离子交换树脂在水处理中的应用课件.pptx

目录导视目录导视一、离子交换树脂概述一、离子交换树脂概述二、离子交换树脂反应二、离子交换树脂反应三、离子交换树脂装置及运行操作三、离子交换树脂装置及运行操作四、离子交换树脂的应用四、离子交换树脂的应用五、离子交换树脂的保管与处理五、离子交换树脂的保管与处理一、离子交换概述 去除对象：水中呈离子态的成分、选择性去除重金属。 离子交换是一类特殊的固体吸附过程，能够从电解质溶液中吸取某中阳离子或阴离子，而把本身所含另外一种带相同电荷的离子等当量交换下来释放到水中。 典型的离子交换反应。 离子交换剂包括：无机离子交换剂、磺化煤和有机离子交换剂。1.1无机离子交换剂和磺化煤1. 无机离子交换剂主要为弱酸性阳离子交换剂，其中一部分是弱碱性阴离子交换剂， 天然无机离子交换剂最常见有沸石和绿砂两类物质。2. 磺化煤一般是通过发烟硫酸对褐煤、无烟煤等进行磺化处理而合成的。 磺化煤的交换容量约为合成树脂交换剂的1/3到1/4。1.2有机合成离子交换树脂1. 有机合成离子交换树脂的结构有机合成离子交换树脂的结构 离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合物物。分为两部分：一部分为离子交换树脂的骨架离子交换树脂的骨架，它是高分子化合物的基体；另一部分是带有可交换离子的活性基带有可交换离子的活性基团团，它化合在高分子骨架上，提供可交换的离子。2. 有机合成离子交换树脂的分类有机合成离子交换树脂的分类（1）按活性基团性质分类：阳离子交换树脂和阴离子交换树脂；（2）按结构特征分类：凝胶型树脂、大孔型和均孔型树脂；（3）按单体种类分类：苯乙烯系、丙烯酸系等。 3. 离子交换树脂的命名离子交换树脂的命名 根据国家标准离子交换树脂产品分类、命名及型号（GB163179）制定。（1）名称；（2）型号4. 几类常见的离子交换树脂几类常见的离子交换树脂（1）阳离子交换树脂：苯乙烯磺酸型；苯酚磺酸型；丙烯酸系羧酸型（2）阴离子交换树脂：季胺型；弱碱型1.3 离子交换树脂的性质1. 离子交换树脂的物理性质（1）外观）外观 颜色 苯乙烯系呈黄色；凝胶型树脂呈透明或半透明状态；大孔型树脂呈不透明状态。 形状 球形，圆球率应达90以上。（2 2）粒度）粒度 树脂粒度一般用有效粒径和均一系数表示，树脂的粒径通常在0.31.2mm范围。（3 3）交联度）交联度 是指交联剂在离子交换树脂内的重量百分含量，水处理过程中的交联度710为宜。（4）密度1）湿真密度 指在单位真体积（不包括树脂颗粒间空隙的体积）内湿态离子交换树脂的质量，单位是g/mL或kg/L 一般湿真密度在1.041.30g/mL之间。2）湿视密度 指单位视体积内紧密无规律排列的湿态离子交换树脂的质量，单位是g/mL或kg/L。一般湿视密度在0.60.85g/mL之间（5）含水率 是指在水中充分膨胀的湿树脂中所含水分的百分数；含水率可以反映离子交换树脂的交联度和网眼中的孔隙率，一般树脂的含水率在4060之间。（6）溶胀性和转型体积改变率 将干的离子交换树脂浸入水中时，其体积会膨胀的现象称为溶胀溶胀。 当树脂由一种离子型转为另一种离子型时，其体积就会发生改变，此时树脂体积改变的百分数称为树脂转型体积改树脂转型体积改变率变率。（7）耐磨性 一般情况下，树脂每年的耗损应不超过37。2. 离子交换树脂的化学性质（1）酸碱性 各种类型树脂有效pH值范围（2）选择性 离子交换树脂对各种离子具有不同的亲和力，可以优先交换溶液中某种离子，这种现象为 * 离子电荷愈多，愈易被交换 * 原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换： Fe 3+ Al 3+ Ca 2+ Mg 2+ K+ = NH 4+ Na + Li + SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3- 树脂类型强酸性弱酸性强碱性弱碱性有效pH值范围11451411207（3）交换容量）交换容量 一定数量的离子交换树脂所具有的可交换离子的数量 1）全交换容量 指一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量； 2）工作交换容量 指树脂在给定工作条件下实际的交换能力。 