第六章--水的离子交换处理

1第六章水的离子交换处理去除水中离子态杂质最为普遍的方法之一是离子交换法。根据处理的目的不同，采用的处理工艺也有所不同。2去除水中硬度的钠离子交换软化处理；去除硬度并降低碱度的氢—钠离子交换软化除碱处理；以及去除水中全部阳、阴离子的氢—氢氧型离子交换除盐处理。本章内容§1离子交换处理方法概述§2水的阳离子交换处理§3除CO2器§4水的阴离子交换处理§5复床除盐§6离子交换装置及运行操作§7混合床除盐§8离子交换除盐系统3§1离子交换处理方法概述一、离子交换反应1、钠离子交换4223224223SOClHCONaCaRSOClHCOCaRNa24223224223SOClHCONaMgRSOClHCOMgRNa2失效态树脂可用NaCl再生，其反应为：R2Ca＋2NaCl—→2RNa＋CaCl2R2Mg＋2NaCl—→2RNa＋MgCl242、氢离子交换4223224223SOClHCOHCaRSOClHCOCaRH242232242232SOClHCOHMgRSOClHCOMgRH4343SO2/1ClHCOHRNaSO2/1ClHCONaRH5失效态的阳树脂可用HCl或H2SO4再生，其反应为：42422SOClCaRH2SOHHCL2CaR42422SOClMgRH2SOHHCL2MgR442SO2/1ClNaRHSOH2/1HCLRNa63、氢氧离子交换OH2HSiOHCOClSORSiOHCOClSOHROH222323242323242失效态的阴树脂可用NaOH再生，其反应为：3324232324222SiOCOClSONaROHNaOHSiOHCOClSOR7二、离子交换装置89固定床的基本缺陷：①树脂不能边失效，边再生，造成交换器内树指积压，利用率低，交换器容积利用不充分；②树脂层中树脂交换能力使用不匀，上层饱和程度高，下层低。一般原则上分为四个步骤：反洗、再生、正洗、制水运行。10三、离子交换装置运行的基本步骤11反洗的目的：①松动树脂层，便于再生剂均匀分布；②清除树脂层（主要是上部）中悬浮物、碎粒、气泡，松动结块树脂，改善树脂层水力学性质，防止树脂结块、偏流。反洗用水：一般都用系统中前级的出水（自身进水），如阳床可用澄清水，阴床可用脱碳器出水，但也可集中使用除盐水的。1、反洗3、正洗为了清除树脂中剩余再生剂及再生产物，应用正洗水对树脂层进行正洗，正洗至出水水质符合投运标准为止。正洗操作有时还分成几个阶段，如先用小流量，后用大流量正洗等。后期正洗水由于水质较好，可以回收利用。122、再生4、运行制水描述运行过程的参数是运行流速、出水水质、工作交换容量、运行周期等。再生质量的好坏不仅对其工作交换容量和交换器下一周期的出水水质有直接影响，而且再生剂的消耗在很大程度上决定着离子交换系统运行的经济性。影响再生效果的因素很多，如再生方式，再生剂的种类、纯度、用量，再生液的浓度、流速、温度等。1、再生方式在离子交换水处理系统中，交换器的再生方式可以分为顺流、对流、分流和串联四种。13四、树脂的再生1415由于是对流再生，所以出水端树脂再生程度高，出水水质好，再生剂耗量低，而且可适用于进水水质较差的场合。分流再生时下部床层为对流再生，上部床层为顺流再生，混合床就是典型的分流再生，另外，用硫酸再生的阳离子交换器，采用分流再生可以减少硫酸钙沉积的危险。串联再生适用于弱酸阳床和强酸阳床或弱碱阴床和强碱阴床串联运行的场合，一般均为顺流串联，有时也有逆流串联，甚至可以一个顺流一个逆流串联。它利用废再生液进行弱型床的再生，所以经济性好。16顺流再生的缺点是再生效果不理想，再生剂耗量大，出水品质差。（1）种类对于阳离子交换树脂，常用的再生剂是盐酸和硫酸，盐酸的再生效果优于硫酸，但盐酸的比价高于硫酸。对于阴离子交换树脂，目前都使用氢氧化钠作为再生剂。