工業(yè)給水處理章 離子交換

工業(yè)給水處理章離子交換第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一二、淡化與除鹽的方法淡化是指將含鹽量高的海水或苦咸水處理成含鹽量小于1000的淡水過程，而除鹽是指將淡水處理為含鹽量更小的純水或高純水的過程，本質(zhì)上沒有區(qū)別。1.蒸餾：傳統(tǒng)蒸餾、多級閃蒸、多效蒸餾、壓汽蒸餾2.離子交換（ion-exchange，IE）：陽床、陰床、混床、雙層床3.電滲析（electrodialysis，ED）：發(fā)展為電去離子4.反滲透（reverseosmosis，RO）：主流技術(shù)本課程重點(diǎn)講2、3、45.冷凍法6.電吸附7.電去離子（electrodeionization，EDI）第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一8.膜蒸餾（MembraneDistillation，簡稱MD）9.正滲透10.聯(lián)合使用：RO+IE/EDI6、7、8、9在下學(xué)期新技術(shù)中講各種海水淡化方法的能耗（1994，2008）淡化方法能耗（kWh/m3）（目前）比例（％）（目前）多級閃蒸30－37（）62（約40）反滲透8－14（2.5-4）31（大于50）電滲析8－16（）3（小于1）冷凍法284（其它）（）第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一三、離子交換法制取純水的純度

類型出水電阻率（MΩ.cm）復(fù)床（陽床＋除碳器＋陰床）0.1～1.0

混床5.0

復(fù)床＋混床＞10

蒸餾0.1

思考：（1）二戰(zhàn)時，美國飛行員裝備有海水淡化急救包，六塊海水脫鹽劑，可供一周使用，成分：溶脹土、氧化銀、活性炭。（2）海島、海邊漁民飲水問題（3）江輪、海輪、軍艦上的飲用水（4）宇宙飛船上的飲水問題第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)離子交換除鹽方法與系統(tǒng)一、陰離子交換樹脂的工藝特性1.結(jié)構(gòu)陰離子交換樹脂通常是在粒狀高分子化合物母體的最后階段導(dǎo)入伯胺、仲胺或叔胺基團(tuán)而構(gòu)成的。胺是氨NH3中的氫原子被烴基取代的化合物。

氨分子中的一個、兩個、三個氫原子被1、2、3個烴基取代的胺分別為伯胺R-NH2、仲胺R=NH和叔胺R三N。當(dāng)它們中的四個氫原子被四個烴基所取代，則成為季銨堿，即得強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂，簡寫為ROH。(R)4N-OH季銨型第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一2.強(qiáng)堿性陰樹脂的工藝特性（1）在水的除鹽過程中，經(jīng)氫離子交換的出水有各種強(qiáng)酸、弱酸陰離子，有賴于強(qiáng)堿性陰樹脂的去除，即除鹽的第二步。其反應(yīng)式如下：

ROH+H2SO4→RHSO4+H2O①

2ROH+H2SO4→R2SO4+2H2O②

ROH+HCl→RCl+H2OROH+H2CO3→RHCO3+H2OROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O

式①和式②一般同時進(jìn)行,但當(dāng)［H2SO4］＞［ROH］中OH-濃度時，①占優(yōu)勢，低濃度時②占優(yōu)勢。從反應(yīng)式看，陰離子交換出水應(yīng)呈中性，但實際為弱堿性，原因是陽床出水總有微量鈉泄漏，使得陰床出水含有微量氫氧化鈉。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一（2）強(qiáng)堿性陰樹脂對水中各種陰離子的交換選澤性也是不同的，一般順序為：PO43—＞SO42—＞NO3—＞Cl—＞OH—＞F—＞HCO3—＞HSIO3—

