离子交换水处理.pptx

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1、水的纯度（1）淡化水：生活及生产用的淡水（2）脱盐水：含盐量为15mg/l，强电解质大部分被去除（3）纯水：去离子水，含盐量为0.1mg，强电解质绝大部分被去除，弱电解质也去除到一定程度。25.0C，0.11.0106cm。（4）高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。含盐量0.1mg/L，25.0C，10106cm。理论上纯水（即理想纯水）的电阻率为18.3106cm。第1页/共125页1、树脂的结构 、合成、分类、命名2、树脂的基本性质3、离子交换基本原理4、离子交换的软化系统5、复床和混床的运行6、树脂的再生7、新树脂的预处理8、

2、树脂的变质和污染9、树脂的鉴别第2页/共125页 离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物。它具有一般聚合物所没有的新功能离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。第3页/共125页以上即为离子交换树脂概况及离子交换法的基本作用原理 第4页/共125页1 离子交换树脂的结构1.1 离子交换树脂的结构 离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子材料，其外形一般为颗粒状，不溶于水和一般的酸、碱，也不溶于普通的有机溶剂，如乙醇、丙酮和烃类溶剂。常见的离子交换树脂的粒径为0.31.2mm。一些特殊用途的离子交换树脂的粒径可能大于或小于这一范围。第5页/共125页 图1-1 树脂的网络骨架 图

3、1-2树脂的三维结构第6页/共125页图1-2 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图 第7页/共125页高分子骨架 离子交换树脂的骨架是具有庞大空间结构的高分子化合物，是由单体聚合交联形成的。根据单体种类的不同，可将树脂分为苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等。离子交换基团 离子交换基团是连接在高分子骨架上，带有可交换离子（也称反离子）的离子型官能团（如-SO3H、-COOH、）等，或带有极性的非离子型官能团（-NH（CH3）。交换基团的结构由两部分组成一为固定部分，与高分子骨架结合，不能自由移动，成为固定离子；二是活动部分，在水中能电离，并能在一定范围内 SO3 Na+自由移动，可与其周围水中的同性离子

4、进行交 SO3 Na+换反应，称为可交换离子或反离子 SO3 Na+固定离子 反离子 离子交换基团 第8页/共125页孔 孔是树脂在高分子结构中的凝胶孔和高分子结构之间的毛细孔，它在干态和湿态的离子交换树脂中都存在。1.2离子交换树脂的合成A、高分子骨架的合成B、离子交换基团的引入第9页/共125页聚合磺化交联剂交联作用活性基团聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂 R-SO3H+M+=R-SO3M +H+第10页/共125页 在图1-3中，我们可以了解到树脂很重要的一个概念：1.2交联度：树脂中所含交联剂的质量百分率。比如图1-3中，它是以苯乙烯为单体，二乙烯苯作交联剂。（二乙烯苯分子上有两个可以聚合

5、的乙烯基，可以把苯乙烯聚合物链交联起来，故称为交联剂。）它的交联度（简写为DVB），就是聚合时二乙烯苯的质量占苯乙烯与二苯乙烯总质量的百分率。第11页/共125页交联度的影响A、树脂的交联度小，则对水的溶胀性能好，网眼大，交换反应速度快；机械强度差；抗氧化性能也差。B、树脂的交联度一般7一12为宜。1.3白球：就是没有可进行离子交换基团的高分子骨架，是半成品。第12页/共125页 附：强碱型阴离子交换树脂的制备 强碱型阴离子交换树脂主要以季胺基作为离子交换基团，以聚苯乙烯作骨架。制备方法是：将聚苯乙烯系白球进行氯甲基化，然后利用苯环对位上的氯甲基的活泼氯，定量地与各种胺进行胺基化反应。苯环可在

6、路易氏酸如ZnCl2，AlCl3，SnCl4等催化下，与氯甲醚氯甲基化。第13页/共125页 所得的中间产品通常称为“氯球”。用氯球可十分容易地进行胺基化反应。第14页/共125页第15页/共125页2 离子交换树脂的分类 离子交换树脂的分类方法有很多种，最常用和最重要的分类方法有以下两种。2.1按交换基团的性质分类 按交换基团性质的不同，可将离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。第16页/共125页 阳离子交换树脂可进一步分为强酸型、中酸型和弱酸型三种。如RSO3H为强酸型，RPO(OH)2为中酸型，RCOOH为弱酸型。习惯上，一般将中酸型和弱酸型统称为弱酸型。阴离子交换树脂

