第二講離子交換除鹽

1電廠化學(xué)授課教師：白健美離子交換除鹽1.離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)及合成

離子交換樹(shù)脂是由高聚物骨架和連結(jié)在骨架上的可交換基團(tuán)（簡(jiǎn)稱功能團(tuán)）組成的。骨架具有龐大的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它是有許多低分子化合物（稱為單體）聚合而形成的不溶于水的高分子化合物，高分子鏈上有各種可交換功能基團(tuán)。2離子交換樹(shù)脂的命名

離子交換樹(shù)脂的全名稱由分類(lèi)名稱、骨架（或基團(tuán)）名稱、基本名稱依次排列組成?；久Q為離子交換樹(shù)脂。大孔型樹(shù)脂在全名稱前加“大孔”兩字。分類(lèi)屬酸性的，在基本名稱前加“陽(yáng)”字；分類(lèi)屬堿性的，在基本名稱前加“陰”字。離子交換樹(shù)脂產(chǎn)品的型號(hào)以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。第一位數(shù)字代表產(chǎn)品分類(lèi)，第二位數(shù)字代表產(chǎn)品骨架組成，第三位數(shù)字為順序號(hào)，用以區(qū)別功能基或交聯(lián)劑的差異。4離子交換動(dòng)力學(xué)5離子交換動(dòng)力學(xué)67離子交換動(dòng)力學(xué)代號(hào)0123456功能基強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性螯合性兩性氧化還原表1分類(lèi)代號(hào)表2骨架代號(hào)代號(hào)0123456骨架類(lèi)型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例如：001×7——(凝膠型)苯乙烯系強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，交聯(lián)度為7。

110×4——(凝膠型)丙烯酸系弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，交聯(lián)度為4。

D201——大孔型苯乙稀系強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂。9樹(shù)脂的離子交換是一種可逆反應(yīng)，反應(yīng)式可表示為：

RA+B=RB+A與任何化學(xué)平衡一樣，上述反應(yīng)遵循質(zhì)量作用定律，它的逆反應(yīng)就是A型樹(shù)脂的再生。平衡常數(shù)表達(dá)式：

KBA=[RB]·[A]/（[RA]·[B]）2.1離子交換原理1011圖1離子交換等溫曲線12KBA>1樹(shù)脂對(duì)B的親和力大于對(duì)A的親和力，圖中曲線c；KBA<1樹(shù)脂對(duì)B的親和力小于對(duì)A的親和力圖中曲線a；KBA=1樹(shù)脂對(duì)A的親和力等于對(duì)B的親和力圖中曲線b；稱KBA為樹(shù)脂的選擇性系數(shù)，在濃度很稀時(shí)只與溫度有關(guān)，溫度一定時(shí)即為常數(shù)。13圖

樹(shù)脂層交換層工作狀況

1—失效層；

2—工作層；

3—尚未工作的樹(shù)脂層交換柱中的工作層是自上而下不斷移動(dòng)的。142.2一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)一級(jí)化學(xué)除鹽系統(tǒng)由陽(yáng)離子交換器、除碳器和陰離子交換器所組成，其組合方式分為單元制和母管制。OHHCOHHCHHHCCOHOHOH單元制母管制圖3一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)1—陽(yáng)床水泵；2—強(qiáng)酸性H型陽(yáng)離子交換器；3—除碳器；4—中間水箱；5—中間水泵；6—強(qiáng)堿性O(shè)H型陰離子交換器15

進(jìn)入一級(jí)除鹽系統(tǒng)的水是經(jīng)預(yù)處理、預(yù)脫鹽的水，水中只含有少量的溶解性雜質(zhì)。溶解性雜質(zhì)包括陽(yáng)離子、陰離子、少量膠體硅等。其中水中的陽(yáng)離子主要由Ca2+、Mg2+、K+、Na+和極少量的Al3+、Fe3+離子組成，陰離子主要由HCO3－、SO42-、Cl－和少量的NO3-、HSiO3-離子組成。

當(dāng)水通過(guò)強(qiáng)酸性H型陽(yáng)交換器時(shí)，水中所有的陽(yáng)離子都被強(qiáng)酸性H型樹(shù)脂吸收，活性基團(tuán)上的H+被置換到水中，與水中的陰離子組合生成酸。其反應(yīng)式：1.陽(yáng)離子交換器161/2Ca1/2SO41/2Ca1/2H2SO4

1/2MgNO3+RH→R1/2Mg+HNO3CIHCINa

HCO3

Na1/2H2CO3

強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂交換反應(yīng)：17

陽(yáng)離子交換器的出水是酸性水。但當(dāng)交換器運(yùn)行失效時(shí)，其出水中就會(huì)有其它陽(yáng)離子的泄漏，而在諸多的陽(yáng)離子中，首先漏出的陽(yáng)離子是Na+，故習(xí)慣上稱之為漏鈉。當(dāng)出水中的Na+超過(guò)一個(gè)給定的極限值時(shí)，陽(yáng)離子交換器被判失效，需停運(yùn)再生后才能投入運(yùn)行。為什么陽(yáng)交換器失效時(shí)，首先發(fā)生漏鈉，而不是漏Ca2+或Mg2+離子？

