华北理工水质工程学教案23第七章水的软化7-4离子交换软化方法与系统

课程名称：《水质工程学I》第周，第23讲次摘要授课题目（章、节）§7-4离子交换软化方法与系统【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】§7-4离子交换软化方法与系统一、离子交换软化方法原理：目前常用方法：Na+交换法。H+交换法。H+—Na+交换法。LmmolMgCac/212122（一）Na+交换软化法：反应：2RNa+Ca(HCO3)2R2Ca+NaHCO32RNa+CaSO4R2Ca+Na2SO42RNa+MgCl2R2Mg+2NaCl特点：（1）不产生酸性水→设备管道防腐简单。（2）再生剂为食盐。（二）H+交换软化法：反应：2RH+Ca(HCO3)2R2Ca+2CO2+2H2O2RH+Mg(HCO3)2R2Mg+2CO2+2H2O2RH+CaCl2R2Ca+2HCl2RH+MgCl2R2Mg+2HCl特点：（1）软化过程同时去除碱度（2）产生酸，出水为酸性水→对设备有腐蚀，这种方法少用。（三）H+—Na+交换脱碱软化法:将H+和Na+交换柱串联或并联。出水偏酸性（有中和反应）NaHCO3+H2SO4→Na2SO4+CO2+H2O二、固定床离子交换软化装置：装置分类：单层床阴固定床双层床双层床离子交换装置混合床阳移动床：短暂间歇，部分交换剂移出柱连续床外再生。水由下向上流。流动床交换剂由上向下流。固定床：交换器中的树脂在交换、冲洗、再生、操作过程中，不移出交换器。顺流再生固定床：原水与再生液按同一方向流动按原水与再生的交换器。液流动方向逆流再生固定床：原水与再生液按相反方向流动的交换器。（一）顺流再生固定床：（用的较少）1、构造：一只离子交换柱（罐）。2、工艺过程：（1）交换（2）反洗：目的是使树脂松动一下，利于树脂再生，并排走树脂上层杂质（3）再生，（4）清洗，目的：用软化水清洗掉再生液（2）～（4）为再生过程。3、优缺点：（1）再生剂用量多。（2）出水剩余硬度高。（3）交换器失效早。（4）构造简单。（5）运行方便。4、适用条件：原水硬度较低，水量也较小的场合。（二）逆流再生固定床：（用的最多）常见的是：软化水流向下，再生液水流向上（反向较少）1、构造：2、工艺过程：（1）交换。（2）再生：ⅰ水流上向流交换工作，再生液向下流（浮动床法，少见）水顶压法。ⅱ水流下向流工作，再生液向上流气顶压法。为什么顶压：防止再生时树脂乱层。（可节省再生剂）方法：水压在交换器中间设置排水装置，在顶部加压气压再生工艺过程：（1）小反洗：冲洗压脂层。流速：5～10m/h，时间：10～15min中间排水装置进水，顶部排水，去杂质。（2）放水：把中间排水装置上部的水放掉。（3）顶压：从交换器顶部进压缩空气，维持30～50KPa。（4）进再生液：由交换器底部进再生液，柱中上升流速5m/h。（5）逆向清洗：洗去再生液，用软化水清洗，升速5～7m/h，排出水达出水要求为止。（注：不是达到运行指标）（6）正洗：用软化水顺向清洗，出水水质符合运行指标止。流速控制10～15m/h注：为了除树脂中的污物及碎粒，运行若干周期后要进行一次下反洗（可以乱层，但第一次再生要加大再生剂量）3、优点：（与顺流再生相比）（1）再生剂耗量可低20%以上。（2）出水水质显著提高。（3）原水水质适用范围扩大，对硬度较高的水，仍可保证出水水质。（4）再生废液中再生剂有效浓度明显降低，一般不超1%。（5）树脂工作交换容量有所提高。4、新技术：（1）无顶压法再生工艺：增加中间排水装置的开孔面积，小孔流速小于0.1～0.2m/s，压脂层厚20cm，再生流速小于7m/h，可不需顶压。(2)浮动床技术：交换工作时：上升水流以30～40m/h流速，将树脂处于悬浮状态。