7、又可分为强碱型和弱碱型两种。如R3NCl为强碱型，RNH2、RNRH和，RNR”2为弱碱型。第17页/共125页2.2按树脂的物理结构分类 按其物理结构的不同，可将离子交换树脂分为凝胶型、大孔型和均孔型三类。图14 不同物理结构离子交换树脂的模型第18页/共125页1）凝胶型离子交换树脂 凡外观透明、具有均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂。这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔，其孔眼是由高分子链与交联剂相键合而形成的。在水中会溶胀成凝胶状，并呈现大分子链的间隙孔。大分子链之间的间隙约为24nm。一般无机小分子的半径在1nm以下，因此可自由地通过离子交换树脂内大分子链的

8、间隙。对于直径较大的有机分子则容易堵塞孔道而影响交换能力，特别是阴离子交换树脂更容易受到有机污染。交联度不能太大，否则树脂孔眼过小而使离子交换反应太慢，没有使用价值；而交联度太小，则树脂的抗氧化性能和机械强度都很差。第19页/共125页2）大孔型树脂 在大孔型树脂制造过程中，由于加入了制孔剂而在球体内部形成大量的毛细孔道，故称为大孔型树脂。在大孔型树脂的球体中，高分子的凝胶骨架被毛细孔道分割成非均相的凝胶结构。它同时存在毛细孔和凝胶孔，其中毛细孔的体积一般为0.5mL(孔)/g（树脂）左右，孔径在20-100nm。大孔型树脂的交联度通常比凝胶型树脂大，因此其抗氧化性能比凝胶型树脂好，机械强度高

9、。其孔大，使离子交换反应的速度加快，直径较大的有机物也能通过，因此可以防止有机物的污染。大孔型离子交换树脂的孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米因此其吸附功能十分显著，与交换离子的结合较牢固，再生时不容易重新恢复交换能力，需要消耗较多的再生剂。第20页/共125页3）均孔型树脂 树脂产生有机物的中毒的原因之一是交联的不均匀，如果交联均匀，使所有的孔眼大小相近，在树脂内部内部不存在紧密区，树脂就不会“中毒”。因此，在制取均匀孔型树脂时不用二乙烯苯作交联剂，而是在引入氯甲基时，利用副反应使树脂骨架上的氯甲基和邻近的苯环间生成亚甲基桥产生交联的。这种交联不会集拢在一起，网孔较均

10、匀，孔径约几十nm，故称为均孔型树脂。均孔型树脂对有机物的吸附是可逆的，所以不会被污染。而且，均孔型树脂在交换容量和再生性能方面也都有改善。第21页/共125页 所谓的“中毒”是指其在使用了一段时间后，会失去离子交换功能现象。研究表明，这是由于苯乙烯与二乙烯基苯的共聚特性造成的。在共聚过程中，二乙烯基苯的自聚速率大于与苯乙烯共聚，因此在聚合初期，进入共聚物的二乙烯基苯单元比例较高，而聚合后期，二乙烯基苯单体已基本消耗完，反应主要为苯乙烯的自聚。结果，球状树脂内部的交联密度不同，外疏内密。在离子交换树脂使用中，体积较大的离子扩散进入树脂内部。而在再生时，由于外疏内密的结构，较大离子会卡在分子间隙

11、中，不易与可移动离子发生交换，最终失去交换功能，造成树脂“中毒”现象。大孔型离子交换树脂不存在外疏内密的结构，从而克服了中毒现象。第22页/共125页3 离子交换树脂的命名 我国前石油化学工业部于1977年7月l日正式颁布了离子交换树脂的部颁标准HG2-884-886-76离子交换树脂产品分类、命名及型号。这套标准中规定，离子交换树脂的全名由分类名称、骨架（或基团）名称和基本名称排列组成。第23页/共125页 离子交换树脂的基本名称为离子交换树脂。凡分类中属酸性的，在基本名称前加“阳”字；凡分类中属碱性的，在基本名称前加“阴”字。此外，为了区别离子交换树脂产品中同一类中的不同品种，在全名前必须

12、加型号。第24页/共125页 离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品分类；第二位数字代表骨架结构；第三位数字为顺序号，用于区别离子交换树脂树脂中基团、交联剂、致孔剂等的不同，由各生产厂自行掌握和制定。对凝胶型离子交换树脂，往往在型号后面用“”和一个阿拉伯树脂相连，以表示树脂的交联度（质量百分数），而对大孔型树脂，则在型号前冠以字母“D”。第25页/共125页各类离子交换树脂的具体编号为：001099 强酸型阳离子交换树脂 100199 弱酸型阳离子交换树脂 200299 强碱型阴离子交换树脂 300399 弱碱型阴离子交换树脂 400499 螯合型离子交换树脂 500599

