水处理工艺——离子交换处理..优秀PPT.ppt

1.离子交换树脂的结构及合成离子交换树脂的结构及合成 离子交换树脂是由高聚物骨架和连结在骨架上的可交换基团（简称功能团）组成的。骨架具有浩大的空间网络结构，它是有很多低分子化合物（称为单体）聚合而形成的不溶于水的高分了化合物，高分子链上有各种可交换功能基团。依据单体的的种类树脂可分为苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等。下面以苯乙烯系树酯为例探讨。苯乙烯系树脂的制备：树脂制备过程可分为高分子聚合物骨架的制备和在高分子聚合物骨架上引入可交换的基团的两个反应阶段。苯乙烯系树脂是以苯乙烯和二乙烯苯为单体共聚而合成的高分子聚合物骨架。聚苯乙烯就是苯乙烯系树脂的高分子骨架，也称白球。二乙烯苯在高聚物中起的是空间架桥作用，使聚合物形成网状交联，聚合物中二乙烯苯的含量愈多，白球的网状结构就愈坚实。我们通常把聚合物中二乙烯苯的质量百分数叫做交联度。如交联度为7，就是指白球中二乙烯苯的质量占7%。白球制备出来以后，再将白球通过磺化反应、氯甲基反应和胺化反应，即可分别得到阴、阳离子交换树脂。下面就分别介绍。二乙烯苯二乙烯苯苯乙烯苯乙烯CH=CHCH=CH2 2n nCHCHCHCH2 2CHCHCHCH2 2 CH CH聚苯乙烯聚苯乙烯CHCHCHCH2 2 CH CH+过氧化苯甲酰过氧化苯甲酰CH=CHCH=CH2 2CH=CHCH=CH2 2mm苯乙烯树脂的制备苯乙烯树脂的制备苯苯乙乙烯烯阳阳树树脂脂的的制制备备磺化反应：磺化反应：CHCHCHCH2 2 CH CHCHCHCHCH2 2CHCH CH CH2 2SOSO3 3H HSOSO3 3H HCHCHCHCH2 2 CH CHCHCHCHCH2 2CHCH CH CH2 2+H+H2 2SOSO4 4 聚苯乙烯聚苯乙烯苯乙烯系磺酸型阳树脂苯乙烯系磺酸型阳树脂100100，AgAg2 2SOSO4 4聚苯乙烯聚苯乙烯高分子骨架高分子骨架的制备：的制备：苯乙烯阴树脂的制备苯乙烯阴树脂的制备氯甲基化反应氯甲基化反应：氨化反应：氨化反应：CHCHCHCH2 2氯球氯球 CH2CI三甲基胺三甲基胺+(CH3)3 N CHCHCHCH2 2CI CH2N (CH3)3 苯乙烯季胺盐阴树脂苯乙烯季胺盐阴树脂 CH2CICHCHCHCH2 2聚苯乙烯聚苯乙烯+CH2OCH2CI氯甲醚氯甲醚CHCHCHCH2 2+CH3OH氯甲基聚苯乙烯（氯球）氯甲基聚苯乙烯（氯球）2 离子交换树脂的命名离子交换树脂的命名 离离子子交交换换树树脂脂产产品品型型号号是是依依据据国国家家标标准准GBl63179离离子子交交换换树树脂产品分类、命名及型号而制定的。脂产品分类、命名及型号而制定的。离离子子交交换换树树脂脂的的全全名名称称由由分分类类名名称称、骨骨架架（或或基基团团）名名称称、基基本本名名称称依依次次排排列列组组成成。基基本本名名称称为为离离子子交交换换树树脂脂。大大孔孔型型树树脂脂在在全全名名称称前前加加“大大孔孔”两两字字。分分类类属属酸酸性性的的，在在基基本本名名称称前前加加“阳阳”字字；分分类类属属碱碱性的，在基本名称前加性的，在基本名称前加“阴阴”字。字。离离子子交交换换树树脂脂产产品品的的型型号号以以三三位位阿阿拉拉伯伯数数字字组组成成。第第一一位位数数字字代代表表产产品品分分类类，其其次次位位数数字字代代表表产产品品骨骨架架组组成成，第第三三位位数数字字为为依依次次号号，用以区分功能基或交联剂的差异。代号数字的意义见表用以区分功能基或交联剂的差异。代号数字的意义见表3.5.1和和3.5.2。代号代号0 01 12 23 34 45 56 6功能基功能基强酸性强酸性弱酸性弱酸性强碱性强碱性弱碱性螯合性螯合性两性两性氧化还原氧化还原表表3.5.1 3.5.1 分类代号分类代号表表3.5.1 3.5.1 骨架代号骨架代号代号代号0 01 12 23 34 45 56 6骨架类型骨架类型 苯乙烯系苯乙烯系 丙烯酸系丙烯酸系酚醛系酚醛系环氧系环氧系 乙烯吡啶系乙烯吡啶系脲醛系脲醛系氯乙烯系氯乙烯系例如：例如：00170017(凝胶型凝胶型)苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 7。11041104(凝胶型凝胶型)丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4 4。