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1、离子交换离子交换一一离子交换原理离子交换原理二二一级除盐系统一级除盐系统三三混合型离子交换器混合型离子交换器四四影响离子交换器运行的因素影响离子交换器运行的因素树脂的离子交换是一种可逆反应，反应式可表示为：RA+B RB+A与任何化学平衡一样，上述反应遵循质量作用定律，它的逆反应就是A型树脂的再生。平衡常数表达式： KBA=RBA/（RAB）KBA1树脂对B的亲和力大于对A的亲和力，图中曲线c；KBAA13+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+ 排水装置压脂层200mm进水装置反洗空间中间排液装置树脂层1600mm逆流再生阳离子交换器结构图进水装置的作用是均匀分布进水于交换器的进水截面上。另一个
2、作用是均匀收集反洗排水。排水装置的作用是均匀收集处理好的水；另一个作用是均匀分配反洗进水。中间排液装置的作用：中间排液装置对逆流再生离子交换器运行效果有较大影响，其作用是均匀排出再生液，防止树脂乱层、流失外，还应有足够的强度，安装时应保证在交换器内呈水平状态，阳离子交换器结构压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机械杂质；使进水通过压脂层均匀作用于树脂层表面；防止树脂在逆流再生中乱层。 图4 交换器中离子分布情况 (a)开始进水时 (b)交换器失效时当交换器不断进水，随离子交换的不断进行，由于水中的Ca2+比Mg2+、Na2+与树脂的亲合力更大，更易被树脂吸收，所以水中的Ca2+离子可和已吸收了Mg
3、2+的树脂进行交换反应，使Ca型树脂层向下扩展，而被置换下来的Mg2+一起与Na+型树脂发生交换，使Mg2+型树脂层下移而Na+的交换区域也逐渐下移。在运行过程中，这三层不同型态的交换剂的高度在不断地向下扩展，如图4所示。阳床整个制水周期(运行开始到交换器失效这段时间)中电导率、钠离子浓度、酸度变化可用图5表示。开始通水正洗时随水的不断通入，水质越来越好。因而电导率、酸度、钠离子快速下降（a点前）。在ab为稳定制水过程，b点后树脂开始失效。此时水中钠增加，氢离子减少而氢氧根增加，使酸度下降，电导率下降。图5 强酸H型阳离子交 换 器典型出水曲线ab运行时的交换情况无顶压逆流再生的操作步骤：1）
4、小反洗。只对压脂层进行反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污染物。用水为该级交换器的进口水，流速树脂不乱层为宜，一直反洗至出水清澈为为止。2）放水。待树脂颗粒下沉后，放掉中间排液装置以上的水。3）进再生液。将再生液从底部充入交换器内，严格控制其流速和浓度。4）置换。进完再生液，关闭再生液计量箱出口阀，按再生液的流速和流量继续用稀释再生液的除盐水进行置换，直至出水指标合格为止。关闭进水阀。5）小正洗。水从上部进入，控制适当的流速，洗去再生后压脂层中残留的再生废液和杂质。 6）正洗。用水自上而下进行正洗，直到出水水质合格，即可投入运行。树脂的再生压脂层进水再生液出水逆流固定床制水和再 生流向图再生废液进水
