1、離子交換,離子交換原理 一級除鹽系統(tǒng) 混合型離子交換器 影響離子交換器運(yùn)行的因素,樹脂的離子交換是一種可逆反應(yīng)，反應(yīng)式可表示為： RA+B RB+A 與任何化學(xué)平衡一樣，上述反應(yīng)遵循質(zhì)量作用定律，它的逆反應(yīng)就是A型樹脂的再生。平衡常數(shù)表達(dá)式： KBA=RBA/（RAB）,KBA1樹脂對B的親和力大于對A的親和力，圖中曲線c； KBA1樹脂對B的親和力小于對A的親和力圖中曲線a； KBA=1樹脂對A的親和力等于對B的親和力圖中曲線b； 稱KBA為樹脂的選擇性系數(shù)，在濃度很稀時(shí)只與溫度有關(guān)，溫度一定時(shí)即為常數(shù)。,圖1 離子交換等溫曲線,一 離子交換原理,圖2 樹脂層交換層工作狀況 1失效層； 2工

2、作層； 3保護(hù)層,工作層的下一個(gè)區(qū)域是尚未工作的A型樹脂層，在離子交換進(jìn)行過程中，這三層實(shí)際上無時(shí)不在變化，所以不可能找出明顯的分界線，圖中的分界線是為說明問題而大致劃分的。 在交換過程中，工作層不斷下移，當(dāng)下移到交換柱底部最后一層時(shí)，此時(shí)出水中就有B離子，也就說B離子開始穿透，交換柱開始失效了。所以最后一層離子交換容量未能充分發(fā)揮，只起保證出水質(zhì)量的作用，為保護(hù)層。 如果保護(hù)層厚度大，則交換柱的工作交換容量就小；反之，交換柱的工作交換容量就大。,在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，交換樹脂分為幾個(gè)區(qū)域， 上層全部轉(zhuǎn)為B型樹脂，是失效層。 失效層的下一個(gè)區(qū)域?yàn)楣ぷ鲗樱?水經(jīng)過工作層時(shí)，離子交換反應(yīng)就在這一層進(jìn)行，

3、在這一層中的樹脂是A型和B型的混合物， 隨著交換的進(jìn)行，工作層樹脂被B離子飽和， 也就是說工作層變成了失效層，工作層又下移到下一區(qū)域， 可見交換柱中的工作層是自上而下不斷移動的。,圖2就是以A型樹脂處理含B離子水時(shí)，樹脂交換層的工作狀況。,一級化學(xué)除鹽系統(tǒng)由陽離子交換器、除碳器和陰離子交換器所組成，其組合方式分為單元制和母管制。,單元制,母管制,圖3 一級復(fù)床除鹽系統(tǒng) 1陽床水泵； 2強(qiáng)酸性H型陽離子交換器；3除碳器； 4中間水箱； 5中間水泵； 6強(qiáng)堿性O(shè)H型陰離子交換器,二 一級除鹽系統(tǒng),進(jìn)入一級除鹽系統(tǒng)的水是經(jīng)預(yù)處理、預(yù)脫鹽的水，水中只含有少量的溶解性雜質(zhì)。溶解性雜質(zhì)包括陽離子、陰離子、

4、少量膠體硅等。其中水中的陽離子主要由Ca2+、Mg2+、K+、Na+和極少量的Al3+、Fe3+離子組成，陰離子主要由HCO3、SO42-、Cl和少量的NO3-、HSiO3-離子組成。 當(dāng)水通過強(qiáng)酸性H型陽交換器時(shí)，水中所有的陽離子都被強(qiáng)酸性H型樹脂吸收，活性基團(tuán)上的H+被置換到水中，與水中的陰離子組合生 成酸。其反應(yīng)式：,1. 陽離子交換器,強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂交換反應(yīng)：,陽離子交換器的出水是酸性水。但當(dāng)交換器運(yùn)行失效時(shí)，其出水中就會有其它陽離子的泄漏，而在諸多的陽離子中，首先漏出的陽離子是Na+，故習(xí)慣上稱之為漏鈉。當(dāng)出水中的Na+超過一個(gè)給定的極限值時(shí)，陽離子交換器被判失效，需停運(yùn)再生后

