第9章离子交换.ppt

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1、1,第九章 水的软化与除盐Softening and salt removal,第1节 概 述,2,一、水中主要溶解杂质离子：Ca2+,Mg2+,Na+(K+)HCO3-,SO42-,Cl-一般Fe2+,SiO32-含量较少。气体：CO2,O2 总硬度：Ca2+,Mg2+碳酸盐硬度（carbonate hardness、暂时硬度）非碳酸盐硬度（noncarbonate hardness）含盐量：阳阴,3,软化：降低硬度除碱：HCO3（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸）除盐：降低含盐量 二、硬度单位 mmol/L,meq/L,度（我国用德国度）德国度10 mg CaO/L 美国度1mg CaCO3

2、/L,4,三、水的纯度以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆 厘米）淡化水：高含盐量水经局部处理脱盐水：相当于普通蒸馏水，含盐量15mg/L纯水：亦称去离子水，含盐量1mg/L高纯水：含盐量0.1mg/L,5,四、软化和除盐基本方法1.软化(1)加热：去除暂时硬度(2)药剂软化：根据溶度积原理(3)离子交换：离子交换硬度去除比较彻底。2.除盐：蒸馏法、电渗析法、反渗透法、离子交换法,6,第2节 药剂软化法,一、石灰软化法：CaO+H2O=Ca(OH)2 CO2+Ca(OH)2-CaCO3+H2O Ca(HCO3)2+Ca(OH)2-2CaCO3+2H2OMg(HCO3)2+2Ca(OH)2-2C

3、aCO3+Mg(OH)2+2H2O 若碱度硬度，还应去除多余的HCO3 若水中存在Fe离子，也要消耗Ca(OH)2,7,所以，石灰投加量：CaO=CO2+Ca(HCO3)2+2Mg(HCO3)2+Fe+a a：CaO过剩量，一般为0.10.2 mmol/L为尽量降低碳酸盐硬度，石灰混凝沉淀可以同时进行。注意：石灰法只能降低碳酸盐硬度及降低水中的碱度。,8,二、石灰纯碱法 去除碳酸盐和非碳酸盐硬度CaSO4+Na2CO3-CaCO3+Na2SO4MgSO4+Na2CO3-MgCO3+Na2SO4MgCO3+Ca(OH)2 CaCO3+Mg(OH)2但纯碱太贵，此法一般不用。,9,三、石灰石膏法当

4、原水的碱度大于硬度，即负硬度（有碱度存在时）出现时2NaHCO3+CaSO4+Ca(OH)2-2CaCO3+Na2SO4+2H2O,10,第3节 离子交换基本知识,一、离子交换剂：磺化煤（煤磨碎后经浓硫酸处理得到）离子交换树脂,11,二、离子交换树脂 1结构 母体（骨架）：高分子化合物和交联剂经聚合反应而生成的共聚物根据组成母体的单体材料：苯乙烯（最广泛）、丙烯酸、酚醛系列活性基团：遇水电离，称为固定部分和活动部分，具有交换性（可交换离子）,12,如聚苯乙烯磺化 磺酸基团（SO3H）一种强酸性阳离子树脂,微孔形态：凝胶型、大孔型、等孔型等,13,2命名全名称：（微孔型态）（骨架名称）（基本名称

5、）如凝胶型苯乙烯系强酸型阳离子交换树脂 为了区别同一类树脂的产品，有时在前面加上一些数字。,14,3主要性能 密度：湿真密度：湿树脂质量/树脂颗粒本身所占体积（不包括颗粒之间的空隙）用于确定反冲洗强度，混合床的分层 湿视密度：湿树脂质量/树脂堆积体积计算树脂用量,15,2）交换容量：是树脂最重要的性能，表示树脂交换能力的大小。以体积和重量两种表示方式。全交换容量：可用滴定法测定或从理论上计算工作交换容量：实际工作条件下，全的6070,16,3)离子交换树脂的选择性与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关系，同时也受离子浓度和温度的影响。离子电荷愈多，愈易被交换 原子序数愈大，即水合半径愈小，