5、再生液出水 交换器经过多周期运行后，下部树脂层也会受到一定程度的污染，必须定期对整个树脂层进行大反洗，大反洗前先进行小反洗，在大反洗时流量应由小到大，逐步增大。离子交换器的运行中技术经济指标有交换器的出水水质，工作交换容量和相应的再生剂 比耗，周期制水量及再生过程中消耗水量。工作交换容量(qi)：在一个制水运行周期中，平均单位体积树脂进行交换所放出的离子量（mmol/）。计算式： qi=(A+S)V/Vi。式中，A为平均进水碱度,mmol；为平均出水酸度,mmol；为从正洗合格开始制水到失效一周期内的总制水量，m3;Vi交换器内的树脂体积， m3。酸耗：使交换剂恢复mol的离子交换能力，所消耗
6、的酸的的克数。酸耗（gmol）酸的克数周期制水量(L)（阳床出口平均酸度阳床进口平均碱度）(mol)。比耗：再生剂的实际酸耗与理论酸耗（酸的摩尔质量）的比值。在实际中常用平均比耗来表示。水耗：每次再生所耗水的体积与树脂层体积之比。出水水质：是监督阳床出水的含钠量。运行时的技术经济指标2 . 除碳器 除碳原理水通过阳离子交换器，水中的HCO3-与从树脂上交换下来的H+结合，形成H2CO3极不稳定，随即分解生成的CO2：H2CO3 H2O+CO2水中的CO2，可以看作是溶解在水中的气体，它的溶解度与气体分压的关系符合亨利定律，即在一定的温度下气体在液体中的溶解度与该气体在液面上的分压成正比。只要降
7、低水面上CO2的分压力，溶于水中的游离CO2就能解吸出来。降低液面CO2气体分压的常用方法有鼓风和抽真空两种。 图6 除碳器结构除碳器工作时水中上部布水扳扳淋下，通过填料层后，从下部排入水箱。空气从下部由风机引入，通过填料层后由顶部排出。在除碳器中因填料的阻挡作用，从上面流下来的水被分散成许多小股水流、微小滴或水膜，增大了空气与水的接触面积。因空气中CO2含量很小（约0.03%），在水中溶解达平衡时不到0.45mg/L，这样水与空气接触时，水中的CO2便会析出。真空除碳真空除碳通过真空泵或喷射器，从除碳器的不同部位抽真空而达到除碳的目的。排水口进气口进水口 o o o o o o o o 排气
8、口填料支撑 扳填料层布水扳鼓风除碳器的结构 它的工作原理除了同上述的鼓风除碳所不同的是：在真空除碳过程中，水中其它溶解气体(如氧气)也同时被除去，这是鼓风除碳所不能做到的。 3. 阴离子交换器(阴床)1/2H2SO4 1/2SO4 HNO3 NO31/2H2CO3 +ROH R 1/2CO3 + 2H2O HCl CI1/2H2SiO3 HSiO3阴离子交换实质上是阴树脂中的OH与酸性水(经过阳离子交换及除碳)中的负离子进行交换。所以在强碱性阴离子交换器内发生的反应为： 图7 强碱性OH型离子 交换器出水水质变化根据强碱阴树脂的交换规律，HSiO3-集中在交换器中树脂的底部。所以当强碱性OH型
9、阴离子交换器失效时，HSiO3-先漏出来，致使出水的硅含量升高。因强碱阴树脂的选择性顺序为：SO42NO3ClOHFHCO3HSiO3压脂层进水装置反洗空间中间排液装置树脂层2500mm排水装置逆流再生阴离子交换器示意图阴离子交换器与阳离子交换器一样是逆流再生工艺，其操作步骤与阳离子交换器相同。其交换器结构示意图与阳离子交换器也相同。 进入离子交换器的水，应注意水中浊度、有机物、余氯和铁的含量。进入离子交换器的水，应注意水中浊度、有机物、余氯和铁的含量。1. 因为余氯在水中可以氧化强酸阳树脂，所以进入离子交换器前的余氯应因为余氯在水中可以氧化强酸阳树脂，所以进入离子交换器前的余氯应小于小于0.
