第三章水軟化(2)

1、n安裝要點(diǎn)安裝要點(diǎn)n泵前安裝。泵前安裝。n立式安裝，水流自下而上，水充滿磁水器，立式安裝，水流自下而上，水充滿磁水器，防止氣泡產(chǎn)生。防止氣泡產(chǎn)生。n水流速度不大于水流速度不大于1m/s。n水流過(guò)磁場(chǎng)時(shí)間不少于水流過(guò)磁場(chǎng)時(shí)間不少于0.6s。n磁鋼對(duì)數(shù)不少于磁鋼對(duì)數(shù)不少于8對(duì)。對(duì)。n磁化水不宜久存，不要與空氣接觸。磁化水不宜久存，不要與空氣接觸。n含鹽量大于2000mg/l，總硬度大于2.5mmol/l，除垢能力達(dá)50以上。n含鹽小于2000mg/l，總硬度小于2.5mmol/l且鈣離子比鎂離子大2.5倍的水，除垢能力可達(dá)80以上。n適用于：小型鍋爐，如取暖鍋爐和蒸汽質(zhì)量要求不高的工業(yè)鍋爐。 一、

2、離子交換基本知識(shí)一、離子交換基本知識(shí)n什么是離子交換：是一類特殊的固體吸附過(guò)程，由離子交換劑在電解質(zhì)溶液中完成。n離子交換劑：不溶于水的固體顆粒，能夠從電解質(zhì)溶液中吸附某種離子，而將本身所含的另外一種電荷符號(hào)相同的離子釋放到溶液中去。n兩個(gè)問(wèn)題：n離子交換反應(yīng)在一定條件下方向和反應(yīng)的限度。n離子交換反應(yīng)的歷程和達(dá)到平衡的時(shí)間，即是離子交換速度。 離子交換劑的種類：n無(wú)機(jī)：天然（海綠砂）、人造的（人造沸石）n有機(jī)：碳質(zhì)類（磺化煤）、。：陽(yáng)離子樹(shù)脂（強(qiáng)酸性、弱酸性）、陰離子樹(shù)脂（強(qiáng)堿性、弱堿性）、氧化還原樹(shù)脂、兩性樹(shù)脂和螯合樹(shù)脂等。n最早是無(wú)機(jī)、后來(lái)被有機(jī)磺化煤取代，再后來(lái)被合成樹(shù)脂取代。 影響平

3、衡的因素：n離子交換選擇性系數(shù)（親和力系數(shù)）K：nRSO3H+Na+ RSO3Na+H+n達(dá)到反應(yīng)平衡時(shí)，存在平衡常數(shù)K。 K= RSO3NaH+/RSO3HNa+ 選擇性系數(shù)n離子交換速度：在單位時(shí)間內(nèi)溶液中的離子濃度增加或減少的量。n兩種交換速度：和。：開(kāi)始離子濃度差較大，交換速度很快，慢慢隨著離子交換的進(jìn)行，速度變慢，最終達(dá)到平衡。：溶液流動(dòng)層的交換，一般在離子交換柱中進(jìn)行。流動(dòng)較快，很短的時(shí)間不會(huì)達(dá)到交換平衡，始終保持不變的交換速度，最終Ca2+的最終殘余濃度接近零。 離子交換步驟 控制步驟n離子交換的中間步驟，屬于化學(xué)反應(yīng)，瞬間完成，而前后的擴(kuò)散過(guò)程很慢，受各種外界因素影響。n控制步

4、驟：和。n離子交換是膜擴(kuò)散還是孔道擴(kuò)散，由下列因素決定：影響離子交換速度的因素：濃度差是擴(kuò)散的動(dòng)力。n當(dāng)反離子濃度大于0.1mol/L,膜擴(kuò)散速度很快，離子交換速度決定于孔道擴(kuò)散（控制步驟，樹(shù)脂再生過(guò)程）；n當(dāng)反離子濃度小于0.003mol/L,膜擴(kuò)散很慢，離子交換速度決定于膜擴(kuò)散（控制步驟，水軟化過(guò)程）；：膜擴(kuò)散受流速影響，而孔道擴(kuò)散沒(méi)有影響；：主要影響分子熱運(yùn)動(dòng)和水的流動(dòng)粘度。保持水溫2040較佳，太高溫度會(huì)影響樹(shù)脂熱穩(wěn)定性；影響離子交換速度的因素：交聯(lián)劑是孔道的障礙，交聯(lián)度大交換速度慢，另外，交聯(lián)的均勻性也會(huì)影響交換速度；交聯(lián)度=樹(shù)脂內(nèi)交聯(lián)劑含量（g）/樹(shù)脂量（g）X100%：粒徑越小，

