第5章 離子交換法-水質(zhì)處理-課件-教學(xué)-本科

第5章離子交換法5.1離子交換基本原理5.2離子交換樹脂的性質(zhì)5.3離子交換操作設(shè)備5.4離子交換水質(zhì)軟化方法與系統(tǒng)5.5離子交換水質(zhì)除鹽方法與系統(tǒng)5.1離子交換基本原理離子交換樹脂概念離子交換樹脂分類離子交換樹脂命名與型號一、離子交換樹脂概念

離子交換樹脂是由空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架（母體）與附屬在骨架上的許多活性基團(tuán)所構(gòu)成的不溶性高分子化合物。

活性基團(tuán)遇水電離，水解形成：1）固定部分2）活動(dòng)部分活動(dòng)部分能在一定空間移動(dòng)，并與周圍其它同性離子發(fā)生交換反應(yīng)。稱為可交換離子。5.1離子交換基本原理離子交換法及其原理離子交換法利用固相離子交換劑功能基團(tuán)所帶的可交換離子，與接觸交換劑的溶液中相同電性的離子進(jìn)行交換反應(yīng)，以達(dá)到離子置換、分離、去除、濃縮等目的。以R-SO3-H+為例，R，為母體;-SO3-H+為活性基團(tuán)，H+為活性基團(tuán)可交換離子，有時(shí)可進(jìn)一步簡化為R-H+。二、離子交換樹脂分類離子交換劑的種類三、離子交換樹脂命名與型號分類名稱：強(qiáng)酸型\強(qiáng)堿型\等；骨架名稱：本體的材料，如苯乙烯系等；基本名稱：陽離子交換樹脂等；如-強(qiáng)酸苯乙烯陽離子交換樹脂為了方便，人們給各種樹脂進(jìn)行編號{}{}{}×{}第1個(gè)，數(shù)字表示活性基團(tuán)代號第2個(gè)，數(shù)字表示骨架代號第3個(gè)，數(shù)字表示順序代號第4個(gè)，數(shù)字表示交聯(lián)度如：001×7；D311，D201分類、骨架代號見表9-45.2離子交換樹脂的性質(zhì)基本性質(zhì)離子交換平衡離子交換速度樹脂層離子交換過程離子交換樹脂的再生原理1．外觀粒徑0.3～1.2mm乳白、淡黃、棕褐色等不透明或半透明球狀顆粒5.2離子交換樹脂的性質(zhì)一、基本性質(zhì)1．外觀2．交聯(lián)度3．含水率4．溶脹性5．密度6．有效PH值范圍7．交換容量8．離子交換樹脂的選擇性離子交換劑

2．交聯(lián)度：取決于生產(chǎn)過程，表示母體中交聯(lián)劑的含量，以7~10%為宜，對于苯乙烯系樹脂，二乙烯苯就是交聯(lián)劑。3．含水率概念：樹脂的含水率以每克樹脂（在水中充分膨脹）所含水分的百分比（約50%）意義：樹脂的含水率相應(yīng)地反映了樹脂網(wǎng)架中的孔隙率：交聯(lián)度越小，孔隙率越大，含水率越大。4．溶脹性干樹脂+水→濕樹脂體積脹大絕對溶脹度5．密度濕真密度通常1.3mg/l，用于確定反洗強(qiáng)度與膨脹率；濕視密度通常0.6-0.85mg/l，用于確定所需樹脂的體積6．有效PH值范圍由于樹脂活性基團(tuán)分為強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、弱酸、弱堿性，水的pH值勢必對其交換容量產(chǎn)生影響。表各種類型樹脂有效pH值范圍樹脂類型強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性有效pH值范圍1~145~141~120~7單位數(shù)量離子交換樹脂具有離子交換基團(tuán)的數(shù)量，是樹脂最重要的性能，表示樹脂交換能力的大小。以體積和重量兩種表示方式。mmol/g，mmol/L1）全交換容量：2）平衡交換容量：3）工作交換容量：實(shí)際工作條件下的，全交換容量的60－70％1）全交換容量：（1）定義：一定量的樹脂所具有的活性基團(tuán)或可交換離子的總量。代表交換能力的大?。?）測定方法：滴定測定與理論上計(jì)算7．交換容量與水中離子種類、樹脂交換基團(tuán)的性能有很大關(guān)系，同時(shí)也受離子濃度和溫度的影響。在常溫和低濃度時(shí)：*離子電荷愈多，愈易被交換*原子序數(shù)愈大，即水合半徑愈小，愈易被交換：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>Li+SO42->NO3->Cl->HCO3->HSiO3-8．離子交換樹脂的選擇性*H＋和OH－的交換選擇性與樹脂交換基團(tuán)酸、堿性的強(qiáng)弱有關(guān)。對于強(qiáng)酸陽樹脂：H+>Li+而對于弱酸陽樹脂：H+>Fe3+對于強(qiáng)堿：OH->HCO3-對于弱堿：OH->SO42-二、離子交換平衡選擇系數(shù)用離子濃度表示：二階對一階離子交換反應(yīng)通式為：三、離子交換速度

