第四章水的离子交换除盐

第四章水的离子交换除盐第1页，课件共65页，创作于2023年2月皖马公司600MW机组补给水工艺流程净水站来经混凝、澄清、过滤处理的清水→加热器→自清洗保安过滤器→超滤装置→超滤产水箱→超滤产水泵→反渗透保安过滤器→变频高压泵→反渗透装置→淡水箱→淡水泵→强酸阳离子交换器→强碱阴离子交换器→混床→除盐水箱→主厂房用水点。第2页，课件共65页，创作于2023年2月内容4.1离子交换树脂4.2一级复床除盐4.3离子交换装置及其运行4.4混床第3页，课件共65页，创作于2023年2月4.1离子交换树脂4.1.1离子交换树脂的组成及分类4.1.2离子交换树脂的命名4.1.3离子交换树脂的物理化学性质第4页，课件共65页，创作于2023年2月4.1离子交换树脂4.1.1组成及分类(1)组成单体离子交换树脂骨架交联剂

可交换基团（简称活性基团）第5页，课件共65页，创作于2023年2月(2)离子交换树脂的分类

凝胶型孔型分类大孔型苯乙烯系单体种类分类丙烯酸系第6页，课件共65页，创作于2023年2月(2)离子交换树脂的分类（依据所带活性基团特性）离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂其他离子交换树脂强酸型中强酸型弱酸型强碱I型强碱II型弱碱型鳌合树脂氧化还原树脂阴阳两性树脂-SO3H-PO(OH)2-COOH-N+(CH3)3Cl--NH2,-NRH-NR2鳌合基氧化还原基阴阳两性基N+(CH3)2（CH2CH2OH）第7页，课件共65页，创作于2023年2月4.1.2离子交换树脂的命名离子交换树脂产品分类、命名及型号GBl631—79《离子交换树脂产品分类、命名及型号》

根据离子交换树脂功能基的性质，将其分为强酸、弱酸、强碱、弱碱、螯合、两性和氧化还原等七类。全称由分类名称，骨架(或基团)名称，基本名称(离子交换树脂)排列组成。凡属酸性的应在基本名称前加“阳”字；凡属碱性，在基本名称-1-前加“阴”字。离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成，第一位代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位为顺序号

，用以区别基团，交联度等不同。-2-第8页，课件共65页，创作于2023年2月4.1.2离子交换树脂的命名凡大孔型离子交换树脂，在型号前加“大”字的汉语拼音首位字母“D”表示。

D301分类代号骨架代号顺序号大孔型代号凝胶型交换树脂，在型号后面用“×”号联接阿拉伯数学表示交联度。

001×7分类代号骨架代号顺序号联接符号交联度大孔型苯乙烯系弱碱阴离子交换树脂凝胶型苯乙烯系强酸阳离子交换树脂第9页，课件共65页，创作于2023年2月代号0123456功能基强酸性弱酸性强碱性弱碱性螯合性两性氧化还原分类代号骨架代号代号0123456骨架类型苯乙烯系丙烯酸系酚醛系环氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系第10页，课件共65页，创作于2023年2月交联度：交联剂的含量指标，生产过程中加入的交联剂量占反应物的重量百分比；一般7~10％，高于称高交联树脂。影响树脂的强度和孔结构、交换性能。第11页，课件共65页，创作于2023年2月物理性能：

(1)外观

(2)颗粒度

(3)含水量

(4)密度

1)湿真密度

2)湿视密度（5)机械强度（6)溶胀性（7）耐热性4.1.3离子交换树脂的物理化学性质化学性能：

(1)交换反应的可逆性

(2)酸、碱性

(3)选择性

(4)交换容量

1)全交换容量

2)工作交换容量第12页，课件共65页，创作于2023年2月(1)粒度

树脂的粒度范围在0.3～1.25mm之间。工业上常用“目数”表示树脂粒径的大小。为便于树脂粒度的粒度比较，采用了有致粒径和均匀系数两项指标。有效粒径是指颗粒总量的10%通过而90%保留的筛孔径；均匀系数是指通过60%球粒的筛孔孔径与通过10%球粒的筛孔孔径的比值。均匀系数反映树脂粒度的分布情况，其值愈大表示粒度分布愈均匀。第13页，课件共65页，创作于2023年2月(2)密度湿真密度＝湿树脂质量/颗粒本身总体积