13、 两性型离子交换树脂 600699 氧化还原型离子交换树脂第26页/共125页编号编号骨架分类骨架分类0聚苯乙烯系聚苯乙烯系1聚丙烯酸系聚丙烯酸系2酚醛树脂系酚醛树脂系3环氧树脂系环氧树脂系4聚乙烯吡啶系聚乙烯吡啶系5脲醛树脂系脲醛树脂系6聚氯乙稀系聚氯乙稀系表31 离子交换树脂骨架分类编号 第27页/共125页 例如，D113树脂是水处理应用中用量很大的一种树脂。从命名规定可知，这是种大孔型弱酸型丙烯酸系阳离子交换树脂；而00110树脂则是指交联度为10%的强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂。第28页/共125页4 离子交换树脂的基本性能4.1外形 离子交换树脂的外形大多是球形。球形树脂填充状态好

14、，水通过树脂层的流量容易均匀，压力损失较小，单位体积的容器球形树脂的装载量最大。4.2粒度 粒度是指树脂在水中充分膨胀后的颗粒粒径。水处理中常用树脂的粒度一般为16-50目（1.2-0.3mm）。影响：颗粒大，交换速度速度慢；颗粒小，水流通过树脂层的压力损失大；颗粒不均匀时，水流分布也不均匀，导致反洗流速难以控制。流速过大会冲走小颗粒，过小又不能松动大颗粒。第29页/共125页4.3颜色 树脂的颜色从乳白、浅黄、深黄至深褐色等多种。树脂的颜色并不影响树脂的使用，但树脂在使用中如果颜色改变，则可能是树脂受到污染。如，钠型阳离子交换树脂，但被铁污染后，树脂的颜色就会变深、变暗，以致破裂。凝胶型树脂

15、一般呈现透明或半透明状态；大孔型树脂由于毛细孔道对光的折射，呈不透明状态。4.4密度 湿真密度和湿视密度第30页/共125页1）湿真密度：指树脂在水中充分溶胀后，其重量与真实体积（不包括树脂间的孔隙）之比。（g/ml）(1.041.30)苯乙烯型强酸树脂湿真密度约1.3g/ml，强碱树脂为1.1 g/ml。意义：1）决定反洗强度 2）混合床水力分级 2）湿视密度：树脂充分溶胀后，其重量与堆积体积之比。（g/ml）一般0.60.85g/ml。第31页/共125页4.5含水率 树脂的含水率是指树脂在水中充分膨胀后，所含水分占湿树脂质量的百分数 树脂中所含水分是由交换基团的水合水分和交联网孔中的游离

16、水分组成。树脂所含水率主要取决于树脂的交联度、交换基团的类别和数量等。树脂的交联度低，则树脂的空隙率大，其含水率就高；交换基团中可交换离子的水合力小，其含水量低。树脂在使用过程中，如果含水率发生变化，说明树脂的结构可能遭到破坏。第32页/共125页4.6 溶胀性 膨胀体积占全体积的百分率；分两个方面。A 惰性骨架内的活性基团亲水，使水涌入骨架内。所以：实际中总是先将树脂溶胀，然后再装。水合离子半径大的溶胀率大。B 转型时，树脂体积发生变化。RHRNa（为了运输方便）各种离子水合离子半径不同；带电的水合离子也不尽相同。一般，强性树脂转型变化不大，弱性树脂转型变化较大。第33页/共125页影响溶胀

17、率有关因素A、交联度。交联度越小，溶胀率越大。B、交换基团。交换基团越容易电离，溶胀率越大C、溶液浓度。溶液中电解质浓度越大，由于渗透压加大，双电层被压缩，溶胀率就越小。D、可交换离子的水合度。可交换离子的水合度或水合离子半径越大，溶胀率就越大。一般H+Na+NH+K+Ag+；OH-HCO3-=CO32-SO42-Cl-树脂在使用过程中，由于自身的膨胀，也能导致树脂的破裂。因此掌握树脂的膨胀性能，对延长树脂的使用寿命是有重要意义的。第34页/共125页 如，当树脂接近老化时，会发生不可逆膨胀的现象。这时，树脂的再生度突然提高，交换流速可以增至很大，但是很快就会降下来，此时树脂的质量交换容量并没

18、有降低，而体积交换容量且显著下降。这种现象是由树脂交联度降低引起的，树脂很快就会老化而报废。第35页/共125页唐南理论 唐南理论把离子交换树脂看作是一种具有弹性的凝胶,它能吸收水分而溶胀.溶胀后的离子交换树脂的颗粒内部可以看作是一滴浓的电解质溶液.树脂颗粒和外部溶液之间的界面可以看作是一种半透膜,膜的一边是树脂相,另一边为外部溶液.树脂内的活泼基团上电离出来的离子和外部溶液中的离子一样,可以通过半透膜往来扩散;树脂网状结构骨架上的固定离子,以 表示之,当然是不能扩散的.第36页/共125页唐南理论认为质量作用定律也适用与离子交换过程,如果将型的阳离子交换树脂浸入于溶液中,于是可得式中:,为树