5、才能投入運(yùn)行。 為什么陽交換器失效時(shí)，首先發(fā)生漏鈉，而不是漏Ca2+或Mg2+離子？這是因?yàn)樗懈鞣N陽離子與樹脂中H+發(fā)生交換反應(yīng)時(shí)，因樹脂對各種陽離子的吸收有選擇性，故被樹脂吸收的離子在交換器內(nèi)有分層現(xiàn)象，根據(jù)樹脂對被吸收離子的選擇性順序，最上層是最易被吸收的Ca2+，次層以Mg2+為主，下層就是Na+。強(qiáng)酸性陽樹脂的選擇性順序?yàn)椋?Fe3+A13+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+,進(jìn)水裝置的作用是均勻分布進(jìn)水于交換器的進(jìn)水截面上。另一個(gè)作用是均勻收集反洗排水。,排水裝置的作用是均勻收集處理好的水；另一個(gè)作用是均勻分配反洗進(jìn)水。,中間排液裝置的作用：中間排液裝置對逆流再生離子交換器運(yùn)行效果

6、有較大影響，其作用是均勻排出再生液，防止樹脂亂層、流失外，還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，安裝時(shí)應(yīng)保證在交換器內(nèi)呈水平狀態(tài)，,陽離子交換器結(jié)構(gòu),壓脂層的作用過濾掉水中的懸浮物及機(jī)械雜質(zhì)；使進(jìn)水通過壓脂層均勻作用于樹脂層表面；防止樹脂在逆流再生中亂層。,圖4 交換器中離子分布情況 (a)開始進(jìn)水時(shí) (b)交換器失效時(shí),當(dāng)交換器不斷進(jìn)水，隨離子交換的不斷進(jìn)行，由于水中的Ca2+比Mg2+、Na2+與樹脂的親合力更大，更易被樹脂吸收，所以水中的Ca2+離子可和已吸收了Mg2+的樹脂進(jìn)行交換反應(yīng)，使Ca型樹脂層向下擴(kuò)展，而被置換下來的Mg2+一起與Na+型樹脂發(fā)生交換，使Mg2+型樹脂層下移而Na+的交換區(qū)域也逐漸

7、下移。在運(yùn)行過程中，這三層不同型態(tài)的交換劑的高度在不斷地向下擴(kuò)展，如圖4所示。,陽床整個(gè)制水周期(運(yùn)行開始到交換器失效這段時(shí)間)中電導(dǎo)率、鈉離子濃度、酸度變化可用圖5表示。 開始通水正洗時(shí)隨水的不斷通入，水質(zhì)越來越好。因而電導(dǎo)率、酸度、鈉離子快速下降（a點(diǎn)前）。在ab為穩(wěn)定制水過程，b點(diǎn)后樹脂開始失效。此時(shí)水中鈉增加，氫離子減少而氫氧根增加，使酸度下降，電導(dǎo)率下降。,圖5 強(qiáng)酸H型陽離子交 換 器典型出水曲線,運(yùn)行時(shí)的交換情況,無頂壓逆流再生的操作步驟： 1）小反洗。只對壓脂層進(jìn)行反洗，沖洗掉積聚在壓脂層上的污染物。用水為該級交換器的進(jìn)口水，流速樹脂不亂層為宜，一直反洗至出水清澈為為止。 2）

8、放水。待樹脂顆粒下沉后，放掉中間排液裝置以上的水。 3）進(jìn)再生液。將再生液從底部充入交換器內(nèi)，嚴(yán)格控制其流速和濃度。 4）置換。進(jìn)完再生液，關(guān)閉再生液計(jì)量箱出口閥，按再生液的流速和流量繼續(xù)用稀釋再生液的除鹽水進(jìn)行置換，直至出水指標(biāo)合格為止。關(guān)閉進(jìn)水閥。 5）小正洗。水從上部進(jìn)入，控制適當(dāng)?shù)牧魉?，洗去再生后壓脂層中殘留的再生廢液和雜質(zhì)。 6）正洗。用水自上而下進(jìn)行正洗，直到出水水質(zhì)合格，即可投入運(yùn)行。,樹脂的再生,交換器經(jīng)過多周期運(yùn)行后，下部樹脂層也會受到一定程度的污染，必須定期對整個(gè)樹脂層進(jìn)行大反洗，大反洗前先進(jìn)行小反洗，在大反洗時(shí)流量應(yīng)由小到大，逐步增大。,離子交換器的運(yùn)行中技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有交

9、換器的出水水質(zhì)，工作交換容量和相應(yīng)的再生劑 比耗，周期制水量及再生過程中消耗水量。 工作交換容量(qi)：在一個(gè)制水運(yùn)行周期中，平均單位體積樹脂進(jìn)行交換所放出的離子量（mmol/）。計(jì)算式： qi=(A+S)V/Vi。式中，A為平均進(jìn)水堿度,mmol；為平均出水酸度,mmol；為從正洗合格開始制水到失效一周期內(nèi)的總制水量，m3;Vi交換器內(nèi)的樹脂體積， m3。 酸耗：使交換劑恢復(fù)mol的離子交換能力，所消耗的酸的的克數(shù)。 酸耗（gmol）酸的克數(shù)周期制水量(L)（陽床出口平均酸度陽床進(jìn)口平均堿度）(mol)。 比耗：再生劑的實(shí)際酸耗與理論酸耗（酸的摩爾質(zhì)量）的比值。在實(shí)際中常用平均比耗來表示。