实际工作条件下的交换容量为全交换容量的6070。（4 4）热稳定性）热稳定性 弱酸性强酸性弱碱性型强碱性型强碱性1.4 离子交换树脂的分类1）按电性分）按电性分阳离子交换树脂，可解离部分阳离子阳离子交换树脂，可解离部分阳离子(H+或金属离子或金属离子)阴离子交换树脂，可解离部分阴离子（阴离子交换树脂，可解离部分阴离子（OH或酸根）或酸根）2）按活性基团的解离常数大小）按活性基团的解离常数大小: 强酸性阳离子交换树脂；强酸性阳离子交换树脂； 弱酸性阳离子交换树脂；弱酸性阳离子交换树脂； 强碱性阴离子交换树脂；强碱性阴离子交换树脂； 弱碱性阴离子交换树脂。弱碱性阴离子交换树脂。3）按结构特征）按结构特征凝胶型、大孔型与等孔型凝胶型、大孔型与等孔型主要掌握：阳离子交换树脂或磺化煤：软化、脱碱；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。阴、阳离子交换树脂配合除盐。二、 离子交换反应 离子交换如同化学反应一样，服从当量定离子交换如同化学反应一样，服从当量定律，且是可逆反应律，且是可逆反应离子交换技术就是基于等当量交换与可逆离子交换技术就是基于等当量交换与可逆反应来进行交换与再生的；反应来进行交换与再生的；离子交换中的等当量性、可逆性、选择性离子交换中的等当量性、可逆性、选择性是进行水质软化的基本设计依据。是进行水质软化的基本设计依据。离子交换反应离子交换反应强型树脂的交换反应弱型树脂的交换反应非中性盐的分解反应强酸或强碱的中和反应复分解反应中和反应复分解反应中性盐分解反应RSO3H+NaOH=RSO3Na+H2OR(SO3Na)2+NaOH=RCOONa+H2OR-SO3H十十NaCl=RSO3Na+HCLR(NCl)2+CaCl2=R(COO)2Ca+2NaCl2.2 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。系，同时也受离子浓度和温度的影响。 离子电荷愈多，愈易被交换离子电荷愈多，愈易被交换 原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换 Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+= NH4+ Na+Li+ SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3- H和和OH的交换选择性与树脂交换基团酸、碱的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。性的强弱有关。 对于强酸阳树脂：对于强酸阳树脂： H+Li+ 而对于弱酸阳树脂：而对于弱酸阳树脂：H+Fe3+ 三、离子交换装置及运行操作三、离子交换装置及运行操作1、复床除盐2、固定床的工作过程3、工作交换容量4、钠床除盐5、树脂的再生6、混床除盐7、双层床除盐强酸脱气强碱系统：3.1复床除盐复床除盐 该系统适用于制取脱盐水。含盐量不大于500mgL的原水经处理后，出水电阻率可达到0.1xl06 .cm以上，电导率5S/cm以下，硅含量在0.1mgL以下。 除二氧化碳器放在阴床之前是为了减轻阴床负荷。水除二氧化碳器放在阴床之前是为了减轻阴床负荷。水量小和进水碱度低的小型除盐装置可以省去除二氧化碳量小和进水碱度低的小型除盐装置可以省去除二氧化碳器。