离子交换软化实验报告

11实验目的(1)熟悉顺流再生固定床运行操作过程；(2)加深对钠离子交换基本理论的理解。2实验原理当含有钙离子或镁离子是造成水硬度的主为成分。当含有钙离子或镁离子的水通过装有阳离子交换树脂的交换器时，水中的Ca2+及Mg2+便与树脂中的可交换离子（钠型树脂中的Na+,氢型树脂中的H+）交换，使水中的Ca2+和Mg2+含量降低或基本上全部去除，这个过程叫做离子交换树脂对水的软化。钠离子交换用食盐（NaCl）再生，氢离子交换用盐酸或硫酸再生。基本反应式如下:（1）钠离子交换软化2RNa+{Ca(HCO3)2CaCl2CaSO4}→R2Ca+{2NaHCO32NaClNa2SO4}2RNa+{Mg(HCO3)2MgCl2MgSO4}→R2Mg+{2NaHCO32NaClNa2SO4}再生R2Ca+2NaCl→2RNa+CaCl2R2Mg+2NaCl→2RNa+MgCl2（2）氢离子交换交换2RH+{Ca(HCO3)2CaCl2CaSO4}→R2Ca+{2H2CO32HClH2SO4}2RH+{Mg(HCO3)2MgCl2MgSO4}→R2Mg+{2H2CO32HClH2SO4}再生2R2Ca+{2HClH2SO4}→2RH+{CaCl2CaSO4}R2Mg+{2HClH2SO4}→2RH+{MgCl2MgSO4}钠离子交换的最大优点是不出酸性水，但不能脱碱；氢离子交换能去除碱度，但出酸性水。本实验采用钠离子交换。3实验内容3.1实验设备与试剂表3-1实验中所用试剂及说明仪器（试剂）数量或说明软化装置1套100mL量筒1个秒表1块2000mm钢卷尺1个测硬度所需用品若干食盐1000g3.2实验装置实验装置如图3-1所示。3图3-1离子树脂交换装置1—软化柱；2—阳离子交换树脂；3—转子流量计；4—软化水箱；5—定量投再生液瓶；6—反洗进水管；7—反洗排水管；8—清洗排水管；9—排气管3.3实验步骤(1)熟悉实验装置，搞清楚每条管路、每个阀门的作用；(2)测原水硬度，测量交换柱内径及树脂层高度；用100mL吸管移取三份水样，分别加5mLNH3-NH4Cl缓冲溶液，2~3滴铬黑T指示剂，用EDTA标准溶液滴定，溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点。(3)将交换柱内树脂反洗数分钟，反洗流速采用15m/h，以去除树脂层的气泡；(4)软化：运行流速采用15m/h，每隔10min测一次水硬度，测两次并进行比较；(5)改变运行流速：流速分别取20、25、30m/h，每个流速下运行5min，测出水硬度；(6)反洗：冲洗水用自来水，反洗结束将水放到水面高于树脂表面10cm左右。(7)根据软化装置再生钠离子工作交换容量（mol/L），树脂体积（L），顺流再生4钠离子交换NaCl耗量（100~120g/mol）以及食盐NaCl含量（海盐NaCl含量≥80～93%），计算再生一次所需食盐量。配制浓度10%的食盐再生液；(8)再生：再生流速采用3~5m/h。调节定量投再生液瓶出水阀门开启度大小以控制再生流速。再生液用毕时，将树脂在盐液中浸泡数分钟；(9)清洗：清洗流速采用15m/h，每5min测一次出水硬度，有条件时还可测氯根，直至出水水质合乎要求为止。清洗时间约需50min；(10)清洗完毕结束实验，交换柱内树脂应浸泡在水中。4数据记录与整理表4-1原水硬度及实验装置有关数据原水硬度(以CaCO3计)/(mg/L)交换柱内径/cm树脂层高度/cm树脂名称及型号103.83560钠型树脂表4-2交换实验记录运行流速/(m/h)运行流量(L/h)运行时间/min滴定体积V/mL出水硬度(以CaCO3计)/(mg/L)1514.4100.454.51514.4100.414.12019.250.353.52524.150.212.13028.950.181.8表4-3反洗记录反洗流速/(m/h)反洗流量/(L/h)反洗时间/min1514.4105表4-4再生记录再生一次所需食盐量/kg再生一次所需浓度10%的食盐再生液/L再生流速/(m/h)再生流量/(mL/s)1101514.43表4-5清洗记录清洗流速/(m/h)清洗流量(L/h)清洗历时/min滴定体积V/mL出水硬度(以CaCO3计)/(mg/L)1514.451.0710.7100.404.0150.454.5注：①EDTA二钠的浓度为C=10mmol/L②实验中，每改变一次流速，都是等待水流稳定后才开始计时。