7章水的软化讲解

水处理工程（一）工业水处理部分主要内容水的软化苦咸水淡化与除盐水的冷却循环冷却水水质处理空气进水出水软化的目的与方法水的药剂软化法离子交换基本原理离子交换软化方法与系统第7章水的软化7.1软化的目的与方法生产用水——锅炉用水硬度：水中钙、镁离子的总含量。碳酸盐硬度——暂时硬度；非碳酸盐硬度——永久硬度。锅炉分类与处理要求：低压锅炉2.5MPa——软化处理中压锅炉2.5–6.0MPa软化与高压锅炉6.0MPa除盐处理处理方法：药剂软化——溶度积原理离子交换软化——离子交换反应7.2水的药剂软化法石灰软化可去除碳酸盐硬度不能去除非碳酸盐硬度石灰-苏打软化石灰可降低碳酸盐硬度苏打用以降低非碳酸盐硬度石灰-石膏软化降低与碳酸盐硬度相应的那部分碱度降低钠盐碱度石灰软化主要降低碳酸盐硬度和碱度可去除Fe2+、Si4+出水：剩余硬度为0.25~0.5mmol/L剩余碱度为0.8~1.2mmol/L硅化物去除30~35%铁残留量约0.1mg/L有机物去除25%21.2水的药剂软化法GOGO1石灰-苏打(Na2CO3)软化适用于硬度碱度的水去除硬度去除碱度与Na2CO3有关的反应CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO41当量苏打MgSO4+Na2CO3→MgCO3+Na2SO41当量苏打MgCO3+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓1当量石灰21.2水的药剂软化法石灰-石膏(CaSO4、CaCl2)法2NaHCO3+CaSO4+Ca(OH)2→2CaCO3↓+Na2SO4+2H2O降低与碳酸盐硬度相应的那部分碱度适用于总碱度总硬度的水降低钠盐碱度21.2水的药剂软化法对已生成的水垢(CaCO3)的处理，属炉内处理。常用Na3PO4、NaHPO4等药剂进行炉内处理：3Ca(HCO3)2+6NaOH→3CaCO3↓+3Na2CO3+6H2O3CaCO3+2Na3PO4→Ca3(PO4)2↓+3Na2CO321.2水的药剂软化法调整pH值（pH9.7)就锅炉水处理而言，以上均为外部软化。软化处理药剂用量确定按化学式计算石灰用量按化学当量关系确定药剂用量【例题】天然水中含游离CO20.5meq/L；总硬度为6meq/L，其中钙硬度为4meq/L，镁硬度为2meq/L；总碱度为5meq/L。试确定处理方法和药剂用量。21.2水的药剂软化法GO27.3离子交换基本原理离子交换树脂的性质离子交换平衡离子交换速度树脂层离子交换过程凝胶型大孔型等孔型离子交换作用水通过一类物质,该物质结合水中的某种离子,而释放出另一种离子到水中的过程。离子交换剂具有离子交换作用的物质。磺化煤天然的、化学稳定性和机械强度差，常用交换能力低。离子交换树脂人工合成分类按结构特征按单体种类按活性基团*苯乙烯系酚醛系丙烯酸系强酸、弱酸型阳离子交换树脂强碱、弱碱型阴离子交换树脂21.3离子交换基本原理-COOH-SO3H用途强酸、弱酸型阳离子交换树脂——软化、脱碱软化强碱、弱碱型阴离子交换树脂与阳树脂配合——除盐组成空间网状结构骨架——母体附属于其上的活性基团固定部分——固定离子活动部分——可交换离子表示法R–SO3NaR–NaR–NH3OHR–OH21.3离子交换基本原理离子交换的实质不溶性的电解质与溶液中的另一种电解质所进行的化学反应。