6、愈易被交换 Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+=NH4+Na+Li+SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3-H和OH的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。对于强酸阳树脂：H+Li+而对于弱酸阳树脂：H+Fe3+,17,三、离子交换平衡离子交换也是一种化学反应，存在交换平衡。RA+B-RB+A+离子交换选择系数为：KAB=RBA+/RAB+该值1，有利于交换反应的进行。计算泄漏量、极限工作交换容量、再生度极限值,18,q0：树脂全交换容量；q：树脂中B+离子浓度C0：溶液中两种交换离子的总浓度C：溶液中B+离子浓度,19,第4节 离子交换软化,一、阳离子交换树脂特性分强酸和弱酸。

7、强酸主要有RNa 和RH。1RNa 2RNa+Ca2+-R2Ca+2Na+2RNa+Mg2+-R2Mg+2Na+特点：去除碳酸盐和非碳酸盐硬度，总含盐量（阳离子总重量）有所变化，但碱度不变。,20,21,2RH碳酸盐硬度，生成CO2、H2O同时碱度也去除了。非碳酸盐硬度，生成H2SO4，HCl 出水酸性 对于Na+,RH+NaCl-RNa+HCl-产生钠型树脂，但不起软化作用,22,23,开始时出水呈酸性。Na开始泄漏时，出水酸度急剧下降。之后，RH交换转变为RNa型运行模式，对Ca和Mg仍有交换能力。出水Na离子逐渐超过原水中的浓度，呈碱性。然后硬度离子开始泄漏出水中离子泄漏的顺序为：H、N

8、a、Mg2、Ca2 失效点控制：脱碱，以Na泄漏为准 软化，以硬度离子泄漏为准。,24,3弱酸型RCOOH（目前应用广的主要是丙烯酸型）,25,由于电离较弱，只能去除碳酸盐硬度 2RCOOH+Ca(HCO3)2-(RCOO)2Ca+2H2O+CO2 但交换容量大（活性基团多），比强酸型高一倍。再生容易。,26,二、离子交换软化系统 1RNa 系统 原水碱度低（因为RNa不能去除碱度），不要求降低碱度的情况。可采用一级或二级串联。,27,2脱碱软化系统1HNa 并联,QN,QH,28,29,A原：进水碱度A混：混合水中的残留碱度S：进水中SO42、Cl含量之和,当量浓度QH：进RH水量 QN：进

9、RNa水量,30,第一种情况：RH以Na泄漏为准经RH产生的强酸量 S QH经RNa后的碱度 A原QN=A原(Q-QH)混合水中的剩余碱度 Q A混物料平衡:A原(Q-QH)S QH A混QQH(A原A混)/（A原S）QQN（A混S）/（A原S）Q,31,第二种情况：RH以硬度离子的泄漏为准。则RH产生的酸度非碳酸盐硬度HF 同样推出：QH（A原A混）/（A原HF）QQN（A混HF）/（A原HF）Q 但应注意RH出水在一个周期内是不均匀的？在任何时间都保证不出现酸性水很难。因此，以Na+泄漏运行为宜。,32,2）HNa 串联系统,33,水量分配公式与并联时的相同。这种型式可以降低RNa的负荷。

10、H-Na并列：适用于碱度高的原水。因为只有一部分水过RNa。投资省。H-Na串联：适用于硬度高的原水，出水水质能保证。运行安全可靠。CO2产生量：1mmol/L的HCO3-产生44mg CO2/L,34,三、固定床离子交换软化设备1离子交换装置的分类 固定床：单床、双层床、混合床连续床：移动床和流动床,35,2固定床的工作过程,饱和区,交换区,未交换区,交换带形成阶段交换带下移,为保证一定的水质：应有一个保护层交换带高度交换带影响因素：水流速度、树脂大小、原水水质,36,3工作交换容量在给定工作条件下的实际交换能力。,P1：再生完毕，软化开始前残存硬度离子所占的百分数,P3：软化结束时，树脂层

