工业给水处理章离子交换精.ppt

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1、工业给水处理章工业给水处理章 离子交换离子交换第1页，本讲稿共27页n n二、淡化与除盐的方法二、淡化与除盐的方法 淡化是指将含盐量高的海水或苦咸水处理成含盐量小于淡化是指将含盐量高的海水或苦咸水处理成含盐量小于10001000的淡的淡水过程，而除盐是指将淡水处理为含盐量更小的纯水或高纯水的过水过程，而除盐是指将淡水处理为含盐量更小的纯水或高纯水的过程，本质上没有区别。程，本质上没有区别。n n1.1.蒸馏：传统蒸馏、多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏蒸馏：传统蒸馏、多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏n n2.2.离子交换离子交换（ion-exchangeion-exchange，IEIE）：阳床、阴床、

2、混床、双层床：阳床、阴床、混床、双层床n n3.3.电渗析电渗析（electrodialysiselectrodialysis，EDED）：发展为电去离子：发展为电去离子n n4.4.反渗透反渗透（reverse osmosisreverse osmosis，RORO）：主流技术：主流技术 本课程重点讲本课程重点讲 2 2、3 3、4 4n n5.5.冷冻法冷冻法n n6.6.电吸附电吸附n n7.7.电去离子（电去离子（electrodeionizationelectrodeionization，EDIEDI）第2页，本讲稿共27页n n8.8.膜蒸馏（膜蒸馏（Membrane Distil

3、lationMembrane Distillation，简称，简称MDMD）n n9.9.正渗透正渗透n n10.10.联合使用：联合使用：RO+IE/EDIRO+IE/EDI 6 6、7 7、8 8、9 9在下学期新技术中讲在下学期新技术中讲各种海水淡化方法的能耗（各种海水淡化方法的能耗（19941994，20082008）淡化方法能耗（kWh/m3）（目前）比例（）（目前）多级闪蒸3037 （）62 （约40）反渗透814 （2.5-4）31 （大于50）电渗析816 （）3 （小于1）冷冻法284（其它）（）第3页，本讲稿共27页n n三、离子交换法制取纯水的纯度三、离子交换法制取纯水的

4、纯度 类型类型 出水电阻率（出水电阻率（M.cmM.cm）复床（阳床除碳器阴床）复床（阳床除碳器阴床）0.1 0.1 1.0 1.0 混床混床 5.05.0 复床混床复床混床 10 10 蒸馏蒸馏 0.10.1 思考：思考：（1 1）二战时，美国飞行员装备有海水淡化急救包，六块海水脱盐剂，可供一周使）二战时，美国飞行员装备有海水淡化急救包，六块海水脱盐剂，可供一周使用，成分：溶胀土、氧化银、活性炭。用，成分：溶胀土、氧化银、活性炭。（2 2）海岛、海边渔民饮水问题）海岛、海边渔民饮水问题 （3 3）江轮、海轮、军舰上的饮用水）江轮、海轮、军舰上的饮用水 （4 4）宇宙飞船上的饮水问题）宇宙飞船

5、上的饮水问题第4页，本讲稿共27页第二节第二节 离子交换除盐方法与系统离子交换除盐方法与系统n n一、一、阴离子交换树脂的工艺特性阴离子交换树脂的工艺特性阴离子交换树脂的工艺特性阴离子交换树脂的工艺特性n n1.1.结构结构 阴离子交换树脂通常是在粒状高分子化合物母体的最后阴离子交换树脂通常是在粒状高分子化合物母体的最后阶段导入伯胺、仲胺或叔胺基团而构成的。胺是氨阶段导入伯胺、仲胺或叔胺基团而构成的。胺是氨 NHNH3 3中的中的氢原子被烃基取代的化合物。氢原子被烃基取代的化合物。氨分子中的一个、两个、三个氢原子被氨分子中的一个、两个、三个氢原子被1 1、2 2、3 3个烃基取代的个烃基取代的

6、胺分别为伯胺胺分别为伯胺 R-NHR-NH2 2、仲胺、仲胺 R=NH R=NH 和叔胺和叔胺 R R三三N N。当它们中的四个氢。当它们中的四个氢原子被四个烃基所取代，则成为季铵碱，即得强碱性阴离子交换树脂，原子被四个烃基所取代，则成为季铵碱，即得强碱性阴离子交换树脂，简写为简写为 ROH ROH。(R)4N-OH季铵型第5页，本讲稿共27页n n2.2.强碱性阴树脂的工艺特性强碱性阴树脂的工艺特性n n（1 1）在水的除盐过程中，经氢离子交换的出水有各种强酸、弱）在水的除盐过程中，经氢离子交换的出水有各种强酸、弱酸阴离子，有赖于强碱性阴树脂的去除，即除盐的第二步。其酸阴离子，有赖于强碱性阴