D201D201大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。3.3.离子交离子交换树换树脂的特性脂的特性 物理性能物理性能：(1)外观。外观。(2)颗粒度。颗粒度。(3)含水量。含水量。(4)密度。密度。1)湿真密度。湿真密度。2)湿视密度。湿视密度。5)机械强度。机械强度。（6)耐热性耐热性化学性能：化学性能：(1)交换反应的可逆性交换反应的可逆性(2)酸、碱性酸、碱性(3)选择性。选择性。(4)交换容量。交换容量。1)全交换容量。全交换容量。2)工作交换容量。工作交换容量。树脂的离子交换是一种可逆反应，反应式可表示为：树脂的离子交换是一种可逆反应，反应式可表示为：RA+B RB+ARA+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 A型树脂的型树脂的再生。平衡常数表达式：再生。平衡常数表达式：K KB BA A=RB=RBA/A/（RARABB）KBA1KBA1树脂对树脂对B B的亲和力大于对的亲和力大于对A A的亲和力，的亲和力，图中曲线图中曲线c c；KBA1KBAA13+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+排水装置排水装置压脂层压脂层200mm进水装置进水装置反洗空间反洗空间中间排液装置中间排液装置树脂层树脂层1600mm逆流再生阳离子交换器结构图逆流再生阳离子交换器结构图进水装置的作用是匀整分布进水于进水装置的作用是匀整分布进水于交换器的过水断面上。另一个作用交换器的过水断面上。另一个作用是匀整收集反洗排水。是匀整收集反洗排水。排水装置的作用是匀整收集处理好排水装置的作用是匀整收集处理好的水；另一个作用是匀整安排反洗的水；另一个作用是匀整安排反洗进水。进水。中间排液装置的作用：中间排液装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置对逆流再生离子交换器运行效果有较大影响，其作用是匀整排出再有较大影响，其作用是匀整排出再生液，防止树脂乱层、流失外，还生液，防止树脂乱层、流失外，还应有足够的强度，安装时应保证在应有足够的强度，安装时应保证在交换器内呈水平状态，交换器内呈水平状态，2.阳离子交换器（阳床）阳离子交换器（阳床）压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机械杂质；使进水通过压脂层匀及机械杂质；使进水通过压脂层匀整作用于树脂层表面；防止树脂在整作用于树脂层表面；防止树脂在逆流再生中乱层。逆流再生中乱层。图图3.7.2 3.7.2 交换器中离子分布状况交换器中离子分布状况 (a)(a)起先进水时起先进水时 (b)(b)交换器失效时交换器失效时当当交交换换器器不不断断进进水水，随随离离子子交交换换的的不不断断进进行行，由由于于水水中中的的Ca2+Ca2+比比Mg2+Mg2+、Na2+Na2+与与树树脂脂的的亲亲合合力力更更大大，更更易易被被树树脂脂吸吸取取，所所以以水水中中的的Ca2+Ca2+离离子子可可和和已已吸吸取取了了Mg2+Mg2+的的树树脂脂进进行行交交换换反反应应，使使CaCa型型树树脂脂层层向向下下扩扩展展，而而被被置置换换下下来来的的Mg2+Mg2+一一起起与与Na+Na+型型树树脂脂发发生生交交换换，使使Mg2+Mg2+型型树树脂脂层层下下移移而而Na+Na+的的交交换换区区域域也也渐渐渐渐下下移移。在在运运行行过过程程中中，这这三三层层不不同同型型态态的的交交换换剂的高度在不断地向下扩展，如图剂的高度在不断地向下扩展，如图3.7.23.7.2所示。所示。阳床整个制水周期阳床整个制水周期(运行起先到交换器失效这段时间运行起先到交换器失效这段时间)中中电导率、钠离子浓度、酸度变更可用图电导率、钠离子浓度、酸度变更可用图3.7.33.7.3表示。表示。起先通水正洗时随水的不断通入，水质越来越好。因起先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（而电导率、酸度、钠离子快速下降（a a点前）。在点前）。在abab为为稳定制水过程，稳定制水过程，b b点后树脂起先失效。此时水中钠增加，点后树脂起先失效。此时水中钠增加，氢离子削减而氢氧根增加，使酸度下降，电导率下降。