器。强碱阴床设置在强酸阳床之后的原因在于；强碱阴床设置在强酸阳床之后的原因在于； 1若进水先通过阴床，容易生成若进水先通过阴床，容易生成CaCO3、Mg（OH)2沉积在树脂层内，使强碱树脂交换容量沉积在树脂层内，使强碱树脂交换容量降低。降低。 2阴床在酸性介质中易于进行离子交换，若进水阴床在酸性介质中易于进行离子交换，若进水先经过阴床，更不利于去除硅酸，因为强碱树脂先经过阴床，更不利于去除硅酸，因为强碱树脂对硅酸盐的吸附要比对硅酸的吸附差得对硅酸盐的吸附要比对硅酸的吸附差得很很多。多。 3强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂。树脂。 4若原水先通过阴床，本应由除二氧化碳若原水先通过阴床，本应由除二氧化碳器去除的碳酸，都要由阴床承担，从而器去除的碳酸，都要由阴床承担，从而增增加了再生剂耗用量。加了再生剂耗用量。3.2固定床的工作过程固定床的工作过程： 交换带形交换带形成阶段成阶段交换带下交换带下移移为保证一定的水质：为保证一定的水质：应有一个保护层应有一个保护层交换带高度交换带高度交换带影响因素：水流速度、树脂大小、原水水质交换带影响因素：水流速度、树脂大小、原水水质 3.3工作交换容量工作交换容量：在给定工作条件下的实际交换能力。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：再生完毕，软化开始前残存硬度离子所占的百分数存硬度离子所占的百分数 P2（工作交换容量）（工作交换容量）P1+P2+P3100影响因素：再生程度、软化时的影响因素：再生程度、软化时的流速、原水水质流速、原水水质 P3：软化结束时，树脂层中交：软化结束时，树脂层中交换不到部分所占的百分数。换不到部分所占的百分数。 3.4钠床除盐钠床除盐 钠床除盐就是利用阳离子交换树脂中的Na+离子把水中所含的钙、镁离子交换出来，这一过程成为水的软化，所得的水称为软化水。 3.5树脂的再生树脂的再生固定床固定床再生再生分为分为顺流再生顺流再生和和逆流再生逆流再生两种。两种。逆流再生：逆流再生：降低再生剂用量；出水质量提降低再生剂用量；出水质量提高、工作交换容量提高。高、工作交换容量提高。RNa型：用型：用NaCl再生再生。RH型：用型：用HCl 或或H2SO4 再生。再生。 ROH型：用型：用NaOH再生。再生。3.5.1顺流再生离子交换器顺流再生离子交换器结构结构3.5.2顺流再生离子交换器的运行顺流再生离子交换器的运行一个运行周期：反洗、进再生液、置换、正洗和一个运行周期：反洗、进再生液、置换、正洗和制水制水。反洗的目的反洗的目的：1）松动树脂层；2）清除树脂上层中的悬浮物碎粒；反洗到排水不浑为止，一般需1015min。置换置换：使水按再生液流过树脂的流程及流速通过交换器；置换的目的置换的目的：使树脂层中仍有再生能力的再生液和其他部位残存的再生液得以充分利用。正洗的流速约为1015m/h正洗合格后即可投入制水3.5.3逆流再生离子交换器的结构逆流再生离子交换器的结构3.5.4逆流再生离子交换器的运行逆流再生离子交换器的运行逆流再生操作步骤： 小反洗 放水 顶压 使床不乱 （为何需顶压，顺流时是否需顶压） 进再生液 逆向冲洗 （软化水，流速57m/h） 正洗为何需软化水逆向冲洗：为何需软化水逆向冲洗： 逆流再生要用软化水清洗，否则底层已再生好的树脂在清洗过程中又被消耗，导致出水质量下降，失去了逆流再生的特点。