7、树脂的去除，即除盐的第二步。其反应式如下：反应式如下：ROH+HROH+H2 2SOSO4 4RHSORHSO4 4+H+H2 2OO 2ROH+H2ROH+H2 2SOSO4 4RR2 2SOSO4 4+2 H+2 H2 2OO ROH+HClRCl+HROH+HClRCl+H2 2O O ROH+H ROH+H2 2COCO3 3RHCORHCO3 3+H+H2 2OO ROH+H ROH+H2 2SiOSiO3 3RHSiORHSiO3 3+H+H2 2OO 式式和式和式一般同时进行一般同时进行,但当但当HH2 2SOSO4 4ROHROH中中OH-OH-浓度时，浓度时，占优势，低浓度时

8、占优势，低浓度时占优势。占优势。从反应式看，阴离子交换出水应呈中性，但实际为弱碱性，原因从反应式看，阴离子交换出水应呈中性，但实际为弱碱性，原因是阳床出水总有微量钠泄漏，使得阴床出水含有微量氢氧化钠。是阳床出水总有微量钠泄漏，使得阴床出水含有微量氢氧化钠。第6页，本讲稿共27页n n（2 2）强碱性阴树脂对水中各种阴离子的交换选泽性也是不同）强碱性阴树脂对水中各种阴离子的交换选泽性也是不同的，一般顺序为：的，一般顺序为：POPO4 43 3SOSO4 42 2NONO3 3ClClOHOHF FHCOHCO3 3HSIOHSIO3 3 电荷愈多，选择性愈好；电荷愈多，选择性愈好；相同电荷时，原

9、子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好；相同电荷时，原子序数愈高，水合半径愈小，则选者性愈好；还与离子交换基团的性质有关；还与离子交换基团的性质有关；强酸性选择性好。强酸性选择性好。n n（3 3）阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，易受氧化剂的）阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差，易受氧化剂的影响而变质，如水中存在氧化剂时，则会使：影响而变质，如水中存在氧化剂时，则会使：第7页，本讲稿共27页n n（4 4）强碱性阴树脂交换器的运行过程曲线）强碱性阴树脂交换器的运行过程曲线 当清洗排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水回收，当清洗排水溶解固体等于进水总溶解固体时，将清洗水回收，直到出水达

10、到要求，这就是清洗水回收阶段，随后进入运行阶段。直到出水达到要求，这就是清洗水回收阶段，随后进入运行阶段。当到达终点时，在硅酸泄漏过程中电导率出现瞬时下降，由于出当到达终点时，在硅酸泄漏过程中电导率出现瞬时下降，由于出水中含有微量氢氧化钠为突然出现的弱酸所中和，生成硅酸钠、水中含有微量氢氧化钠为突然出现的弱酸所中和，生成硅酸钠、碳酸钠，其导电性能低于氢氧化钠的缘故。如阴床以硅酸泄漏为碳酸钠，其导电性能低于氢氧化钠的缘故。如阴床以硅酸泄漏为失效控制点，则电导率瞬时下降可视为周期终点的讯号。失效控制点，则电导率瞬时下降可视为周期终点的讯号。第8页，本讲稿共27页n n（5 5）强碱性树脂抗有机物的

11、能力较差，特别是凝胶型强碱性）强碱性树脂抗有机物的能力较差，特别是凝胶型强碱性阴树脂，由于孔道分布不均匀，故容易堵塞，而大孔性和等阴树脂，由于孔道分布不均匀，故容易堵塞，而大孔性和等孔性要好一些。强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，孔性要好一些。强碱性树脂被有机物污染后，交换容量下降，出水导电率增加。出水导电率增加。n n（6 6）强碱性树脂除硅的要求：）强碱性树脂除硅的要求：从强碱性树脂对水中各种阴离子的交换顺序可得：从强碱性树脂对水中各种阴离子的交换顺序可得：ROH+NaSiOROH+NaSiO3 3RHSiORHSiO3 3+NaOH +NaOH （几乎不能进行）（几乎不能进行）除盐

12、系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过除盐系统相应通过强酸性阳树脂，而不应通过NaNa床，且通过床，且通过HH型树脂应减少漏钠量。型树脂应减少漏钠量。ROH+HROH+H2 2SiOSiO3 3RHSiORHSiO3 3+H+H2 2O O（HH2 2OO电离度极小）电离度极小）总之，总之，进水应呈酸性；漏钠量要低；再生条件要求高。进水应呈酸性；漏钠量要低；再生条件要求高。再生剂用量再生剂用量646496kgNaOH/m96kgNaOH/m3 3树脂，再生液浓度树脂，再生液浓度2 24 4，再生时间不小于，再生时间不小于一小时，还可适当提高再生液的温度，一小时，还可适当提高再生液的温度，4040