10、1mg/l;2. 离子交换器进水浊度，对其运行有较大的影响，浊度大，会使污泥等被离子交换器进水浊度，对其运行有较大的影响，浊度大，会使污泥等被截留在树脂层表面，有时污泥会进入树脂层深处，影响出水和再生效果，截留在树脂层表面，有时污泥会进入树脂层深处，影响出水和再生效果，尤其是对流再生设备，会造成大反洗次数增多，降低或失去了对流再生尤其是对流再生设备，会造成大反洗次数增多，降低或失去了对流再生的优点。因此顺流再生设备，进水浊度小于的优点。因此顺流再生设备，进水浊度小于5NTU，逆流再生设备进水，逆流再生设备进水浊度小于浊度小于2NTU。3. 有机物对强碱阴树脂的污染，不但造成交换容量明显下降，还
11、会使出水有机物对强碱阴树脂的污染，不但造成交换容量明显下降，还会使出水电导率升高，漏硅量增大，电导率升高，漏硅量增大，pH值降低。若进入势力系统还会引起腐蚀，值降低。若进入势力系统还会引起腐蚀，所以进入离子交换器原水化学耗氧量应小于所以进入离子交换器原水化学耗氧量应小于2mg/l.4. 铁含量超标会污染阳、阴树脂，所以一级除盐进水铁含量应小于铁含量超标会污染阳、阴树脂，所以一级除盐进水铁含量应小于0.3mg/l，混床进水铁含量小于，混床进水铁含量小于0.1mg/l。一级除盐系统进水水质要求三 混合型离子交换器 1/2Ca2+、1/2Mg2+、Na+RH +R，OH + 1/2SO42、CI、H
12、CO3、HSiO3 Na 1/2SO4 R 1/2Ca + R， CI + H2O HCO3 1/2Mg HSiO3 由于阳、阴树脂混合均匀，所以阳、阴离子交换反应几乎是同时进行的，置换出的H+和OH立即生成水，都不会积累，消除了反离子作用，交换反应进行得十分彻底，出水水质很好。交换反应如下： 混合床结构示意图进水装置中间排液装置排水装置进碱装置反洗空间树脂层混合床是圆柱型密闭容器。其内部有进水装置、排水装置、中部有再生时排再生废液的中间排水装置等。为了便于阳、阴树脂分层，混合床中阳树脂与阴树脂的湿真密度差应大于0.150.20gcm3。国内混合床采用的阳、阴树脂的体积比为1：2。经过一级复床
13、处理后的水质，一般电导率小于0.2Scm，pH接近中性，含硅量(以SiO2计)在20gL以下。混合床结构1.失效终点的控制失效终点的控制 失效终点控制越严格，则出水越好。但同时树脂的工作交换容量降低，失效终点控制越严格，则出水越好。但同时树脂的工作交换容量降低，运行周期短，周期制水量少，制水成本高。因此，失效终点的控制应按运行周期短，周期制水量少，制水成本高。因此，失效终点的控制应按实际需要，不要过低，也不能要求过高。实际需要，不要过低，也不能要求过高。2.进水总离子含量的影响进水总离子含量的影响 一般说来，进水总离子含量少许增加时，由于树脂失效度提高，故树脂一般说来，进水总离子含量少许增加时
14、，由于树脂失效度提高，故树脂的工作交换容量会有少量增加。但进水总离子含量若大量增加，则由于的工作交换容量会有少量增加。但进水总离子含量若大量增加，则由于树脂的工作层加厚，将会造成成树脂的工作交换容量降低。周期制水量树脂的工作层加厚，将会造成成树脂的工作交换容量降低。周期制水量减少，运行周期短。在树脂层增高不能适应时，将会影响出水水质。减少，运行周期短。在树脂层增高不能适应时，将会影响出水水质。3.运行流速的影响运行流速的影响 流速过低时，树脂表面液膜较厚，水流呈滞流状态，水中离子不易交换，流速过低时，树脂表面液膜较厚，水流呈滞流状态，水中离子不易交换，使出水水质较差。适当提高流速，加快了离子扩
15、散速度，增加了离子交使出水水质较差。适当提高流速，加快了离子扩散速度，增加了离子交换的可能性，出水水质也相应地得到了提高；但是，流速过高，接触时换的可能性，出水水质也相应地得到了提高；但是，流速过高，接触时间短，交换反应进行不完全。同时工作层厚度增加，将造成出水水质恶间短，交换反应进行不完全。同时工作层厚度增加，将造成出水水质恶化和树脂工作交换容量降低。因此，一般运行流速在化和树脂工作交换容量降低。因此，一般运行流速在1030m/h范围内。范围内。四 影响离子交换器运行的因素（4）树脂层高度的影响）树脂层高度的影响 首先影响出水的水质，一般当流速在首先影响出水的水质，一般当流速在1030m/h