19、脂相中和的浓度;,为外部溶液中和的浓度第37页/共125页由于膜的两边电荷必须呈中性,即:H+外=Cl-外H+内=Cl-内+R-因此:Cl-外2=Cl-内(Cl-内+R-)由于膜内有较多的固定离子存在,因此:Cl-外Cl-内,H+内H+外即阳离子可以进入阳离子交换树脂中进行交换,阴离子则不能,这就是唐南原则.根据唐南原则阴离子交换树脂也只能交换阴离子,而不能交换阳离子第38页/共125页如果把树脂浸入含有不同离子的溶液中,例如将树脂R-A浸入含有B+的溶液中,则B+将透过半透膜进入树脂相,与树脂上的A+发生交换,树脂相中的A+则透过半透膜进入外部溶液,即:A+内+B+外A+外+B+内得平衡常数

20、:如果1,表示B+比较固定地结合在树脂上;如果1,则表示A+比较牢固的结合在树脂上.的数值说明了离子交换树脂对于A+、B+两种不同离子的选择性,因此称为选择系数第39页/共125页若推广到一般情况,以p,q分别代表离子的价数,则得:可见各种不同的离子对同一种离子交换树脂的选择系数是不同的，也就是说不同离子交换亲和力不同，或者说，离子交换具有一定的选择性（注：以上各式严格来讲应用活度代替浓度）第40页/共125页离子交换选择性问题影响离子交换选择性的因素很多，目前最令人满意的是Eisenman理论，现在从最简单的碱金属的交换选择性入手来进行讨论。由实验可知，对同一种阳离子交换树脂各种阳离子的平衡

21、系数按下列顺序增加：Li+Na+K+Rb+Cs+但是在含有-COOH基团的弱酸性阳离子交换树脂上，上述离子交换亲和力的顺序刚好与此相反。第41页/共125页 一方面，由于离子半径最小的Li+，静电场力最强。因此它吸引水分子形成水合离子的现象最显著，所形成的水合离子的半径最大，于是水合了的Li+静电场引力最弱。而Cs+离子裸半径最大的，静电场引力最弱于是水合的Cs+半径就最小，水合了的Cs+静电场引力就最强 另一方面，离子交换树脂上的活性基团，在电离以后也存在着静电引力。但是不同的活性基团静电场的强弱不同，-COO-与 SO3-比较，前者强，后者弱。第42页/共125页对于具有弱静电场引力的强酸

22、性阳离子交换树脂，它和水合Cs+间的引力将最大，交换亲和力最大；和水合Li+间的引力将最小，交换亲和力最小。因而碱金属离子的交换亲和力顺序是：Li+Na+K+Rb+Cs+对于弱酸性阳离子交换树脂，例如含有-COO-的树脂，由于它具有较强的静电引力场，它将和水分子竞争阳离子，结果它从水合分子中夺取出阳离子来而与之结合。这时离子裸半径最小的结合能最大，离子交换亲和力最大，离子裸半径最大的交换亲和力最小。此时亲和力的顺序是：Cs+Rb+K+Na+Li+第43页/共125页离子交换动力学一个离子交换过程一般用一个反应式表示，如RH+Na+RNa+H+但实际上包括五个步骤：1溶液中的Na+扩散到达树脂颗

23、粒表面。此过程又叫膜扩散或外扩散2Na+扩散透过树脂表面的半透膜进入树脂颗粒内部的网状结构中，这一过程称颗粒扩散或内扩散3Na+和H+之间发生的交换反应。4被交换下来的H+扩散通过树脂内部及其表面的半透摸即经内扩散离开树脂相5离开树脂相后的H+必须扩散经过树脂表面一薄层静止不动的溶液薄膜，即经外扩散后进入溶液主体。第44页/共125页由于外部溶液和树脂内部都必须保持电中性，因此进入树脂与离开树脂的速度必定相等，所以这五个步骤实质上可以看作是三个步骤，即膜扩散颗粒扩散和交换反应这三个步骤中，交换反应进行是较快的，而膜扩散和颗粒扩散进行较慢，故整个交换过程的速度就由膜扩散和颗粒扩散的速度所决定第4

24、5页/共125页对于溶胀了的树脂，在很稀的外部溶液中（0.01N），膜扩散比颗粒扩散更慢，此时扩散速率决定于膜扩散速率，在溶液较浓时（0.01N），颗粒扩散比膜扩散更慢，此时扩散速率决定于颗粒扩散速率；浓度介于两者间时，颗粒扩散和膜扩散速度差不多，交换速度由它们一起控制。此外，膜扩散和颗粒扩散的速度与树脂颗粒温度等都有一定关系，这里就不多加讨论了第46页/共125页4.7机械强度 机械强度是一项重要的经济指标。关系到树脂的使用寿命。树脂在运行过程中，由于受到冲击、碰撞、摩擦等机械作用和胀缩的影响，会发生磨损和破碎现象。树脂颗粒应具有一定的机械强度，以保证每年树脂的损耗不超过3%-7%。树脂的机

