13.水质工程学III—水的软化与除盐-§2-3-离子交换法基本原理(下).ppt

水质工程学水质工程学第二章第二章 水的软化与除盐水的软化与除盐2-32-3离子交换法基本原理离子交换法基本原理(下下)主讲：张立秋主讲：张立秋 副教授副教授四、离子交换平衡四、离子交换平衡离子交换如同化学反应一样，服从离子交换如同化学反应一样，服从当量定律当量定律，且是，且是可逆反应可逆反应，离，离子交换技术就是基于子交换技术就是基于等当量交换等当量交换与与可逆反应可逆反应来进行交换与再生的；来进行交换与再生的；离子交换中的离子交换中的等当量性等当量性、可逆性可逆性、选择性选择性是我们进行水质软化的是我们进行水质软化的基本设计依据。基本设计依据。水的软化过程中，离子交换反应就是阳离子交换树脂上的可交换水的软化过程中，离子交换反应就是阳离子交换树脂上的可交换离子（离子（H H+、NaNa+）与水中的钙、镁离子之间的交换反应。与水中的钙、镁离子之间的交换反应。2 2RNa+CaRNa+Ca2+2+=R=R2 2Ca+2NaCa+2Na+当树脂饱和后，用高浓度的当树脂饱和后，用高浓度的NaClNaCl处理：处理：R R2 2Ca+2NaCa+2Na+=2 2RNa+CaRNa+Ca2+2+、离子交换反应、离子交换反应1）.可逆性可逆性 离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在均相溶液中进行，而是在固态的树脂和溶液接触的界面间发均相溶液中进行，而是在固态的树脂和溶液接触的界面间发生的。生的。例如例如Ca2+的硬水，通过的硬水，通过RNa型离子交换树脂时，发生的交型离子交换树脂时，发生的交换反应为：换反应为：2RNa+Ca2+R2Na+2Na+为恢复树脂的交换能力，可用一定浓度的食盐水通为恢复树脂的交换能力，可用一定浓度的食盐水通过已失效的树脂层，使树脂由过已失效的树脂层，使树脂由R2Ca型树脂恢复为具有交型树脂恢复为具有交换能力的换能力的RNa型树脂，通常称为型树脂，通常称为再生再生。R2Ca+2Na+2RNa+Ca2+上述两个反应实质上是上述两个反应实质上是顺向交换顺向交换，逆向再生逆向再生，其反，其反应式可写应式可写2）.强型树脂的交换反应强型树脂的交换反应 强型树脂是指强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交强型树脂是指强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂换树脂（1）中性盐分解反应）中性盐分解反应上述反应在溶液中生成游离的强酸或强碱。上述反应在溶液中生成游离的强酸或强碱。（2）中和反应）中和反应反应的结果在溶液中形成电离极弱的水。反应的结果在溶液中形成电离极弱的水。（3）复分解反应）复分解反应 3）弱型树脂的交换活动弱型树脂的交换活动 弱型树脂指弱型树脂指弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂和和弱碱性阴离子弱碱性阴离子交换树脂交换树脂。弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂只能在接近只能在接近中性中性和和碱性碱性介质介质中才能解离而显示出中才能解离而显示出离子交换离子交换功能，弱酸性树脂通常在功能，弱酸性树脂通常在PH 4时进行交换反应；弱碱性树脂只能在时进行交换反应；弱碱性树脂只能在PH1 BAK=1 B=AK1 BCa2+Mg2+K+NH4+Na+H+Li+Ca2+置换置换Na+的理论依据。的理论依据。高价大于低价，同价原子序数大亲和力大；高价大于低价，同价原子序数大亲和力大；高浓度时上述次序不在适用。（再生时，提高高浓度时上述次序不在适用。