10、 水耗：每次再生所耗水的體積與樹脂層體積之比。 出水水質(zhì)：是監(jiān)督陽床出水的含鈉量。,運(yùn)行時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),2 . 除碳器,除碳原理 水通過陽離子交換器，水中的HCO3-與從樹脂上交換下來的H+結(jié)合，形成H2CO3極不穩(wěn)定，隨即分解生成的CO2： H2CO3 H2O+CO2 水中的CO2，可以看作是溶解在水中的氣體，它的溶解度與氣體分壓的關(guān)系符合亨利定律，即在一定的溫度下氣體在液體中的溶解度與該氣體在液面上的分壓成正比。只要降低水面上CO2的分壓力，溶于水中的游離CO2就能解吸出來。 降低液面CO2氣體分壓的常用方法有鼓風(fēng)和抽真空兩種。,圖6 除碳器結(jié)構(gòu),除碳器工作時(shí)水中上部布水扳扳淋下，通過填

11、料層后，從下部排入水箱?？諝鈴南虏坑娠L(fēng)機(jī)引入，通過填料層后由頂部排出。 在除碳器中因填料的阻擋作用，從上面流下來的水被分散成許多小股水流、微小滴或水膜，增大了空氣與水的接觸面積。 因空氣中CO2含量很小（約0.03%），在水中溶解達(dá)平衡時(shí)不到0.45mg/L，這樣水與空氣接觸時(shí)，水中的CO2便會析出。 真空除碳 真空除碳通過真空泵或噴射器，從除碳器的不同部位抽真空而達(dá)到除碳的目的。,鼓風(fēng)除碳器的結(jié)構(gòu),它的工作原理除了同上述的鼓風(fēng)除碳所不同的是：在真空除碳過程中，水中其它溶解氣體(如氧氣)也同時(shí)被除去，這是鼓風(fēng)除碳所不能做到的。,3. 陰離子交換器(陰床),陰離子交換實(shí)質(zhì)上是陰樹脂中的OH與酸性

12、水(經(jīng)過陽離子交換及除碳)中的負(fù)離子進(jìn)行交換。所以在強(qiáng)堿性陰離子交換器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)為：,圖7 強(qiáng)堿性O(shè)H型離子 交換器出水水質(zhì)變化,根據(jù)強(qiáng)堿陰樹脂的交換規(guī)律，HSiO3-集中在交換器中樹脂的底部。所以當(dāng)強(qiáng)堿性O(shè)H型陰離子交換器失效時(shí)，HSiO3-先漏出來，致使出水的硅含量升高。,因強(qiáng)堿陰樹脂的選擇性順序?yàn)椋?SO42NO3ClOHFHCO3HSiO3,逆流再生陰離子交換器示意圖,陰離子交換器與陽離子交換器一樣是逆流再生工藝，其操作步驟與陽離子交換器相同。其交換器結(jié)構(gòu)示意圖與陽離子交換器也相同。,進(jìn)入離子交換器的水，應(yīng)注意水中濁度、有機(jī)物、余氯和鐵的含量。 1. 因?yàn)橛嗦仍谒锌梢匝趸瘡?qiáng)酸陽樹脂

13、，所以進(jìn)入離子交換器前的余氯應(yīng)小于0.1mg/l; 2. 離子交換器進(jìn)水濁度，對其運(yùn)行有較大的影響，濁度大，會使污泥等被截留在樹脂層表面，有時(shí)污泥會進(jìn)入樹脂層深處，影響出水和再生效果，尤其是對流再生設(shè)備，會造成大反洗次數(shù)增多，降低或失去了對流再生的優(yōu)點(diǎn)。因此順流再生設(shè)備，進(jìn)水濁度小于5NTU，逆流再生設(shè)備進(jìn)水濁度小于2NTU。 3. 有機(jī)物對強(qiáng)堿陰樹脂的污染，不但造成交換容量明顯下降，還會使出水電導(dǎo)率升高，漏硅量增大，pH值降低。若進(jìn)入勢力系統(tǒng)還會引起腐蝕，所以進(jìn)入離子交換器原水化學(xué)耗氧量應(yīng)小于2mg/l. 4. 鐵含量超標(biāo)會污染陽、陰樹脂，所以一級除鹽進(jìn)水鐵含量應(yīng)小于0.3mg/l，混床進(jìn)水

