第九章 軟化與除鹽（Softening and Salt Removal）第1節 概述一、水中主要溶解雜質離子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+) HCO3-, SO42-, Cl- 一般Fe2+, SiO32-含量較少。氣體：CO2,O2總硬度：Ca2+, Mg2+, 碳酸鹽硬度（暫時硬度） 非碳酸鹽硬度含鹽量：陽陰軟化：降低硬度除堿：HCO3（鍋爐給水、堿度太高，會汽水共沸）除鹽：降低含鹽量二、硬度單位 mmol/L, meq/L, 度（我國用德國度） 德國度10 mg CaO/L 美國度1mg CaCO3/L三、水的純度以含鹽量或水的電阻率表示（單位：歐姆 厘米）淡化水：高含鹽量水經局部處理脫鹽水：相當于普通蒸餾水，含鹽量15mg/L純水：亦稱去離子水，含鹽量1mg/L高純水：含鹽量硬度，還應去除多余的HCO3若水中存在Fe離子，也要消耗Ca(OH)2所以，石灰投加量：CaO = CO2 + Ca(HCO3)2 + 2Mg(HCO3)2 + Fe +a為盡量降低碳酸鹽硬度，石灰混凝沉淀可以同時進行。注意：石灰法只能降低碳酸鹽硬度以及降低水中的堿度二、石灰純堿法去除碳酸鹽和非碳酸鹽硬度CaSO4 + Na2CO3 -CaCO3+ Na2SO4MgSO4 + Na2CO3 -MgCO3 + Na2SO4MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3+Mg(OH)2但純堿太貴，此法一般不用。三、石灰石膏法 當原水的堿度大于硬度，即負硬度（有堿度存在時）出現時2NaHCO3 + CaSO4 + Ca(OH)2- 2CaCO3 + Na2SO4 + 2H2O第3節 離子交換基本知識一、 離子交換劑：磺化煤（煤磨碎后經濃硫酸處理得到） 離子交換樹脂 二、離子交換樹脂1結構* 母體（骨架）：高分子化合物和交聯劑經聚合反應而生成的共聚物 根據組成母體的單體材料：苯乙烯（最廣泛）、丙烯酸、酚醛系列* 活性基團：遇水電離，稱為固定部分和活動部分 具有交換性（可交換離子） 如聚苯乙烯磺化磺酸基團（SO3H）一種強酸性陽離子樹脂強酸陽離子：RSO3H弱酸陽離子：RCOOH強堿陰離子：RNOH季胺弱堿陰離子：RNHOH叔胺 RNH2OH仲胺 RNH3OH（伯胺）* 微孔形態：凝膠型、大孔型、等孔型等2命名 全名稱：（微孔型態）（骨架名稱）（基本名稱） 如凝膠型苯乙烯系強酸型陽離子交換樹脂 為了區別同一類樹脂的產品，有時在前面加上一些數字。3主要性能1） 密度：濕真密度：1.1-1.3 g/ml 溶脹后的質量與本身所占體積之比（不包括樹脂顆粒之間的孔隙），用于確定反沖洗強度，混合床的分層 濕視密度（堆積體積）：0.6-0.85 g/ml 計算樹脂用量2） 交換容量：是樹脂最重要的性能，表示樹脂交換能力的大小。 以體積和重量兩種表示方式。全交換容量：可用滴定法測定或從理論上計算工作交換容量：實際工作條件下的，全的60703） 離子交換樹脂的選擇性與水中離子種類、樹脂交換基團的性能有很大關系，同時也受離子濃度和溫度的影響。在常溫和低濃度時：* 離子電荷愈多，愈易被交換* 原子序數愈大，即水合半徑愈小，愈易被交換： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+= NH4+ Na+Li+ SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3-* H和OH的交換選擇性與樹脂交換基團酸、堿性的強弱有關。 