11、中交换不到部分所占的百分数。,P2（工作交换容量）P1+P2+P3100,影响因素：再生程度、软化时的流速、原水水质,37,4.树脂再生 固定床再分为顺流再生和逆流再生两种。逆流再生：降低再生剂用量；出水质量提高、工作交换容量提高。RNa型：用NaCl再生RH型：用HCl 或H2SO4 再生。,38,39,第5节 离子交换除盐,需求：高温高压锅炉的补给水、某些电子工业用水等,一、阴离子树脂特性阴树脂是在粒状高分子化合物母体的最后处理阶段导入各种胺基而成的。1.强碱性阴离子树脂,40,可以交换经H离子交换出来的各种阴离子。SO42、Cl、HCO3、HSiO3-为彻底除硅：阴离子树脂进水pH必须较

12、低。ROH+H2SiO3-RHSiO3+H2O 若进水酸性降低，则ROH+NaHSiO3-RHSiO3+NaOH生成的NaOH阻碍反应向右进行。,41,化学稳定性比阳树脂差。易受氧化剂的氧化而变质。特别是其中的氮氧化后，碱性逐渐变弱。交换容量逐渐较少。抗有机物污染能力较差交换能力逐渐降低。原因尚不清楚。但一般认为阴树脂的交联程度不均，有机物易被交联紧密部分卡住。,42,2弱碱性阴树脂,只能与强酸阴离子交换反应（以酸形式存在时）如：R-NH3OH+HCl=R-NH3Cl+H2O,43,极易再生与强碱阴树脂联合使用弱碱去除强酸阴离子强碱去除其他阴离子 同时，强碱阴树脂的再生废碱液再生弱碱性阴树脂树

13、脂内部孔隙较大，抗有机污染能力较强，交换容量较大。,44,二、复床除盐1）强酸脱气强碱：最基本,45,2）强酸脱气弱碱强碱适用于有机物含量高、强酸阴离子多的情况,除硅,除强酸阴离子,46,三、混合床 阳、阴树脂按比例混合装在同一反应器内。再生时分层再生，使用时均匀混合。相当于许多阳、阴树脂交错排列而成的多级复床。一般交换反应为：RHROHNaCl-RNaRClH2O 平衡常数（选择性系数）K=KHNa KOHCl 1/KH2O 1 交换反应彻底,47,体内再生：,特点：出水水质好而稳定，交换终点明显，设备较少。缺点：树脂交换容量利用率比较低，损耗率大。再生操作复杂。应用：在除盐系统的最后，起精

14、加工作用。,48,四、双层床1阳树脂 弱酸型：去除碳酸盐硬度 强酸型：去除非碳酸盐硬度及钠盐 应用：硬度和碱度接近或硬度略大于碱度，Na含量不大的水质条件。,49,2.阴树脂双层床 弱碱：去除强酸阴离子强碱：去除弱酸阴离子注意再生条件：防止胶体硅胶聚集在弱碱树脂上,50,第6节离子交换法处理工业废水,一、离子交换处理工业废水的特点1.工业废水水质复杂：含各种悬浮物和油类、溶解盐类 适当预处理2.pH的影响：影响某些离子在废水中的形态，影响树脂交换基团的离解。3.温度影响：温度高，有利于交换速度的增加，但对树脂有损害，适当降温。,51,4.高价金属离子：引起中毒，用高浓度酸再生5.氧化剂：尽量采

15、用抗氧化性好的树脂6.有机污染：可采用大孔型树脂7.再生：再生剂的选择要考虑回收有用物，不能回收时，要进行妥善处置。,52,二、应用重金属废水，回收重金属例如：处理含铬废水六价铬：铬酸根CrO42-和重铬酸根Cr2O72-三价铬：Cr3+阳树脂去除三价铬：3RH+Cr3+-R3Cr+3H阴树脂去除六价铬：2ROH+CrO42-R2CrO4+2OH-2ROH+Cr2O72-R2Cr2O7+2OH-,53,失效后再生：R3Cr+3HCl-3RH+CrCl3R2CrO4+2NaOH-2ROH+Na2CrO4R2Cr2O7+4NaOH-2ROH+2Na2CrO4+H2O阴树脂的洗脱液再经一级RH回收铬酸。4RH+2Na2CrO4-4RNa+H2Cr2O7+H2O 脱钠柱失效后再用HCl再生：RNa+HCl-RH+NaCl,54,