阳树脂常比阴树脂的湿真密度大。湿视密度＝湿树脂质量/树脂堆积体积

湿视密度用来计算交换器中装载树脂时所需湿树脂的质量。第14页，课件共65页，创作于2023年2月（3）溶胀性干的离子交换树脂浸入水中时，其体积变大；RHRNa体积变小；R`OHR`Cl体积变小。第15页，课件共65页，创作于2023年2月（4）耐热性阳树脂>阴树脂;盐型>氢型或氢氧型;(eg.苯乙烯系Na型可在150℃以下使用,而H型或OH型为20-100℃。）I型强碱>II型强碱;弱碱>强碱(eg.苯乙烯系弱碱型在80℃以下,而强碱在60℃以下。）苯乙烯强碱>丙烯酸系强碱。（eg.丙烯酸系强碱树脂在38℃以下。）第16页，课件共65页，创作于2023年2月（5）离子交换反应的可逆性离子交换反应是可逆的：

离子交换反应的可逆性是离子交换树脂可以反复使用的重要性质。第17页，课件共65页，创作于2023年2月（6）树脂的选择性与选择系数

树脂对离子具有不同的亲和能力，对亲和能力强的离子优先选择，和它结合力强使之不易泄漏。但由于结合牢固，再生时，该离子被置换下来就很因难。树脂对离子亲和能力的差异取决于两个方面。一是树脂自身的性能，尤其是自身的交联度，二是与溶液中离子的性质、组成和浓度有关。2R-B++A2+R2A+2B+选择系数第18页，课件共65页，创作于2023年2月树脂的选择性和影响因素强碱树脂强酸树脂弱酸树脂弱碱树脂Fe3+>

Ca2+>

Mg2+>

K+>

Na+>

Li+>H+H+》Fe3+>Al3+>Ca2+>

Mg2+>K+>Na+>

Li+PO43->SO42->NO3->Cl->

OH->F->HCO3->HSIO3-OH-》SO42->CrO42->有机酸根>NO3->Cl->HCO3-影响选择性的因素：化合价原子序数浓度、温度等第19页，课件共65页，创作于2023年2月（7）交换容量交换容量：指一定数量离子交换树脂所带有的可交换的离子的数量，单位mmol/g干树脂或mmol/mL湿树脂。分全交换容量(理论值)和工作交换容量(一定工作条件下的实际容量)第20页，课件共65页，创作于2023年2月工作交换容量的计算

(CJ-CC)VQG=VR对于阳离子交换树脂的工作交换容量:(JD进+SD出)VQG=VR第21页，课件共65页，创作于2023年2月Eg.某电厂原水分析结果如下：Ca2+=30mg/L，Mg2+=6mg/L，Na+=23mg/L，Fe2+=27.9mg/L，HCO-3=122mg/L，Cl-=35.5mg/L，SO42--=24mg/L，HSiO-3=38.5mg/L。（提示：原子量Ca=40，Mg=24，Na=23，Fe=55.8，H=1，C=12，O=16，Cl-=35.5，S=32，Si=28)（1）求该水质的含盐量、硬度、碱度各为多少毫摩尔每升？（2）若对上述水质进行一级复床除盐处理，H型阳离子交换器的直径为2米，内装强酸阳离子交换树脂层高度为2米，交换器出水平均酸度为1.5mmol/L，交换器出力为50t/h，交换器运行20小时后失效，求该交换器中交换挤的工作交换容量是多少？解：（1）含盐量=30/20+6/12+23/23+27.9/27.9=4mmol/L，硬度=30/20+6/12=2mmol/L，碱度=122/61+38.5/77=2.5mmol/L；（2）工作交换容量=（JD进+SD出）×周期制水量÷交换剂体积=（2.5+1.5）×20×50÷（3.14×12×2）=637mol/m3第22页，课件共65页，创作于2023年2月离子交换树脂的有效pH范围水的pH会影响可交换基团的电离，因此不同离子交换剂有各自工作pH范围；通过废水试验获得最佳工作pH；各类型交换树脂的有效pH值范围树脂种类强酸性离子交换树脂弱酸性离子交换树脂强碱性离子交换树脂弱碱性离子交换树脂有效pH范围1~145~141~120~7第23页，课件共65页，创作于2023年2月习题：1、D311型树脂是（）。（A）强酸阳离子交换树脂；（B）弱酸阳离子交换树脂；