（再生时，提高Na+浓度，从而使浓度，从而使Na+置换置换Ca2+）。五、离子交换速度五、离子交换速度 离子交换过程受离子浓度和树脂对各种离子亲离子交换过程受离子浓度和树脂对各种离子亲和力的影响外，还受离子扩散过程的影响。和力的影响外，还受离子扩散过程的影响。1，离子扩散过程五步骤：，离子扩散过程五步骤：外部溶液中待交换的外部溶液中待交换的Ca2+向树脂颗粒向树脂颗粒表面迁移并通过树脂表面的边界水膜；表面迁移并通过树脂表面的边界水膜；待交换的待交换的Ca2+在树脂孔道里移动，在树脂孔道里移动，直到到达某有效交换位置上；直到到达某有效交换位置上；Ca2+与树脂上可交换与树脂上可交换Na+进行交换进行交换反应；反应；被交换下来的被交换下来的Na+从有效交换位置从有效交换位置上通过孔道向外面移动；上通过孔道向外面移动；Na+通过树脂表面的边界水膜进入外部的溶液中。通过树脂表面的边界水膜进入外部的溶液中。五、离子交换速度五、离子交换速度离子交换指上述五步骤全过程；离子交换指上述五步骤全过程；1、2、4、5属属离子扩散，速度较慢且受外界条离子扩散，速度较慢且受外界条件影响较大；件影响较大；3属化学反应，瞬间完成；属化学反应，瞬间完成；15每一步都影响了离子交换的速度，其中每一步都影响了离子交换的速度，其中1、5步膜扩散和第步膜扩散和第2、4步的孔道扩散有可能成为步的孔道扩散有可能成为控制步骤。控制步骤。五、离子交换速度五、离子交换速度.离子交换速度的影响因素离子交换速度的影响因素（1）离子性质）离子性质：离子水合半径越大或所带电荷越多，液膜：离子水合半径越大或所带电荷越多，液膜扩散速度就越慢。试验证明：阳离子每增加一个电荷，其扩扩散速度就越慢。试验证明：阳离子每增加一个电荷，其扩散速度就减慢到约为原来的散速度就减慢到约为原来的1/10。（2）树脂的交联度）树脂的交联度：交联度越大，其网孔就小，则其孔道：交联度越大，其网孔就小，则其孔道扩散即颗粒内扩散就慢。扩散即颗粒内扩散就慢。（3）树树脂脂的的粒粒径径：粒粒径径愈愈小小，交交换换速速度度愈愈快快。这这是是由由于于孔孔道道扩扩散散距距离离缩缩短短和和液液膜膜扩扩散散的的表表面面积积增增加加之之故故。但但是是，颗颗粒粒太太小小会会增增加加水水流流通通过过树树脂脂层层的的阻阻力力，且且在在反反洗洗中中容容易易使使树树脂脂流失。流失。（4）树脂的空隙度）树脂的空隙度：树脂颗粒间的空隙度越小，离子：树脂颗粒间的空隙度越小，离子交换速度就越快。交换速度就越快。（5）水中离子浓度）水中离子浓度：水溶液中离子浓度大小是影响扩：水溶液中离子浓度大小是影响扩散速度的重要因素。当水溶液中离子浓度在散速度的重要因素。当水溶液中离子浓度在0.1mol/L以以上时，离子在水膜中的扩散很快。上时，离子在水膜中的扩散很快。（6）水溶液的流速）水溶液的流速：树脂颗粒表面的水膜层厚度随水：树脂颗粒表面的水膜层厚度随水的流速的增加而减小，此时液膜扩散的速度将随之增加，的流速的增加而减小，此时液膜扩散的速度将随之增加，但孔道扩散的速度基本上不受流速的影响。但孔道扩散的速度基本上不受流速的影响。（7）水溶液的温度）水溶液的温度：升高水的温度，能提高离子和分：升高水的温度，能提高离子和分子的热运动速度和降低水的粘度。在一定的温度范围内，子的热运动速度和降低水的粘度。在一定的温度范围内，水温愈高，离子交换的速度愈快。水温愈高，离子交换的速度愈快。六、离子交换过程六、离子交换过程六、离子交换过程六、离子交换过程1，交换过程分析方法，交换过程分析方法：在离子交换柱中装填在离子交换柱中装填Na型树脂，从上而下通过含有型树脂，从上而下通过含有一定浓度一定浓度Ca2+的硬水。交换的硬水。