第9章离子交换.ppt

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1、1第第1 1节节 概概 述述2一、水中主要溶解杂质一、水中主要溶解杂质离子：离子：Ca2+,Mg2+,Na+(K+)HCO3-,SO42-,Cl-一般一般Fe2+,SiO32-含量较少。含量较少。气体：气体：CO2,O2 总硬度：总硬度：Ca2+,Mg2+碳酸盐硬度（碳酸盐硬度（carbonate hardness、暂、暂时硬度）时硬度）非碳酸盐硬度（非碳酸盐硬度（noncarbonate hardness）含盐量：含盐量：阳阳阴阴 3软化：软化：降低硬度降低硬度除碱：除碱：HCO3（锅炉给水、碱度太高，会汽（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸）水共沸）除盐：除盐：降低含盐量降低含盐量 二、硬度单

2、位二、硬度单位 mmol/L,meq/L,度（我国用德国度）度（我国用德国度）德国度德国度10 mg CaO/L 美国度美国度1mg CaCO3/L 4三、水的纯度三、水的纯度以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆 厘米）厘米）淡化水：淡化水：高含盐量水经局部处理高含盐量水经局部处理脱盐水：脱盐水：相当于普通蒸馏水，含盐量相当于普通蒸馏水，含盐量15mg/L纯水：纯水：亦称去离子水，含盐量亦称去离子水，含盐量1mg/L高纯水：高纯水：含盐量含盐量硬度，还应去除多余的硬度，还应去除多余的HCO3 若水中存在若水中存在Fe离子，也要消耗离子，也要消耗Ca(OH)2

3、 7所以，石灰投加量：所以，石灰投加量：CaO=CO2+Ca(HCO3)2+2Mg(HCO3)2+Fe+a a：CaO过剩量，一般为过剩量，一般为0.10.2 mmol/L为尽量降低碳酸盐硬度，石灰混凝沉淀可以为尽量降低碳酸盐硬度，石灰混凝沉淀可以同时进行。同时进行。注意：石灰法只能降低碳酸盐硬度及降低水中注意：石灰法只能降低碳酸盐硬度及降低水中的碱度。的碱度。8二、石灰纯碱法二、石灰纯碱法 去除碳酸盐和非碳酸盐硬度去除碳酸盐和非碳酸盐硬度CaSO4+Na2CO3-CaCO3+Na2SO4MgSO4+Na2CO3-MgCO3+Na2SO4MgCO3+Ca(OH)2 CaCO3+Mg(OH)2但

4、纯碱太贵，此法一般不用。但纯碱太贵，此法一般不用。9三、石灰石膏法三、石灰石膏法当原水的碱度大于硬度，即当原水的碱度大于硬度，即负硬度负硬度（有碱度（有碱度存在时）出现时存在时）出现时2NaHCO3+CaSO4+Ca(OH)2-2CaCO3+Na2SO4+2H2O 10第第3 3节节 离子交换基本知识离子交换基本知识 一、离子交换剂一、离子交换剂：磺化煤（煤磨碎后经浓硫酸处理得到）磺化煤（煤磨碎后经浓硫酸处理得到）离子交换树脂离子交换树脂 11二、离子交换树脂二、离子交换树脂 1结构结构 母体（骨架）：母体（骨架）：高分子化合物和交联剂经聚高分子化合物和交联剂经聚合反应而生成的共聚物合反应而生

5、成的共聚物根据组成母体的单体材料：苯乙烯（最广根据组成母体的单体材料：苯乙烯（最广泛）、丙烯酸、酚醛系列泛）、丙烯酸、酚醛系列活性基团：活性基团：遇水电离，称为固定部分和活动遇水电离，称为固定部分和活动部分，具有交换性（可交换离子）部分，具有交换性（可交换离子）12如聚苯乙烯磺化如聚苯乙烯磺化 磺酸基团（磺酸基团（SO3H）一种强酸性阳离子树脂一种强酸性阳离子树脂微孔形态微孔形态：凝胶型、大孔型、等孔型等：凝胶型、大孔型、等孔型等132命名命名全名称：（微孔型态）（骨架名称）（基全名称：（微孔型态）（骨架名称）（基本名称）本名称）如凝胶型苯乙烯系强酸型阳离子交换树脂如凝胶型苯乙烯系强酸型阳离子