(C)强碱阴离子交换树脂;(D)弱碱阴离子交换树脂.2、遇到不同类型的树脂混在一体，可以利用它们（）的不同进行简单的分离。（A）酸碱性；（B）粒度；（C）密度；（D）选择性3、弱碱性阴树脂对各种阴离子的选择能力不同，在运行中其对阴离子的选择顺序为（）。（A）OH->SO42->NO3->Cl->HCO3-；（B）SO42->NO3->OH->Cl->HCO3-；（C）SO42->NO3->Cl->OH->HCO3-。4、计算离子交换器中装载树脂所需湿树脂的重量时，要使用（）密度。（A）干真；（B）湿真；（C）湿视；（D）真实。5、离子交换反应的（）是离子交换树脂可以反复使用的基础。（A）可逆性；（B）再生性；（C）酸碱性；（D）选择性。第24页，课件共65页，创作于2023年2月4.2一级复床除盐4.2.1一级复床除盐原理4.2.2阳离子交换4.2.3阴离子交换第25页，课件共65页，创作于2023年2月一级化学除盐系统由阳离子交换器、除碳器和阴离子交换器所组成，其组合方式分为单元制和母管制。OHHCOHHCHHHCCOHOHOH单元制母管制图4-1一级复床除盐系统1—阳床水泵；2—强酸性H型阳离子交换器；3—除碳器；4—中间水箱；5—中间水泵；6—强碱性OH型阴离子交换器4.2一级复床除盐第26页，课件共65页，创作于2023年2月4.2.1一级复床除盐原理将预处理后的清水通过H型阳离子交换器，除去了水中所有的阳离子。被交换下来的H+与水中的阴离子结合成相应的酸，其中与HCO3-结合生成的CO2连同水中原有的CO2在除碳器中被脱除。水进入OH交换器后，以酸形式存在的阴离子与阴树脂进行交换反应除去水中所有的阴离子，从而将水中溶解盐类全部除去制得除盐水。第27页，课件共65页，创作于2023年2月

4.2.2阳离子交换强酸性阳离子交换树脂交换反应：1/2Ca1/2SO41/2Ca1/2H2SO4

1/2MgNO3+RH→R1/2Mg+HNO3ClHClNa

HCO3

Na1/2H2CO3

强酸性阳树脂的选择性顺序为：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+第28页，课件共65页，创作于2023年2月

图4-2交换器中离子分布情况

(a)开始进水时(b)交换器失效时

当交换器不断进水，随离子交换的不断进行，由于水中的Ca2+比Mg2+、Na2+与树脂的亲合力更大，更易被树脂吸收，所以水中的Ca2+­离子可和已吸收了Mg2+的树脂进行交换反应，使Ca型树脂层向下扩展，而被置换下来的Mg2+一起与Na+型树脂发生交换，使Mg2+型树脂层下移而Na+的交换区域也逐渐下移。在运行过程中，这三层不同型态的交换剂的高度在不断地向下扩展，如图4-2所示。运行时的交换情况第29页，课件共65页，创作于2023年2月

阳床整个制水周期(运行开始到交换器失效这段时间)中电导率、钠离子浓度、酸度变化可用图4-3表示。开始通水正洗时随水的不断通入，水质越来越好。因而电导率、酸度、钠离子快速下降（a点前）。在ab为稳定制水过程，b点后树脂开始失效。此时水中钠增加，氢离子减少而氢氧根增加，使酸度下降，电导率下降。ab图4-3强酸H型阳离子交换器典型出水曲线运行时的交换情况第30页，课件共65页，创作于2023年2月工作交换容量(QG)酸耗：使交换剂恢复１mol的离子交换能力，所消耗的酸的克数。酸的克数酸耗（g／mol）＝周期制水量(L)×（阳床出口平均酸度＋阳床进口平均碱度）(mol/Ｌ)比耗：再生剂的实际酸耗与理论酸耗（酸的摩尔质量）的比值。在实际中常用平均比耗来表示。