思考1在離子交換除鹽系統(tǒng)中，陰、陽(yáng)離子交換器有無(wú)先后順序？2如何安排？3為什么？1819排水裝置壓脂層200mm進(jìn)水裝置反洗空間中間排液裝置樹(shù)脂層1600mm逆流再生陽(yáng)離子交換器結(jié)構(gòu)圖進(jìn)水裝置的作用是均勻分布進(jìn)水于交換器的過(guò)水?dāng)嗝嫔?。另一個(gè)作用是均勻收集反洗排水。排水裝置的作用是均勻收集處理好的水；另一個(gè)作用是均勻分配反洗進(jìn)水。中間排液裝置的作用：中間排液裝置對(duì)逆流再生離子交換器運(yùn)行效果有較大影響，其作用是均勻排出再生液，防止樹(shù)脂亂層、流失外，還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，安裝時(shí)應(yīng)保證在交換器內(nèi)呈水平狀態(tài)，2.陽(yáng)離子交換器（陽(yáng)床）壓脂層的作用過(guò)濾掉水中的懸浮物及機(jī)械雜質(zhì)；使進(jìn)水通過(guò)壓脂層均勻作用于樹(shù)脂層表面；防止樹(shù)脂在逆流再生中亂層。20運(yùn)行時(shí)的交換情況211）小反洗。只對(duì)壓脂層進(jìn)行反洗，沖洗掉積聚在壓脂層上的污染物。2）放水。3）進(jìn)再生液4）逆流再生5）小正洗。水從上部進(jìn)入，控制適當(dāng)?shù)牧魉伲慈ピ偕髩褐瑢又袣埩舻脑偕鷱U液和雜質(zhì)。6）正洗。用水自上而下進(jìn)行正洗，直到出水水質(zhì)合格，即可投入運(yùn)行。樹(shù)脂的再生壓脂層進(jìn)水再生液出水逆流固定床制水和再生流向圖再生廢液進(jìn)水再生液出水222.除碳器

除碳原理水通過(guò)陽(yáng)離子交換器，水中的HCO3-與從樹(shù)脂上交換下來(lái)的H+結(jié)合，形成H2CO3極不穩(wěn)定，隨即分解生成的CO2：H2CO3=H2O+CO2水中的CO2，可以看作是溶解在水中的氣體，它的溶解度與氣體分壓的關(guān)系符合亨利定律，即在一定的溫度下氣體在液體中的溶解度與該氣體在液面上的分壓成正比。只要降低水面上CO2的分壓力，溶于水中的游離CO2就能解吸出來(lái)。降低液面CO2氣體分壓的常用方法有鼓風(fēng)和抽真空兩種。

23除碳器結(jié)構(gòu)除碳器工作時(shí)水中上部布水扳扳淋下，通過(guò)填料層后，從下部排入水箱?？諝鈴南虏坑娠L(fēng)機(jī)引入，通過(guò)填料層后由頂部排出。真空除碳真空除碳通過(guò)真空泵或噴射器，從除碳器的不同部位抽真空而達(dá)到除碳的目的。排水口進(jìn)氣口進(jìn)水口oooooooo

排氣口填料支撐扳填料層布水扳鼓風(fēng)除碳器的結(jié)構(gòu)243.陰離子交換器(陰床)1/2H2SO41/2SO4HNO3NO31/2H2CO3+ROH→R1/2CO3+2H2OHClCI1/2H2SiO3HSiO3陰離子交換實(shí)質(zhì)上是陰樹(shù)脂中的OH與酸性水(經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換及除碳)中的負(fù)離子進(jìn)行交換。所以在強(qiáng)堿性陰離子交換器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)為：

圖3.7.4強(qiáng)堿性O(shè)H型離子交換器出水水質(zhì)變化根據(jù)強(qiáng)堿陰樹(shù)脂的交換規(guī)律，HSiO3-集中在交換器中樹(shù)脂的底部。所以當(dāng)強(qiáng)堿性O(shè)H型陰離子交換器失效時(shí)，HSiO3-先漏出來(lái)，致使出水的硅含量升高。因強(qiáng)堿陰樹(shù)脂的選擇性順序?yàn)椋篠O42－>NO3－>Cl－>OH－>F－>HCO3－>HSiO3－25壓脂層進(jìn)水裝置反洗空間中間排液裝置樹(shù)脂層2500mm排水裝置逆流再生陰離子交換器示意圖陰離子交換器與陽(yáng)離子交換器一樣是逆流再生工藝，其操作步驟與陽(yáng)離子