冲洗压脂层冲洗压脂层流速流速5-10m/h历时历时10-15min流速流速5-7m/h流速流速5-7m/h维持空气压维持空气压力力30-50kPa流速流速10-15m/h3.5.5无顶压逆流再生无顶压逆流再生 增加中间排水孔开孔面积，使穿孔管的小孔流速在0.10.2m/s 增加压脂层厚度：一般压脂层厚20cm，再生速度小于7m/h，不需任何顶压设备，可保证树脂层固定密实，再生效果与有顶压设备相同3.5.6工艺特点工艺特点1）逆流再生交换器运行失效后，各离子在树脂层中的分布规律与顺流交换器基本上是一致的；2）逆流在再生前仅对压脂层进行小反洗，所以树脂层仍保持运行失效时的层态；3）再生效果比顺流式好得多；4）与顺流再生相比，逆流再生工艺具有对水质适应性强、出水水质好、再生剂比耗低、自用水率低等优点。3.6混床除盐混床除盐o阴阳离子交换树脂装填在同一个交换器内，再生时使之分层再生，使用时先将其均匀混合，这种阴、阳树脂混合在一起的离子交换器称为混合床。3.6.1原理与特点原理与特点 由于混合床中阴、阳树脂紧密交替接触。好像由于混合床中阴、阳树脂紧密交替接触。好像有许多阳床和阴床串联一起，构成无数微型复床，有许多阳床和阴床串联一起，构成无数微型复床，反复进行多次脱盐，因而出水纯度高，其电阻率达反复进行多次脱盐，因而出水纯度高，其电阻率达到到510 106 cm混床主要优点是：a.出水水质纯度高。 混床离子交换可以把水中含有的离子几乎全部去除，出水含 盐量在10mgL以下。对需高纯水的场合，混合床可满足水质需求标准，一般不需考虑其它技术。b.工作条件变化时对出水水质影响较小，且工作周期较长。 混床开始运行时有23min出水的电导率较高，然后急剧降到 0.5scm-1以下，这是因为床内残留的微量酸、碱和盐很快地被阳、阴树脂吸收掉。另外，快速正洗是混合床的一大特点，再生总时间比双层床少，相应地工作周期长，而且原水水质变化和再生剂比耗对出水纯度影响较小，这是因为混合床中离子的泄漏因另一种树脂的存在而大大减少所致。c.间断运行对出水水质的影响小。d.交换终点明显。o混床的主要缺点是：混床的主要缺点是：o 树脂层工作交换容量的利用率低，再生剂利用树脂层工作交换容量的利用率低，再生剂利用率低；再生时阳、阴树脂很难彻底分层，特别是当率低；再生时阳、阴树脂很难彻底分层，特别是当有部分阳树脂混杂在阴树脂层内时，这部分阳树脂有部分阳树脂混杂在阴树脂层内时，这部分阳树脂在碱液再生阴树脂时转为钠型，造成运行以后的在碱液再生阴树脂时转为钠型，造成运行以后的Na泄漏，即所谓的交叉污染；混床对有机物污染泄漏，即所谓的交叉污染；混床对有机物污染很敏感，污染后很快出现出水质量降低、正洗时间很敏感，污染后很快出现出水质量降低、正洗时间延长和工作容量减少。延长和工作容量减少。o 为了克服交叉污染所引起的为了克服交叉污染所引起的Na泄漏，近年来泄漏，近年来发展了三层混床新技术。此法即在普通混合床中另发展了三层混床新技术。此法即在普通混合床中另装填一层厚约装填一层厚约1015cm的惰性树脂，其密度介的惰性树脂，其密度介于阴、阳树脂之间，其颗粒大小也能保证在反洗时于阴、阳树脂之间，其颗粒大小也能保证在反洗时将阴、阳树脂分隔开来。实践表明，三层混床水质将阴、阳树脂分隔开来。实践表明，三层混床水质优于普通混床，出水优于普通混床，出水Na的含量不大于的含量不大于0.1gL。3.6.2混床结构及再生方式装置：混床交换器里， 阴树脂的体积一般是阳树脂的2倍。其再生过程巧妙地利用了阳、阴树脂湿真比重的差异这一性质。混床在反洗时阳树脂(比重1.231.27gml)会逐渐下沉到阴树脂(比重1.061.11gmL)的下面，反洗完毕阴阳树脂自动分成为两层。在两层交界处装了一个再生排水系统，再生碱液从上面进入交换器，由中间排水系统排出；再生的酸液由下部进入交换器，也由这个排水系统排出。每层树脂分别再生完毕后，最后从树脂层底部的压缩空气管进压缩空气，把两种树脂均匀混合成为交换层。再生方式分类体内阴阳树脂分别再生体内阴阳树脂同时再生体外再生再生方式及步骤混合床反洗分层主要借助于阴、阳树脂湿真密度的差别再生方式有体内再生与体外再生两种。体内再生又区分为酸、碱分别再生和同时再生。