對于強酸陽樹脂：H+Li+ 而對于弱酸陽樹脂：H+Fe3+三、離子交換平衡離子交換也是一種化學反應，存在交換平衡。 RA + B- - RB +A+離子交換選擇系數為： KAB= RBA+/RAB+ 該值1，有利于交換反應的進行。 第4節 離子交換軟化一、陽離子交換樹脂特性分強酸和弱酸。強酸主要有RNa 和RH。1RNa 2RNa + Ca2 +- R2Ca + 2Na+ 2RNa + Mg2+ - R2Mg + 2Na+ 特點：去除碳酸鹽和非碳酸鹽硬度，總含鹽量（陽離子總重量）有所變化，但堿度不變。2RH 碳酸鹽硬度， 生成CO2、H2O同時堿度也去除了。 非碳酸鹽硬度，生成H2SO4，HCl 出水酸性 對于Na+, RH + NaCl -RNa +HCl - 產生鈉型樹脂，但不起軟化作用 出水水質變化見圖2114。 開始時出水呈酸性。 Na開始泄漏時，出水酸度急劇下降。 之后，RH交換轉變為RNa型運行模式，對Ca和Mg仍有交換能力。出水Na離子逐漸超過原水中的濃度，呈堿性。 然后硬度離子開始泄漏出水中離子泄漏的順序為：H、Na、Mg2、Ca2 失效點控制：脫堿，以Na泄漏為準 軟化，以硬度離子泄漏為準。3弱酸型RCOOH（目前應用廣的主要是丙烯酸型） 由于電離較弱，只能去除碳酸鹽硬度 2RCOOH + Ca(HCO3)2 - (RCOO)2Ca + 2H2O +CO2 但交換容量大（活性基團多），比強酸型高一倍。 再生容易。二、離子交換軟化系統1RNa 系統 原水堿度低（因為RNa不能去除堿度），不要求降低堿度的情況。 可采用一級或二級串聯。2脫堿軟化系統1HNa 并聯QNRNa混合QCO2去除RHQHA原：進水堿度A混：混合水中的殘留堿度S：進水中SO42、Cl含量之和, 當量濃度QH：進RH水量， QN：進RNa水量 第一種情況：RH以Na泄漏為準 經RH產生的強酸量 S QH 經RNa后的堿度 A原QN =A原 (Q-QH)混合水中的剩余堿度 Q A混物料平衡: A原 (Q-QH) S QH A混Q QH (A原A混)/（A原S）Q QN（A混S）/（A原S）Q 第二種情況：RH以硬度離子的泄漏為準。此時，RH只是用來去除水中的硬度，因此，在一個運行周期的出水中Na+的平均含量和原水中的Na+含量相同，RH出水酸度的平均值和原水中的非碳酸鹽硬度相當，而不是和原水中的強酸根含量相當。 則RH產生的酸度非碳酸鹽硬度HF同樣推出： QH（A原A混）/（A原HF）Q QN（A混HF）/（A原HF）Q但應注意RH出水在一個周期內是不均勻的？在任何時間都保證不出現酸性水很難。2）HNa 串聯系統Q-QHQ混合RNaCO2去除RNHQH水量分配公式與并聯時的相同。這種型式可以降低RNa的負荷。H-Na并列:適用于堿度高的原水。因為只有一部分水過RNa。投資省H-Na串聯適用于硬度高的原水，出水水質能保證。運行安全可靠。CO2產生量：1mmol/L的HCO3- 產生44mg CO2/L三、固定床離子交換軟化設備1離子交換裝置的分類 固定床：單床、雙層床、混合床 連續床：移動床和流動床2固定床的工作過程飽和曲線任意時刻樹脂層存在三個區 飽和區（失效區） 交換區（交換帶）：工作層 未交換區從交換帶來講，要經歷兩個階段：1）首先是形成階段，2下移階段為保證一定的水質：應有一個保護層交換帶高度交換帶的影響因素：水流速度、樹脂大小、原水水質3工作交換容量 在給定工作條件下的實際交換能力。 