25、械强度决定于交联度，交联度大，机械强度就高。第47页/共125页4.8总交换容量 交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力地大小。交换容量的单位mg当量/g(干树脂)或meq/L(湿树脂)。交换容量分为两部分，即总交换容量与工作交换容量。总交换容量是指单位重量或体积树脂内的交换基团总量或可交换离子的总数量。重量：重量交换容量，毫克当量/克 干树脂体积：体积交换容量，毫克当量/mL 湿树脂国产：强酸树脂 45 meq/g 弱酸树脂912meq/ml实质上，从构造上看，单位重量或体积的空间网状结构因各苯环末端所“具有”的活性基团总数。A、总交换容量是表示单位树脂所能吸附去除离子的最大量

26、。B、工作交换容量：指在给定的条件下树脂实际交换容量。第48页/共125页4.9 有效工作PH范围 由于树脂活性基团分为强酸、弱酸、强碱和弱碱，水的PH值势必对它们的交换容量产生影响。强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与PH值无关。弱酸树脂在水PH值低时不电离或只部分电离，因而只能在碱性溶液中，才含有较高的交还能力。弱碱性树脂相反，在PH值高时不电离或只部分电离。只是在酸性溶液中才含有较高的交换能力。因此我们得出各种类型树脂的使用有效PH值范围。树脂类型强酸性阳离子树脂弱酸性阳离子树脂强碱性阳离子树脂弱碱性阳离子树脂有效PH值范围1-145-141-126-7第49页/共125

27、页5离子交换基本原理 离子交换基本原理说明两个方面问题A、离子交换平衡问题B、离子交换速度问题5.1离子交换平衡 离子交换如同化学反应一样，服从当量定律，且是可逆反应，离子交换技术就是基于等当量交换与可逆反应来进行交换与再生的；离子交换中的等当量性、可逆性、选择性是进行水质软化的基本理论依据。第50页/共125页5.2离子交换平衡和选择性系数如果让离子交换树脂与溶液离子的交换达到平衡：选择性系数：对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子M+接触时:选择性系数值的大小表示树脂对金属离子M+的亲和力的大小，它与树脂的类型、离子的性质以及溶液的组成有关。第51页/共125页影响离子交换选择性的因素水合

28、离子半径：半径越小，亲和力越大；离子化合价：高价离子易于被吸附；溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；离子强度：越低越好；有机溶剂：不利于吸附；交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；第52页/共125页 实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，离子交换树脂树脂亲和力大小有如下一些规律。n 金属离子的价数增大，亲和力增大。如 Na+Ca2+Al3+Th4+n 离子价数相同时，亲和力大小随着水合离子半径的减少而增大。如1价离子：Li+H+Na+NH4+K+Rb+

29、Cs+Tl+Ag+；2价离子：Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+。n强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为：PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSIO3第53页/共125页5.3 离子交换动力学 离子交换是在固相与液相之间完成，交换速度比较慢。一般的离子交换过程有五个步骤：溶液离子向树脂表面扩散（膜扩散）；离子通过树脂表面向内部扩散（孔道扩散）；树脂内进行离子交换（交换反应）；已交换离子从树脂内部向外扩散（孔道扩散）；已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。M-SO3HMH第54页/共125页 膜扩散和孔道扩散何

30、者影响最大？何者为控制步？慢者控制离子交换反应的速度(1)浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步介于中间则取决于具体情况(2)流速或搅拌速率：大，则水膜薄膜扩散快但孔隙扩散基本不受影响(3)树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比孔道扩散，速度与粒径次方成反比(4)交联度：交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著第55页/共125页5.5交换过程分析方法：n 在离子交换柱中装填Na型树脂，从上而下通过含有一定浓度Ca2+的硬水。交换反应进行一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品，并测定其所吸附的钙离子含量，以“饱和程度”表示。n 饱和程度：

31、单位体积树脂所吸附钙、镁离子量与其全交换容量之比，以百分比表示。饱和程度曲线第56页/共125页6 交换过程：（1）两个阶段：n交换带形成阶段：饱和程度曲线形状不断变化随即形成一定形式的曲线。n交换带推移阶段：“交换带”：在某时刻正在进行交换反应的软化工作层。“交换带厚度”：可理解为处于动态的软化工作层厚。沿水流方向，以一定形式每刻都在推移。l当硬度开始泄露时，树脂层分为两部分：u 饱和层：交换容量得到充分利用；u 保护层：交换容量得到部分利用，相当于交换带厚：第57页/共125页（3）“交换带厚度”的影响因素：n流速：nCa2+：硬度n树脂再生程度l“交换带厚度”对树脂层的有效利用是有影响的