5、交換速度越快。因?yàn)榭s短了孔道擴(kuò)散距離，又增大了膜的表面積，對(duì)膜擴(kuò)散和孔道擴(kuò)散都有利；：凝膠樹(shù)脂和大孔徑樹(shù)脂相比，凝膠樹(shù)脂對(duì)有機(jī)物交換滲透有利，但是容易堵塞，更適合處理無(wú)機(jī)離子；而大孔樹(shù)脂對(duì)擴(kuò)散有利適合于處理特殊有機(jī)雜質(zhì)。 離子交換樹(shù)脂n結(jié)構(gòu)：?jiǎn)误w、交聯(lián)劑和交換基團(tuán)組成。：是樹(shù)脂的母體，主要組成是低聚物（如：苯乙烯和甲基丙烯酸等）：固定樹(shù)脂形狀和增強(qiáng)作用，常用二乙烯苯。n交聯(lián)度：交聯(lián)劑的百分含量。：聯(lián)在樹(shù)脂單體上的活性基團(tuán)。離解能力強(qiáng)的低分子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)接到樹(shù)脂上（如：硫酸、有機(jī)胺等），也可以是帶有離解基團(tuán)的高分子電解質(zhì)直接聚合（如：甲基丙烯酸）n固定在樹(shù)脂上的離子稱為，可以離解的離子稱為（自由

6、離子是用來(lái)交換的離子）。 離子交換樹(shù)脂n凝膠型和大孔型：n凝膠型：0.3nm以下，只能通過(guò)直徑很小的無(wú)機(jī)離子。n大孔型：克服凝膠容易堵塞的缺點(diǎn)，缺點(diǎn)是交換容積量稍低，價(jià)高，再生劑消耗量大。主要用于處理特殊有機(jī)雜質(zhì)。n代號(hào)：代號(hào)0123456分類名稱強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性螯合性兩性氧化還原性骨架名稱苯乙烯系丙烯酸系酚醛系環(huán)氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系離子交換樹(shù)脂n物理性能：球形，水的阻力最小，圓球率90%；：在水中充分膨脹后的直徑。粒度大，交換速度慢；粒度小，水流阻力大；粒度不均反洗困難（很難控制合適的流速）；一般1650目（1.20.3mm）；：顏色對(duì)使用沒(méi)有影響，但是，使用過(guò)程變色則意味受

7、到污染了。離子交換樹(shù)脂：膨脹的濕樹(shù)脂含溶脹水質(zhì)量占濕樹(shù)脂總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)；交聯(lián)度越高，含水率越低。一般含水率2555，與空隙率成正比。：干樹(shù)脂膨脹（絕對(duì)溶脹度）或者濕樹(shù)脂轉(zhuǎn)型（相對(duì)溶脹度）均發(fā)生膨脹。：濕真密度：一般1.041.3g/ml； 濕視密度（其中包含了空隙體積）：一般0.60.85g/ml。離子交換樹(shù)脂n化學(xué)性能：磺酸、羧酸樹(shù)脂電離成酸性；氨基、酰胺樹(shù)脂電離成堿性。：n強(qiáng)型：可與中性鹽（NaCl）、中和（NaOH）、復(fù)分解反應(yīng)（CaCl2）。n弱型：非中性鹽（Ca(HCO3)2）、中和反應(yīng)（NaOH） 、復(fù)分解反應(yīng)（CaCl2） 。：就是交換能力，質(zhì)量單位mmol/g，或mol/t，容