13、5050，有利于除硅。，有利于除硅。第9页，本讲稿共27页n n3.3.弱碱树脂的工艺特性：弱碱树脂的工艺特性：n n（1 1）只能吸附强酸阴离子（与强酸阴离子反应），不能吸附）只能吸附强酸阴离子（与强酸阴离子反应），不能吸附弱酸阴离子。弱酸阴离子。2R-NH2R-NH3 3OH+HOH+H2 2SOSO4 4（R-NHR-NH3 3）2SO2SO4 4+2H+2H2 2O pHO pH值（值（0 0 7 7）R-NHR-NH3 3OH+HCIR-NHOH+HCIR-NH3 3Cl+HCl+H2 2O pHO pH值（值（0 0 7 7）2R-NH2R-NH3 3-OH+Na-OH+Na2 2

14、SOSO4 422（R-NHR-NH3 3）2 2SOSO4 4+2NaOH +2NaOH （不能进行）（不能进行）树脂上的活性基团在水中离解能力低，若水中树脂上的活性基团在水中离解能力低，若水中pHpH值高，则水中值高，则水中OHOH会抑制交换会抑制交换反应的进行，前面也讲过，弱碱性树脂的有效反应的进行，前面也讲过，弱碱性树脂的有效pHpH值范围是：值范围是：0 0 7 7。因此在。因此在除盐系统中，弱碱阴床设置在强酸阳床之后。除盐系统中，弱碱阴床设置在强酸阳床之后。n n（2 2）再生容易：）再生容易：NaOHNaOH，NaHCONaHCO3 3，NaNa2 2COCO3 3，NHNH4

15、4OH OH 都可作为再生剂，都可作为再生剂，再生比耗再生比耗1.21.2即可。即可。n n（3 3）交换容量大）交换容量大 ，与弱酸树脂相似。，与弱酸树脂相似。n n（4 4）抗有机污染强，吸附后容易洗脱，可做强碱阴床前的预处理。抗有机污染强，吸附后容易洗脱，可做强碱阴床前的预处理。第10页，本讲稿共27页n n（5 5）弱碱树脂运行过程曲线）弱碱树脂运行过程曲线n n（6 6）终点讯号：正常出水呈弱碱性，）终点讯号：正常出水呈弱碱性，NaHCONaHCO3 3，NaHSiONaHSiO3 3存在存在,漏强漏强酸酸 （SOSO4 42-2-、ClCl-）后出水呈酸，）后出水呈酸，ClCl-,

16、首先泄漏。由于强酸导电性首先泄漏。由于强酸导电性较碱为强，因而出水电导率迅速上升，即为终点讯号。较碱为强，因而出水电导率迅速上升，即为终点讯号。第11页，本讲稿共27页n n二、复床除盐二、复床除盐二、复床除盐二、复床除盐 复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目的。复床系指阴、阳离子交换器串联使用，达到水的除盐目的。n n1.1.强酸强酸脱气脱气强碱系统（一级复床除盐）强碱系统（一级复床除盐）适用于原水含盐量小于适用于原水含盐量小于500 mg/L 500 mg/L，出水电阻率可达，出水电阻率可达0.1 M.cm 0.1 M.cm，硅小于，硅小于0.1 mg/L0.1 mg/L。先除

17、阳离子，出水呈酸性，除二氧化碳，再除阴离子。先除阳离子，出水呈酸性，除二氧化碳，再除阴离子。第12页，本讲稿共27页复床除盐反应式：大部分二氧化碳在除碳器中去除，除碳器可大大减轻阴床的负荷。一级复床出水的特点：呈弱碱性,pH=8 9.5（阳床微量Na泄漏）出水电阻率:0.1 1.0 M.cm 脱盐水（普通蒸馏水）如果阳床泄漏Na过量的话，电导率会升高。因而关键是控制阳床的Na泄露，另外除硅时，可采用热碱液再生。第13页，本讲稿共27页n n2.2.阴床设在阳床之后的原因：阴床设在阳床之后的原因：（1 1）若进水先通过阴床，）若进水先通过阴床，容易生成碳酸钙、氢氧化镁沉积容易生成碳酸钙、氢氧化镁