32、。如原水硬度高、采用流速偏大，则交换带厚度大，降低树脂层的利用率。第58页/共125页6 离子交换软化方法与系统6.1 Na离子交换软化法nNa+摩尔质量大，蒸发残渣略有增加n碱度不变n适用于碱度低，只须软化的场合，硬度高，碱度高，难以满足要求。第59页/共125页 进水初期，进水中所用阳离子均交换出进水初期，进水中所用阳离子均交换出H H+，生成相当量的无机酸，出水酸，生成相当量的无机酸，出水酸度保持定值。运行至度保持定值。运行至a a点时，点时，NaNa+首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当首先穿透，且迅速增加，同时酸度降低，当NaNa+泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时泄漏量

33、增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性；当出水开始呈现碱性；当NaNa+增增加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度相等。至此，加到与进水阳离子含量总和相等时，出水碱度也增加到与进水碱度相等。至此，H H离子交换结束，交换器开始进行离子交换结束，交换器开始进行NaNa+交换，稳定运行至交换，稳定运行至b b点之后，硬度离子开始点之后，硬度离子开始穿透，出水穿透，出水NaNa+含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出水含量开始下降，最后出水硬度接近进水硬度，出水NaNa+接近进水接近进水NaNa+，树脂层全部饱和。，树脂层全部饱和。(f)H(f)H型树脂与水

34、中型树脂与水中CaCa2+2+、MgMg2+2+、NaNa+交换时水质变化交换时水质变化水中阳离子全部被H+交换Na+开始泄露，H+下降硬度泄露，Na+下降为水中全部阳离子交换能力耗竭Na+=c(1/2Ca2+1/2Mg2+)碱度开始泄漏,全部变为钠交换Ca2+Mg2+已置换树脂中原吸附的Na+第60页/共125页6.2 HNa串联及并联：第61页/共125页第62页/共125页第63页/共125页6.3 除碳器除碳器原理 由上式可知，水中H浓度越大，水中碳酸越不稳定，平衡向右移动。根据亨利定律，在一定温度下气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的分压成正比，当液体中该气体溶解量超过它溶解度时，它

35、会从水中逸出。工业条件下，水中CO2逸出速度与下列条件有关：（1）水与空气的接触面积越大，逸出速度越快；（2）水温与其逸出条件下的沸点越接近，逸出速度越快；（3）水中pH越低，逸出速度越快。CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷.(一般为H床后)第64页/共125页第65页/共125页 除碳器有鼓风式和真空式两种。前者只能除去二氧化碳；后者不仅能除去二氧化碳，还可以除去氧气等各种溶解气体。目前采用比较广泛的是鼓风式除碳器。A、鼓风式除碳器的结构为圆柱型塔式结构，由配水装置、填料层（拉希环、多面空心塑料球、波纹板等）和鼓风装置（脱碳风机）所组成。水从上部进入塔体，由配水装置均匀地喷淋在填料表面形成

36、水膜，经填料层与空气接触后，流入下部集水箱（中间水箱）。空气由鼓风机从塔底鼓入，与水中析出的二氧化碳一起从顶部排出。水通过鼓风机除碳，一般可将CO2含量降至5mg/L以下。B、真空式除碳器 真空式除碳器是利用真空泵或喷射器从除碳器的上部抽真空，使水在常温下呈沸腾状态以除去气体。水由上部进入塔体，经喷水装置后，在整个截面上喷成雾状，再经填料层后呈水膜状向下流动；所释放的气体则通过顶部真空管路抽出塔外。真空式除碳器的淋洗密度一般为4060m3/(m3h)。第66页/共125页7 阴离子交换树脂的特性7.1 强碱性阴树脂的工业特性（ROH）ROH+H2SO4RHSO4+H2O 2ROH+H2SO4R

37、2SO4+2 H2OROH+HClRCl+H2O ROH+H2CO3RHCO3+H2OROH+H2SiO3RHSiO3+H2O式和式一般同时进行,但当H2SO4ROH中OH-浓度时，占优势，低浓度时占优势。R2SO4+H2SO42RHSO4-可以进行，树脂由R2SO4变成RHSO4型。1）强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的，一般顺序为：PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSIO3（1）电荷愈多，选择性愈好（2）相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好（3）还与离子交换基团的性质有关（4）强酸性选择性好第67页/共125页2）强碱性阴树脂对水中各种阴离子的交换顺