21.3离子交换基本原理离子交换树脂的性质物理性质外观粒度交联度含水率溶胀性密度耐磨性21.3离子交换基本原理化学性质酸碱性(有效pH值范围)选择性交换容量热稳定性离子交换平衡21.3离子交换基本原理离子交换反应服从当量定律——等当量进行交换反应服从质量作用定律——可逆反应2RNa+CaCl2↔R2Ca+2NaCl软化再生水的软化若反应为静态，很快达到平衡，只有部分水软化；若反应为动态，生成的NaCl及时排走，反应向右进行到底。树脂再生树脂失效后，进行还原，将树脂上的Ca2+、Mg2+置换下来，代之以新的反离子。由质量作用定律，离子交换选择系数K值表达式为：一般，溶液中在[Ca2+]/[Na+]2不大的情况下：当K1时[R2Ca][RNa]2即树脂对Ca2+的亲和力对Na+的亲和力反应向右进行2222CaRNaNaCaRK2222//NaCaRNaCaRKK值意义21.3离子交换基本原理1、K值表明树脂对溶液中不同离子的交换能力的差别；2、K值越大，越有利于交换反应；3、K值能定量地反映出树脂对某个离子的优先选择性。离子交换选择系数K一般，原子价高，选择性高；同价离子，原子序数大、水合半径小的，优先。强酸阳离子：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+H+Li+弱酸阳离子：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+Li+常温、低浓度下，树脂对常见离子的选择顺序为：化学平衡式与K值的应用1、估计某种条件下离子交换树脂的极限工作交换容量；2、估计某种已知再生剂再生树脂时，所能达到的最大再生度；3、估计在再生度已知条件下，出水中某种离子的泄漏量。21.3离子交换基本原理若高浓度时，浓度大小树脂选择的主要因素：1、离子浓度不大，但离子的K值排在反离子之前。软化2、离子浓度大，虽树脂对其亲和力小，但大量离子可扩散迁移到树脂交联网中，将反离子置换下来。再生3、离子浓度大，树脂对其亲和力也大。转型如：RH+NaClRNa+HCl4、离子浓度小，树脂对其亲和力也小。交换难以进行如：用低浓度NaCl再生饱和的R2Ca树脂，再生不好。21.3离子交换基本原理离子交换速度离子交换速度——交换动力学问题。离子交换过程：21.3离子交换基本原理①离子从溶液中扩散到颗粒表面②通过水膜③离子在孔隙中移动到达交换点④离子交换反应⑤交换后的离子在孔隙内移动到颗粒表面⑥通过水膜⑦向外扩散到溶液中④——瞬间完成①⑦——溶液中，水不断在树脂颗粒间流动，扩散作用很快，不影响交换速度；②⑥——膜扩散离子交换速度取决于扩散速度③⑤——孔道扩散水膜和交联结构对离子扩散产生影响离子交换反应速度由膜扩散或孔道扩散控制的主要区别：溶液浓度扩散的推动力——浓度梯度离子浓度0.1M膜扩散速度快，孔道扩散为控制因素；再生离子浓度0.003M以下膜扩散速度慢且为控制因素。软化流速膜扩散速度与流速有关,水膜厚度∝1/V水；孔道扩散速度与流速无关。树脂粒径孔道扩散的离子交换速度∝1/d2膜扩散的离子交换速度∝1/d交联度对孔道扩散的影响更显著——孔道扩散为控制因素。21.3离子交换基本原理树脂层离子交换过程树脂饱和程度21.3离子交换基本原理•交换带形成K1有交换带形成软化K1无交换带形成再生•交换带下移交换带宽度影响因素•Ca2+泄漏树脂层交换过程21.3离子交换基本原理小树脂性能、交换器结构和运行操作条件等。K值越大，交换带宽度越？d越小，交换带宽度越？树脂性能与交换器结构交联度越大，交换带宽度越？①流速离子供给速度取决于处理水的离子浓度离子交换速度由孔道扩散或膜扩散决定交换带宽度∝V0.5~0.8②离子浓度离子浓度大离子供给速度快——交换带宽造成膜两面浓度差大，膜扩散快——交换带窄③再生程度与剩余硬度有关。