HCl酸耗H2SO4HCl比耗=H2SO4比耗=36.549平均比耗＝月或年的再生剂耗量／［（JD进＋ＳD出）×制水量］。水耗：每次再生所耗水的体积与树脂层体积之比。出水水质：是监督阳床出水的含钠量。运行时的技术经济指标第31页，课件共65页，创作于2023年2月工作交换容量的计算

(CJ-CC)VQG=VR对于阳离子交换树脂的工作交换容量:(JD进+SD出)VQG=VR第32页，课件共65页，创作于2023年2月Eg.某电厂原水分析结果如下：Ca2+=30mg/L，Mg2+=6mg/L，Na+=23mg/L，Fe2+=27.9mg/L，HCO-3=122mg/L，Cl-=35.5mg/L，SO42--=24mg/L，HSiO-3=38.5mg/L。（提示：原子量Ca=40，Mg=24，Na=23，Fe=55.8，H=1，C=12，O=16，Cl-=35.5，S=32，Si=28)（1）求该水质的含盐量、硬度、碱度各为多少毫摩尔每升？（2）若对上述水质进行一级复床除盐处理，H型阳离子交换器的直径为2米，内装强酸阳离子交换树脂层高度为2米，交换器出水平均酸度为1.5mmol/L，交换器出力为50t/h，交换器运行20小时后失效，求该交换器中交换挤的工作交换容量是多少？解：（1）含盐量=30/20+6/12+23/23+27.9/27.9=4mmol/L，硬度=30/20+6/12=2mmol/L，碱度=122/61+38.5/77=2.5mmol/L；（2）工作交换容量=（JD进+SD出）×周期制水量÷交换剂体积=（2.5+1.5）×20×50÷（3.14×12×2）=637mol/m3第33页，课件共65页，创作于2023年2月4.2.3阴离子交换1/2H2SO41/2SO4HNO3NO31/2H2CO3+ROH→R1/2CO3+2H2OHClCI1/2H2SiO3HSiO3因强碱阴树脂的选择性顺序为：SO42－>NO3－>Cl－>OH－>F－>HCO3－>HSiO3－只有强碱性阴树脂才能有效地除硅.第34页，课件共65页，创作于2023年2月运行时的交换情况

根据强碱阴树脂的交换规律，HSiO3-集中在交换器中树脂的底部。所以当强碱性OH型阴离子交换器失效时，HSiO3-先漏出来，致使出水的硅含量升高。图4-4强碱性OH型离子交换器出水水质变化第35页，课件共65页，创作于2023年2月

(SD进+C+Si)V工作交换容量(QG)QG=

VR碱耗：使交换剂恢复１mol的离子交换能力，所消耗碱的克数。

碱的克数碱耗（g／mol）＝周期制水量(L)×（阴床进水平均酸度＋0.2）(mol/Ｌ)

碱耗比耗=40流量:顺流再生和逆流再生固定床的流速一般为20~30m/h。出水水质：主要监测含硅量和电导率。运行时的技术经济指标第36页，课件共65页，创作于2023年2月习题：1、送往锅炉的水称为

。2、阳床失效后，最先穿透树脂层的阳离子是

。3、能有效去除水中硅化合物的是

。4、经氢离子交换后，原水中的阳离子几乎都转变成H+，出水呈酸性，并含有大量的游离（）。（A）O2；

（B）CO2；（C）NO2；（D）CO。5、当强酸阳离子交换树脂由Na+型变成H+型时，或当强碱阴离子交换树脂由Cl-型变成OH-型时，其体积会（）。(A)增大；（B）不变；（C）缩小；（D）或大或小。6、用铝盐作混凝剂时，最优pH值在（）之间。（A）5．0—5.5（B）6．5—7.5（C）8以上第37页，课件共65页，创作于2023年2月7、强碱阴离子交换树脂可耐受的最高温度是（）。（A）100℃；（B）60℃；（C）150℃；（D）30℃。8、交联度是指聚合树脂过程中，所用架桥物质二乙烯苯的质量占苯乙烯和二乙烯苯总质量的百分率，所以交联度对树脂的性能（）。（A）没有影响；（B）有很大的影响；（C）影响很小