膜擴(kuò)散和孔道擴(kuò)散何者影響最大？何者為控制步（慢者控制離子交換反應(yīng)的速度）？

(1)

濃度：濃度大于0.1mol/l時(shí)，孔道擴(kuò)散為控制步．濃度小于0.003mol/l時(shí)，膜擴(kuò)散成為控制步，介于中間則取決于具體情況．(2)

流速或攪拌速率：大，則水膜?。U(kuò)散快．但孔道擴(kuò)散基本不受影響．(3)樹脂粒徑：膜擴(kuò)散，速度與粒徑成反比．孔道擴(kuò)散，速度與粒徑２次方成反比．(4)

交聯(lián)度：交聯(lián)度對于孔道擴(kuò)散影響比對膜擴(kuò)散更為顯著．四、樹脂層離子交換過程離子交換反應(yīng)的逆過程：

陽樹脂：2R-SO3H+Ca2+R2Ca+2H+，2RNa+Ca2

+R2Ca+2Na+，

陰樹脂：R-OH+ClRCI+OH-R-OH+SO42-R2SO4+OH-將飽和樹脂放入相應(yīng)的濃溶液中。五、離子交換樹脂的再生原理離子交換劑的特點(diǎn)

（1）交換作用嚴(yán)格按等當(dāng)量進(jìn)行（2）交換作用具有可逆性（3）交換劑對交換離子有選擇性離子交換樹脂的選擇性是廢水處理中選擇樹脂和確定處理工藝的主要依據(jù)之一。離子交換法工藝過程（一）交換階段利用離子交換樹脂的交換能力，從廢水中分離脫除需要去除的離子。（二）反沖洗階段（三）再生階段（四）清洗階段

目的是松動(dòng)樹脂，使再生液能均勻滲入層中，與交換劑顆粒充分接觸；把過濾過程中產(chǎn)生的破碎粒子和截留的污物沖走。

洗滌殘留的再生液和再生時(shí)可能出現(xiàn)的反應(yīng)產(chǎn)物。5.3離子交換的操作設(shè)備離子交換設(shè)備分類離子交換設(shè)備構(gòu)造逆流再生固定床的運(yùn)行過程閥系統(tǒng)及其控制程序運(yùn)行參數(shù)5.3離子交換的操作設(shè)備一、離子交換設(shè)備分類離子交換設(shè)備

固定床床層固定不變，水流由上而下流動(dòng)。固定床離子交換器離子交換設(shè)備

固定床移動(dòng)床床層固定不變，水流由上而下流動(dòng)。工作時(shí)，定期從交換柱排出部分失效樹脂，送到再生柱再生，同時(shí)補(bǔ)充等量的新鮮樹脂參與工作。移動(dòng)床離子交換器離子交換設(shè)備