氢离子削减而氢氧根增加，使酸度下降，电导率下降。图图3.7.3 3.7.3 强酸强酸HH型阳离子交型阳离子交 换换 器典型出水曲线器典型出水曲线ab运行时的交换状况运行时的交换状况无顶压逆流再生的操作步骤：无顶压逆流再生的操作步骤：1 1）小反洗。只对压脂层进行反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污）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，始染物。用水为该级交换器的进口水，流速树脂不乱层为宜，始终反洗至出水清澈为为止。终反洗至出水清澈为为止。2 2）放水。待树脂颗粒下沉后，放掉中间排液装置以上的水。）放水。待树脂颗粒下沉后，放掉中间排液装置以上的水。3 3）进再生液。将再生液放入交换器内，严格限制其流速和浓度）进再生液。将再生液放入交换器内，严格限制其流速和浓度4 4）逆流再生。进完再生液，关闭再生液计量箱出口阀，按再生）逆流再生。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接着用稀释再生液的除盐水进行冲洗，直至出液的流速和流量接着用稀释再生液的除盐水进行冲洗，直至出水指标合格为止。关闭进水阀。水指标合格为止。关闭进水阀。5 5）小正洗。水从上部进入，限制适当的流速，洗去再生后压脂）小正洗。水从上部进入，限制适当的流速，洗去再生后压脂层中残留的再生废液和杂质。小正洗用水为运行时的进口水。层中残留的再生废液和杂质。小正洗用水为运行时的进口水。6 6）正洗。用水自上而下进行正洗，直到出水水质合格，即可投）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。入运行。树脂的再生树脂的再生压脂层压脂层进进水水再再生生液液出出水水逆流固定床制水和再逆流固定床制水和再 生流向图生流向图再生废液再生废液进进水水再再生生液液出出水水 交换器经过多周期运行后，下部树脂层也会受到确定程度的污染，必需定期对交换器经过多周期运行后，下部树脂层也会受到确定程度的污染，必需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。从下步进水废液由上部的反洗排水阀排出。步增大。从下步进水废液由上部的反洗排水阀排出。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再生剂 比耗，周期制水量及再生过程中消耗水量。比耗，周期制水量及再生过程中消耗水量。工作交换容量工作交换容量(qi)(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：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（量（mmol/mmol/）。计算式：）。计算式：qi=(A+S)V/Vi qi=(A+S)V/Vi。式中，。式中，A A为平均进水碱度为平均进水碱度,mmol,mmol；为平均出水酸度为平均出水酸度,mmol,mmol；为从正洗合格起先制水到失效一周期内的总制水量，；为从正洗合格起先制水到失效一周期内的总制水量，m3;Vim3;Vi交换器内的树脂体积，交换器内的树脂体积，m3 m3。酸耗：使交换剂复原酸耗：使交换剂复原molmol的离子交换实力，所消耗的酸的的克数。的离子交换实力，所消耗的酸的的克数。酸耗（酸耗（g gmolmol）酸的克数）酸的克数周期制水量周期制水量(L)(L)（阳床出口平均酸度阳床进口平均（阳床出口平均酸度阳床进口平均碱度）碱度）(mol(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。平均比耗月或年的再生剂耗量（）耗来表示。平均比耗月或年的再生剂耗量（）制水量。制水量。水耗：每次再生所耗水的体积与树脂层体积之比。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。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运行时的技术经济指标2.2.