38、序如上，从而可得：ROH+NaHSiO3RHSiO3+NaOH （几乎不能进行）除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过Na床，且通过H型树脂应减少漏钠量ROH+H2SiO3RHSiO3+H2O H2O电离度极小（强碱1型碱性较强，除硅能力较大适用于制取纯水，而强碱2型碱性较弱，交换容量大于1型）3）阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，（600C800C），易受氧化剂的影响而变质 如水中存在氧化剂时，则会使：第68页/共125页4）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，由于孔道分布 强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，正洗水量增加，出水导电率增加。树脂孔道大小不一，水中的

39、一些有机物（如腐殖酸等）在树脂颗粒内交联紧密部位会被卡住，时间一长，把该部分交换基团遮盖住，从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后，相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团（-COOH）。用碱再生时：R-COOH+NaOH RCOONa+H2O 正洗和反应时：R-COONa+H2O RCOOH+NaOH 从而正洗水量大大增加，同时由于正洗时阴离子与ROH发生交换，从而使运行时交换容量低。第69页/共125页5）强碱性阴树脂的运行过程当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水循环回收。清洗水回收，清洗延长。就是因为树脂受到污染RCOONa+H2ORCOOH+NaOH（刚开始出水时，电导率

40、会增加，所以需连续清洗，直到出水达到要求，这就是清洗水回收阶段）6）除Si求：出水呈酸性；进水漏钠量低；再生条件高，提高温度至（40-500C）有利于再生的进行。这是由于出水中含有的微量NaOH为突然出现的弱酸所中和，生成NaSiO3和NaHCO3，其导电性能低于NaOH的缘故。硅含量第70页/共125页7.2弱碱树脂的工艺特性：R=NH2-OH R-NH3OH 仲胺型 伯胺型1）.交换能力差，不能吸附弱酸阴离子。只能吸附强酸阴离子：2R-NH3OH+H2SO4（R-NH3）2SO4+2H2O PH值（0 7）R-NH3OH+HCIR-NH3Cl+H2O PH值（0 7）2R-NH3-OH+N

41、a2SO42（R-NH3）2SO4+2NaOH （不能进行）因为PO43-SO42-NO3-Cl-F-HCO3-HSiO3-2）.再生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可，实际值是理论值的1.21.4倍。第71页/共125页3）.交换容量大 可做强碱阴床前的预处理4）.抗有机污染强，吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理5）.出水呈碱性，NaHCO3，Na HSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸性.Cl-,首先泄漏（只能吸附强酸阴离子，这是周期讯号）。由于酸导电性能较碱为强，因而出水电导率上升第72页/共125页8 运行8.1复床除盐：（复床系指阴、阳离子交换器串

42、联使用，达到水的除盐目的）1）一级复床除盐 强酸脱气强碱系统第73页/共125页一级复床出水的特点：呈弱碱性 PH=8 9.5（阳床微量Na泄漏）.出水电阻率 0.1 1.0106*CM脱盐水（普通蒸馏水）.如果阳床泄漏Na过量的话，电导率会升高。因而关键是控制阳床的Na泄露，另外除硅时，可采用热碱液再生。阴床设在阳床之后：A、会在阴床生成CaCO3、Mg（OH）2沉淀B、不利于除硅C、阴床抗有机污染物差D、增加阴床负担（H2CO3）第74页/共125页图中b点以前三条曲线都迅速下降，表明离子交换器中树脂再生后，正洗时出水中各种杂质的含量（酸度、钠离子浓度和硬度）都迅速下降，当出水水质达到一定

43、的标准（如b点）时就可以投入运行。所以，在ba段运行期间，阳床出水呈酸性，而且基本呈缓慢变化趋势。运行至a点时，阳床开始有阳离子穿透，根据离子交换活性知道，最先泄漏出的是钠离子；在除盐系统中，为了除去水中H+以外的所有阳离子，强酸性离子交换器必须在有钠泄漏时停止运行(一般此时出水的酸度接近中性)，并进行再生，如图中的a点位置，此点为钠离子穿透点。阳床出水水质图第75页/共125页图中，b点以前几条曲线迅速下降，表明再生后正洗时，水中杂质迅速下降直至达到运行的出水水质标准，ba区间为稳定交换运行期，出水水质的pH为一定值，电导率缓慢下降,含硅量（以SiO2计）也在一定范围内。运行至a点后，阴床开

44、始失效，但阳床仍在正常运行。此时，阴床由于酸泄漏，故PH值下降；与此同时，阴床出水中的硅含量和电导率增加。阳床正常运行,阴床失效时出水水质PH值下降，出水二氧化硅含量增加，电导率变化不大第76页/共125页图中复床系统运行到a点，阳床开始失效，但阴床仍在正常运行。此时阳床漏出的Na+流经阴床，在阴床的出水中含有NaOH,使阴床出水PH值升高，并对强碱性阴树脂对HSiO3-的吸附产生干扰作用，使出水的含硅量增加，其反应为：RHSiO3+NaOH=ROH+NaHSiO3阳床先失效，阴床出水水质图PH值上升，出水二氧化硅含量变化不大，电导率增加（NaOH增加）第77页/共125页8.2一些典型故障及