固定床移動(dòng)床流動(dòng)床床層固定不變，水流由上而下流動(dòng)。工作時(shí)，定期從交換柱排出部分失效樹脂，送到再生柱再生，同時(shí)補(bǔ)充等量的新鮮樹脂參與工作。交換樹脂在連續(xù)移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)交換和再生。流動(dòng)床離子交換器1．順流再生特點(diǎn)：⑴上部再生程度高，下部差，越是下部越差；⑵再生劑耗量大，2～3倍理論值時(shí)，效果仍不理想；⑶出水剩余硬度高；⑷交換器失效早，降低工作效率，工作交換容量降低；⑸適合于硬度較低的場合。固定床最為常見，按再生液與水溶液的流向，又可分為順流再生床與逆流再生床。2．逆流再生

特點(diǎn)：⑴再生效果好，耗量可降低20%以上；⑵出水水質(zhì)明顯提高；⑶原水水質(zhì)適應(yīng)范圍擴(kuò)大，對硬度較高原水仍能保證出水水質(zhì)；⑷再生廢液中再生劑有效濃度低；⑸工作交換容量提高；⑹操作較復(fù)雜。再生效果好及劑量低等二、離子交換設(shè)備構(gòu)造三、逆流再生固定床的運(yùn)行過程

1.制水2.小反洗3.放水4.進(jìn)再生液5.反洗6.正洗序程序控制措施1運(yùn)行開進(jìn)水閥A11，與出水閥A172小反洗開小反洗進(jìn)水閥A15，與反洗排水閥A123放水開A164再生開進(jìn)酸閥A18，與排酸閥A165置換開反洗進(jìn)水閥13，與排酸閥A166反洗開反洗進(jìn)水閥13，與反洗排水閥A127正洗開進(jìn)水閥A11，與正洗排水閥A14四.閥系統(tǒng)及其控制程序五.運(yùn)行參數(shù)1.制水，運(yùn)行流速15-20m/h；2.小反洗流速5-10m/h，時(shí)間10-15min；3.再生液流速，5m/h,時(shí)間50min；4.置換：流速5-10m/h，出水酸度小于3-5mmol/l，或堿度小于0.5mmol/l，時(shí)間一般5-10m/h；5.正洗：10-15m/h，時(shí)間10-15min。再生液配制與消耗：再生劑再生劑比耗（g/mol）再生液濃度（%）NaCl80-1003-5HCl50-551.5-3H2SO4700.8-2.0NaOH60-651-35.4離子交換軟化方法與系統(tǒng)鈉離子交換法氫離子交換法氫-鈉離子交換法再生附屬設(shè)備一、鈉離子交換法

水中的Ca2+、Mg2+交換到樹脂上，鈉離子進(jìn)入水中，而鈉鹽的溶解度很大，不會(huì)沉淀析出，達(dá)到軟化目的。再生：經(jīng)軟化過程后，樹脂為Ca2+、Mg2+型樹脂，需再生，恢復(fù)能力：缺點(diǎn)：在鍋爐給水中，往往在軟化的同時(shí)，要求堿度也降低，否則，軟化中生成的NaHCO3在加熱時(shí)有如下反應(yīng)：二、氫離子交換脫堿軟化法交換下來的H+與水中原有的陰離子結(jié)合成酸——不單獨(dú)使用碳酸鹽硬度產(chǎn)生的H2CO3分解被去除——脫堿H＋離子交換軟化法過程曲線開始時(shí)出水呈酸性。Na＋開始泄漏時(shí)，出水酸度急劇下降。之后，RH交換轉(zhuǎn)變?yōu)镽Na型運(yùn)行模式，對Ca和Mg仍有交換能力。出水Na離子逐漸超過原水中的濃度，呈堿性。然后硬度離子開始泄漏出水中離子泄漏的順序?yàn)椋篐＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋三、H－Na并聯(lián)及串聯(lián)：⑴并聯(lián)：⑵串聯(lián)：串聯(lián)與并聯(lián)相比的特點(diǎn)：四、再生附屬設(shè)備1．食鹽系統(tǒng)2．酸系統(tǒng)3．除二氧化碳器四、再生附屬設(shè)備1．食鹽系統(tǒng)