6、交换树脂 为了区别同一类树脂的产品，有时在前面为了区别同一类树脂的产品，有时在前面加上一些数字。加上一些数字。143主要性能主要性能 1)密度：密度：湿真密度湿真密度：湿树脂质量湿树脂质量/树脂颗粒本身所占体积树脂颗粒本身所占体积（不包括颗粒之间的空隙）（不包括颗粒之间的空隙）用于确定反冲洗强度，混合床的分层用于确定反冲洗强度，混合床的分层 湿视密度湿视密度：湿树脂质量湿树脂质量/树脂堆积体积树脂堆积体积计算树脂用量计算树脂用量 152）交换容量：）交换容量：是树脂最重要的性能，表示树脂是树脂最重要的性能，表示树脂交换能力的大小。交换能力的大小。以体积和重量两种表示方式。以体积和重量两种表示方

7、式。全交换容量：全交换容量：可用滴定法测定或从理论上计算可用滴定法测定或从理论上计算工作交换容量工作交换容量：实际工作条件下，全的：实际工作条件下，全的6070 163)离子交换树脂的选择性离子交换树脂的选择性与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关系，同时也受离子浓度和温度的影响。系，同时也受离子浓度和温度的影响。离子电荷愈多，愈易被交换离子电荷愈多，愈易被交换 原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换 Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+=NH4+Na+Li+SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3-H

8、和和OH的交换选择性与树脂交换基团酸、的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。碱性的强弱有关。对于强酸阳树脂：对于强酸阳树脂：H+Li+而对于弱酸阳树脂：而对于弱酸阳树脂：H+Fe3+17三、离子交换平衡三、离子交换平衡离子交换也是一种化学反应，存在交换平衡。离子交换也是一种化学反应，存在交换平衡。RA+B-RB+A+离子交换选择系数为离子交换选择系数为：KAB=RBA+/RAB+该值该值1，有利于交换反应的进行。，有利于交换反应的进行。计算泄漏量、极限工作交换容量、再生度极限值计算泄漏量、极限工作交换容量、再生度极限值18q0：树脂全交换容量；：树脂全交换容量；q：树脂中：树脂中B+离

9、子浓度离子浓度C0：溶液中两种交换离子的总浓度：溶液中两种交换离子的总浓度C：溶液中：溶液中B+离子浓度离子浓度19第第4 4节节 离子交换软化离子交换软化 一、阳离子交换树脂特性一、阳离子交换树脂特性分强酸和弱酸。强酸主要有分强酸和弱酸。强酸主要有RNa 和和RH。1RNa 2RNa+Ca2+-R2Ca+2Na+2RNa+Mg2+-R2Mg+2Na+特点：特点：去除去除碳酸盐和非碳酸盐硬度碳酸盐和非碳酸盐硬度，总含盐量，总含盐量（阳离子总重量）有所变化，但（阳离子总重量）有所变化，但碱度不变碱度不变。20212RH碳酸盐硬度碳酸盐硬度，生成生成CO2、H2O同时同时碱度也去除了。碱度也去除了

10、。非碳酸盐硬度非碳酸盐硬度，生成，生成H2SO4，HCl 出出水酸性水酸性 对于对于Na+,RH+NaCl-RNa+HCl-产产生钠型树脂，但不起软化作用生钠型树脂，但不起软化作用 22Na+泄漏泄漏硬度泄漏硬度泄漏23开始时出水呈酸性。开始时出水呈酸性。Na开始泄漏时，出水酸度急剧下降。开始泄漏时，出水酸度急剧下降。之后，之后，RH交换转变为交换转变为RNa型运行模式，对型运行模式，对Ca和和Mg仍有交换能力。出水仍有交换能力。出水Na离子逐渐超过原离子逐渐超过原水中的浓度，呈碱性。水中的浓度，呈碱性。然后硬度离子开始泄漏然后硬度离子开始泄漏出水中离子泄漏的顺序为：出水中离子泄漏的顺序为：H

11、、Na、Mg2、Ca2 失效点控制：失效点控制：脱碱，以脱碱，以Na泄漏为准泄漏为准 软化，以硬度离子泄漏为准。软化，以硬度离子泄漏为准。243弱酸型弱酸型RCOOH（目前应用广的主要是丙烯酸型）（目前应用广的主要是丙烯酸型）25由于电离较弱，只能去除碳酸盐硬度由于电离较弱，只能去除碳酸盐硬度 2RCOOH+Ca(HCO3)2-(RCOO)2Ca+2H2O+CO2 但交换容量大（活性基团多），比强酸型高但交换容量大（活性基团多），比强酸型高一倍。一倍。再生容易。再生容易。26二、离子交换软化系统二、离子交换软化系统 1RNa 系统系统 原水碱度低（因为原水碱度低（因为RNa不能去除碱度），不能