对于钠离子交换树脂，多用食盐再生。172、再生剂（2）纯度该纯度是指对树脂再生效果、出水水质有影响的杂质含量。再生液的纯度高、杂质含量少，则树脂的再生度高，再生后树脂层出水水质好。再生剂单耗（盐耗、酸耗、碱耗）：它是指恢复树脂1mol的交换能力，所消耗的纯再生剂的克数，单位为g/mol。再生剂比耗：它是指恢复树脂1mol的交换能力所需再生剂的摩尔数，也即是为理论值的倍数。再生剂比耗为再生剂单耗除以再生剂的摩尔质量（盐酸为36.5，氢氧化钠为40，食盐为58.5）。再生水平：它是指再生1m3树脂所用酸、碱（工业品或纯的）重量，单位是Kg/m3树脂，并标明酸碱的浓度，如Kg（31%）/m3树脂或Kg（100%）/m3树脂。18（3）再生剂用量（1）再生液浓度（2-6%）为了防止用硫酸再生时在树脂层中产生CaSO4沉淀，可采用变浓度再生，先用低浓度、高流速硫酸再生液进行再生，将再生初期再生出的大量钙排走，然后逐步增加浓度。在再生阴双层床（或其它阴交换器）时，为了防止树脂层内形成二氧化硅胶体，也宜采用变浓度的再生法。193、再生条件20（2）再生流速（4-8m/h）（3）再生液温度对于阳树脂，再生液温度影响不大，一般可不进行加温。对于强碱阴树脂，再生液的温度对交换硅酸根的树脂的再生效率及再生后制水过程中硅酸的泄漏量有较大的影响，所以再生液应加热。强碱Ⅰ型阴树脂适宜的再生液温度为40℃；强碱Ⅱ型阴树脂适宜的再生液温度为35±3℃。§2水的阳离子交换处理一、钠离子交换法如水质要求更高，比如为了使水的硬度降至3μmol/L以下，可以将两个Na离子交换器串联运行，这种处理方式称为二级Na离子交换系统，二级Na离子交换系统中的一级Na离子交换器的失效终点可放至200μmol/L。水经过一级Na离子交换后，硬度可降至30μmol/L以下，能满足低压锅炉对补给水的要求。21用Na离子交换进行水处理的缺点是，它不能除去水的碱度。进水中的重碳酸盐碱度，不论是以何种形式存在，经Na离子交换后，均转变为NaHCO3。若作为锅炉补给水，NaHCO3会在锅炉中受热分解产生NaOH和CO2，其结果是炉水碱性过强，为苛性脆化提供了条件，CO2还会使凝结水管道发生酸性腐蚀。22二、强酸性氢型阳树脂的离子交换由于—SO3H基团酸性很强，所以对水中所有阳离子均有较强的交换能力，与水中主要阳离子Ca2+、Mg2+，Na+的交换反应为:32223COH2MgCaR)HCO(MgCaRH24224SOHMgCaRSOMgCaRH2RH＋NaCl→RNa＋HClRH＋NaHCO3→RNa＋H2CO3RH＋NaHSiO3→RNa＋H2SiO323经氢离子交换后，水中各种溶解盐类都转变成相应的酸，包括强酸（HCl、H2SO4等）和弱酸（H2CO3、H2SiO3等），出水呈强酸性。酸性大小通常用强酸酸度来表示，又简称酸度。24三、弱酸性阳树脂的离子交换弱酸性阳树脂含有羧酸基团（—COOH），有时还含有酚基（—OH），它们对水中碳酸盐硬度有较强的交换能力，其交换反应为：22223CO2OH2MgCa)RCOO()HCO(MgCaRCOOH2目前常见的三种弱酸性阳树脂性能树脂中性盐分解容量出水酸度与NaHCO3交换作用甲基丙烯酸系～0无无丙烯酸系稍有开始阶段有只部分交换苯酚甲醛系小稍长时间有可交换25四、H—Na离子交换软化除碱在某些工业用水中，要求彻底去除水的碱度，比如锅炉用水。1、采用强酸性H离子交换树脂的H—Na离子交换2627经H—Na并联系统处理后水的碱度可降至0.35～0.5mmol/L，经H—Na串联系统处理后水的碱度可降至0.5～0.7mmol/L。282、采用弱酸性H离子交换树脂的H—Na离子交换五、阳离子交换树脂运行中问题及处理对策1、重金属污染水中铁、铝等重金属离子会对树脂产生污染，但目前最常见的是铁污染。