9、在水流经过交换器过程中，对水流均匀性影响最大的是（）。（A）滤层高度；（B）配水装置；（C）入口装置；（D）滤料的配比10、离子交换树脂受铁、铝及其氧化物污染后，

（A）颜色不变；（B）颜色变浅；（C）颜色变深第38页，课件共65页，创作于2023年2月

连续床按运行方式

固定床顺流再生

对流再生浮床

逆流再生4.3离子交换装置及其运行第39页，课件共65页，创作于2023年2月第40页，课件共65页，创作于2023年2月第41页，课件共65页，创作于2023年2月排水装置压脂层200mm进水装置反洗空间中间排液装置树脂层1600mm逆流再生阳离子交换器结构图进水装置的作用是均匀分布进水于交换器的过水断面上。另一个作用是均匀收集反洗排水。排水装置的作用是均匀收集处理好的水；另一个作用是均匀分配反洗进水。中间排液装置的作用：中间排液装置对逆流再生离子交换器运行效果有较大影响，其作用是均匀排出再生液，防止树脂乱层、流失外，还应有足够的强度，安装时应保证在交换器内呈水平状态，逆流再生固定床（阳床）压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机械杂质；使进水通过压脂层均匀作用于树脂层表面；防止树脂在逆流再生中乱层。第42页，课件共65页，创作于2023年2月第43页，课件共65页，创作于2023年2月第44页，课件共65页，创作于2023年2月第45页，课件共65页，创作于2023年2月顶压逆流再生的操作步骤：1）小反洗。只对压脂层进行反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污染物。用水为该级交换器的进口水，流速树脂不乱层为宜，一直反洗至出水清澈为为止。2）放水。待树脂颗粒下沉后，放掉中间排液装置以上的水。3)顶压。从交换器顶部送入压缩空气，使气压维持在0.03~0.05MPa。4）进再生液。将再生液放入交换器内，严格控制其流速和浓度5）逆流再生。进完再生液，关闭再生液计量箱出口阀，按再生液的流速和流量继续用稀释再生液的除盐水进行冲洗，直至出水指标合格为止。关闭进水阀。6）小正洗。水从上部进入，控制适当的流速，洗去再生后压脂层中残留的再生废液和杂质。小正洗用水为运行时的进口水。7）正洗。用水自上而下进行正洗，直到出水水质合格，即可投入运行。树脂的再生压脂层进水再生液出水逆流固定床制水和再生流向图再生废液进水再生液出水

交换器经过多周期运行后，下部树脂层也会受到一定程度的污染，必须定期对整个树脂层进行大反洗，大反洗前先进行小反洗，在大反洗时流量应由小到大，逐步增大。从下步进水废液由上部的反洗排水阀排出。第46页，课件共65页，创作于2023年2月第47页，课件共65页，创作于2023年2月压脂层进水装置反洗空间中间排液装置树脂层2500mm排水装置逆流再生阴离子交换器示意图阴离子交换器与阳离子交换器一样是逆流再生工艺，其操作步骤与阳离子交换器相同。其交换器结构示意图与阳离子交换器也相同。第48页，课件共65页，创作于2023年2月第49页，课件共65页，创作于2023年2月第50页，课件共65页，创作于2023年2月第51页，课件共65页，创作于2023年2月第52页，课件共65页，创作于2023年2月第53页，课件共65页，创作于2023年2月第54页，课件共65页，创作于2023年2月第55页，课件共65页，创作于2023年2月第56页，课件共65页，创作于2023年2月第57页，课件共65页，创作于2023年2月2.除碳器

除碳原理水通过阳离子交换器，水中的HCO3-与从树脂上交换下来的H+结合，形成H2CO3极不稳定，随即分解生成的CO2：H2CO3⇔

H2O+CO2

水中的CO2，可以看作是溶解在水中的气体，它的溶解度与气体分压的关系符合亨利定律，即在一定的温度下气体在液体中的溶解度与该气体在液面上的分压成正比。只要降低水面上CO2的分压力，溶于水中的游离CO2就能解吸出来。降低液面CO2气体分压的常用方法有鼓风和抽真空两种。

第58页，课件共65页，创作于2023年2月图4-5除碳