18、沉积在树脂在树脂层内，使强碱树脂交换容量降低；层内，使强碱树脂交换容量降低；（2 2）阴床在酸性条件下易进行交换，若先经阴床，）阴床在酸性条件下易进行交换，若先经阴床，不利于除硅不利于除硅；（3 3）强酸树脂抗有机污染能力胜过强碱树脂强酸树脂抗有机污染能力胜过强碱树脂；（4 4）若原水先经过阴床，本应由除碳器去除的碳酸，都要由阴）若原水先经过阴床，本应由除碳器去除的碳酸，都要由阴床承担，从而床承担，从而增加阴床负担增加阴床负担和再生剂的耗量。和再生剂的耗量。n n3.3.强酸强酸脱气脱气弱碱弱碱强碱系统强碱系统 适合于原水强酸阴离子含量较大，弱碱树脂用于去除强适合于原水强酸阴离子含量较大，弱碱

19、树脂用于去除强酸阴离子，强碱树脂用于去除硅，采用串联再生法，即先再酸阴离子，强碱树脂用于去除硅，采用串联再生法，即先再生强碱树脂再再生若碱树脂，用生强碱树脂再再生若碱树脂，用NaOHNaOH再生，可适当提高温度再生，可适当提高温度（3535 4040 ）。）。第14页，本讲稿共27页弱碱树脂交换反应式如右，其出水呈弱酸性 pH值 66.8，不能除硅，电阻率 5104达不到脱盐的标准。第15页，本讲稿共27页n n三、混合床除盐三、混合床除盐n n1.1.基本原理与特点基本原理与特点 （1 1）原理：阴、阳离子交换树脂装在一个床内，使用时均匀）原理：阴、阳离子交换树脂装在一个床内，使用时均匀混合

20、，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达混合，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达5 5101010106 6cmcm。RH+ROH+NaCl RNa+RCl+HRH+ROH+NaCl RNa+RCl+H2 2O O 第16页，本讲稿共27页 （2 2）混合床的优点：）混合床的优点：阴、阳离子交换反应几乎同时进行，出水呈中性，水质阴、阳离子交换反应几乎同时进行，出水呈中性，水质稳定，纯度高，可用于制纯水和超纯水，失效终点分明，间稳定，纯度高，可用于制纯水和超纯水，失效终点分明，间断运行影响小。断运行影响小。（3 3）混合床的缺点：）混合床的缺点：再生时，难以彻底分层，再生困难再生

21、时，难以彻底分层，再生困难 ，再生操作复杂，再生操作复杂，易产生交叉污染，影响水质。易产生交叉污染，影响水质。（4 4）交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，）交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分阳树脂转为这部分阳树脂转为NaNa型，造成运行后型，造成运行后NaNa+泄漏。泄漏。（5 5）三层混合床：（为了有利于分层）中间另装）三层混合床：（为了有利于分层）中间另装101015cm15cm惰性惰性树脂使其分层彻底，其密度介于阴、阳树脂之间。树脂使其分层彻底，其密度介于阴、阳树脂之间。第17页，本讲稿共27页n n2.2.混合床装置混合床装置第18页，本讲稿共27

22、页n n3.3.混床再生混床再生 再生方法有体内再生和体外再生，体内再生又分为酸、碱同时再生方法有体内再生和体外再生，体内再生又分为酸、碱同时再生和酸、碱分别再生，现以酸、碱分别再生为例说明再生步骤。再生和酸、碱分别再生，现以酸、碱分别再生为例说明再生步骤。（1 1）反洗分层）反洗分层 （2 2）进碱再生阴树脂）进碱再生阴树脂 （3 3）阴树脂正洗）阴树脂正洗 （4 4）进酸再生阳树脂）进酸再生阳树脂 （5 5）阳树脂正洗）阳树脂正洗 （6 6）阴、阳树脂混合）阴、阳树脂混合 （7 7）最后正洗，至）最后正洗，至PH7PH7，电阻率大于，电阻率大于5105105 5cmcm，即可运行。，即可运

23、行。第19页，本讲稿共27页第20页，本讲稿共27页n n4.4.高纯水制备与终端处理高纯水制备与终端处理 强酸强酸脱气脱气强碱强碱混合床系统，出水电阻率可达混合床系统，出水电阻率可达10 10 M.cm M.cm，硅小于，硅小于0.02mg/L0.02mg/L，用于电力、化工。，用于电力、化工。电子工业用高纯水，复床混床精制混床超滤紫外电子工业用高纯水，复床混床精制混床超滤紫外线杀菌。线杀菌。新工艺：新工艺：RO+EDIRO+EDIn n四、氢型精处理器四、氢型精处理器 强酸强酸脱气脱气强碱强碱氢型精处理器氢型精处理器n n能彻底去除能彻底去除NaNa，出水水质好，出水水质好，n n流速高（