防止树脂发生铁污染的措施有：（1）减少阳床进水的含铁量；（2）以减少铁腐蚀产物对阳树脂的污染；（3）选用含铁量低的工业盐酸再生阳树脂；（4）当树脂的含铁量超过150mg/g时，应进行酸洗（10～15%盐酸）。292、油脂类对树脂的污染303、阳树脂氧化降解阳树脂处于离子交换除盐系统的前部，首先接触水中的游离氯，极易被氧化。（1）阳树脂的氧化阳树脂被氧化后主要表现为骨架断链，生成低分子的磺酸化合物，有时还会产生羧酸基团，其反应为：一般可采用NaOH溶液循环清洗、及表面活性剂清洗等。阳树脂遇到的氧化剂主要是游离氯与水反应生成的氧，其反应如下：Cl2+H2O—→HOCl+HCLHOCl—→HCL+〔O〕31a、在阳树脂床前设置活性炭过滤器；b、严格监督工业盐酸的氧化性；c、选用高交联度的阳树脂。4、树脂的破碎常见的原因有：（1）制造质量差；（2）冰冻；（3）干燥；（4）渗透压的影响。32（2）防止阳树脂氧化的方法§3除CO2器一、除CO2器原理水经H离子交换器后，水中HCO3－转变为H2CO3，连同水中原有的CO2，其溶解量远远超出与空气中CO2含量平衡时的溶解度，因此，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力成正比，当液体中该气体溶解量超过它溶解度时，它会从水中逸出。33如果在氢离子交换后不立即将水中CO2去除，CO2进入阴离子交换器，将会使阴离子交换器负担加重，再生用碱量增多，还会影响阴离子交换器出水含量SiO2。（1）增大水与空气的接触面积，在除碳器中鼓入空气让水中CO2尽快与空气中CO2达到平衡，即大气式除碳器；34（2）让水温与水沸点接近，目前常用的是除碳器上部抽真空的方法，降低水的沸点，即为真空式除碳器。降低CO2气体分压，提高水中CO2逸出速度的方法为：1、除碳器结构填料可以是瓷环（也称拉西环）、鲍尔环、阶梯环或塑料多面空心球等，近年来逐渐改用塑料多面空心球、塑料波纹板等在20℃时，当水中CO2和空气中CO2达到平衡时，水中CO2浓度约为0.44mg/L，但在实际设备中，通过大气式除碳器后，一般可将水中的CO2含量降至5mg/L以下。35二、大气式除碳器2、工作过程这种方法不仅能除去水中的CO2，而且能除去溶于水中的O2和其它气体，因此这对防止后面阴离子交换树脂的氧化和减少除盐水系统（管道、设备等）的腐蚀，减少除盐水带铁，减轻除盐水系统生物滋生也是很有利的。通过真空式除碳器后，水中CO2可降至5mg/L以下，残余O2低于0.3mg/L。36三、真空式除碳器1、结构372、系统38§4水的阴离子交换处理一、强碱阴树脂工艺特性OH2)HSiO()HCO(ClSORSiOCOClSOHROH22232324233242在某些工业用水中，硅酸化合物危害很大，比如锅炉用水，由于硅酸化合物直接溶解在蒸汽中，所以必须彻底去除。强碱阴离子交换树脂的交换特性，主要是看其除硅特性，强碱阴离子交换树脂的除硅特性有以下几个方面：391、强碱阴树脂必须在酸性水中才能彻底除硅ROH＋NaSiO3－→RHSiO3＋NaOHROH＋H2SiO3－→RHSiO3＋H2O2、强碱阴离子交换树脂进水中Na＋含量必须很小当H离子交换进行得不彻底，以至于有漏Na＋现象时，则由于水通过阴离子交换器后显碱性，仍有除硅效果恶化的可能。403、强碱阴树脂必须彻底再生，有足够的再生度。41a.采用强碱再生；b.再生剂纯度要高；c.要有足够的再生剂用量；d.再生剂保证一定的浓度；e.再生液要有一定温度；f.要有足够的再生时间。424、阴离子交换树脂进水中其它阴离子含量，对阴树脂交换SiO2有影响，其中以CO2影响最大。除盐系统中脱碳器作用：a.去除水中CO2，减少阴树脂吸收CO2量，延长运行周期，