水的化学除盐.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水的化学除盐,能动*化学,一、离子交换基本理论,离子交换原理及离子交换过程,离子交换树脂基础介绍,交换反应的可逆性及失效树脂的再生,离子交换树脂的吸附选择性,工作作交换容量,及,工作层及影响因素,1.1离子交换原理,离子交换树脂中含有一种(或几种)化学活性基团，它即是交换官能团，在水溶液中能离解出某些阳离子(如H+或Na+)或阴离子(如OH或Cl)，同时吸附溶液中原来存有的其他阳离子或阴离子。即树脂中的离子与溶液中的离子互相交换，从而将溶液中的离子分离出来。,由于运行时阴、阳树脂是相互混匀的，所以其阴、阳离子的交换反应几乎是同时进行的。或者说，水中阳离子交换和阴离子交换是多次交错进行的，因此经H离子交换所产生的H+和经OH离子交换所产生的OH-都不会累积起来，而是马上互相中和生成H2O，这就使交换反应进行得十分彻底，出水水质很好。,阳离子交换树脂 阴离子交换树脂,大孔树脂在型号前加“D”，凝胶型树脂的交联度值可在型号后用“”号连接阿拉伯数字表示。如D0017，表示大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，其交联度为7。,树脂的交联度，即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数，对树脂的性质有很大影响。通常，交联度高的树脂聚合得比较紧密，坚牢而耐用，密度较高，内部空隙较少，对离子的选择性较强；而交联度低的树脂孔隙较大，脱色能力较强，反应速度较快，但在工作时的膨胀性较大，机械强度稍低，比较脆而易碎。工业应用的离子树脂的交联度一般不低于4%；单纯用于吸附无机离子的树脂，其交联度可较高。,1.3交换反应的可逆性及失效树脂的再生,树脂使用一段时间后受到污染导致吸附能力下降，需要再生以恢复其吸附能力。,1.4,离子交换树脂的吸附选择性,离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有选择性。各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律，但不同的树脂可能略有差异。主要规律如下：,()对阳离子的吸附,强酸性阳离子交换树脂高价离子通常被优先吸附，而低价离子的吸附较弱。在同价的同类离子中，直径较大的离子的被吸附较强。一些阳离子被吸附的顺序如下：,Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+H+,()对阴离子的吸附,强碱性阴离子树脂对无机酸根的吸附的一般顺序为：,SO42 NO3 Cl OH HCO3 HSIO3,1.5离子交换树脂的离子交换容量,交换容量是表示离子交换树脂交换能力大小的一项性能指标。离子交换树脂进行离子交换反应的性能，表现在它的“离子交换容量”，即每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数；它又有“总交换容量”、“工作交换容量”和“再生交换容量”等三种表示方式。通常所说的离子交换剂的交换容量是指离子交换剂所能提供交换离子的总量，又称为总交换容量，它只和离子交换剂本身的性质有关。,、总交换容量，表示每单位数量(重量或体积)树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。,、工作交换容量，表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件如溶液的组成、流速、温度等因素有关。,、再生交换容量，表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量,表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。