24、流速高（100m/h100m/h）n n不能除不能除SiSi，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混，因而只有复床出水水质达到规定要求时，取代混合床提纯水质，可克服混床再生操作复杂。合床提纯水质，可克服混床再生操作复杂。第21页，本讲稿共27页n n五、离子交换双层床五、离子交换双层床 包括阳离子交换双层床和阴离子交换双层床。包括阳离子交换双层床和阴离子交换双层床。n n1.1.阳离子交换双层床阳离子交换双层床 （1 1）组成：弱酸、强酸两种树脂，两种树脂要有湿真密度差，）组成：弱酸、强酸两种树脂，两种树脂要有湿真密度差，而且密度差越大越有利于分层。如：而且密度差越大越有利于分层。如：11

25、1111配配0011100111，密度差大，密度差大于于0.9g/mL0.9g/mL。（2 2）优点：交换能力提高，再生比耗降低（从）优点：交换能力提高，再生比耗降低（从3 3降到降到1.11.1），废），废酸量显著减少。酸量显著减少。（3 3）再生：采用逆流串联再生。）再生：采用逆流串联再生。（4 4）去除离子特点：弱酸树脂主要去除水中碳酸盐硬度，强）去除离子特点：弱酸树脂主要去除水中碳酸盐硬度，强酸树脂主要去除水中其余阳离子（非碳酸盐硬度及钠盐）。酸树脂主要去除水中其余阳离子（非碳酸盐硬度及钠盐）。第22页，本讲稿共27页（5）弱强树脂比例计算：q强12001500mmol/L q弱200

26、02500mmol/L（6）适用范围：原水硬度与碱度的比值接近于1的水，或硬度略大于碱度的水。第23页，本讲稿共27页n n2.2.阴离子交换双层床阴离子交换双层床 （1 1）组成：）组成：交换容量交换容量mmol/Lmmol/L 湿真密度湿真密度g/mL g/mL 作用作用 301 850301 8501000 1.04 1000 1.04 去除强酸阴离子去除强酸阴离子 2017 3502017 350400 1.09 400 1.09 去除弱酸阴离子去除弱酸阴离子 （2 2）特点：交换能力提高，再生比耗降低，废碱量显著减少，）特点：交换能力提高，再生比耗降低，废碱量显著减少，对原水含盐量适

27、用范围强。但对原水含盐量适用范围强。但要求再生条件严格。要求再生条件严格。第24页，本讲稿共27页 要求再生条件严格的原因：再生时，下层强碱树脂，在NaOH存在的情况下，以Na2SiO3，Na2CO3存在。2R-NH3Cl+Na2SiO3 2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO3 2R-NH3Cl+Na2CO3 2R-NH3OH+2NaCl+H2CO3 从而使PH值下降，出现大量H2SiO3,从而析出胶体硅,粘附在弱碱树脂上,使出水水质严重恶化，故对再生条件要求严格。防止的方法：失效后立即再生,加热再生,40碱液 (避免产生胶体硅,降低出水硅含量)，先1低浓度碱液快速洗脱强碱树脂中的硅酸，后

28、用3%高浓度正常再生。第25页，本讲稿共27页n n六、树脂的污染与复苏处理六、树脂的污染与复苏处理n n1.1.污染：污染：SSSS、微生物、无机物、有机物、重金属离子、二氧化硅等污、微生物、无机物、有机物、重金属离子、二氧化硅等污染树脂，交换容量下降、颜色变深、出水水质恶化。染树脂，交换容量下降、颜色变深、出水水质恶化。n n2.2.复苏：复苏：阳树脂用盐酸，空气擦洗阳树脂用盐酸，空气擦洗 有机污染用有机污染用5 5氢氧化钠氢氧化钠 硅污染阴树脂用过量氢氧化钠，加热硅污染阴树脂用过量氢氧化钠，加热40 40 再生再生 受高价铁、铝污染用受高价铁、铝污染用1010盐酸泡盐酸泡1212小时。小时。第26页，本讲稿共27页思考思考题题1、在离子交换除盐系统中，阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前后位置的布置应如何考虑？试说明理由。2、试说明离子交换混合床工作原理，其除盐效果好的原因何在？3、总结离子交换除盐的适应范围及优缺点。4、何为双层床，其与混合床有何区别？5、弱碱性树脂具有哪些工艺特性？6、就目前技术，除盐的方法有哪些？7、强碱性树脂除硅有何要求？第27页，本讲稿共27页