14、鐵含量小于0.1mg/l。,一級除鹽系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求,三 混合型離子交換器,由于陽、陰樹脂混合均勻，所以陽、陰離子交換反應(yīng)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，置換出的H+和OH-立即生成水，都不會積累，消除了反離子作用，交換反應(yīng)進(jìn)行得十分徹底，出水水質(zhì)很好。交換反應(yīng)如下：,混合床結(jié)構(gòu)示意圖,混合床是圓柱型密閉容器。其內(nèi)部有進(jìn)水裝置、排水裝置、中部有再生時(shí)排再生廢液的中間排水裝置等。為了便于陽、陰樹脂分層，混合床中陽樹脂與陰樹脂的濕真密度差應(yīng)大于0.150.20gcm3。國內(nèi)混合床采用的陽、陰樹脂的體積比為1：2。,經(jīng)過一級復(fù)床處理后的水質(zhì)，一般電導(dǎo)率小于0.2Scm，pH接近中性，含硅量(以SiO2計(jì))在20g

15、L以下。,混合床結(jié)構(gòu),1.失效終點(diǎn)的控制 失效終點(diǎn)控制越嚴(yán)格，則出水越好。但同時(shí)樹脂的工作交換容量降低，運(yùn)行周期短，周期制水量少，制水成本高。因此，失效終點(diǎn)的控制應(yīng)按實(shí)際需要，不要過低，也不能要求過高。 2.進(jìn)水總離子含量的影響 一般說來，進(jìn)水總離子含量少許增加時(shí)，由于樹脂失效度提高，故樹脂的工作交換容量會有少量增加。但進(jìn)水總離子含量若大量增加，則由于樹脂的工作層加厚，將會造成成樹脂的工作交換容量降低。周期制水量減少，運(yùn)行周期短。在樹脂層增高不能適應(yīng)時(shí)，將會影響出水水質(zhì)。 3.運(yùn)行流速的影響 流速過低時(shí)，樹脂表面液膜較厚，水流呈滯流狀態(tài)，水中離子不易交換，使出水水質(zhì)較差。適當(dāng)提高流速，加快了離

16、子擴(kuò)散速度，增加了離子交換的可能性，出水水質(zhì)也相應(yīng)地得到了提高；但是，流速過高，接觸時(shí)間短，交換反應(yīng)進(jìn)行不完全。同時(shí)工作層厚度增加，將造成出水水質(zhì)惡化和樹脂工作交換容量降低。因此，一般運(yùn)行流速在1030m/h范圍內(nèi)。,四 影響離子交換器運(yùn)行的因素,（4）樹脂層高度的影響 首先影響出水的水質(zhì)，一般當(dāng)流速在1030m/h范圍內(nèi)時(shí)，出水水質(zhì)隨著樹脂高度增加而提高。其次，樹脂層高度影響樹脂的工作交換容量，從交換器分層失效的原理可以看出，在進(jìn)水雜質(zhì)濃度、出水水質(zhì)及流速一定的條件下，一般保護(hù)層高度是不變的。因此，適當(dāng)?shù)卦黾訕渲瑢痈叨仁怯泻锰幍?。但過高會增加交換器阻力。 （5）運(yùn)行方式的影響 交換器是連續(xù)運(yùn)

17、行還是間斷運(yùn)行，對出水水質(zhì)和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有很大的影響，陰床間斷運(yùn)行的缺點(diǎn)更加明顯，當(dāng)陰床中斷運(yùn)行，重新投運(yùn)時(shí)，出水水質(zhì)很差，必須經(jīng)過清洗才能投入運(yùn)行。 （6）水溫的影響 再生液溫度的提高，會增加擴(kuò)散速度，對各種類型的樹脂及其不同的失效型態(tài)的影響是不同的，強(qiáng)酸樹脂的再生液一般不需加熱。若將鹽酸加熱到40，再生H型離子交換樹脂，能大大改善樹脂中鐵及氧化物的清除效果。強(qiáng)堿型樹脂的再生時(shí)提高再生液的溫度，對氯型、硫酸型、碳酸型樹脂影響不大，而對硅酸型樹脂的洗脫率卻有著明顯的提高。如再生液16時(shí)交換時(shí)間為100分鐘，硅酸洗脫率只有50%，而加熱35時(shí)，硅酸洗脫率可達(dá)100%。強(qiáng)堿樹脂使用較高溫度的再生液再生，可使下一個(gè)運(yùn)行周期中出水SiO含量明顯降低。但溫度過高，會造成樹脂的交換基團(tuán)分解，影響其交換容量和使用壽命。,（7）再生程度的影響 樹脂再生的好壞，對于工作周期、交換容量以