第12章離子交換12.1離子交換基本原理12.2離子交換軟化方法與系統12.3離子交換軟化設備及其計算12.4離子交換除鹽方法與系統12.1離子交換基本原理12.1.1離子交換樹脂的類型及命名12.1.1.1離子交換樹脂的類型2．離子交換樹脂1）分類2）結構3．磺化煤：兼有強酸性和弱酸性兩種活性基團的陽離子交換劑分類名稱12.1.1.2命名

12.1.2離子交換樹脂的基本性能1．外觀粒徑0.3～1.2mm乳白、淡黃、棕褐色等不透明或半透明球狀顆粒2．交聯度：以7~10%為宜3．含水率樹脂的含水率以每克樹脂（在水中充分膨脹）所含水分的百分比（約50%）樹脂的含水率相應地反映了樹脂網架中的孔隙率4．溶脹性干樹脂+水→濕樹脂體積脹大絕對溶脹度5．密度6.有效PH值范圍由于樹脂活性基團分為強酸、強堿、弱酸、弱堿性，水的pH值勢必對其交換容量產生影響。表12.1各種類型樹脂有效pH值范圍樹脂類型強酸性弱酸性強堿性弱堿性有效pH值范圍1~145~141~120~712.1.3離子交換平衡選擇系數大于1，說明該樹脂對B+的親合力大與對A+的親合力，即有利于進行離子交換反應。選擇系數用離子濃度分率表示：二階對一階離子交換反應通式為：12.1.4離子交換速度

膜擴散和孔道擴散何者影響最大？何者為控制步？慢者控制離子交換反應的速度．(1)濃度：濃度大于0.1mol/l時，孔道擴散為控制步．濃度小于0.003mol/l時，膜擴散成為控制步介于中間則取決于具體情況．(2)

流速或攪拌速率：大，則水膜薄．膜擴散快．但孔隙擴散基本不受影響．(3)

樹脂粒徑：膜擴散，速度與粒徑成反比．孔道擴散，速度與粒徑２次方成反比．(4)

交聯度：交聯度對于孔道擴散影響比對膜擴散更為顯著．12.1.5樹脂脂層層離離子子交交換換過過程程12.1.6樹脂脂的的再再生生再生生液液與與水水流流方方向向相相同同1．順順流流再再生生特點點：：⑴上部部再再生生程程度度高高，，下下部部差差，，越越是是下下部部越越差差⑵再生生劑劑耗耗量量大大，，2～3倍理理論論值值時時，，效效果果仍仍不不理理想想⑶出水水剩剩余余硬硬度度高高⑷交換換器器失失效效早早，，降降低低工工作作效效率率，，工工作作交交換換容容量量降降低低⑸適合合于于硬硬度度較較低低的的場場合合2．逆逆流流再再生生再生生液液飽飽和和程程度度特點點：：⑴再生生效效果果好好，，耗耗量量可可降降低低20%以上上低⑵⑵出水水水水質質明明顯顯提提高高↓⑶⑶原水水水水質質適適應應范范圍圍擴擴大大，，對對硬硬度度較較高高原原水水仍仍能能保保證出出水水水水質質中⑷⑷再生生廢廢液液中中再再生生劑劑有有效效濃濃度度低低↓⑸⑸工作作交交換換容容量量提提高高高⑹⑹操作作較較復復雜雜從從而而使使底底部部再再生生效效果果好好及及劑劑量量低低等等3．移移動動床床：：再再生生液液向向下下流流，，水水流流向向上上流流的的方方式式適適用用：：處處理理水水量量穩穩定定，，且且不不間間斷斷運運行行12.2離子子交交換換軟軟化化方方法法與與系系統統12.2.1離子子交交換換軟軟化化系系統統選選擇擇1．Na＋離子子交交換換軟軟化化法法2．H＋離子子交交換換軟軟化化法法3．H－Na串聯聯及及并并聯聯：：⑴并聯聯：：12.2.2離子子交交換換樹樹脂脂的的交交換換容容量量1．交交換換容容量量：：1）全全交交換換容容量量（1）定定義義：：一一定定量量的的樹樹脂脂所所具具有有的的活活性性基基團團或或可可交交換換離離子子的的總總量量代表表交交換換能能力力的的大大小小（2）測測定定方方法法：：滴滴定定測測定定與與理理論論上上計計算算12.3離子子交交換換軟軟化化設設備備及及其其計計算算12.3.1逆流流再再生生固固定定床床再生生液液飽飽和和程程度度特點點：：⑴再生生效效果果好好，，耗耗量量可可降降低低20%以上上低⑵⑵出水水水水質質明明顯顯提提高高↓⑶原水水水水質質適適應應范范圍圍擴擴大大，，對對硬硬度度較較高高原原水水仍仍能能保保證證出出水水水質質中⑷⑷再生生廢廢液液中中再再生生劑劑有有效效濃濃度度低