牛人课件---离子交换资料

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1、4-3离子交换,离子交换剂 离子交换平衡 离子交换过程与再生过程 离子交换设备和设计计算 离子交换法在污水处理中的应用 离子交换系统的操作管理与维护,概述,离子交换法：借助于离子交换剂上的可交换离子和污水中的其他同性离子进行交换反应而使水质净化的方法。 应用 给水处理：水的软化，脱碱除盐，制备纯水等 工业废水：回收和去除水中的金、镍、铜、铬等；用于去除原子能工业废水中的放射性同位素；去除污水中磷酸、硝酸、氨、有机物等。 特点：预处理程度高，应用范围窄，离子交换剂的再生及再生液的处理是个难题。但此法去除效率高，设备较简单，操作易控制，且离子交换材料可根据需要人工合成等优点。,一、离子交换剂 天然

2、的交换剂,离子交换树脂 1、 生产过程:我们先简单介绍一下离子交换树脂的生产方法与过程，将有助于了解其构造和性质。 其生产方法有两种：,缺点：交换容量小，而且用量多，管理不便。 发展：人工合成交换剂（磺化煤树脂） 下面介绍树脂的制作过程，构造，分类及性能。,原料,交联剂,常用,2、 树脂的构造（R-SO3-H+ ）,离子交换树脂：一种多孔结构的固体球形颗粒，由交联结构的高分子骨架(树脂母体)与附属在骨架上的许多活性集团(交换集团)所构成的不溶性的高分子电解质。,3、 分类 1）按电性分： 阳离子交换树脂，可解离部分阳离子(H+或金属离子) 阴离子交换树脂，可解离部分阴离子（OH或酸根） 2）按

3、活性基团的解离常数大小 : 强酸性阳离子交换树脂K 弱酸性阳离子交换树脂K 强碱性阴离子交换树脂K 弱碱性阴离子交换树脂K 3）按颗粒内部结构特点分： 凝胶型、大孔型与等孔型 4）按按单体种类：苯乙烯系、酚醛系、丙烯系 主要掌握：阳离子交换树脂或磺化煤：软化、脱碱； 阴、阳离子交换树脂配合：除盐。,三、 离子交换树脂的性能： 物理性能 1 外观： 颜色：凝胶型多为透明半透明，大孔型为乳白色不透明 分黄、白、褐色。 形状：球形。 产品效率高，表面积大，水力条件好，损失小，耐磨。 2 粒径： 选择粒径d主要对交换速度、水流阻力和反洗有影响。 d小，比表面积大，交换速度快，交换容量利用较充分，但阻力

4、大，浪费水头，易流失。工程上选d0.2mm 国产树脂的颗粒一般都在0.31.2mm。,3 密度 a、干真密度：树脂在干燥的情况下的真实密度 b 、 湿真密度：指树脂在水中充分溶胀后，其重量与真实体积（不包括树脂间的孔隙）之比。（g/ml）(1.041.30) 苯乙烯型强酸树脂湿真密度约1.3g/ml，强碱树脂为1.1 g/ml 意义： 1）决定反洗强度 2）混合床水力分级,c 、湿视密度：树脂充分溶胀后，其重量与堆积体积之比。（g/ml）一般0.60.85g/ml。,4、含水率 树脂在水中充分膨胀后，每克湿树脂所含水分的百分数(约50%)，相应地反映了树脂网架结构中的孔隙率。树脂的交朕度越小、

5、孔隙率越大，含水率越高。 5、机械强度 反映树脂保持颗粒完整的能力。 取决于交联度和溶胀率。 6、耐热性 温度过高，热分解；温度低于0度，树脂内水分冻结，使颗粒破裂。 5-40 ，否则影响树脂的使用寿命。,7、溶胀性 树脂膨胀的体积占全体积的百分率。 A 、绝对溶胀度：惰性骨架内的活性基团亲水，使水涌入骨架内而使体积增加，即干树脂变成湿树脂。 所以实际使用过程中总是先将树脂溶胀，然后再填装到反应器内。一般来说，低交联度的，强性树脂，水合离子半径大的溶胀率大。 B 、相对溶胀度：转型时，树脂体积发生变化。 RHRNa（为了运输方便） 一般，强性树脂转型变化不大，弱性树脂转型变化较大。,化学性能