2．酸系統(tǒng)再生劑用量計(jì)算：

再生劑用量（用G表示）：單位體積樹脂所消耗的純再生劑量（g/L，kg/m3）。比耗：nmol/mol（再生劑/工作交換容量）q:樹脂工作交換容量(mol/L)；

MB再生劑摩爾質(zhì)量；

再生1mol所需質(zhì)量：R＝n·MBG＝q·R＝q·n·MB（g/L）3.除二氧化碳器CO2具有腐蝕性，并增加強(qiáng)堿樹脂負(fù)荷，且一般為H床后：（1）原理：（2）除二氧化碳器的構(gòu)造、填料和計(jì)算：3）計(jì)算：G＝KF△Ckg／hG——單位時(shí)間能夠去除CO2的量（能力）K——解吸系數(shù)單位時(shí)間、單位接觸面積、單位推動(dòng)力下去除的CO2的數(shù)量F-瓷環(huán)面積結(jié)論：⑴K——解析系數(shù)，溫度高則其值大，CO2溶解度低，冬天鼓熱風(fēng)⑵水封高度大于風(fēng)壓⑶進(jìn)風(fēng)口高于水面距離＞25cm，伸入內(nèi)壁，防止水濺入風(fēng)口⑷通風(fēng)管有一定坡向水面的坡度⑸防止出水管不通，使水漫入鼓風(fēng)機(jī)⑹設(shè)備防腐1）構(gòu)造：2）填料：常用瓷環(huán)204m2/m3空隙率74%5.5離子交換除鹽方法與系統(tǒng)水的純度概念陰離子交換樹脂的特性弱堿陰離子交換樹脂的特性離子交換除鹽方法與系統(tǒng)5.5離子交換除鹽方法與系統(tǒng)電阻率：1cm×1cm×1cm體積的水所測得的電阻（Ω·cm）

1.淡化水：生活及生產(chǎn)用的淡水

2.脫鹽水：含鹽量為1～5mg/l，強(qiáng)電解質(zhì)大部分被去除（普通蒸餾水）250C電阻率0.1～1.0×106Ω·cm

3.純水：去離子水，含鹽量為＜０.１mg／Ｌ，強(qiáng)電解質(zhì)絕大部分被去除，弱電解質(zhì)也去除到一定程度250C，0.1～1.0×106Ω·cm。

４.高純水：超純水，導(dǎo)電介質(zhì)幾乎已全部被去除，水中膠粒，微生物，溶解氣體和有機(jī)物等亦去除到最低的程度。

含鹽量＜0.1mg/L，250C，＞10×106Ω·cm

一、水的純度概念1）強(qiáng)堿性陰樹脂對水中各種陰離子的交換選擇特性不同，一般順序?yàn)椋篜O43—＞SO42—＞NO3—＞Cl—＞OH—＞F—＞HCO3—＞HSiO3—（1）電荷愈多，選擇性愈好；（2）相同電荷時(shí)，原子序數(shù)愈高，水合半徑愈小，則選擇性愈好；（3）還與離子交換基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)；（4）強(qiáng)酸性選擇性好。2）強(qiáng)堿性陽樹脂對水中各種陰離子的交換順序如上，從而可得：ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH（幾乎不能進(jìn)行）3）陰樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性一般要比陽樹脂差，（600C~800C），易受氧化劑的影響而變質(zhì)。

如水中存在氧化劑時(shí)，則會(huì)使：二、陰離子交換樹脂的特性4）強(qiáng)堿性樹脂抗有機(jī)物的能力較差，特別是凝膠型強(qiáng)堿性陰樹脂，由于孔道分布不均，故容易堵塞。

