主要用于去除水中碳酸盐硬度，强酸树脂主要用于去除水中其余的阳离子(包括非碳酸盐硬度以及钠盐)。当原水从上而下流经弱酸树脂层，与HCO3-结合的Ca2＋Mg2＋为H＋所取代，待进入强酸树脂层时，水中阳离子总量与原水相比已减少，但Na＋占阳离子总量的百分比却增大。这一情况本应造成Na＋泄漏率的增加，但因强酸树脂层经受高再生水平的逆流再生，所以Na＋泄漏率仍可保持低值，为了保证出水水质，强酸树脂层高度应不低于80cm。至于弱酸树脂层，只要体积比选用恰当，其交换容量几乎全部发挥作用，甚至达到饱和状态。在阳双层床中，弱酸，强酸树脂的体积比主要取决于树脂交换容量与原水水质，设计计算时，树脂体积比的选择应通过实验确定，亦可按下式进行初步估算：第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期三适用条件：硬度与碱度的比值接近于1或略大于1而钠离子含量不高的水。弱酸树脂主要用于去除水中碳酸盐硬度，如硬度与碱度的比值太小，所需弱酸树脂层就很薄，失去了双层床的意义。过分增加弱酸树脂层的厚度，则强酸树脂层已经饱和，而弱酸树脂层的交换容量还未用尽，造成浪费。第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期三（2）阴离子交换双层床：两种树脂体积比：

VW/VS=qs（SO42-+Cl-）/qW（SiO32-+CO32-）其中：qs/qW=1/2再用P429两条件校核：P429强碱树脂和逆流串联再生的采用给阴双层床增添了如下特点：P429胶体硅的出现：P429采取的措施：第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期三（2）阴离子交换双层床：1.失效后应立即再生，以避免在长时间放置过程中，强碱树脂上的硅酸发生聚合，给再生带来困难，并影响下一周期的出水水质。2.在再生过程中，不仅再生碱液要加热，而且要使交换器内温度保持约40℃，这对于避免产生胶体硅以及降低出水硅含量都很重要。3.先用浓度l％的碱液以较快流速通过双层床，这一方面为了洗脱强碱树脂层的部分硅酸，另方面也使弱碱树脂层得到初步再生井及时提高其碱性，然后用浓度3％的碱液以正常流速进行再生。此外，亦可采用同一浓度(2％)的碱液以先快后慢的流速进行再生。碱液与树脂的接触时间约1h。阴双层床的再生操作步骤，除了再生后有时要进行反洗分层外，基本上与单层床逆流再生相同。不过，再生条件要求更为严格。第四十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期三四、