交换反应进行一段时间后，停止反应进行一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品，运行，逐层取出树脂样品，并测定其所吸附的钙离子含并测定其所吸附的钙离子含量，以量，以“饱和程度饱和程度”表示。表示。饱和程度饱和程度：单位体积树：单位体积树脂所吸附钙、镁离子量与其脂所吸附钙、镁离子量与其全交换容量之比，以百分比全交换容量之比，以百分比表示。表示。饱和程度曲线饱和程度曲线六、离子交换过程六、离子交换过程2，交换过程：，交换过程：（1）三个阶段：）三个阶段：交换带形成阶段交换带形成阶段：饱和程度曲线形状不：饱和程度曲线形状不断变化随即形成一定形式的曲线。断变化随即形成一定形式的曲线。交换带推移阶段交换带推移阶段：“交换带交换带”：在某时刻正在进行交换反应：在某时刻正在进行交换反应的软化工作层。的软化工作层。“交换带厚度交换带厚度”：可理解为处于动态的软：可理解为处于动态的软化工作层厚。沿水流方向，以一定形式每化工作层厚。沿水流方向，以一定形式每刻都在推移。刻都在推移。交换带消失阶段交换带消失阶段：硬度开始泄露时，树脂硬度开始泄露时，树脂层分为两部分：层分为两部分：饱和层：交换容量得到充分利用；饱和层：交换容量得到充分利用；保护层：交换容量得到部分利用，相保护层：交换容量得到部分利用，相当于交换带厚：当于交换带厚：树脂层的变化可分为以下三树脂层的变化可分为以下三个阶段：个阶段：（1）交换带的形成阶段交换带的形成阶段；（2）交换带的移动阶段交换带的移动阶段；（3）交换带的消失阶段交换带的消失阶段。六、离子交换过程六、离子交换过程2，交换过程，交换过程：（2）“交换带厚度交换带厚度”的影响因素：的影响因素：l 流速流速：正比于：正比于V0.50.8，l Ca2+：硬度硬度l 树脂再生程度树脂再生程度l 水流沿交换柱过流断面均匀分布水流沿交换柱过流断面均匀分布“交换带厚度交换带厚度”对树脂层的有效利用是有影响的。如对树脂层的有效利用是有影响的。如原原水硬度高、采用流速偏大，则交换带厚度大，降低树脂层水硬度高、采用流速偏大，则交换带厚度大，降低树脂层的利用率的利用率。影响交换速度、布水均匀性等因素原因有影响交换速度、布水均匀性等因素原因有树脂种类、树树脂种类、树脂颗粒大小、树脂层空隙率、进水水质、出水水质控制标脂颗粒大小、树脂层空隙率、进水水质、出水水质控制标准水流的速度及水温、交换柱的结构准水流的速度及水温、交换柱的结构等。等。一般正常运行条件下，交换带宽度约为一般正常运行条件下，交换带宽度约为10002000mm。六、离子交换过程六、离子交换过程3，交换操作步骤：，交换操作步骤：软化软化反洗反洗再生再生正洗正洗 七、离子交换树脂层内的再生过程七、离子交换树脂层内的再生过程 采用含一定化学物质的水溶液，使树脂层内失效（失采用含一定化学物质的水溶液，使树脂层内失效（失去交换能力）的树脂重新恢复交换能力，这种过程称为树脂去交换能力）的树脂重新恢复交换能力，这种过程称为树脂的再生过程。再生能力或再生性能，通常用再生剂耗量、再的再生过程。再生能力或再生性能，通常用再生剂耗量、再生剂比耗表示。生剂比耗表示。再生剂的种类。再生剂的种类。对于不同性质的原水和不同类型的树脂，对于不同性质的原水和不同类型的树脂，应采用不同的再生剂。选择的再生剂既要有利于再生液的回应采用不同的再生剂。选择的再生剂既要有利于再生液的回收利用，又要求再生效率高，洗脱速度快，价廉易得。收利用，又要求再生效率高，洗脱速度快，价廉易得。一般对强酸性阳树脂用一般对强酸性阳树脂用HCl或或H2SO4等强酸及等强酸及NaCl、Na2SO4再生；对弱酸性阳树脂用再生；对弱酸性阳树脂用HCl、H2SO4再生；对强碱再生；对强碱性阴树脂用性阴树脂用NaOH等强碱及等强碱及NaCl再生，对弱碱性阴树脂用再生，对弱碱性阴树脂用NaOH，Na2CO3、NaHCO3等再生。