,通常，再生交换容量为总交换容量的5090%(一般控制7080%)，而工作交换容量为再生交换容量的3090%(对再生树脂而言)，后一比率亦称为树脂的利用率。,二、常用化学除盐水处理设备,顺流再生离子交换器,逆流再生离子交换器,混合离子交换器,除碳器,连续电去离子（,EDI,）,双层床,/,双室床,浮床,2.1 顺流再生离子交换器,是离子交换器最早应用的一种形式。设备运行时，水流自上而下，再生时再生液也是自上而下，即水和再生液流向相同。,运行及再生五个步骤：,反洗、进再生液、置换、正洗、运行,特点：树脂再生度低，运行出水水质差。,2.2 逆流再生离子交换器,也叫对流再生离子交换器。运行水流动方向与树脂再生时再生液方向相反。分无顶压再生和无顶压再生。,顶压再生可以大大避免发生树脂乱层的情况，主要有水顶压和空气顶压，其 运行及再生步骤为：,小反洗、放水、顶压、进再生液、置换、小正洗、正洗、大反洗、运行。,无顶压再生操作步骤：,小反洗、放水、进再生液、置换、小正洗、正洗、运行、大反洗。,特点：树脂再生度高，运行出水水质好。但是需要控制再生液及置换流速，避免发生乱层。,2.3 混合离子交换器,是将阴、阳离子交换树脂按一定比例混合放置在一个交换器内，运行时将两种树脂混合均匀，失效再生时又依靠其密度差进行分离再生的交换器。其分为体内再生混床和体外再生混床两种。,体内再生混床运行及再生五个步骤：,反洗分层、进再生液、置换、正洗、混合、正洗、运行,特点：由于将两种树脂混合进行离子交换，其出水水质好，pH呈中性，但是需要控制好反洗分层和混脂这两步，才能使出水水质得到保证。,2.4 除碳器,一般设置在阳床出水口，其工作原理是依靠气体溶解亨利定律，也就是气体在水中的溶解度与其在界面气体中分压成正比。水与空气充分接触后，由于空气中二氧化碳相对含量较低（0.03%，水中的二氧化碳就会在接触过程中释放到空气中来，从而促使水中阳离子交换器出来的酸性水中的碳酸氢根变成碳酸同时分解出二氧化碳，并进入到空气中来。,H,+,+HCO,3,-,H,2,CO,3,CO,2,+H,2,O,影响其除碳效果的因素主要有：水温：越高效果越好、接触面积：面积越大效果越好、风压和风量1：（3050）。,2.5 连续电去离子,EDI（Electrodeionization）,是一种不耗酸、碱而制取纯水的新技术，又称“填充床电渗析”。它是将传统的电渗析技术和离子交换技术有机地结合起来，既克服了电渗析不能深度除盐的缺点，又弥补了离子交换不能连续制水、需要用酸碱再生等不足。EDI适用于处理反渗透出水等低含盐量水，其产水水质满足锅炉用水对电导率、硬度和硅等要求。,EDI除盐机理,一种说法是利用离子交换原理除去水中离子，利用水在直流电能的作用下分解产生H+和OH-去再生混合离子交换树脂，从而实现在通电状态下，连续制水、再生；,一种理论是在电场作用下，纯水里离子在树脂相的迁移速率要比水中高23个数量级，阴、阳离子会与树脂颗粒不断发生交换过程而构成“离子迁移通道”，即阴、阳离子主要通过树脂相迁移至阳膜和阴膜而进入浓水室。,EDI产品的应用,EDI装置通常用于处理反渗透出水，用于制备超纯水。EDI对进水含盐量、弱电解质含量要求比较严格，主要是因为EDI对弱电解质的脱除能力受限于这些物质在水中电离度的大小。EDI要求进水硬度小于1.0mg/L(CaCO3)，当原水硬度不能满足该要求时，可以使用钠离子软化器等工艺去除硬度。,为满足上述条件，EDI前处理通常为二级反渗透+除碳器 或在二级反渗透 前加碱处理。,（单级反渗透出水硬度、CO2、SiO2含量高难以满足EDI进水要求。）,GE的膜堆在淡水室中填充了阴、阳离子交换脂，并在浓水室中设置了浓水循环系统，一方面可通过增加浓水室的电导率以减小浓水室电阻，另一方面浓水室保持较高的流速增强混合效果以减少结垢的可能，浓水中的离子通过从循环回路排出一部分以达到盐量平衡。,Ionpure公司的膜堆与其他公司不同之处在于将浓水室中也填充了离子交换树脂，通过树脂的导电能力维持装置电流，系统较为简化，不需要加入NaCl维持浓水室的电导率，也不需要使用浓水循环泵。,EDI,工艺过程回顾,离子交换从水中除去污染离子。