再生时：再生液由顶部向下流经树脂层。特点：同样具有逆流再生的特点。但工作一定时间后，需将树脂移出体外擦洗，原因是浮动床内树脂填充较满，难以在交换器内清洗。适用情况：不宜用于水量不稳定和需经常间歇的情况。原因：保持层床不乱才具有逆流再生的特点。水量不稳和经常间歇易乱层。（三）固定床软化设备计算：计算基本公式：（物料平衡方程）topQTHFhEF—离子交换器截面积，㎡。h—树脂层高度，m。Eop—树脂工作交换容量，mmol/L。Q—软化水的水量，m3/h。T—软化工作时间，h。Ht—原水硬度，以222121MgCaC表示，mmol/L。计算步骤：（1）交换器直径d（m）（vQF㎡）据圆面积公式为：vQd4（m）Q—给定流量。v—所选水流流速，强酸树脂v取15～20m/h。（2）树脂层高度h：optETvHh（m）（3）树脂装量VR：（湿树脂）FhVR（m3）相应于湿树脂重量Wm（Kg）：aRmDVW（Kg）Da—树脂湿视密度或堆密度，一般为600～850Kg/m3实际工程中：固定软化设备台数2台以上，便于再生和检修。（4）树脂工作交换容量Eop：由漏出曲线来分析:图中：面积abedca为具体工作条件下交换器总的交换能力，称为饱和交换容量：与再生度有关，与具体工作条件有关。面积abdca称为工作交换容量，与再生度有关。工作条件：流速v，温度t，树脂粒径di，硬度HtEt—总交换容量，交换基团总数。可用式表示为：topEEη—利用系数。利用硬度开始泄漏时树脂层饱和程度示意图。（1）面积表示再生后，未能再生的部分。（2）面积表示交换剂工作部分。（3）面积表示泄漏时，树脂中未被交换的可工作部分。实际利用率：3212再生度：32132r树脂饱和度（交换后饱和程度）：32121S32131S再生前树脂层剩余交换能力的比率：32131SttopEEE3212)3()2()1()3()3()2()1()3()2(tEsrtopEE1三、离子交换系统的选择：选择依据：原水水质及出水水质要求。（一）Na离子交换软化系统：1、软化过程：将水中的Ca2+和Mg2+交换成Na+2、处理后水质：碱度不变，去除了硬度。不产生酸性水，出水硬度也高，可达0.05mmol/L（1/2Ca2+）3、适用条件：原水碱度低，对软化后的硬度要求不高。如要求硬度严格也可串联形式。（二）强酸H+离子交换树脂的工艺特性：1、软化过程：用H+交换水中的Ca2+、Mg2+2、特点：（1）与碳酸盐硬度反应，产生CO2气体2RH+Ca(HCO3)2R2Ca+2H2CO32CO2+2H2O2RH+Mg(HCO3)2R2Mg+2H2CO32CO2+2H2O（2）与非碳酸盐反应生成酸:2RH+CaCl22Ca+2HCl（3）与Na盐反应生成酸RH+NaClRNa+HCl一般不单独使用，因为产生了酸性，常与Na离子交换器一起使用。3、出水水质变化过程：强酸树脂对水中离子的选择性顺序为：Ca2+Mg2+Na+所以出水中出现离子顺序为H+→Na+→Mg2+→Ca2+(三)H—Na并联离子交换系统：（1）原理：通过Na+交换器出水呈碱性：（出水含：NaHCO3；Na2SO4；NaCl）通过H+交换器出水呈酸性：（出水含：CO2；H2SO4；HCl）混和，酸碱中和。CO2脱气中和产物NaSO4软化水NaCl（2）流量分配计算公式：与原水水质和要求出水水质有关，与H+交换器出水失效点有关，漏失Na+为失效点。通过H+柱水量为QH，通过Na+柱水量为QNa∴Q=QH+QNa要求出水有剩余碱度—Ar一般约为Ar=0.5mmol/LQArHCOcQQClSOcQHH42421式中：c(HCO3－)——原水碱度。