低↓⑸工作作交交換換容容量量提提高高高⑹⑹操作作較較復復雜雜從而而使使底底部部再再生生效效果果好好及及劑劑量量低低等等為何何能能降降低低出出水水硬硬度度（以以H型樹樹脂脂與與含含鈉鈉鹽鹽進進行行交交換換為為例例，，即即能能降降低低鈉鈉的的泄泄漏漏））逆流流再再生生操操作作步步驟驟：：⑴小反反洗洗⑵放水水⑶頂壓壓→使床床不不亂亂（（為為何何需需頂頂壓壓，，順順流流時時是是否否需需頂頂壓壓））⑷進再再生生液液⑸逆向向沖沖洗洗（（軟軟化化水水，，流流速速5～7m/h）⑹正洗洗為何何需需軟軟化化水水逆逆向向沖沖洗洗：：逆流流再再生生要要用用軟軟化化水水清清洗洗，，否否則則底底層層已已再再生生好好的的樹樹脂脂在在清清洗洗過過程程中中又又被被消消耗耗，，導導致致出出水水質質量量下下降降，，失失去去了了逆逆流流再再生生的的特特點點。。逆流流再再生生固固定定床床的的再再生生劑劑耗耗量量與與再再生生液液濃濃度度再生劑耗量(g/mol)濃度(%)NaCl80～1005～8HCl50～551.5～3NaOH55～651～3鈉離離子子交交換換器器順順流流、、逆逆流流再再生生鹽鹽耗耗量量和和出出水水水水質質鹽耗量(g/mol)出水硬度c（1/2Ca2+）umol/L順流逆流節約（%）逆流再生鹽比耗順流逆流A廠109.586.720.81.55~100B廠109.68819.71.54~62C廠12474.6401.310~16<312.3.2再生生附附屬屬設設備備1．食食鹽鹽系系統統2．酸酸系系統統3．再再生生劑劑用用量量計計算算：：再生生劑劑用用量量G表示示單單位位體體積積樹樹脂脂所所消消耗耗的的純純再再生生劑劑量量（（g/L，kg/m3）比耗耗：：nmol/mol（再再生生劑劑/工作作交交換換容容量量））再生生1mol所需需質質量量：：R＝n··MB再生生劑劑摩摩爾爾質質量量G＝q··R＝q··n··MB（g/L）q:樹脂脂工工作作交交換換容容量量每臺臺離離子子交交換換器器再再生生一一次次所所需需要要再再生生劑劑的的總總量量等等于于：：式中中α————工業業用用酸酸或或鹽鹽的的濃濃度度或或純純度度，，%12.3.3除二二氧氧化化碳碳器器1．原理理：：CO2具有有腐腐蝕蝕性性，，并并增增加加強強堿堿樹樹脂脂負負荷荷，，且且一一般般為為H床后后：2．構構造造和和計計算算：：1）構構造造：：2）填填料料：：常常用用瓷瓷環環204m2/m3空隙隙率率74%3）計計算算：：G＝KF△△Ckg／hG————單位位時時間間能能夠夠去去除除CO2的量量（（能能力力））K————解吸吸系系數數單單位位時時間間、、單單位位接接觸觸面面積積、、單單位位推推動動力力下下去去除除的的CO2的數數量量瓷瓷環環面面積積單位時間需去去除量：求F——瓷環面積（1）求體積VV＝F/E（３）風量20～30m3/m3（水）瓷瓷環阻阻力0.3～0.5KPa／m，據風量，風壓壓選風機其其它它局部阻力0.4KPa結論：⑴K——解析系數，溫溫度高則其值值大，CO2溶解度低，冬冬天鼓熱風⑵水封高度大于于風壓⑶進風口高于水水面距離＞25cm，伸入內壁，，防止水濺入入風口⑷通風管有一定定坡向水面的的坡度⑸防止出水管不不通，使水漫漫入鼓風機⑹設備防腐12.3.4固定床軟化系系統的設計計計算物料平衡關系系式：Fh·q＝QT·HtQ＝ηqo＝{ηr－（1－ηs）}qoη：樹脂實際利利用率ηr：樹脂再生程程度，再生度度ηs：樹脂飽和程程度，飽和度度12.4離子交換除鹽鹽方法與系統統12.4.1水的純度概念念電阻率：1cm×1cm×1cm體積的水所測測得的電阻（（Ω·cm）1.淡化水：生活活及生產用的的淡水2.脫鹽水：含鹽鹽量為1～5mg/l，強電解質大大部分被去除除（普通蒸餾水水）250C電阻率0.1～1.0×106Ω·cm3.純水：去離子子水，含鹽量量為＜０.１mg／Ｌ，強電解解質絕大部分分被去除，弱弱電解質也去去除到一定程程度250C，0.1～1.0×106Ω·cm。４.高純水：超純純水，導電介介質幾乎已全全部被去除，，水中膠粒，，微生物，溶溶解氣體和有有機物等亦去去除到最低的的程度。