8、量單位mmol/ml，或mol/m3。n全交換容量全交換容量：從起作用到完全失效的交換能力。n工作交換容量工作交換容量：達(dá)到一定失效程度的交換能力。是全交換容量的6070?；瘜W(xué)性能：n離子交換的選擇性：反離子的直徑越小，電荷越高，反應(yīng)作用力越大。強(qiáng)型交換容易，再生難；弱型再生容易，交換難。n強(qiáng)酸性陽(yáng)離子反應(yīng)順序：nFe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+H+n弱酸性陽(yáng)離子反應(yīng)順序：nH+ Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+ n強(qiáng)堿性陰離子反應(yīng)順序：nSO42-NO3-Cl-OH-HCO3-HSiO3-n弱堿性陰離子反應(yīng)順序：nOH- SO42-NO3-Cl-HCO3-

9、HSiO3 離子交換樹(shù)脂n使用前：n10食鹽水浸泡1820h，然后水沖洗。n稀鹽酸浸泡：5HCl浸泡24h，然后水沖洗至中性。n稀堿浸泡：24NaOH浸泡24h，然后水沖洗至中性。n上述處理后陰離子可直接使用，陽(yáng)離子需再用5HCl處理，變成H型才能使用。 離子交換樹(shù)脂n使用中注意：n保持強(qiáng)度：減少機(jī)械損壞。n保持穩(wěn)定：避免污染，遠(yuǎn)離鐵、錳等。n樹(shù)脂污染后處理：n滅菌：1甲醛浸泡數(shù)小時(shí)，然后水沖干凈。n消除有機(jī)物污染：無(wú)油壓縮空氣沖刷，然后用水反洗。陰離子樹(shù)脂可用10熱鹽水循環(huán)；或10NaCl和5NaOH復(fù)合溶液處理。n鐵、鋁及其氧化物污染：可采用1015鹽酸處理，再轉(zhuǎn)型再生。n沉淀物：5HCl

10、處理。離子交換樹(shù)脂n樹(shù)脂保管：n濕法保管：鹽水浸泡，防止干燥損壞。n保管溫度：520。n防止污染、避免機(jī)械擠壓。n鹽型封存最穩(wěn)定。二、離子交換器運(yùn)行工作過(guò)程二、離子交換器運(yùn)行工作過(guò)程 n運(yùn)行過(guò)程：運(yùn)行過(guò)程n交換帶形成： 分為三個(gè)階段。： 從交換開(kāi)始到交換平衡，形成一個(gè)交換反應(yīng)帶。n運(yùn)行中期階段： n運(yùn)行末期階段：正常工作條件下，工作層（交換帶）厚度基本不變，而失效層不斷增大，未交換層不斷減少。當(dāng)交換帶下移到樹(shù)脂底部時(shí)，Ca2開(kāi)始泄露，當(dāng)交換帶完全消失時(shí)，出水的Ca2濃度和進(jìn)水的相同全部失效，所以工作層又叫保護(hù)層。 水質(zhì)變化曲線n面積ABCDE為交換最大容量。BF反映了交換帶寬度。B越提前，后拖

11、尾越大，容量越小。影響交換帶寬度的因素n不變因素：樹(shù)脂的選擇系數(shù)越大，交換帶越??；樹(shù)脂粒徑小，交換帶窄；樹(shù)脂交聯(lián)度大，交換帶就寬。n操作條件和設(shè)備結(jié)構(gòu)影響：n流速：n濃度：n樹(shù)脂粒度：n離子交換設(shè)備結(jié)構(gòu)： n離子供給速度：處理水的流量和離子濃度的乘積。水流速度越大，供給速度越大，交換帶越寬。n離子交換速度：膜擴(kuò)散和孔道擴(kuò)散速度決定。水流越大，膜擴(kuò)散速度增加，交換帶又變窄。n流速與交換容量有關(guān)：流速/（m/h）所能達(dá)到的工作交換容量/%510040907082運(yùn)行流速對(duì)出水質(zhì)量的影響 n同樣兩個(gè)方面影響：n離子濃度大，供給離子速度大，交換帶變寬；n離子濃度大，濃度差大，擴(kuò)散速度大，交換帶變窄。n

