章水的軟化課件

水處理工程（一）

工業(yè)水處理部分主要內(nèi)容水的軟化苦咸水淡化與除鹽水的冷卻循環(huán)冷卻水水質(zhì)處理空氣進(jìn)水出水

軟化的目的與方法水的藥劑軟化法離子交換基本原理離子交換軟化方法與系統(tǒng)第7章水的軟化7.1

軟化的目的與方法生產(chǎn)用水——鍋爐用水硬度：水中鈣、鎂離子的總含量。碳酸鹽硬度——暫時(shí)硬度；非碳酸鹽硬度——永久硬度。鍋爐分類與處理要求：低壓鍋爐<2.5MPa —— 軟化處理中壓鍋爐2.5–6.0MPa 軟化與高壓鍋爐>6.0MPa 除鹽處理處理方法：藥劑軟化——溶度積原理離子交換軟化——離子交換反應(yīng)7.2

水的藥劑軟化法石灰軟化

可去除碳酸鹽硬度 不能去除非碳酸鹽硬度石灰-蘇打軟化

石灰可降低碳酸鹽硬度 蘇打用以降低非碳酸鹽硬度石灰-石膏軟化

降低與碳酸鹽硬度相應(yīng)的那部分堿度 降低鈉鹽堿度

石灰軟化主要降低碳酸鹽硬度和堿度可去除Fe2+、Si4+

出水： 剩余硬度為0.25~0.5mmol/L

剩余堿度為0.8~1.2mmol/L

硅化物去除30~35%

鐵殘留量約0.1mg/L

有機(jī)物去除25%21.2水的藥劑軟化法GOGO1對(duì)已生成的水垢(CaCO3)的處理，屬爐內(nèi)處理。常用Na3PO4、NaHPO4等藥劑進(jìn)行爐內(nèi)處理：

3Ca(HCO3)2+6NaOH→3CaCO3↓+3Na2CO3+6H2O 3CaCO3+2Na3PO4

→Ca3(PO4)2↓+3Na2CO3

21.2水的藥劑軟化法調(diào)整pH值（pH>9.7)就鍋爐水處理而言，以上均為外部軟化。軟化處理藥劑用量確定按化學(xué)式計(jì)算石灰用量按化學(xué)當(dāng)量關(guān)系確定藥劑用量

【例題】

天然水中含游離CO20.5meq/L；

總硬度為6meq/L，

其中 鈣硬度為4meq/L，

鎂硬度為2meq/L；

總堿度為5meq/L。

試確定處理方法和藥劑用量。

21.2水的藥劑軟化法GO27.3

離子交換基本原理離子交換樹脂的性質(zhì)離子交換平衡離子交換速度樹脂層離子交換過程

凝膠型大孔型等孔型離子交換作用

水通過一類物質(zhì),該物質(zhì)結(jié)合水中的某種離子,而釋放出另一種離子到水中的過程。離子交換劑

具有離子交換作用的物質(zhì)。 磺化煤天然的、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度差，常用 交換能力低。 離子交換樹脂人工合成分類

按結(jié)構(gòu)特征 按單體種類 按活性基團(tuán)*苯乙烯系酚醛系丙烯酸系強(qiáng)酸、弱酸型陽(yáng)離子交換樹脂強(qiáng)堿、弱堿型陰離子交換樹脂21.3

離子交換基本原理-COOH-SO3H

用途

強(qiáng)酸、弱酸型陽(yáng)離子交換樹脂——軟化、脫堿軟化強(qiáng)堿、弱堿型陰離子交換樹脂與陽(yáng)樹脂配合——除鹽組成

空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架——母體附屬于其上的活性基團(tuán) 固定部分——固定離子 活動(dòng)部分——可交換離子表示法

R–SO3Na R–Na

R–NH3OH R–OH

21.3

離子交換基本原理離子交換的實(shí)質(zhì)

不溶性的電解質(zhì)與溶液中的另一種電解質(zhì)所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。21.3

離子交換基本原理離子交換樹脂的性質(zhì)物理性質(zhì)外觀粒度交聯(lián)度含水率溶脹性濕視密度：指樹脂溶脹后的質(zhì)量與其堆積體積之比。濕視密度＝濕樹脂的質(zhì)量/樹脂堆積體積(g/mL)耐磨性21.3

離子交換基本原理化學(xué)性質(zhì)酸堿性(有效pH值范圍)選擇性交換容量:交換容量能定量的表示樹脂交換能力的大小，它又可以分為全交換容量和工作交換容量。前者指一定量樹脂所具有的活性基團(tuán)或可交換離子的總量，后者指樹脂在給定的條件下，實(shí)際上可利用的交換能力。

熱穩(wěn)定性離子交換平衡21.3

離子交換基本原理離子交換反應(yīng)

服從當(dāng)量定律——等當(dāng)量進(jìn)行交換反應(yīng) 服從質(zhì)量作用定律——可逆反應(yīng)