45、其原因和消除故障的方法 现象原因处理1、阳床、阴床再生后出水不合格（1）再生过程中顶压压力不足或不稳定，造成树脂乱层；（2）再生液浓度低或剂量不足。再生剂质量差（3）中排装置损坏造成偏流；（4）反洗不彻底，树脂表面有污泥；（5）树脂老化或被污染（1）重新再生；（2）提高浓度，增加剂量，检查再生剂质量后重新再生；（3）进行检修（4）加大反洗流量，重新再生；（5）复苏或更换树脂2、阳床运行出水硬度、含钠量不合格（1）阳床进水水质变化；（2）反洗进水门不严；（3）进酸门不严（1）查明变化原因，进行处理；（2）关严反洗进水门或停运检修（3）关严进酸门3、阴床运行出水电导率、二氧化硅不合格（1）阳床出水

46、漏钠进入阴床；（2）反洗进水门不严；（3）进碱门不严（1）再生阳床；（2）关严反洗进水门或停运检修（3）关严进碱门第78页/共125页8.2一些典型故障及其原因和消除故障的方法续现象原因处理4、阳床、阴床周期制水量降低（1）清水水质发生变化；（2）进、出水装置损坏，发生偏流；（3）再生效果不好；（4）树脂交换容量下降；（5）树脂层降低、压实层结块；（6）双层床树脂反洗分层不好；（7）除碳器效率低，中间水CO2含量增加（1）了解水源水质，适当增大再生剂量；（2）停运检修；（3）查找原因，调整再生工艺；（4）复苏或更换新树脂；（5）补充或更换新树脂，进行大反洗（6）重新反洗、再生，必要时更换树脂（

47、7）检修除碳器和风机5、阳床、阴床跑树脂（1）运行中跑树脂原因为出水装置水帽破裂，缝隙太大或没有拧紧；（2）反洗时跑树脂原因为反洗强度太大；（3）再生时跑树脂原因为中排装置损坏或涤纶网套松口、脱落（1）停运检修；（2）减小反洗强度；（3）停运检修第79页/共125页8.2离子交换器运行中的问题出现问题可能的原因每次再生后，交换容量都有所降低或软化不到预定指标1、过度地消耗了树脂的交换容量；2、流量过大；3、再生剂的用量不足；4、再生剂不纯；5、再生时流速过大；6、原水的混浊度较高，原水的含铁量较高，或原水中藻类细菌含量高，引起树脂被玷污，或交换层结块产生裂键后，水流有短路；7、原水或再生溶液分

48、配不均交换剂的水头损失过高1、流速过大；2、由于再生剂不纯，或原水的混浊度较高，原水的含铁量较高以及藻类、微生物等引起的堵塞。出水带色1、由于树脂在高温下，贮存过久，引起了树脂的变质；2、由于冰冻溶化过程引起交换剂的变质；3、原水中含铁量较高或藻类以及细菌的影响交换剂被玷污1、再生剂不纯；2、原水的混浊度较高，原水的含铁量、藻类、微生物或有机物的影响交换剂层膨胀1、再生剂不纯；2、原水的混浊度较高，原水的含铁量、藻类和细菌的影响需要对正洗水量过大1、再生剂不纯；2、交换剂层因结块出现裂缝引起水流短路交换剂有流失现象1、反冲洗强度过大；2、由于冰冻溶化过程使交换剂变质第80页/共125页8.3混

49、合床除盐 1）原理与特点：阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达510106Cm。RH +ROH+NaCl RNa+RCL +H2O 第81页/共125页混合床的特点：.阴、阳离子交换反应几乎同时进行 .出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水）.不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性）.失效终点分明 .设备小 缺点：.再生时，难以彻底分层。.混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降 .一般常需进行预处理（混凝、沉淀、活性炭吸附）.再生操作复杂 交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分阳树脂转为Na型，造

50、成运行后Na+泄漏。第82页/共125页混床出水不合格原因处理混床深度失效切换备用床邻床再生，运行床酸碱门误开或渗漏立即关闭进酸碱门，停止制水，关出水门，开正排门，冲洗至水质合格反进门渗漏或误操作联系检修，更正操作一级除盐来水恶化查明水质影响，尽快消除第83页/共125页9 树脂再生9.1再生方式 再生方式按再生液流向与运行时水流方向分为顺流、对流和分流三种。顺流再生是指再生液流向与运行时水流方向一致的再生方式，通常是自上而下流动。对流再生指再生液流向与运行时水流方向是相对的。习惯上将运行时水流向下流动，再生液向上流动的水处理工艺称逆流再生工艺。将运行时水向上流，床层浮动；再生时再生液向下流的