影响交换带宽度的因素小大21.3离子交换基本原理7.4离子交换软化方法与系统离子交换软化方法离子交换软化装置离子交换软化系统的选择再生附属设备除CO2器离子交换软化方法钠离子交换法氢离子交换法氢-钠离子交换法钠离子交换软化法水中的Ca2+、Mg2+交换到树脂上，钠离子进入水中，而钠盐的溶解度很大，不会沉淀析出，达到软化目的。阴离子成分不发生变化，软化后水中碱度不变.再生经软化过程后，树脂为Ca2+、Mg2+型树脂，需再生，恢复能力：RNa不能满足软化同时碱度也降低的要求8-10%NaCl溶液再生在锅炉给水中，往往在软化的同时，要求碱度也降低，否则，软化中生成的NaHCO3在加热时有如下反应：腐蚀金属引起金属苛性脆化氢离子交换脱碱软化法交换下来的H+与水中原有的阴离子结合成酸——不单独使用碳酸盐硬度产生的H2CO3分解被去除——脱碱两种连接方法：并联和串联氢-钠离子交换法设置除CO2器脱碱、软化三塔式（软化、再生、清洗）双塔式（软化、再生清洗）树脂不外输（软化、再生）离子交换软化装置单层床固定床双层床离子交换装置混合床连续床移动床流动床树脂外输（软化、再生）按原水与再生液流动方向流向一致——顺流再生固定床流向相反——逆流再生固定床构造：上部配水管系树脂层下部配水管系运行：交换软化反洗、再生、清洗缺点：下部再生程度低，再生剂耗量大；出水剩余硬度高；工作效率低。适用：原水硬度较低、规模设备较小的场合。顺流再生固定床再生液首先接触饱和程度低的底层树脂，再流经中、上层，使再生液充分利用，再生剂浓度低（1%）、用量降低（20%以上），并保证底部得到充分再生。工作交换容量提高。软化时，有底部树脂层的充分交换，出水水质提高。适合处理高硬度水。逆流再生固定床逆流降低泄漏的解释优点以RH交换Na+为例：NaRHHRNaKNaHRNaRHKCNa10再生后最大水中阳离子总浓度再生后最小在特定情况下，C0和K为定值，故［Na+］最小。构造特点原水向下流、再生液向上流；气顶压法：顶部送30-50kPa压缩空气，再生流速5m/h，不乱层；水顶压法：顶部进50kPa压力水；中间排水装置：排出再生废液和清洗水；压脂层：15cm厚，比重轻于树脂重于水，使压缩空气均匀排出，并有一定的过滤作用。无顶压：增加中间排水装置的开孔面积，使孔流速小于0.1-0.2m/s，压脂层20cm，流速为7m/h。构造简单。图逆流再生操作冲洗压脂层顶压正洗多个周期运行后进行一次大反洗单位体积树脂所消耗的纯再生剂量与Eop之比(mol/mol)固定床软化设备的计算GO3离子交换软化系统的选择Na离子交换软化适用于原水硬度低、只须软化的低压锅炉的水处理。处理后水质：除硬度，但碱度不变。蒸发时，有Na盐残渣。H离子交换不单独使用，原因是出水产酸。H离子交换出水出水水质变化：强酸树脂对水中离子选择顺序：Ca2+＞Mg2+＞Na+＞H+水流经RH后，出水中离子出现顺序为：H+、Na+、Mg2+、Ca2+原水中全部阳离子与H交换Na+泄漏，H+量下降。b点后为RNa树脂的软化过程，树脂中Na+被Ca2+、Mg2+交换下来。水中Na+含量与水中Cl-、SO42-相当时,出水酸度=0.随后,出水呈碱性。c点后，水中Ca2+泄漏。除盐以Na泄漏为失效点软化以Ca泄漏为失效点H离子交换出水水质变化：当Na+含量达到最高时，出水碱度=原水碱度。H-Na离子交换脱碱软化适用于原水硬度高、碱度大的情况。1、H-Na并联H罐出水呈酸性Na罐出水呈碱性混合后，经除CO2器。原水流量分配：GO42、H-Na串联适用于原水硬度较高的场合.部分水经H罐后，硬度已降低，再流入Na罐，可减轻Na罐负荷，提高出水质量。弱酸树脂的工艺特性及其应用GO5