12、去除碱度），不要求降低碱度的情况。不要求降低碱度的情况。可采用一级或二级串联。可采用一级或二级串联。272脱碱软化系统脱碱软化系统1HNa 并联并联 QNQH2829A原原：进水碱度：进水碱度A混混：混合水中的残留碱度：混合水中的残留碱度S：进水中：进水中SO42、Cl含量之和含量之和,当量浓度当量浓度QH：进：进RH水量水量 QN：进：进RNa水量水量 30第一种情况：第一种情况：RH以以Na泄漏为准泄漏为准经经RH产生的强酸量产生的强酸量 S QH经经RNa后的碱度后的碱度 A原原QN=A原原(Q-QH)混合水中的剩余碱度混合水中的剩余碱度 Q A混混物料平衡物料平衡:A原原(Q-QH)S

13、 QH A混混QQH (A原原A混混)/（A原原S）QQN（A混混S）/（A原原S）Q 31第二种情况：第二种情况：RH以硬度离子的泄漏为准。以硬度离子的泄漏为准。则则RH产生的酸度非碳酸盐硬度产生的酸度非碳酸盐硬度HF 同样推出：同样推出：QH（A原原A混混）/（A原原HF）QQN（A混混HF）/（A原原HF）Q 但应注意但应注意RH出水在一个周期内是不均匀的？出水在一个周期内是不均匀的？在任何时间都保证不出现酸性水很难。在任何时间都保证不出现酸性水很难。因此，以因此，以Na+泄漏运行为宜。泄漏运行为宜。322）HNa 串联系统串联系统 33水量分配公式与并联时的相同。水量分配公式与并联时的

14、相同。这种型式可以降低这种型式可以降低RNa的负荷。的负荷。H-Na并列：并列：适用于碱度高的原水。因为只有适用于碱度高的原水。因为只有一部分水过一部分水过RNa。投资省。投资省。H-Na串联：串联：适用于硬度高的原水，出水水质适用于硬度高的原水，出水水质能保证。运行安全可靠。能保证。运行安全可靠。CO2产生量：产生量：1mmol/L的的HCO3-产生产生44mg CO2/L 34三、固定床离子交换软化设备三、固定床离子交换软化设备1离子交换装置的分类离子交换装置的分类 固定床：单床、双层床、混合床固定床：单床、双层床、混合床连续床：移动床和流动床连续床：移动床和流动床 352固定床的工作过程

15、固定床的工作过程 饱和区饱和区交换区交换区未交换区未交换区交换带形交换带形成阶段成阶段交换带下交换带下移移为保证一定的水质：为保证一定的水质：应有一个保护层应有一个保护层交换带高度交换带高度交换带影响因素：水流速度、树脂大小、原水水质交换带影响因素：水流速度、树脂大小、原水水质 363工作交换容量工作交换容量在给定工作条件下的实际交换能力。在给定工作条件下的实际交换能力。P1：再生完毕，软化开始前残：再生完毕，软化开始前残存硬度离子所占的百分数存硬度离子所占的百分数 P3：软化结束时，树脂层中交：软化结束时，树脂层中交换不到部分所占的百分数。换不到部分所占的百分数。P2（工作交换容量）（工作交

16、换容量）P1+P2+P3100影响因素：再生程度、软化时的影响因素：再生程度、软化时的流速、原水水质流速、原水水质 374.树脂再生树脂再生 固定床再分为顺流再生和固定床再分为顺流再生和逆流再生逆流再生两种。两种。逆流再生：逆流再生：降低再生剂用量；出水质量提高、降低再生剂用量；出水质量提高、工作交换容量提高。工作交换容量提高。RNa型：用型：用NaCl再生再生RH型：用型：用HCl 或或H2SO4 再生。再生。3839第第5 5节节 离子交换除盐离子交换除盐 需求：需求：高温高压锅炉的补给水、某些电子工高温高压锅炉的补给水、某些电子工业用水等业用水等一、阴离子树脂特性一、阴离子树脂特性阴树脂是在粒状高分子化合物母体的最后处阴树脂是在粒状高分子化合物母体的最后处理阶段导入各种胺基而成的。理阶段导入各种胺基而成的。1.强碱性阴离子树脂强碱性阴离子树脂 40可以交换经可以交换经H离子交换出来的各种阴离子。离子交换出来的各种阴离子。SO42、Cl、HCO3、HSiO3-为彻底除硅：阴离子树脂进水为彻底除硅：阴离子树脂进水pH必须较低。必须较低。ROH+H2SiO3-RHSiO3+H2O 若进