除碳器除碳器 除碳原理除碳原理水水通通过过阳阳离离子子交交换换器器，水水中中的的HCO3-HCO3-与与从从树树脂脂上上交交换换下下来来的的H+H+结结合合，形形成成H2CO3H2CO3极极不不稳稳定定，随随即即分分解解生成的生成的CO2CO2：H2CO3H2CO3 H2O+CO2 H2O+CO2水水中中的的CO2CO2，可可以以看看作作是是溶溶解解在在水水中中的的气气体体，它它的的溶溶解解度度与与气气体体分分压压的的关关系系符符合合亨亨利利定定律律，即即在在确确定定的的温温度度下下气气体体在在液液体体中中的的溶溶解解度度与与该该气气体体在在液液面面上上的的分分压压成成正正比比。只只要要降降低低水水面面上上CO2CO2的的分分压压力力，溶溶于于水水中中的游离的游离CO2CO2就能解吸出来。就能解吸出来。降降低低液液面面CO2CO2气气体体分分压压的的常常用用方方法法有有鼓鼓风风和和抽抽真真空空两种。两种。图图3.7.3 3.7.3 除碳器结构除碳器结构除除碳碳器器工工作作时时水水中中上上部部布布水水扳扳扳扳淋淋下下，通通过过填填料料层层后后，从从下下部部排排入入水水箱箱。空空气气从从下下部部由由风机引入，通过填料层后由顶部排出。风机引入，通过填料层后由顶部排出。在在除除碳碳器器中中因因填填料料的的阴阴挡挡作作用用，从从上上面面流流下下来来的的水水被被分分散散成成很很多多小小股股水水流流、微微小小滴滴或或水水膜，增大了空气与水的接触面积。膜，增大了空气与水的接触面积。因因空空气气中中CO2CO2含含量量很很小小（约约0.03%0.03%），在在水水中中溶溶解解达达平平衡衡时时不不到到0.45mg/L0.45mg/L，这这样样水水与与空气接触时，水中的空气接触时，水中的CO2CO2便会析出。便会析出。真空除碳真空除碳真真空空除除碳碳通通过过真真空空泵泵或或喷喷射射器器，从从除除碳碳器器的的不同部位抽真空而达到除碳的目的。不同部位抽真空而达到除碳的目的。排水口排水口进气口进气口进水口进水口 o o o o o o o o 排气口排气口填料支撑填料支撑 扳扳填料层填料层布水扳布水扳鼓风除碳器的结构鼓风除碳器的结构 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，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，水中其它溶解气体水中其它溶解气体(如氧气如氧气)也同时被除去，这是鼓风除碳所不能做到的。也同时被除去，这是鼓风除碳所不能做到的。3.阴离子交换器阴离子交换器(阴床阴床)1/2H1/2H2 2SOSO4 4 1/2SO 1/2SO4 4 HNO HNO3 3 NO NO3 31/2H1/2H2 2COCO3 3 +ROHR 1/2CO +ROHR 1/2CO3 3+2H+2H2 2O OHCl CIHCl CI1/2H1/2H2 2SiOSiO3 3 HSiO HSiO3 3阴离子交换实质上是阴树脂中的阴离子交换实质上是阴树脂中的OH与酸性水与酸性水(经过阳离子交换及除碳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：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：图图3.7.4 3.7.4 强碱性强碱性OHOH型离子型离子 交换器出水水质变更交换器出水水质变更依依据据强强碱碱阴阴树树脂脂的的交交换换规规律律，HSiO3-HSiO3-集集中中在在交交换换器器中中树树脂脂的的底底部部。所所以以当当强强碱碱性性OHOH型型阴阴离离子子交交换换器器失失效效时时，HSiO3-HSiO3-先先漏漏出出来来，致使出水的硅含量上升。致使出水的硅含量上升。因强碱阴树脂的选择性依次为：因强碱阴树脂的选择性依次为：SO42SO42NO3NO3ClClOHOHFFHCO3HCO3HSiO3HSiO3压脂层压脂层进水装置进水装置反洗空间反洗空间中间排液装置中间排液装置树脂层树脂层2500mm排水装置排水装置逆流再生阴离子交换器示意图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阴离子交换器与阳离子交换器一样是逆流再生工艺，其器一样是逆流再生工艺，其操作步骤与阳离子交换器相操作步骤与阳离子交换器相同。其交换器结构示意图与同。其交换器结构示意图与阳离子交换器也相同。阳离子交换器也相同。