電荷愈多，選擇性愈好；相同電荷時，原子序數(shù)愈高，水合半徑愈小，則選者性愈好；還與離子交換基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)；強(qiáng)酸性選擇性好。（3）陰樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性一般要比陽樹脂差，易受氧化劑的影響而變質(zhì)，如水中存在氧化劑時，則會使：第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一（4）強(qiáng)堿性陰樹脂交換器的運(yùn)行過程曲線當(dāng)清洗排水溶解固體等于進(jìn)水總?cè)芙夤腆w時，將清洗水回收，直到出水達(dá)到要求，這就是清洗水回收階段，隨后進(jìn)入運(yùn)行階段。當(dāng)?shù)竭_(dá)終點(diǎn)時，在硅酸泄漏過程中電導(dǎo)率出現(xiàn)瞬時下降，由于出水中含有微量氫氧化鈉為突然出現(xiàn)的弱酸所中和，生成硅酸鈉、碳酸鈉，其導(dǎo)電性能低于氫氧化鈉的緣故。如陰床以硅酸泄漏為失效控制點(diǎn)，則電導(dǎo)率瞬時下降可視為周期終點(diǎn)的訊號。第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一（5）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，由于孔道分布不均勻，故容易堵塞，而大孔性和等孔性要好一些。強(qiáng)堿性樹脂被有機(jī)物污染后，交換容量下降，出水導(dǎo)電率增加。（6）強(qiáng)堿性樹脂除硅的要求：從強(qiáng)堿性樹脂對水中各種陰離子的交換順序可得：ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH（幾乎不能進(jìn)行）除鹽系統(tǒng)相應(yīng)通過強(qiáng)酸性陽樹脂，而不應(yīng)通過Na床，且通過H型樹脂應(yīng)減少漏鈉量。ROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O（H2O電離度極?。┛傊M(jìn)水應(yīng)呈酸性；漏鈉量要低；再生條件要求高。再生劑用量64－96kgNaOH/m3樹脂，再生液濃度2％－4％，再生時間不小于一小時，還可適當(dāng)提高再生液的溫度，40℃－50℃，有利于除硅。第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一3.弱堿樹脂的工藝特性：（1）只能吸附強(qiáng)酸陰離子（與強(qiáng)酸陰離子反應(yīng)），不能吸附弱酸陰離子。

2R-NH3OH+H2SO4→（R-NH3）2SO4+2H2OpH值（0～7）

R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2OpH值（0～7）

2R-NH3-OH+Na2SO4→2（R-NH3）2SO4+2NaOH（不能進(jìn)行）樹脂上的活性基團(tuán)在水中離解能力低，若水中pH值高，則水中OH—會抑制交換反應(yīng)的進(jìn)行，前面也講過，弱堿性樹脂的有效pH值范圍是：0～7。因此在除鹽系統(tǒng)中，弱堿陰床設(shè)置在強(qiáng)酸陽床之后。（2）再生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可作為再生劑，再生比耗1.2即可。（3）交換容量大，與弱酸樹脂相似。（4）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。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一（5）弱堿樹脂運(yùn)行過程曲線（6）終點(diǎn)訊號：正常出水呈弱堿性，NaHCO3，NaHSiO3存在,漏強(qiáng)酸（SO42-、Cl-）后出水呈酸，Cl-,首先泄漏。由于強(qiáng)酸導(dǎo)電性較堿為強(qiáng)，因而出水電導(dǎo)率迅速上升，即為終點(diǎn)訊號。第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一二、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.強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿系統(tǒng)（一級復(fù)床除鹽）適用于原水含鹽量小于500mg/L，出水電阻率可達(dá)0.1MΩ.cm，硅小于0.1mg/L。先除陽離子，出水呈酸性，除二氧化碳，再除陰離子。第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一復(fù)床除鹽反應(yīng)式：大部分二氧化碳在除碳器中去除，除碳器可大大減輕陰床的負(fù)荷。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:0.1～1.0MΩ.cm脫鹽水（普通蒸餾水）③如果陽床泄漏Na過量的話，電導(dǎo)率會升高。因而關(guān)鍵是控制陽床的Na泄露，另外除硅時，可采用熱堿液再生。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一2.陰床設(shè)在陽床之后的原因：（1）若進(jìn)水先通過陰床，容易生成碳酸鈣、氫氧化鎂沉積在樹脂層內(nèi)，使強(qiáng)堿樹脂交換容量降低；（2）陰床在酸性條件下易進(jìn)行交換，若先經(jīng)陰床，不利于除硅；（3）強(qiáng)酸樹脂抗有機(jī)污染能力勝過強(qiáng)堿樹脂；（4）若原水先經(jīng)過陰床，本應(yīng)由除碳器去除的碳酸，都要由陰床承擔(dān)，從而增加陰床負(fù)擔(dān)和再生劑的耗量。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，弱堿樹脂用于去除強(qiáng)酸陰離子，強(qiáng)堿樹脂用于去除硅，采用串聯(lián)再生法，即先再生強(qiáng)堿樹脂再再生若堿樹脂，用NaOH再生，可適當(dāng)提高溫度（35－40℃）。第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一弱堿樹脂交換反應(yīng)式如右，其出水呈弱酸性pH值6～6.8，不能除硅，電阻率5×104達(dá)不到脫鹽的標(biāo)準(zhǔn)。第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一三、混合床除鹽1.基本原理與特點(diǎn)（1）原理：陰、陽離子交換樹脂裝在一個床內(nèi)，使用時均勻混合，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第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