可得：QHCOCClSOCArHCOCQH324321hmQAcArHCOc/33式中：c(∑A)—总阴离子浓度mmol/L同理可得：hmQAcArClSOcQNa/21324（3）适用范围：ⅰ原水非碳酸盐阴离子总浓度ClSOc2421不宜超过3～4mmol/L，并tcHH不宜小于0.5。Hc—碳酸盐硬度（暂时硬度）Ht—原水硬度LmmolMgCac/212122ⅱ对强酸性阳离子交换剂，不受限制。2、H—Na串联离子交换系统：（1）原理：原水（Q）→H+交换器（QH）Q—QHCa(HCO3)2+RH→CaR2+CO2+H2O脱气CO2↑QNa+交换器Ca(HCO3)2+RNa→CaR2+NaHCO3出水（少量）（2）计算：与并联相同（3）适用条件：适用于处理原水硬度较高的水，并且出水水质硬度较低。（4）注意：除CO2器的设置位置，在H柱和Na柱之间。如果在Na柱之后，则CO2在Na柱中反应：NaR+H2CO3=HR+NaCO3产生碱度较大。（5）比较：H—Na并联——设备紧凑，投资省。H—Na串联——出水硬度低，安全可靠。经H—Na离子交换器处理，蒸发残渣可降低1/2～1/3详见书P415自学（四）弱酸树脂的工艺特性及应用：丙烯酸型（111型），弱酸性树脂1、结构：起活性作用的主要是羧基（—COOH），所以也称羧酸树脂。2、特性：（1）主要与水中重碳酸盐硬度进行交换反应，与重碳酸盐交换反应后，生成H2CO3，离解出的H+很少。与非碳酸盐反应：如：2RCOOH+CaCl2(RCOO)2Ca+2HCl可离解出许多H+，对RCOOH的反应起抑制作用。（2）对H+的亲合力比强酸树脂大，容易进行再生。再生剂用量少，浓度可降低。（3）交换容量高，结合的活性基团多。如国产111，交换容量≥12.0mmol/g(干树脂)(4)若与Na型强酸树脂联合使用，可适用于水的脱碱软化。H—Na串联系统。两种方式H—Na同柱，H—Na离子交换双层床。四、再生附属设备（一）食盐系统：食盐贮存，盐液配制，和输送设备。常用湿式贮存，用量小时，也可用干式贮存。（二）酸系统：贮存，输送，计量，投加等构成。安全投加问题。（三）再生剂耗量计算：kgnTMQHGBt1000总Q—原水流量m3/hHt—进水硬度222121MgCaCmol/LT—运行时间hrMB—再生剂摩尔质量g/moln—再生剂比耗（mol/mol）单位体积树脂，所耗的纯再生剂物质的量，与树脂工作交换容量的比值。α—工业用酸和盐的浓度或纯度。%五、除CO2器（一）基本原理：1、除CO2的目的：（1）CO2对金属，砼有腐蚀作用。（2）对Na+交换器有影响。（3）增加阴离子负担。除CO2的原理：据分压定律和享利定律，15℃时，CO2的溶解度为0.6mg/L，当水中的CO2含量大于溶解度时，CO2自动由水中析出(解吸过程)。当水中的CO2含量小于溶解度时，CO2自动由气中转入水中(吸收过程)。但两种过程非常慢.设置除CO2器的目的就是加快CO2的解吸过程。(二)除CO2器的构造与计算：有瓷、聚丙烯等构成：布水器填料环状、空心球、（原理：增大解吸面积和延长解吸时间）计算公式：2mCKGF（1）除CO2气的总工作面积F：m2K—解吸系数kg/（h﹒m2﹒kg/m3）或m/h即单位时间，单位接触面积，单位平均解吸动力下的去除CO2数量。该值可由实验曲线求出。为一实验曲线G—需从水中去除的CO2数量（Kg/h）10002212COCOQG（Kg/h）Q—水量，m3/h(CO2)1—进水CO2浓度（mg/L）(CO2)1=44·C(HCO3－)+ρ(CO2)mg/LC(HCO3－)—原水碱度mmol/Lρ(CO2)—原水游离CO2的质量浓度mg/L(CO2)2—出水剩余CO2浓度，一般取5mg/L△C—平均解吸动力（Kg/m3），表示除CO2器上下两端推动力的对数平均值，近似为：22122212)()(ln06.1COCOCOCOC