,污染离子以及 H,+,和 OH,-,在电场作用下通过树脂和离子交换膜迁移到浓水室。,离子集中到浓水室。,如果超过设计极限，会发生结垢现象。,极水(E)含有氢气和氯气，因此需排弃。,主要的能量最终转化为热量，所以要注意最小流量。,阴极化学反应,2H,2,O+2e,-,=2OH,-,+H,2,生成氢气,pH,值高,易产生结垢,水从阴极得到电子,Cathode,_,阳极化学反应,+,2H,2,O=4H,+,+O,2,+4e,-,2Cl,-,=Cl,2,+2e,-,生成氧气,生成氯气,pH,值低,阳极从水中得到电子,Anode,浓水电导率,主要用来控制E-CELL模块的“电阻”,典型范围在 150-600 uS/cm,加盐水,在浓水回路中加入高品质的盐水,盐水加入点在浓水排放以后以减少加盐量,盐加入量很小,浓水进口,进水口,浓水出口,出水口,极水排放口,流动方向,:,1）淡水从模块下方进入,2）浓水从模块下方进入,3）产水从模块上方导出,4）循环浓水从模块上方导出,5）极水从模块上方排出,流体接地,控制原理,运行状态,E-Cell 系统启动:,确认淡水进水5秒钟,启动浓水循环泵和加盐泵,确认浓水循环泵运行,确认进水流量、浓水流量、浓水排放流量和极水排放流量,5 秒钟,启动整流器,确认整流器工作,E-,Cell,TM,操作,影响,E-Cell,性能的四个参数：,1.,进水水质,2.,电流,3.,压力,4.,流量,E-,Cell,TM,Operation,1)进水水质,CO,2,会造成进水水质差,TEA 25 ppm 以 CaCO,3,计,(16 for Pharm),硬度超过 1.0 ppm 会导致结垢,超出允许的最大回收率会造成结垢,硅含量超过 500 ppb 也会引起结垢,2)电流,每个模块的平均电流必须足够负担进水中的离子含量,1.5-2.0 Amp/stack 的电流对绝大多数进水已经足够,EDI,进 水,硬度,YD,mol/L,1.0,(以CaCO,3,计),二氧化硅,SiO,2,g/L,500,电导率,DD,s/cm,65,TOC,mg/L,0.5,出 水,二氧化硅,SiO,2,g/L,20,电阻率,-,M-CM,10,浓 水,电导率,DD,s/cm,150-500,整机及单个模块电压,V,600,单个模块电流,A,4.5,化学规程中的数据,参数,国际单位,单个模块产水量,1.73.4m3/h,电导率,0.2us/cm,硅（SiO2）,5到20 ug/l,钠,2 ug/l,硼,0.1 ug/l,总可交换阴离子（TEA）,25mg/l,硅（SiO2）,500ug/l,TOC,0.5mg/l,工作温度范围,4.438,硬度,0.5mg/l,用CLS测试法测定硬度,3mg/l,额定回收率,9095%,额定直流电消耗量,0.05-0.4kWh/m3,进水压力,3.16.9bar,进水与出水的压降,1.42.4bar,外形尺寸,30cmW48cmD61cmH,3)操作压力(,MK-2E,),序号,规范项目,单位,美国GE/E-CELL,1,EDI模块型号,-,EDI模块MK-2系列,2,出力,m,3,/h,84,3,回收率,%,90%(由进水硬度决定),4,进水温度,20,5,进水压力,MPa,0.310.68,6,进水与产水的压差,Mpa,0.1360.238,7,进水与浓水进的压差,Mpa,0.034-0.07,8,产水与浓水出的压差,Mpa,0.034-0.07,序号,规范项目,单位,美国GE/E-CELL,9,产水流量/模块,m,3,/h,1.73.41 35.7-71.4,10,浓水循环流量/模块,m,3,/h,0.341.23 7.14-26,11,浓水排放流量/模块,m,3,/h,0.261.19 5.46-25,12,极水排放流量/模块,L/h,3580 0.735-1.68,m3/h,13,电耗/模块,A,最大600VDC 1.54.5A,规程给定数据,4)流量及压力损失,确保不超过回收率要求,EDI系统回收率取决于进水硬度；,回收率由浓水排放来控制；,如果进水硬度0.1ppm，回收率可达95%；,如果进水硬度0.5ppm，回收率可达90%；,如果进水硬度0.75ppm，回收率可达85%；,如果进水硬度1.0ppm，回收率可达80%；,产水,1、范围：每个模块1.70-4.00 m3/h。