混合型离子交换器（混合床）除盐混合型离子交换器（混合床）除盐 1/2Ca 1/2Ca2+2+、1/2Mg1/2Mg2+2+、NaNa+RH+RRH+R，OH+OH+1/2SO 1/2SO4 42 2、CICI、HCOHCO3 3、HSiOHSiO3 3 Na 1/2SO Na 1/2SO4 4R 1/2Ca+RR 1/2Ca+R，CI +HCI +H2 2O O HCO HCO3 3 1/2Mg 1/2Mg HSiOHSiO3 3 由于阳、阴树脂混合匀整，所以阳、阴离子交换反应几乎是同时进行由于阳、阴树脂混合匀整，所以阳、阴离子交换反应几乎是同时进行的，置换出的的，置换出的H+和和OH-马上生成水，都不会积累，消退了反离子作用，马上生成水，都不会积累，消退了反离子作用，交换反应进行得特别彻底，出水水质很好。交换反应如下：交换反应进行得特别彻底，出水水质很好。交换反应如下：混混合合床床是是圆圆柱柱型型密密闭闭容容器器。其其内内部部有有进进水水装装置置、排排水水装装置置、中中部部有有再再生生时时排排再再生生废废液液的的中中间间排排水水装装置置等等。为为了了便便于于阳阳、阴阴树树脂脂分分层层，混混合合床床中中阳阳树树脂脂与与阴阴树树脂脂的的湿湿真真密密度度差差应应大大于于0.150.20gcm3。国国内内混混合床接受的阳、阴树脂的体积比为合床接受的阳、阴树脂的体积比为1：2。混合床结构示意图混合床结构示意图进水装置进水装置中间排液装置中间排液装置排水装置排水装置进碱装置进碱装置反洗空间反洗空间树脂层树脂层混合床是圆柱型密闭容器。其内部有进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、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的湿真密度差应大于0.150.20gcm3。国内混合床接受的阳、阴树脂的体积比国内混合床接受的阳、阴树脂的体积比为为1：2。经过一级复床处理后的水质，一般电导经过一级复床处理后的水质，一般电导率小于率小于0.2S0.2Scmcm，pHpH接近中性，含接近中性，含硅量硅量(以以SiOSiO2 2计计)在在20g20gL L以下。以下。混合床结构混合床结构化学水处理所用的转动机械设备种类及数量很多。现简介常用的转动机械设备。化学水处理所用的转动机械设备种类及数量很多。现简介常用的转动机械设备。搅拌器。其作用是匀整混合（包括物质、和能量），促进物理化学过程的加速进行。搅拌器。其作用是匀整混合（包括物质、和能量），促进物理化学过程的加速进行。常用的是电机带动的旋桨式搅拌器和带减速装置的桨式搅拌器。用于混凝澄清池等。常用的是电机带动的旋桨式搅拌器和带减速装置的桨式搅拌器。用于混凝澄清池等。空空气气压压缩缩机机。由由主主体体、冷冷水水系系统统、调调整整系系统统、润润滑滑系系统统、平平安安阀阀、储储气气罐罐、除除油油器器、粉尘过滤器、电动机及限制设备等组成。在离子交换树脂再生中均需用压缩空气。粉尘过滤器、电动机及限制设备等组成。在离子交换树脂再生中均需用压缩空气。柱柱塞塞泵泵。加加药药泵泵均均为为柱柱塞塞泵泵，由由螺螺轮轮螺螺杆杆传传动动机机构构、泵泵缸缸头头托托架架、配配轴轴器器及及电电动动机机等等组组成成。电电动动机机通通过过螺螺杆杆、螺螺轮轮带带动动曲曲轴轴，经经过过连连杆杆、十十字字头头使使柱柱塞塞作作往往复复运运动动从从而而完成液体的吸入、升研讨、送出的过程。完成液体的吸入、升研讨、送出的过程。罗罗茨茨风风机机。是是一一种种旋旋转转活活塞塞型型容容积积式式气气体体压压缩缩机机。由由一一个个近近椭椭圆圆形形机机壳壳与与两两块块墙墙板板包包涵涵一一个个气气缸缸，再再与与一一对对彼彼次次相相互互啮啮合合的的的的叶叶轮轮组组成成。通通过过定定时时啮啮转转达达，以以等等速速反反向向旋旋转转，借借助助两两叶叶轮轮的的啮啮合合，使使进进气气口口与与气气口口隔隔开开。在在旋旋转转转转过过程程中中将将气气缸缸容容积积内内的的气体从进气口推移至排气口达强制排气的目的。气体从进气口推移至排气口达强制排气的目的。离离心心泵泵。离离心心泵泵属属叶叶片片式式泵泵类类，是是靠靠高高速速旋旋转转的的叶叶轮轮带带动动液液体体旋旋转转，再再利利用用惯惯性性离离心心原理将液体抽出。原理将液体抽出。转动机械设备转动机械设备监督项目与水质标准监督项目与水质标准 无超滤反渗透装置的一级除盐系统无超滤反渗透装置的一级除盐系统监督项目与水质标准监督项目与水质标准 有超滤反渗透装置的二级除盐系统有超滤反渗透装置的二级除盐系统