含鹽量＜0.1mg/L，250C，＞10×106Ω·cm12.4.2陰離子交換樹樹脂的特性1．強堿性陰陰樹脂的工業業特性（ROH）ROH+H2SO4→RHSO4+H2O①2ROH+H2SO4→R2SO4+2H2O②ROH+HCl→RCl+H2OROH+H2CO3→RHCO3+H2OROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O式①和式②一般同時進行行,但當［H2SO4］＞［ROH］中OH-濃度時，①占優勢，低濃濃度時②占優勢。R2SO4+H2SO4→2RHSO4-可以進行，樹樹脂由R2SO4變成RHSO4型。1）強堿性陽陽樹脂對水中中各種陰離子子的交換選者者性也是不同同的，一般順順序為：PO43—＞SO42—＞NO3—＞Cl—＞OH—＞F—＞HCO3—＞HSIO3—（1）電荷愈多，，選擇性愈好好（2）相同電荷時時，原子序數數愈高，水合合半徑愈小，，則選者性愈愈好（3）還與離子交交換基團的性性質有關（4）強酸性選擇擇性好2）強堿性陽陽樹脂對水中中各種陰離子子的交換順序序如上，從而而可得：ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH（幾乎不能進進行）除鹽系統相應應通過強酸性性陽樹脂，而而不應通過Na床，且通過H型樹脂應減少少漏鈉量ROH+H2SiO3→RHSiO3+H2OH2O電離度極小3）陰樹脂的的化學穩定性性一般要比陽陽樹脂差，（（600C~800C），易受氧化化劑的影響而而變質如水中存在氧氧化劑時，則則會使：4）強堿性樹脂脂抗有機物的的能力較差，，特別是凝膠膠型強堿性陰陰樹脂，由于于孔道分布強堿性樹脂被被有機物污染染后，交換容容量下降，正正洗水量增加加，出水導電電率增加。樹脂孔道大小小不一，水中中的一些有機機物（如腐殖殖酸等）在樹樹脂顆粒內交交聯緊密部位位會被卡住，，時間一長，，把該部分交交換基團遮蓋蓋住，從而該該部分基團不不能進行反應應。同時卡住住有機酸后，，相當于在樹樹脂的骨架上上引入了弱酸酸基團（-COOH）。用堿再生時：：R-COOH+NaOH→RCOONa+H2O正洗和反應時時：R-COONa+H2O→RCOOH+NaOH從而正洗水量量大大增加，，同時由于正正洗時陰離子子與ROH發生交換，從從而使運行時時交換容量低低。5）強堿性陰樹樹脂的運行過過程①．當清洗水排排水溶解固體體等于進水總總溶解固體時時，將清洗水水循環回收。。②．清洗水回收收，剛洗好，，就是因為樹樹脂受到污染染RCOONa+H2O→RCOOH+NaOH（剛開始出水水時，電導率率會增加，所所以需連續清清洗，知道出出水達到要求求，這就是清清洗水回收階階段）6）除Si求：①出水呈酸性；；②進水漏鈉量低低；③再生條件高，，提高溫度至至（40-500C）有利于再生生的進行。2．弱.堿樹脂的工藝藝特性：R=NH2-OHR-NH3OH仲胺型伯伯胺型型1）.交換能力差，，不能吸附弱弱酸陰離子。。只能吸附強酸酸陰離子：2R-NH3OH+H2SO4→（R-NH3）2SO4+2H2OPH值（0～7）R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2OPH值（0～7）2R-NH3-OH+Na2SO4→2（R-NH3）2SO4+2NaOH（不能進行））因為PO43-＞SO42-＞NO3-＞Cl-＞F-＞HCO3-＞HSiO3-2）.生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可，實際值值是理論值的的1.2～1.4倍。3）.交換容量大可可做強堿堿陰床前的預預處理4）.抗有機污染強強，吸附后容容易洗脫可可做強堿堿陰床前的預預處理5）.出水呈堿性，，NaHCO3，NaHSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸性性.Cl-,首先泄漏。