P1：再生完畢，軟化開始前樹脂層中殘存的硬度離子所占的百分數 P3：軟化結束時，樹脂層中交換不到的部分所占的百分數。P2：工作交換容量P1P2P3100影響因素：再生程度、軟化時的流速、原水水質4 樹脂再生 固定床再分為順流再生和逆流再生兩種。逆流再生：降低再生劑用量；出水質量提高、工作交換容量提高。RNa型：用NaCl再生RH型：用HCl 或H2SO4 再生。第5節 離子交換除鹽需求：高溫高壓鍋爐的補給水、某些電子工業用水等一、陰離子樹脂特性陰樹脂是在粒狀高分子化合物母體的最后處理階段導入各種胺基而成的。1 強堿性陰離子樹脂可以交換經H離子交換出來的各種陰離子。SO42、Cl、HCO3、HSiO3- 為徹底除硅：陰離子樹脂進水的pH必須較低ROH + H2SiO3- RHSiO3 + H2O 若進水酸性降低，則ROH + NaHSiO3- RHSiO3 + NaOH生成的NaOH阻礙反應向右進行。化學穩定性比陽樹脂差。l 易受氧化劑的氧化而變質。特別是其中的氮氧化后，堿性逐漸變弱。交換容量逐漸較少。l 抗有機物污染能力較差交換能力逐漸降低。原因尚不清楚。但一般認為陰樹脂的交聯程度不均，有機物易被交聯緊密部分卡住。2弱堿性陰樹脂只能與強酸陰離子交換反應（以酸形式存在時）。如：R-NH3OH +HCl = R-NH3Cl + H2O極易再生與強堿陰樹脂一快用 弱堿去除強酸陰離子強堿去除其他陰離子同時，強堿陰樹脂的再生廢堿液再生弱堿性陰樹脂 樹脂內部孔隙較大，抗有機污染能力較強，交換容量較大。二、復床除鹽1）強酸脫氣強堿：最基本2）強酸脫氣弱堿強堿適用于有機物含量高，強酸陰離子多的情況三、混合床陽、陰樹脂按比例混合裝在同一反應器內。再生時分層再生，使用時均勻混合。相當于許多陽、陰樹脂交錯排列而成的多級復床。 一般交換反應為： RHROHNaCl - RNaRClH2O 平衡常數（選擇性系數）K=KHNa KOHCl 1/KH2O1 交換反應遠比復床徹底得多，出水純度高。 體內再生：見圖。 特點（與復床比較）：出水水質好而穩定，交換終點明顯，設備也比較少。 缺點：是樹脂交換容量的利用率比較低，損耗率大。再生操作復雜。 應用：在除鹽系統的最后，起精加工作用。四、雙層床1陽離子弱酸型：去除碳酸鹽硬度強酸型：去除非碳酸鹽硬度應用：硬度和堿度接近或硬度略大于堿度，Na含量不大的水質條件。2 陰樹脂雙層床 弱堿：去除強酸陰離子 強堿：去除弱酸陰離子注意再生條件：防止膠體硅膠聚集在弱堿樹脂上第6節離子交換法處理工業廢水一、離子交換處理工業廢水的特點1 工業廢水水質復雜：含各種懸浮物和油類、溶解鹽類適當預處理2 pH的影響：影響某些離子在廢水中的形態，影響樹脂交換基團的離解。3溫度影響：溫度高，有利于交換速度的增加，但對樹脂有損害，適當降溫。4高價金屬離子：引起中毒，用高濃度酸再生5氧化劑：盡量采用抗氧化性好的樹脂6有機污染：可采用大孔型樹脂7再生：再生劑的選擇要考慮回收有用物，不能回收時，要進行妥善處置。二、應用重金屬廢水，回收重金屬例如：處理含鉻廢水 六價鉻：鉻酸根CrO42-和重鉻酸根Cr2O72-，兩種的比例與pH有關。酸性條件下，主要是Cr2O72-三價鉻：Cr3+陽樹脂去除三價鉻：3RH + Cr3+ -R3Cr + 3H陰樹脂去除六價鉻：2ROH + CrO42- -