12、實(shí)際處理：濃度大時(shí)，調(diào)整流速變??；濃度小時(shí)，調(diào)整流速變大。n還要考慮：樹(shù)脂層高度和壓頭損失等因素。n樹(shù)脂顆粒大小與均勻程度都會(huì)影響到交換帶的大小。n對(duì)于均勻的顆粒，粒度小，交換帶窄；粒度大，交換帶寬；n對(duì)于不均勻樹(shù)脂，尤其是結(jié)構(gòu)破碎的樹(shù)脂，由于反洗的沖擊，破碎樹(shù)脂集中到交換層上面，勢(shì)必造成水壓過(guò)高，阻力增大，形成不均勻過(guò)流，從而破壞了工作層。n進(jìn)水和排水裝置布水不均勻，可造成工作層變形。nNa離子用NaCl再生，H離子用HCl或H2SO4再生等。n再生是離子交換的必要過(guò)程，關(guān)系到運(yùn)行費(fèi)用。n再生方式：順流、對(duì)流。 再生方式：再生劑利用不高；樹(shù)脂交換容量低；出水質(zhì)量差等缺點(diǎn)。上面開(kāi)始時(shí)交換再生快

13、，向下慢慢效率降低。再生容量也小。再生劑利用率37。但是順流再生不易亂層，構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便。：開(kāi)始Na離子濃度高，使再生能夠進(jìn)行；向上一直可以保證再生交換進(jìn)行下去。再生劑效率高（可以達(dá)到7585），用量少；對(duì)流再生容易亂層，設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜。 不同再生方式出水純度比較 再生劑用量n再生劑利用率：3050；n再生極限：當(dāng)再生劑用量是理論4倍時(shí)，再生容量趨于平緩。再生程度控制在6080。n再生水平：一定體積樹(shù)脂所需再生劑的質(zhì)量，g/l或kg/m3表示。 再生劑濃度n理論上：再生劑濃度越高，再生越徹底。n實(shí)際上：太高的濃度再生程度反而下降：n接觸時(shí)間短很難達(dá)成交換平衡；n反離子濃度過(guò)高，雙電層受

14、到壓縮，不利于交換反應(yīng)進(jìn)行；n再生液濃度高，溶液中再生物濃度也提高，反離子干擾作用會(huì)使再生反應(yīng)受阻；n再生濃度也不能太低：濃度低，再生反應(yīng)不徹底。一般NaCl38；HCl25；H2SO4（防止硫酸鈣沉淀分兩步，第一步0.52；第二步35）； 再生液流速n兩種速度：沒(méi)有裝填樹(shù)脂時(shí)，水或再生液?jiǎn)挝粫r(shí)間流經(jīng)的距離。Lv=Q/F Q-交換器流量，m3/h; F-交換器截面積，m2：?jiǎn)挝惑w積的樹(shù)脂在單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的溶液的體積，m3/(m3.h)； Sv=Q/V V-交換器中樹(shù)脂體積，m3 Lv= Sv.h適宜的速度：流速一般不低于3m/h（48m/h）。停留時(shí)間：3060min。 再生液的純度 提高純

15、度的措施n盡量使用高等級(jí)食鹽。n食鹽貯存時(shí)防止石灰等含鈣、鎂及鐵雜質(zhì)污染。n盡量不使用水泥和鐵槽儲(chǔ)存食鹽。n溶解食鹽用軟化水。 離子交換樹(shù)脂的污染和復(fù)蘇n分兩種情況：n樹(shù)脂結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，孔道堵塞，表面覆蓋。稱為中毒?？梢阅孓D(zhuǎn)，復(fù)蘇。n樹(shù)脂結(jié)構(gòu)被破壞，交換基團(tuán)降解或交聯(lián)劑斷裂。不可以逆轉(zhuǎn)，稱為老化。 樹(shù)脂的鐵污染n原因：水源污染，管線中鐵腐蝕。n常見(jiàn)：鐵以膠體態(tài)或懸浮態(tài)形式進(jìn)入交換樹(shù)脂，在其表面形成覆蓋層，阻止水中離子交換。n以亞鐵離子的形式進(jìn)入交換器，與交換樹(shù)脂反應(yīng)，使鐵離子占據(jù)交換位置。n強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂也會(huì)被鐵污染。 鐵污染鑒別方法n外觀：顏色變深，甚至變黑。n鑒別：測(cè)水的鐵離子含量。