12.4.3離子交換除鹽鹽方法與系統統1．復床除鹽：：（復床系指指陰、陽離子子交換器串聯聯使用，達到到水的除鹽目目的）1）一級復床除除鹽強強酸——脫氣——強堿系統一級復床出水水的特點：①．呈弱堿性PH=8～9.5（陽床微量Na泄漏）②.出水電阻率0.1～1.0×106Ω*CM脫鹽水（普通通蒸餾水）③.如果陽床泄漏漏Na過量的話，電電導率會升高高。因而關鍵是控控制陽床的Na泄露，另外除除硅時，可采采用熱堿液再再生。陰床設在陽床床之后（為什什么？）：2）強堿——弱堿——脫氣系統事實上脫氣放放在后面是因因為采用NaCO3，NaHCO3再生時會產生生CO2氣體，否則采采用NaOH再生時可放在在前面后面都都行。①．出水呈酸性性6～6.8②.不能除Si③.電阻率5×104達不到脫鹽的的標準3）強酸——脫氣——弱堿——強堿系統適合于原水強強酸陰離子含含量較大H2SO4弱堿用于去除除強酸陰離子子HCl強堿用于去除除SiSiO32-采用串聯再生生法，用NaOH再生，可適當當提高溫度。。2．混合床除鹽鹽1）原理與特點點：陰陽離子裝在在一個床內，，使用時均勻勻混合，構成成無數微型復復床，反復脫脫鹽，故其出出水電率可達達5～10×106Ω·Cm。RH+ROH+NaCl→RNa+RCL+H2O混合床的特點點：①.陰、陽離子交交換反應幾乎乎同時進行②.出水呈中性，，出水水質穩穩定，純度高高（用于制純純水，超純水水）③.不存在反離子子（強堿出水水呈堿性，強強酸出水呈酸酸性）④.失效終點分明明⑤.設備小缺點：①.再生時，難以以徹底分層。。②.混合床床對有有機物物敏感感，陰陰樹脂脂變質質后，，出水水水質質惡化化，下下降③.一般常常需進進行預預處理理（混混凝、、沉淀淀、、活性性炭吸吸附））④.再生操操作復復雜交叉污污染：：部分分陽樹樹脂混混合在在陰樹樹脂層層時，，經堿堿液再再生，，這部部分陽陽樹脂脂轉為為Na型，造造成運運行后后Na+泄漏。。三層混混合床床：（（為了了有利利于分分層））中間間另裝裝10～15cm惰性樹樹脂使使其分分層徹徹底。。2）混混合床床離子子交換換器裝裝置及及再生生方式式a.裝置b.再生再生方方法有有體內內再生生和體體外再再生體體內再再生又又分為為酸、、堿同同時再再生和和酸、、堿分分別再再生，，現以以酸、、堿分分別再再生為為例。。步驟：：1、反洗洗分層層2、陰樹樹脂再再生3、陰樹樹脂正正洗4、陽樹樹脂再再生5、陽樹樹脂清清洗6、混合合7、最后后正洗洗至PH≈≈7，電阻阻率大大于5×105Ω··cm，即可可運行行。3).高純水水制備備與終終端處處理：：強酸——脫氣——強堿——混合床床系統統使用前前終端端處理理有：：紫外外線，，精制制混床床，超超濾。。3.氫型精精處理理器：：強酸——脫氣——強堿——強酸能徹底底去除除Na，出水水水質質好，，流速高高100m/h不能除除Si，因而而只有有復床床出水水水質質達到到規定定要求求時，，取代代混合合床提提純水水質。。4.離子交交換雙雙層床床：陽離子子交換換雙層層床陰離子子交換換雙層層床1)陽離子子交換換雙層層床采用逆逆流再再生，，耗酸酸量相相當于于全部部是陽陽樹脂脂來說說從3倍降到到1.1倍理論論值。。適應于于：原原水硬硬度=堿度的的水，，或硬硬度略略大于于堿度度的水水。2)陰離子子交換換雙層層床（1）.逆流再再生，，堿耗耗量低低，理理論值值的1.1倍。強強堿是是理論論值的的3～4倍（2）.交換容容量提提高，，出水水量增增加。。（3）.適應的的含鹽鹽量范范圍可可提高高。（4）.出水水水質好好。缺點：：要求求再生生條件件嚴格格，否否則會會出現現如下下現象象，大大量膠膠體硅硅（甚甚至膠膠凍））聚積積在弱弱堿樹樹脂上上，使使出水水水質質嚴重重惡化化。原因：：再生生時：：下層層強堿堿樹脂脂：在NaOH存在的的情況況下，，以Na2SiO3，Na2CO3存在。。2R-NH3Cl+Na2SiO3→2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO32R-NH3Cl+Na2CO3→2R-NH