以体内分别再生为例(见下图)，混合床再生操作步骤有体内再生还可采用同步再生法，即再生时以相同的流速从树脂层上、下两端进碱再生液和酸再生液，废液从中间排水装置排出，然后由上、下进清洗水进行洗净。混床还可以对阴树脂采用体外再生法。即在阴阳树脂分层后将阴树脂外卸到阴树脂再生罐内再生，阳树脂则仍在原罐内再生。阴树脂再生清洗净后再装进原交换器内与阳树脂混合。3.7双层床除盐双层床除盐 1阳树脂双层床阳树脂双层床弱酸型：弱酸型：去除碳酸盐硬度去除碳酸盐硬度 强酸型：强酸型：去去除非碳酸盐硬除非碳酸盐硬度及钠盐度及钠盐 应用：应用：硬度和碱度接近或硬度和碱度接近或硬度略大于碱度，硬度略大于碱度，Na含含量不大的水质条件。量不大的水质条件。 2. 阴树脂双层床阴树脂双层床 弱碱：弱碱：去除强酸阴离子去除强酸阴离子强碱：强碱：去除弱酸阴离子去除弱酸阴离子注意再生条件：注意再生条件：防止胶体硅胶聚集在弱碱树脂上防止胶体硅胶聚集在弱碱树脂上 四、离子交换的应用四、离子交换的应用1、水的软化2、离子交换除盐4.1水的软化水的软化离子交换软化水处理是利用阳离子交换树脂中可交换的阳离子（如Na+、H+）把水中所含的钙、镁离子交换出来，这一过程称为水的软化过程，所得的水称为软化水。目前常用方法： 钠离子交换软化法 氢离子交换软化法 氢 钠离子交换软化法4.1.1钠离子交换软化钠离子交换软化1）反应：2RNa+Ca(HCO3)2 R2Ca+2NaHCO32RNa+CaSO4 R2Ca+Na2SO42RNa+CaCl2 R2Ca+2NaCl Mg盐相同2）优点：A：处理过程中不产生酸性水B：再生液为食盐，费用低C：设备和管道防腐蚀设施简单4.1.2H+交换软化法交换软化法1）反应式：以强酸性H+树脂软化为例2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2H2O+2CO22RH+CaCl2 R2Ca+2HCl2RH+MgSO4 R2Mg+H2SO4盐类：Na+RHRNa+H+、K+RHRK+H+2）特点：A：可去除碱度B：产生酸性水，因此不单成系统，可与 Na+交换结合或与加碱中和。离子交换除盐是指把水中强电解质盐类的全部或部分加以去除的处理过程。离子交换除盐过程可使水的含盐量低到几乎不含离子的纯净程度。离子交换除盐一般方法是阳离子氢交换，阴离子羟交换的复床法或混床法进行，有各种不同的组合方式。4.2离子交换除盐离子交换除盐该系统适用于制取脱盐水。含盐量不大于500mgL的原水经处理后，出水电阻率可达到0.1xl06 .cm以上，硅含量在0.1mgL 以下。在运行中，有时出水的pH值和电导率都偏高，这往往是由于阳床泄漏Na+过量所致。为提高出水水质，可采用逆流再生，另外，强碱阴床采用热碱液再生，有利于除硅。4.2.1复床除盐复床除盐Na+泄漏泄漏硬度泄漏硬度泄漏4.2.2混床除盐混床除盐阳、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 五、离子交换树脂的保管与处理五、离子交换树脂的保管与处理离子交换树脂的保管新树脂的保管旧树脂的保管保持树脂的水分树脂变干，切忌直接置于水中侵泡防止树脂劣化避免被污染或被氧化降解树脂转型通常转化成Cl型或Na型长期贮存湿法存放在交换器内将停用的树脂侵泡在水中保存防止霉变须换水和用水反冲洗可1.5%甲醛溶液消毒饱和食盐水侵泡48小时侵泡1820小时阳树脂的预处理 ： 第一步食盐浸泡用清水进行反洗或冲洗第二步用4-5%HCl和NaOH依次侵泡 48小时（之间用水淋洗至中性）第三步用4-5%HCl侵泡24小时阳树脂的预处理阴树脂的预处理饱和食盐水侵泡小时侵泡1820小时阴树脂的预处理 ： 第一步食盐浸泡用清水进行反洗或冲洗第二步用4-5%NaOH和HCl依次侵泡 48小时（之间用水淋洗至中性）第三步用4-5%NaOH侵泡小时Thank you !