等再生。再生剂用量。再生剂用量。树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，树脂的交换和再生均按等当量进行。理论上，再生剂可等容量恢复树脂交换容量，但实际上再生剂可等容量恢复树脂交换容量，但实际上再生剂的用量再生剂的用量要比理论值大得多，通常为要比理论值大得多，通常为25倍。倍。当再生剂用量一定时，当再生剂用量一定时，适当增加再生剂浓度，可以提高再生效率。但再生剂浓度太适当增加再生剂浓度，可以提高再生效率。但再生剂浓度太高，会缩短再生液与树脂的接触时间，反而降低再生效率，高，会缩短再生液与树脂的接触时间，反而降低再生效率，因此存在因此存在最佳浓度值最佳浓度值。如用。如用NaCl再生再生Na型树脂，最佳盐浓型树脂，最佳盐浓度范围在度范围在10左右。左右。再生方式。再生方式。再生主要有顺流和逆流两种方式。再生剂流向再生主要有顺流和逆流两种方式。再生剂流向与交换时水流方向相同者，称为与交换时水流方向相同者，称为顺流再生顺流再生，反之称为，反之称为逆流再逆流再生生。八、离子交换树脂的选用和保管八、离子交换树脂的选用和保管（一）离子交换树脂的选用（一）离子交换树脂的选用 在离子交换水处理的设计中，应根据在离子交换水处理的设计中，应根据原水的水质原水的水质、对出对出水水质的要求水水质的要求、离子交换树脂基本性能离子交换树脂基本性能及及离子交换设备性能离子交换设备性能，通过技术经济比较，合理地选用离子交换树脂。通过技术经济比较，合理地选用离子交换树脂。1离子交换树脂的交换容量离子交换树脂的交换容量：树脂交换容量越大，其所交：树脂交换容量越大，其所交换离子的量就越大，相应地处理的水量越大。换离子的量就越大，相应地处理的水量越大。2原水的水质特征原水的水质特征：原水（进水）的水质关系到离子交换：原水（进水）的水质关系到离子交换水处理过程中要去除离子的性质，水处理过程中要去除离子的性质，根据要去除离子的性质来根据要去除离子的性质来选用树脂选用树脂是至关重要的。是至关重要的。仅去除水中交换吸附较强的阳离子仅去除水中交换吸附较强的阳离子；去除吸附性较弱的阳离子；去除吸附性较弱的阳离子和阴离子和阴离子；原水中有机物成分高；原水中有机物成分高。3.处理出水的水质要求处理出水的水质要求 软化水处理软化水处理:强酸性阳树脂与弱酸性阳树脂混合强酸性阳树脂与弱酸性阳树脂混合使用；使用；除盐水处理除盐水处理:要求出水水质高，一定要选用强型要求出水水质高，一定要选用强型树脂，以除去交换吸附能力较弱的离子，或者与弱树脂，以除去交换吸附能力较弱的离子，或者与弱型树脂组合使用。型树脂组合使用。4.离子交换设备的性能离子交换设备的性能 不同类型的设备要求选用不同性能的树脂。不同类型的设备要求选用不同性能的树脂。连续床连续床（有（有移动床交换柱、再生柱分为两柱进行移动床交换柱、再生柱分为两柱进行、流动床、流动床同一柱同一柱内，再生段与交换段在不同部位，树脂可在同一柱内流动内，再生段与交换段在不同部位，树脂可在同一柱内流动 ），要求离子交换树脂的耐磨性好，强度高；），要求离子交换树脂的耐磨性好，强度高；固定床固定床（单层（单层床只装一种树脂、双层床装两种性质不同的树脂床只装一种树脂、双层床装两种性质不同的树脂、混、混合床装阴阳两种树脂合床装阴阳两种树脂）要求离子交换树脂的湿真密度相）要求离子交换树脂的湿真密度相差大。差大。顺流再生固定床顺流再生固定床：原水流动方向与再生液流向一致，一：原水流动方向与再生液流向一致，一般是从上往下流动。操作比较方便，有利于处理低硬度的原般是从上往下流动。操作比较方便，有利于处理低硬度的原水。但是，再生程度差，再生剂耗量较大。水。但是，再生程度差，再生剂耗量较大。逆流再生固定床逆流再生固定床：再生液的流向与交换时水流流向相反。