2RNa+CaCl2

?R2Ca+2NaCl軟化再生水的軟化若反應(yīng)為靜態(tài)，很快達(dá)到平衡，只有部分水軟化； 若反應(yīng)為動(dòng)態(tài)，生成的NaCl及時(shí)排走，反應(yīng)向右進(jìn)行 到底。樹脂再生樹脂失效后，進(jìn)行還原，將樹脂上的Ca2+、Mg2+置 換下來，代之以新的反離子。由質(zhì)量作用定律，離子交換選擇系數(shù)K值表達(dá)式為：

一般，溶液中在[Ca2+]/[Na+]2

不大的情況下：當(dāng)K>1時(shí) [R2Ca]>[RNa]2 即樹脂對(duì)Ca2+的親和力>對(duì)Na+的親和力 反應(yīng)向右進(jìn)行 K值意義21.3

離子交換基本原理1、K值表明樹脂對(duì)溶液中不同離子的交換能力的差別；2、K值越大，越有利于交換反應(yīng)；3、K值能定量地反映出樹脂對(duì)某個(gè)離子的優(yōu)先選擇性。離子交換選擇系數(shù)K一般，原子價(jià)高，選擇性高； 同價(jià)離子，原子序數(shù)大、水合半徑小的，優(yōu)先。 強(qiáng)酸陽(yáng)離子：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+>Li+ 弱酸陽(yáng)離子：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+常溫、低濃度下，樹脂對(duì)常見離子的選擇順序?yàn)椋夯瘜W(xué)平衡式與K值的應(yīng)用1、估計(jì)某種條件下離子交換樹脂的極限工作交換容量；2、估計(jì)某種已知再生劑再生樹脂時(shí)，所能達(dá)到的最大再生度；3、估計(jì)在再生度已知條件下，出水中某種離子的泄漏量。21.3

離子交換基本原理

若高濃度時(shí)，濃度大小樹脂選擇的主要因素：1、離子濃度不大，但離子的K值排在反離子之前。軟化2、離子濃度大，雖樹脂對(duì)其親和力小，但大量離子可擴(kuò)散遷移到樹脂交聯(lián)網(wǎng)中，將反離子置換下來。再生3、離子濃度大，樹脂對(duì)其親和力也大。轉(zhuǎn)型 如：RH+NaClRNa+HCl4、離子濃度小，樹脂對(duì)其親和力也小。交換難以進(jìn)行 如：用低濃度NaCl再生飽和的R2Ca樹脂，再生不好。21.3

離子交換基本原理離子交換速度 離子交換速度——交換動(dòng)力學(xué)問題。離子交換過程：21.3

離子交換基本原理①離子從溶液中擴(kuò)散到顆粒表面②通過水膜③離子在孔隙中移動(dòng)到達(dá)交換點(diǎn)④離子交換反應(yīng)⑤交換后的離子在孔隙內(nèi)移動(dòng)到顆粒表面⑥通過水膜⑦向外擴(kuò)散到溶液中④——瞬間完成①⑦——溶液中，水不斷在樹脂顆粒間流動(dòng)，擴(kuò)散作用很快，不影響交換速度；②⑥——膜擴(kuò)散 離子交換速度取決于擴(kuò)散速度

③⑤——孔道擴(kuò)散

水膜和交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)離子擴(kuò)散產(chǎn)生影響離子交換反應(yīng)速度由膜擴(kuò)散或孔道擴(kuò)散控制的主要區(qū)別：溶液濃度 擴(kuò)散的推動(dòng)力——濃度梯度

離子濃度>0.1M膜擴(kuò)散速度快，孔道擴(kuò)散為控制因素；再生

離子濃度<0.003M以下膜擴(kuò)散速度慢且為控制因素。軟化

流速 膜擴(kuò)散速度與流速有關(guān),水膜厚度∝1/V水；

孔道擴(kuò)散速度與流速無關(guān)。

樹脂粒徑孔道擴(kuò)散的離子交換速度∝1/d2

膜擴(kuò)散的離子交換速度∝1/d

交聯(lián)度對(duì)孔道擴(kuò)散的影響更顯著——孔道擴(kuò)散為控制因素。21.3

離子交換基本原理樹脂層離子交換過程樹脂飽和程度21.3

離子交換基本原理交換帶形成 K>1 有交換帶形成軟化

K<1 無交換帶形成 再生交換帶下移

交換帶寬度影響因素Ca2+泄漏樹脂層交換過程21.3

離子交換基本原理小樹脂性能、交換器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行操作條件等。

K值越大，交換帶寬度越？ d越小，交換帶寬度越？ 樹脂性能與交換器結(jié)構(gòu) 交聯(lián)度越大，交換帶寬度越？①流速

離子供給速度取決于處理水的離子濃度 離子交換速度由孔道擴(kuò)散或膜擴(kuò)散決定

交換帶寬度∝V0.5~0.8②離子濃度

離子濃度大離子供給速度快——交換帶寬 造成膜兩面濃度差大，膜擴(kuò)散快——交換帶窄

③再生程度 與剩余硬度有關(guān)。影響交換帶寬度的因素小大21.3

離子交換基本原理7.4

離子交換軟化方法與系統(tǒng)離子交換軟化方法離子交換軟化裝置離子交換軟化系統(tǒng)的選擇再生附屬設(shè)備除CO2器離子交換軟化方法鈉離子交換法氫離子交換法氫-鈉離子交換法鈉離子交換軟化法