6、1、离子交换容量： 容积法：单位体积湿树脂中离子交换基团的数量，（mmol/L或mol/L）。 重量法：指单位重量的干树脂中离子交换基团的数量，（mmol/g,或mol/kg）。 总交换容量：是指单位重量或体积树脂内的交换基团总量或可交换离子的总数量，表示单位树脂所能吸附去除离子的最大量。 工作交换容量：一定量的树脂在给定的工作条件下实际的交换容量。与再生方式、原水含盐量及组成、树脂层厚度、水流速度、再生剂用量等有关。 有效交换容量：工作交换容量减去因正、反洗损失的交换容量。,2、有效工作pH范围 此范围与树脂内活性基团的解离常数有关。 由于树脂活性基团分为强酸、弱酸、强碱和弱碱，水的pH值势

7、必对它们的交换容量产生影响。强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与pH值无关。 弱酸树脂在水pH值低时不电离或只部分电离，因而只能在碱性溶液中，才含有较高的交换能力。弱碱性树脂相反，在pH值高时不电离或只部分电离，只有在酸性溶液中才具有较高的交换能力。,3、交联度 交联剂的质量占单体质量的百分数称为交联度，通常交联剂的用量直接影响到交联度，7%-10%。 交联度高，孔隙率较低，密度较大，离子扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较小，再生时间长；浸泡水中时，水化度较低，形变较小，较稳定，不易破碎。 4、化学稳定性：污水中的氧化剂可使树脂网状结构破坏，活性基团的数量和性质

8、发生变化。 强碱树脂易被氧化，失去交换能力。 措施：采用高交联度的树脂；加入还原剂；使交换柱内的pH值保持在6左右。,5、选择性：常温、低浓度条件下， 强酸性阳离子： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+H+Li+ 弱酸性阳离子： H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+Li+ 强碱性阴离子： SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3- 弱碱性阴离子： OH-SO42-NO3-Cl-F-HCO3-HSiO3- 注意：在高浓度溶液中，浓度的高低是决定离子交换反应方向的关键因素。再生时即利用这一特点进行。,3.离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别 a.树脂

9、选择： 分离阳离子或有机碱性物质时，采用阳离子树脂；分离阴离子或有机酸性物质时，采用阴离子树脂；分离两性物质，既可以采用阴离子树脂，也可采用阳离子树脂；分离重金属物质采用螯合树脂；对有机物，采用低交联度的大孔树脂；脱盐系统采用强型树脂。 对交换势大的离子宜采用弱性树脂，其交换能力强，再生容易，运行费用低；当水中含有多种离子时，可利用离子交换选择性进行多级回收；如不回收时，可采用阳、阴床混合处理。,b.树脂保存：0-40存放，并保持湿润。 低于0存放或发现树脂脱水时，应用饱和食盐水浸泡。高于40，易使树脂脱水，并对阴树脂有降解作用。 c.树脂使用：预处理，分别用水、5%盐酸、2%-4%NaOH反

10、复浸泡清洗两次，每次4-8h； 操作过程中树脂性能降低的原因: 物理破损或流失； 活性基团的化学分解； 无机物或有机物覆盖树脂表面。,4.3.2 离子交换平衡 离子交换的实质是不溶性的电解质与水中另一种电解质所进行的化学反应，即交换离子与水中的同性离子进行等量交换，是可逆的离子交换反应。,4.3.3.1 离子交换过程： 交换带形成阶段：交换过程开始阶段，此时树脂饱和度不断发生变化，直到形成一定形状的曲线。 交换带推移阶段：交换带以一定速度沿着水流方向向下推移的过程。 交换带：交换柱中正在进行离子交换反应的区域，称之为树脂交换工作层。 当交换带推移到达整个树脂层底部，钙、镁开始泄漏时，停止交换，

11、进行再生。,交换带高度及推进速度取决于树脂类型，水中交换离子的种类和工作条件。 离子供应速度V1：单位时间内进入树脂层内的离子数量。流量越大，离子供应速度值越大。 离子交换速度V2：单位时间内交换的离子数量，给定的树脂及水中离子，其值为常数。 可见：若V1V2，则交换带高度大，推进速度快，树脂利用率低。 若V1V2，交换带高度小，推进速度慢，树脂利用率离。 适宜速度：1530m/h,4.3.3.2离子交换设备 离子交换器，可承受400-600KPa压力的钢罐。 结构：上部配水管系、树脂层、下部配水管系 树脂层：1.5-2.0米 固定床：交换与再生在同一交换器内完成。 4.3.3.3再生 1）顺