：再生液的流向与交换时水流流向相反。一般是原水向下流动，再生液向上流动。适合于处理高硬度一般是原水向下流动，再生液向上流动。适合于处理高硬度的原水，再生效果好，再生剂耗量较少。的原水，再生效果好，再生剂耗量较少。（二）离子交换树脂的保管（二）离子交换树脂的保管 在新树脂使用前与旧树脂停用时，均需采用适当的保管在新树脂使用前与旧树脂停用时，均需采用适当的保管措施，否则会直接影响树脂的使用寿命和其交换容量。措施，否则会直接影响树脂的使用寿命和其交换容量。1新树脂的保管新树脂的保管(1)保持树脂的水分保持树脂的水分；干树脂应用饱和盐水逐级稀释法使其含水率干树脂应用饱和盐水逐级稀释法使其含水率饱和。饱和。(2)防止树脂受凉和受热防止树脂受凉和受热；低温造成树脂胀裂失去交换能力，高温低温造成树脂胀裂失去交换能力，高温时树脂易变形，交换基团分解和滋生细菌。时树脂易变形，交换基团分解和滋生细菌。(3)防止树脂劣化防止树脂劣化；避免与铁质容器、氧化剂和油类物质直接接触，；避免与铁质容器、氧化剂和油类物质直接接触，防止树脂被污染和氧化分解，劣化树脂性能。防止树脂被污染和氧化分解，劣化树脂性能。2旧树脂的保管旧树脂的保管 若离子交换树脂在使用过程中有较长时间停用，其保管要采若离子交换树脂在使用过程中有较长时间停用，其保管要采取下列措施：取下列措施：(1)树脂转型树脂转型：通常把树脂转变成：通常把树脂转变成Cl型或型或Na型长期贮存，故可将阴型长期贮存，故可将阴树脂、阳树脂用食盐溶液转型，阳树脂不宜以树脂、阳树脂用食盐溶液转型，阳树脂不宜以Ca型或型或H型长期存型长期存放；放；(2)湿法存放湿法存放：在交换器内将停用的树脂浸没于水中保存；：在交换器内将停用的树脂浸没于水中保存；(3)防止霉变防止霉变：交换器内长期存放树脂，其表面容易滋长微生物，：交换器内长期存放树脂，其表面容易滋长微生物，发生霉变，尤其在温度较高的条件下。因此，必须定期进行换水发生霉变，尤其在温度较高的条件下。因此，必须定期进行换水和用水反冲洗，同时亦可用和用水反冲洗，同时亦可用1.5甲醛溶液甲醛溶液(福尔马林液福尔马林液)浸泡消毒。浸泡消毒。（三）离子交换树脂的装填（三）离子交换树脂的装填1离子交换器的清理与检查离子交换器的清理与检查2离子交换树脂的装填离子交换树脂的装填（1）用）用水力装卸器装填树脂水力装卸器装填树脂时，用时，用澄清水装填阳树脂澄清水装填阳树脂，用，用除盐水装填阴树脂除盐水装填阴树脂。在装填树脂前，。在装填树脂前，先往交换器中加入一定先往交换器中加入一定高度高度(如如1m左右左右)的水层的水层，避免树脂直接冲击交换器底部装置，避免树脂直接冲击交换器底部装置和垫层。和垫层。（2）按设计要求量装填完后按设计要求量装填完后，测量树脂高度，符合要求后，测量树脂高度，符合要求后即封闭交换器。即封闭交换器。对树脂层进行反洗、沉降、排水对树脂层进行反洗、沉降、排水后再打开交后再打开交换器，平整树脂层将漂在树脂层上面的细颗粒树脂刮去。换器，平整树脂层将漂在树脂层上面的细颗粒树脂刮去。并再补装填入树脂，使树脂层高度达到设计要求。并再补装填入树脂，使树脂层高度达到设计要求。（3）对于大孔树脂，尤其是弱酸树脂，应）对于大孔树脂，尤其是弱酸树脂，应检查有否软球和检查有否软球和透明球透明球，因它们易粘在通流部位，影响正常使用，必须除去。，因它们易粘在通流部位，影响正常使用，必须除去。练习题：练习题：装填装填Na型强酸树脂的离子交换柱采型强酸树脂的离子交换柱采用逆流再生操作工艺。层底部再生度用逆流再生操作工艺。层底部再生度为为96%，进水钙离子硬度为，进水钙离子硬度为8meq/L。试计算运行初期出水的剩余硬度。试计算运行初期出水的剩余硬度。（树脂全交换容量为（树脂全交换容量为3mol/L，选择选择系数系数 。）。）