③出水硬度=C(EDTA二钠)*V(滴定体积)*M(CaCO3)/V’(水样体积)5数据处理与分析5.1绘制不同运行流速与出水硬度关系的变化曲线5.1.1计算15m/L时的平均出水硬度平均出水硬度C̅=4.5+4.12=4.3mg/L相对偏差δ=4.5−4.34.3×100%=4.65%5%故运行流速为15m/L时，实验测量符合测量要求，测量结果可运用于理论分析。5.1.2绘制变化曲线以离子交换的运行流速为横坐标、出水硬度为纵坐标，绘制两者之间的关系6曲线如图5-1所示。图5-1运行流速与出水硬度关系曲线由上图可看出，不同流速下，出水硬度均低于5mg/L，说明离子交换软化效果良好。此外，随着运行流速的增大，出水硬度逐渐降低。交换液的流速实际上反映了达到反应平衡的时间，在交换过程中，离子进行扩散-交换-扩散一系列步骤，运行流速对这一系列步骤起着重要的影响作用。一般，交换液流速大，在树脂层的停留时间缩短，离子的透析量高，水中的部分钙、镁离子未来得及交换而通过树脂层流失的量增多。因而，理论上出水硬度应随着运行流速的增大而减少，然而实验结果却与理论现象截然相反，对出现此异常现象的可能原因作出分析如下：（1）一般，反洗之后树脂床应该被静置，然后由其自身的重力使之压实（静置时间约5mins）而形成均匀的树脂床结构。实验中反洗过后没有经过充分静置即开始进行离子交换软化实验，这可能导致树脂层颗粒堆积不够密实，树脂颗粒间存在较大缝隙。在软化初始阶段，部分原水可能未与树脂充分接触便直接通过缝隙流出，从而导致出水硬度偏高；随着软化的进行、运行流速的增大，树脂层逐渐被压实，树脂颗粒间缝隙减小，原水与树脂充分接触，离子交换的进行比之前更加充分，故而出水硬度逐渐降低。（2）过小的流速会造成原水只与树脂表面离子进行交换，水不能进入树脂内7部。树脂表面通常仅提供20%的交换容量，树脂里面能提供80%交换容量。在实验条件下，可能由于15m/L的初始流速偏小，软化最开始时原水只树脂表面离子进行交换，从而导致初始时出水硬度偏高。5.2绘制不同清洗历时与出水硬度关系的变化曲线以树脂清洗历时为横坐标、出水硬度为纵坐标，绘制两者之间的关系曲线如图5-2所示。图5-2清洗历时与出水硬度关系曲线由上图可以看出，清洗历时为5min时，出水硬度大于10mg/L，此时的出水硬度是偏大的，故仍需继续清洗；当清洗历时延长到10min时，对应的出水硬度已降至4.0mg/L，基本满足出水要求；清洗历时达到15min时，出水硬度为4.5mg/L，与10min时的数值相近，说明此时出水硬度已基本达到稳定，可结束清洗工作，无需再进一步清洗。6误差分析(1)本次实验滴定所用的体积都极小，对操作技术和仪器质量都要求极高，滴定时读数有微小偏差、滴定管有微量漏液都会对实验结果造成较大影响。(2)实验所用的离子交换树脂是上午组使用过的，如果上午组对树脂的再生过程8控制得不好，将对本次实验树脂的软化性能造成一定影响。(3)由于溶液由紫红色变为天蓝色极为迅速，且在终点前即使再滴加半滴，也会使终点颜色过于深色，因此，滴定过程色差的判断误差会对硬度的测定结果产生影响。7思考与讨论7.1影响离子交换容量的因素（1）流速(gpm/ft，m/h)通常流速越大离子交换所需要的工作层越大，树脂有效利用率会下降，但产水能力会提高。反之流速越小所需的工作层越少，树脂利用率增加，但产水能力下降。过小的流速会造成原水只与树脂表面离子进行交换，水不能进入树脂内部。树脂表面通常仅提供20%的交换容量。