16、范围内时，出水水质随着范围内时，出水水质随着树脂高度增加而提高。其次，树脂层高度影响树脂的工作交换容量，从交树脂高度增加而提高。其次，树脂层高度影响树脂的工作交换容量，从交换器分层失效的原理可以看出，在进水杂质浓度、出水水质及流速一定的换器分层失效的原理可以看出，在进水杂质浓度、出水水质及流速一定的条件下，一般保护层高度是不变的。因此，适当地增加树脂层高度是有好条件下，一般保护层高度是不变的。因此，适当地增加树脂层高度是有好处的。但过高会增加交换器阻力。处的。但过高会增加交换器阻力。（5）运行方式的影响）运行方式的影响 交换器是连续运行还是间断运行，对出水水质和运行的经济性有很大的影交换器是连
17、续运行还是间断运行，对出水水质和运行的经济性有很大的影响，阴床间断运行的缺点更加明显，当阴床中断运行，重新投运时，出水响，阴床间断运行的缺点更加明显，当阴床中断运行，重新投运时，出水水质很差，必须经过清洗才能投入运行。水质很差，必须经过清洗才能投入运行。（6）水温的影响）水温的影响 再生液温度的提高，会增加扩散速度，对各种类型的树脂及其不同的失再生液温度的提高，会增加扩散速度，对各种类型的树脂及其不同的失效型态的影响是不同的，强酸树脂的再生液一般不需加热。若将盐酸加热效型态的影响是不同的，强酸树脂的再生液一般不需加热。若将盐酸加热到到40，再生，再生H型离子交换树脂，能大大改善树脂中铁及氧化物
18、的清除效型离子交换树脂，能大大改善树脂中铁及氧化物的清除效果。强碱型树脂的再生时提高再生液的温度，对氯型、硫酸型、碳酸型树果。强碱型树脂的再生时提高再生液的温度，对氯型、硫酸型、碳酸型树脂影响不大，而对硅酸型树脂的洗脱率却有着明显的提高。如再生液脂影响不大，而对硅酸型树脂的洗脱率却有着明显的提高。如再生液16时交换时间为时交换时间为100分钟，硅酸洗脱率只有分钟，硅酸洗脱率只有50%，而加热，而加热35时，硅酸时，硅酸洗脱率可达洗脱率可达100%。强碱树脂使用较高温度的再生液再生，可使下一个运。强碱树脂使用较高温度的再生液再生，可使下一个运行周期中出水行周期中出水SiO含量明显降低。但温度过高
19、，会造成树脂的交换基团含量明显降低。但温度过高，会造成树脂的交换基团分解，影响其交换容量和使用寿命。分解，影响其交换容量和使用寿命。（7）再生程度的影响）再生程度的影响 树脂再生的好坏，对于工作周期、交换容量以及出水水质均有影响。树脂再生的好坏，对于工作周期、交换容量以及出水水质均有影响。（8）树脂的老化）树脂的老化 离子交换树脂经长期使用后，会发生老化现象，此时，交换容量会明显离子交换树脂经长期使用后，会发生老化现象，此时，交换容量会明显下降，从而会影响交换效率。下降，从而会影响交换效率。（9）离子交换树脂的颗粒大小及均匀度。）离子交换树脂的颗粒大小及均匀度。 离子交换树脂的颗粒小，均匀性好
20、，能提高工作交换容量及提高出水水离子交换树脂的颗粒小，均匀性好，能提高工作交换容量及提高出水水质。但当颗粒过小时，会增大其水流阻力及破坏过滤的均匀性。质。但当颗粒过小时，会增大其水流阻力及破坏过滤的均匀性。（10）水的）水的PH值值 水的水的PH值大小对阳、阴离子交换树脂脂基团的离解作用有很大的影响。值大小对阳、阴离子交换树脂脂基团的离解作用有很大的影响。PH7对阳离子交换树脂较为有利，树脂交换基团离解能力越高，越易对阳离子交换树脂较为有利，树脂交换基团离解能力越高，越易和水中离子进行交换。因此，阳离子交换树脂易于在碱性介质中进行交和水中离子进行交换。因此，阳离子交换树脂易于在碱性介质中进行交换，而阴离子交的地脂易于在酸性介质中进行交换。换，而阴离子交的地脂易于在酸性介质中进行交换。