,产水是处理过的纯水，也是模块内的冷却水。如果模块在产水量1.70 m3/h以下运行，可能会造成模块内部组成受热变形，以至模块产生无法靠受尽螺丝来恢复的漏水。,2、安全设备已经安装并可以使模块超过在4.00 m3/h的最大流量，通过模块的压差会变大使系统难以平衡。过高的流量也使模块不能制备高质量的纯水。,3、对每个膜组件，压力损失随流量的增加而增加，如上所述，压力损失将随水温的降低而增加。,4、对一个组件，在标准流量下，产水与进水压力损失一般为,0.1360.238MPa,。,5、压力损失和流量增加接近正比。,浓水,1、范围：每个模块1.5-5.4gpm(0.34 m3/h-1.225m3/h,7.5 m3/h-25.7m3/h),2、浓水集中了淡水室中透过的离子。浓水的进出压力必须小于淡水压力。为了防止浓水可能渗入淡水室引起产水水质下降，淡水的运行压力必须比浓水高5-10 psi(0.3-0.7 bar)。压差大于5 psi(0.3 bar)保证浓水不渗入淡水；压差稍高于10 psi(0.7 bar)也不会损坏模块所有进出水接口。,3、在运行过程中，浓水循环经过模块以增加浓水的导电性，同时有助于浓水室的流速更高以避免产生结垢。,4、使浓水流量高于1.5 gpm(0.34m3/h)。低于该流量运行时，浓水室容易结垢，也可能造成模块内部组成受热变形而漏水。,5、为避免浓水中离子过度积累，需要排放少量浓水。排放掉的浓水由进水补充，控制浓水的电导率在150 and 600,s/cm之间。当进水电导率很低时，为达到浓水电导率的要求可能需要在浓水中加盐。,6、浓水流量与系统设计、运行设置和组件本身有关。浓水流量大致与组件的单元数量成正比。若运行期间浓水的压力损失增加，则需要清洗组件。,7、MK-2模块系列产品与其他公司EDI最大的区别就在于采用了浓水循环系统技术，浓水室加盐主要影响是可减少浓水室中Ca2+、Mg2+携带电流的机会，降低Ca2+、Mg2+流动通量、降低结垢的速率；次要影响是增加浓水室的离子强度，增加对垢类的溶解、降低垢类形成的机会,极水,极水压力损失（与进水）,1、在每个组件流量为,3580L/H,时，系统流量,0.735-1.68,m3/h。,2、极水用来冷却电极并带走反应生成的 H2、O2 和 Cl2 等气体。,3、,低于允许的最小流量，可能导致冷却水不足浓水室更容易结垢。,4、,由于可能含溶解的氯气，在大部分系统中极水都排放掉。,5、压力损失,（与进水）,大致是20 psi,约0.14MPa。如果压力损失大于该值，极水入水处可能有异物堵塞。,关于进水的注意事项,进水必须符合反渗透直接透过水的水质,需要避免物理、化学和生物污染,物理污染:PVC 碎片;金属碎屑;污垢;尘土;花粉;焊渣；树脂颗粒等,化学污染:氧化剂，如氯气;多价阳离子，如铁、锰等;环氧树脂及玻璃钢容器制作过程中所用的硬化剂,污染物的来源:敞开式储罐,没有在EDI前配过滤器（本厂EDI入口保安过滤器滤芯孔径1um),EDI与传统混合离子交换技术相比，具有以下特点：,能够连续运行，不需要因为再生而备用一套设备；,模块化组合方便，运行操作简单；,水回收率高，EDI的浓水可以回收至反渗透进水；,占地面积小，不需要再生和中和处理系统；,运行费用低，不使用酸碱。,1m3/h 1升/秒1加仑/分钟 (gpm)1m3/min 1l/分钟 1l/h,1米3/小时(m3/h)1 0.278 4.41 0.0167 16.7 1000,1升/秒(l/sec)3.6 1 15.876 0.06 60 3597,1加仑/分钟(gpm)0.227 0.063 1 0.0038 3.79 227,1米3/分钟(m3/min)60 3.6 263.16 1 1000 60240,1升/分钟(l/min)0.06 0.0167 0.264 0.001 1 60.2,