树脂里面能提供80%交换容量。合理的交换流速对提高设备产水能力及交换能力是非常重要的，一般建议运行流速控制在（中国20-30m/h，美国4-10pm/ft2）小型全自动钠离子交换器装置可适当提高。（2）水与树脂的接触时间：（gpm/ft3）水与树脂的接触时间越长，交换越充分，但相对单位树脂的产水能力下降，接触的时间越短，交换越充分，单位树脂的交换能力下降，而单位树脂的产水能力提高。因此合理的接触时间对于软化器的经济运行非常重要。一般建议1.0-5.0gpm/ft3树脂或8-4bv/h。（每小时流量为树脂装载量的八至四十倍）（3）树脂层的高度离子交换柱树脂层越低，流速对其交换能力的影响就越大，当树脂层达到一定高度时，树脂层高度造成的流速对其交换能力的影响可降到比较低的程度。（4）温度水温增加能同时加快内扩散，提高交换能力，无论是运行或再生，适当地提高水温对于离子交换是有益的。（5）再生剂质量(NaCl)再生剂纯度度越高，树脂的再生度越高，出水的离子泄露量越少，因此提高9再生剂纯度及运用软化水溶盐可提高再生度。（6）再生液流量通常再生液流量越小获得的再生效果越好。但过低的再生液流量会使再生时间过长，易使再生剂绕过树脂表面再生。因此一般要求再生液流量在0.25-0.9gpm/ft3(或顺洗流量4-6m/h，逆流再生2-3m/h)。（7）再生液浓度根据离子平衡原理，再生液浓度提高，可以使树脂的交换能力提高，但再生剂用量一定的条件下，再生液浓度过高，会缩短再生液与树脂的接触时间，从而降低了再生效果。一般盐液浓度控制在10%左右为宜。（9）再生剂用量树脂的交换在再生理论上是按等当量进行即1mol的再生剂可恢复一个1mol的交换容量，(即使用58.43的NaCl)。但实际上再生剂的耗量要比理论值大得多。实验证明再生剂用量越多，获得的树脂工作交换容量越大。出水质量越好。但随着再生剂用量的不断增加，工作交换容量的提高会越来越少。经济性会不断下降。因此再生耗盐，应根据不同的原水水质，再保证一定的交换能力及水质条件下，尽可能选用比较经济合理的耗盐量。（9）树脂不同的树脂所提供的交换能力是不一样的。通常锅炉用全自动钠离子交换器要求使用的树脂其交联度不应低于7。7.2影响离子交换树脂再生的因素离子交换树脂再生长度的好坏，和许多因素有关，再生剂用量、浓度、温度和流速等都是影响再生过程的主要因素。（1）再生剂的用量从理论分析，再生剂用量应与树脂工作交换容量相当，但实际上由于交换反应是可逆的，再生剂用量需远远超过理论用量才能满足足够的再生度要求，再生剂的比耗增加，可以提高交换树脂的再生程度，但当比耗增加到一定程度后，再继续增加比例，再生程度提高很少，所以用过高的比耗是不经济的，因此，实际10操作过程中通常再生剂用量为理论用量的3-4倍，树脂的工作交换容量可以恢复到原来的70%-80%。（2）再生剂浓度一般而言，再生剂的浓度越大，再生程度越高，但当再生剂的用量一定时，再生剂浓度增高，会使再生液的体积流量减少，与树脂的接触时间缩短而且可能产生不均匀的再生反应，再生效果下降，导致制水周期缩短，再生次数增加，酸碱用量增大，所以生产上需要合理的控制再生剂的浓度。（3）再生剂的流速再生剂的流速应控制适宜以保证再生反应充分，再生反应流速主要取决于离子的扩散速度，但同时与离子的价态有关，一般价态越高所需反应时间越长，再生剂流速过快，有利于离子的扩散，但却减少再生剂与树脂的接触时间，再生效果反而可能降低，流速太小则不利于离子扩散，再生效果也会受到影响，（4）再生液温度提高再生液的温度，能同时加快内扩散和外扩散，虽然对提高树脂再生效果有利，同时提高温度能大大改善对树脂中的铁、铜以及其氧化物和硅杂质的清除程度，但由于树脂热稳定性的限制，再生剂的温度不宜过高，一般控制在25-40度为宜。7.3离子交换树脂再生过程为何要进行反洗(1)除去离子交换树脂床中夹杂的污垢。(2)除去碎的树脂颗粒。(3)放松树脂床中压实的区域和结块。(4)分离树脂(好的颗粒