12、流再生固定床 交换：原水由上部配水系统进入经过树脂层完成软化过程后，经下部配水系统流出，当硬度开始泄漏时停止。 反洗：由下部配水系统自下而上通过树脂层，使树脂层产生膨胀以清除其中的杂质。 再生：与原水流相同方向进入再生液，进行再生,再生液，食盐：5%-10%；盐酸：4%-6%；硫酸：2% 清洗：用软化水对树脂层进行正向清洗。 特点：构造简单，运行操作简单；树脂层上部再生程度高，下部再生程度差；出水剩余硬度高，工作周期短；适用于小规模及原水硬度较低的场合 2）逆流再生固定床 在树脂层表面处设有中间排水装置，并在上面装填15cm的压脂层 压脂层作用：1.使压缩空气均匀而缓慢地排出； 2.预过滤 压

13、缩空气作用：保证树脂层不乱层，避免大反洗。,逆流再生固定床操作步骤： a.小反洗：从中间排水装置进入流速5-10m/h的反洗水，松动树脂层并清除其中悬浮固体，历时10-15分钟； b.放水：放掉中间排水装置上部的水； c.顶压：从交换器顶部进入30-50KPa的压缩空气 d.进再生液：在顶压情况下，从底部进入，5m/h e.逆流清洗：顶压条件下，以5-7m/h的软化水冲洗，直到出水合格； f.正洗：以流速10-15m/h的水流自上而下清洗直至出水合格。,逆流再生优点： a.再生剂耗量可降低20%以上； b.出水质量显著提高； c.原水水质适用范围大，对于硬度较高的水，仍能保证出水水质； d.再

14、生废液中再生剂有效浓度明显降低，1%； e.树脂交换容量有所提高。,连续床离子交换 由交换塔、再生塔及清洗塔组成 原水同交换塔下部进入，向上快速流动，将树脂层承托起来并与之进行离子交换；当出水离子穿透时，停止进水，并由塔下排水，排水时树脂层下降，称落床，由塔底排出饱和树脂，同时阀门打开，放入再生后的树脂，之后，重新进水，运行。 特点：树脂用量少，为固定床1/3-1/2，但树脂磨损率大，能连续产水，出水水质较好，但对进水变化的适应性差；设备小，投资省，但自动化程度要求高。,2.离子交换软化方法 1)Na离子交换软化法：即可去除碳酸盐硬度，又可去除非碳酸盐硬度，饱和后用食盐再生。 特点：软化过程中

15、不产生酸性水，设备和管道防腐设施简单，但只能去除硬度，不能脱碱，适用于原水碱度较低只须软化的场合，可作低压锅炉的给水处理系统。,2)H离子交换软化法：再生剂用硫酸或盐酸 硬度和碱度均可去除，出水呈酸性，故该法不能单独使用，常与Na离子交换法联合使用。 3)H-Na联合离子交换脱碱软化法 串联系统：原水一部分进入H离子交换器，出水与另一部分混合，进入除CO2装置，最后由泵打入钠离子交换器。 并联系统：原水一部分进入H离子交换器（出水 呈酸性），另一部分进入钠离子交换器（碱性），二者出水进入中和反应器进行反应，最后进入除CO2装置后出水。,除CO2作用：CO2气体腐蚀金属，对混凝土也有侵蚀作用；游

16、离的碳酸进入阴离子交换器，将加重强碱树脂的负荷。 二者均能实现脱碱软化的目的，但并联系统只是部分原水通过Na离子交换器，而串联系统所有原水全部通过Na离子交换器。从实际运行效果看，串联系统更安全可靠，适于处理高硬度水，能满足低压锅炉对水质的要求。,4)弱酸性H离子交换软化法：丙烯酸型 主要与水中碳酸盐硬度起交换反应： 产物为碳酸，只有极少量离解为H+，且易分解成CO2逸出，有利于树脂上H+的继续离解。,若与非碳酸盐反应： 产物为强酸，弱酸树脂对H+的亲和力大于其它阳离子，这也是用酸再生弱酸树脂比再生强酸树脂容易的原因。再生液浓度可以很低，再生用酸量接近理论值。 优点：单体结合的活性基团多，交换容量大，从而交换设备体积小；再生容易且耗酸量低，运行费用低。 缺点：只能降低水中的暂时硬度。若需深度软化，可与Na型强酸树脂串联使用或组成双层床,二、除盐 (一)复床除盐 复床系指阳离子和阴离子交换器串联使用 1.强酸-脱气-强碱系统 强酸：去除Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子，出水呈酸性 强碱：去除SO42-、Cl-、HCO3-、HSiO