（2）混合床的優(yōu)點(diǎn)：陰、陽離子交換反應(yīng)幾乎同時進(jìn)行，出水呈中性，水質(zhì)穩(wěn)定，純度高，可用于制純水和超純水，失效終點(diǎn)分明，間斷運(yùn)行影響小。（3）混合床的缺點(diǎn)：再生時，難以徹底分層，再生困難，再生操作復(fù)雜，易產(chǎn)生交叉污染，影響水質(zhì)。（4）交叉污染：部分陽樹脂混合在陰樹脂層時，經(jīng)堿液再生，這部分陽樹脂轉(zhuǎn)為Na型，造成運(yùn)行后Na+泄漏。（5）三層混合床：（為了有利于分層）中間另裝10～15cm惰性樹脂使其分層徹底，其密度介于陰、陽樹脂之間。第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一2.混合床裝置第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一3.混床再生再生方法有體內(nèi)再生和體外再生，體內(nèi)再生又分為酸、堿同時再生和酸、堿分別再生，現(xiàn)以酸、堿分別再生為例說明再生步驟。（1）反洗分層（2）進(jìn)堿再生陰樹脂（3）陰樹脂正洗（4）進(jìn)酸再生陽樹脂（5）陽樹脂正洗（6）陰、陽樹脂混合（7）最后正洗，至PH≈7，電阻率大于5×105Ω·cm，即可運(yùn)行。第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一4.高純水制備與終端處理強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿——混合床系統(tǒng)，出水電阻率可達(dá)10MΩ.cm，硅小于0.02mg/L，用于電力、化工。電子工業(yè)用高純水，復(fù)床＋混床＋精制混床＋超濾＋紫外線殺菌。新工藝：RO+EDI四、氫型精處理器強(qiáng)酸——脫氣——強(qiáng)堿——?dú)湫途幚砥髂軓氐兹コ齆a，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，取代混合床提純水質(zhì)，可克服混床再生操作復(fù)雜。第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一五、離子交換雙層床包括陽離子交換雙層床和陰離子交換雙層床。1.陽離子交換雙層床（1）組成：弱酸、強(qiáng)酸兩種樹脂，兩種樹脂要有濕真密度差，而且密度差越大越有利于分層。如：111配001×11，密度差大于0.9g/mL。（2）優(yōu)點(diǎn)：交換能力提高，再生比耗降低（從3降到1.1），廢酸量顯著減少。（3）再生：采用逆流串聯(lián)再生。（4）去除離子特點(diǎn)：弱酸樹脂主要去除水中碳酸鹽硬度，強(qiáng)酸樹脂主要去除水中其余陽離子（非碳酸鹽硬度及鈉鹽）。第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一（5）弱強(qiáng)樹脂比例計算：q強(qiáng)——1200－1500mmol/Lq弱——2000－2500mmol/L（6）適用范圍：原水硬度與堿度的比值接近于1的水，或硬度略大于堿度的水。第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一2.陰離子交換雙層床（1）組成：交換容量mmol/L

濕真密度g/mL作用

301850－10001.04去除強(qiáng)酸陰離子

201×7350－4001.09去除弱酸陰離子（2）特點(diǎn)：交換能力提高，再生比耗降低，廢堿量顯著減少，對原水含鹽量適用范圍強(qiáng)。但要求再生條件嚴(yán)格。第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

要求再生條件嚴(yán)格的原因：再生時，下層強(qiáng)堿樹脂，在NaOH存在的情況下，以Na2SiO3，Na2CO3存在。2R-NH3Cl