16、將樹(shù)脂用清水洗凈，浸泡在食鹽水中再生半個(gè)小時(shí)，再用蒸餾水洗滌23次；取一部分樹(shù)脂放入試管，加兩倍樹(shù)脂體積的6mol/l鹽酸，振蕩15min，取出酸液，滴入亞鐵氰化鉀溶液，從顏色深淺可以判斷樹(shù)脂被鐵污染出程度。 鐵污染的復(fù)蘇方法n用4的連二亞硫酸鈉（Na2S2O4）溶液浸泡412h，配合EDTA、三乙醇胺、酒石酸等絡(luò)合劑。n樹(shù)脂內(nèi)部的鐵，用10鹽酸浸泡512h。n輔助方法：吹氣、超聲波。n強(qiáng)堿性陰離子復(fù)蘇前先轉(zhuǎn)化成氯型，再?gòu)?fù)蘇。 鐵污染的預(yù)防措施n加強(qiáng)水處理設(shè)備的防腐，避免鐵的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入系統(tǒng)。n含鐵地下水必須除鐵后再進(jìn)入離子交換。n自來(lái)水水源要過(guò)濾。 樹(shù)脂的鋁、鈣污染n由于混凝采用鋁鹽，沉淀過(guò)

17、濾效果不好，使鋁進(jìn)入離子交換。n鋁會(huì)覆蓋在交換位置，使食鹽再生困難。：n陽(yáng)離子交換樹(shù)脂用硫酸再生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生硫酸鈣沉淀覆蓋在樹(shù)脂上，再生完畢后，交換過(guò)程再溶解下來(lái)，造成污染。n石灰處理過(guò)程用硬水配置再生劑時(shí)，受到碳酸鈣污染。 鋁、鈣污染的復(fù)蘇方法n用10鹽酸，配合絡(luò)合劑進(jìn)行反洗。n鹽酸用量：每升樹(shù)脂加300g濃鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33的鹽酸）計(jì)算。n污染嚴(yán)重時(shí)，鹽酸用量可以提高到500g/l 樹(shù)脂的油污染：潤(rùn)滑油、脂肪等很容易混入設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)。油脂覆蓋在樹(shù)脂表面造成交換容量下降。：樹(shù)脂由棕色變黑色。加兩倍水，振蕩觀察油的析出（珠光反射）。：58NaOH溶液，循環(huán)反洗。如果加熱到40，輔以壓縮空氣效果

18、更好。必須先將樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成Na型。 樹(shù)脂的硅污染n原因：陰離子樹(shù)脂容易被硅污染。硅酸鹽進(jìn)入系統(tǒng)。n現(xiàn)象：交換效率下降，不斷有硅放出。n復(fù)蘇：58NaOH溶液，在5060條件下再生。 樹(shù)脂的有機(jī)物污染n原因：有機(jī)腐質(zhì)產(chǎn)生的帶電線性大分子。通常這些大分子帶有多個(gè)交換基團(tuán)，在樹(shù)脂骨架上形成不可逆轉(zhuǎn)的污染。常發(fā)生在陰離子交換樹(shù)脂上。n現(xiàn)象：再生后水洗時(shí)不斷有鈉離子釋放。交換容量急劇下降。n鑒別：取樹(shù)脂水洗后，在用10食鹽水振蕩510min，觀察顏色變化。見(jiàn)下表。 有機(jī)物污染后的顏色判斷色澤污染程度清除透明不污染淡草綠色輕度污染琥珀色中度污染棕色重度污染深棕色或黑色嚴(yán)重污染 效果n氯化鈉和氫氧化鈉混合處理效果較好。但會(huì)產(chǎn)生大量氫氧化鎂沉淀，應(yīng)該再用鹽酸處理。n次氯酸鈉處理，對(duì)顏色和容量效果較好，但是對(duì)樹(shù)脂氧化作用大，只能處理12次，并且對(duì)濃度、溫度和時(shí)間要嚴(yán)格控制。n經(jīng)常用氯化鈉和