強(qiáng)堿性樹脂被有機(jī)物污染后，交換容量下降，正洗水量增加，出水導(dǎo)電率增加。5）強(qiáng)堿性陰樹脂的運(yùn)行過程1）交換容量大：可做強(qiáng)堿陰床前的預(yù)處理2）抗有機(jī)污染強(qiáng)，吸附后容易洗脫：可做強(qiáng)堿陰床前的預(yù)處理3）出水呈堿性，NaHCO3，NaHSiO3存在，SO42-泄露；出水呈酸性，Cl-首先泄漏。三、弱堿陰離子交換樹脂的特性四、離子交換除鹽方法與系統(tǒng)1.復(fù)床除鹽2.混合床除鹽3.氫型精處理器4.離子交換雙層床1．復(fù)床除鹽：（復(fù)床系指陰、陽離子交換器串聯(lián)使用，達(dá)到水的除鹽目的）1）一級復(fù)床除鹽強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿系統(tǒng)一級復(fù)床出水的特點(diǎn)：①.呈弱堿性PH=8～9.5（陽床微量Na泄漏）；②.出水電阻率0.1～1.0×106Ω*CM脫鹽水（普通蒸餾水）；③.如果陽床泄漏Na過量的話，電導(dǎo)率會(huì)升高。陰床設(shè)在陽床之后（為什么？）：2）強(qiáng)堿——弱堿——脫氣系統(tǒng)3）強(qiáng)酸——脫氣——弱堿——強(qiáng)堿系統(tǒng)

適合于原水強(qiáng)酸陰離子含量較大H2SO4弱堿用于去除強(qiáng)酸陰離子HCl強(qiáng)堿用于去除其它陰離子原理：陰陽離子裝在一個(gè)床內(nèi)，使用時(shí)均勻混合，構(gòu)成無數(shù)微型復(fù)床，反復(fù)脫鹽，故其出水電率可達(dá)5～10×106Ω·Cm。

RH+ROH+NaCl→RNa+RCl+H2O優(yōu)點(diǎn)：①陰、陽離子交換反應(yīng)幾乎同時(shí)進(jìn)行;②出水呈中性，出水水質(zhì)穩(wěn)定，純度高（用于制純水，超純水）;③不存在反離子（強(qiáng)堿出水呈堿性，強(qiáng)酸出水呈酸性）;④失效終點(diǎn)分明;⑤設(shè)備小.2．混合床除鹽

1）原理與特點(diǎn)：缺點(diǎn)：①再生時(shí)，難以徹底分層;②混合床對有機(jī)物敏感，陰樹脂變質(zhì)后，出水水質(zhì)惡化，下降;③一般常需進(jìn)行預(yù)處理（混凝、沉淀、活性炭吸附）;④再生操作復(fù)雜.再生方法有體內(nèi)再生和體外再生；體內(nèi)再生又分為酸、堿同時(shí)再生和酸、堿分別再生；現(xiàn)以酸、堿分別再生為例：2）混合床離子交換器裝置及再生方式

步驟：1、反洗分層2、陰樹脂再生3、陰樹脂正洗4、陽樹脂再生5、陽樹脂清洗6、混合7、最后正洗至PH≈7，電阻率大于5×105Ω·cm，即可運(yùn)行。

3）高純水制備與終端處理：

強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿——混合床系統(tǒng)

使用前終端處理有：紫外線，精制混床，超濾。強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿——強(qiáng)酸能徹底去除Na，出水水質(zhì)好；流速高100m/h；不能除Si，因而只有復(fù)床出水水質(zhì)達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，取代混合床提純水質(zhì)。3.氫型精處理器：1)陽離子交換雙層床2)陰離子交換雙層床4.離子交換雙層床：采用逆流再生，耗酸量相當(dāng)于全部是陽樹脂來說從3倍降到1.1倍理論值。適應(yīng)于：原水硬度=堿度的水，或硬度略大于堿度的水。1)陽離子交換雙層床2)陰離子交換雙層床優(yōu)點(diǎn)：（1）逆流再生，堿耗量低，理論值的1.1倍。強(qiáng)堿是理論值的3～4倍（2）交換容量提高，出水量增加。（3）適應(yīng)的含鹽量范圍可提高。（4）出水水質(zhì)好。缺點(diǎn)：要求再生條件嚴(yán)格，否則會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象，大量膠體硅（甚至膠凍）聚積在弱堿樹脂上，使出水水質(zhì)嚴(yán)重惡化。