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。陰離子成分不發(fā)生變化，軟化后水中堿度不變.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：RNa不能滿足軟化同時(shí)堿度也降低的要求8-10%NaCl溶液再生在鍋爐給水中，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)：腐蝕金屬引起金屬苛性脆化

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——脫堿兩種連接方法：并聯(lián)和串聯(lián)

氫-鈉離子交換法設(shè)置除CO2器脫堿、軟化

：RNa樹脂出水除硬度，不脫堿；RH樹脂出水，除硬度，脫堿度，產(chǎn)酸。RH樹脂出水含有大量CO2，腐蝕金屬設(shè)備與管道，所以需要設(shè)置除二氧化碳器。串聯(lián)時(shí)要在RNa樹脂后，RH樹脂前設(shè)置除二氧化碳器好。H-Na串聯(lián)軟化系統(tǒng)中，大量游離碳酸經(jīng)過RNa樹脂，會(huì)發(fā)生RNa+H2CO3=RH+NaHCO3的反應(yīng)，使堿度再現(xiàn)；水的ｐH值低時(shí)，水中的H2CO3不穩(wěn)定，H++HCO3-=H2CO3=CO3+H2O,若平衡向右進(jìn)行，有利于H2CO3分解。RH出水呈酸性，為上述反應(yīng)向右進(jìn)行創(chuàng)造了條件，因此串聯(lián)時(shí)要在RNa樹脂后，RH樹脂前設(shè)置除二氧化碳器好。三塔式（軟化、再生、清洗）雙塔式（軟化、再生清洗）樹脂不外輸（軟化、再生）離子交換軟化裝置 單層床 固定床 雙層床離子交換裝置 混合床 連續(xù)床 移動(dòng)床 流動(dòng)床樹脂外輸（軟化、再生）按原水與再生液流動(dòng)方向流向一致——順流再生固定床流向相反——逆流再生固定床構(gòu)造：上部配水管系樹脂層下部配水管系運(yùn)行：交換軟化反洗、再生、清洗缺點(diǎn)：下部再生程度低，再生劑耗量大；出水剩余硬度高；工作效率低。適用：原水硬度較低、規(guī)模設(shè)備較小的場(chǎng)合。順流再生固定床再生液首先接觸飽和程度低的底層樹脂，再流經(jīng)中、上層，使再生液充分利用，再生劑濃度低（<1%）、用量降低（20%以上），并保證底部得到充分再生。工作交換容量提高。軟化時(shí)，有底部樹脂層的充分交換，出水水質(zhì)提高。適合處理高硬度水。逆流再生固定床逆流降低泄漏的解釋優(yōu)點(diǎn)以RH交換Na+為例：再生后最大水中陽(yáng)離子總濃度再生后最小在特定情況下，C0和K為定值，故［Na+］最小。構(gòu)造特點(diǎn)原水向下流、再生液向上流；氣頂壓法：頂部送30-50kPa壓縮空氣，再生流速5m/h，不亂層；水頂壓法：頂部進(jìn)50kPa壓力水；中間排水裝置：排出再生廢液和清洗水；壓脂層：15cm厚，比重輕于樹脂重于水，使壓縮空氣均勻排出，并有一定的過濾作用。無頂壓：增加中間排水裝置的開孔面積，使孔流速小于0.1-0.2m/s，壓脂層20cm，流速為7m/h。構(gòu)造簡(jiǎn)單。圖逆流再生操作沖洗壓脂層頂壓正洗多個(gè)周期運(yùn)行后進(jìn)行一次大反洗單位體積樹脂所消耗的純?cè)偕鷦┝颗cEop之比(mol/mol)固定床軟化設(shè)備的計(jì)算GO3離子交換軟化系統(tǒng)的選擇

Na離子交換軟化

適用于原水硬度低、只須軟化的低壓鍋爐的水處理。

處理后水質(zhì)：除硬度，但堿度不變。蒸發(fā)時(shí)，有Na鹽殘?jiān)?/p>

H離子交換

不單獨(dú)使用，原因是出水產(chǎn)酸。

H離子交換出水出水水質(zhì)變化：

強(qiáng)酸樹脂對(duì)水中離子選擇順序：

Ca2+＞Mg2+＞Na+＞H+

水流經(jīng)RH后，出水中離子出現(xiàn)順序?yàn)椋?/p>

H+、Na+、Mg2+、Ca2+

原水中全部陽(yáng)離子與H交換Na+泄漏，H+量下降。b點(diǎn)后為RNa樹脂的軟化過程，樹脂中Na+被Ca2+、Mg2+交換下來。水中Na+含量