1、一、離子交換概述一、離子交換概述 去除對象：水中呈離子態的成分、選擇性去除重金屬。 離子交換是一類特殊的固體吸附過程，能夠從電解質溶液中吸取某中陽離子或陰離子，而把本身所含另外一種帶相同電荷的離子等當量交換下來釋放到水中。 典型的離子交換反應。 離子交換劑包括：無機離子交換劑、磺化煤和有機離子交換劑。第1頁/共50頁1.1無機離子交換劑和磺化煤無機離子交換劑和磺化煤1. 無機離子交換劑主要為弱酸性陽離子交換劑，其中一部分是弱堿性陰離子交換劑， 天然無機離子交換劑最常見有沸石和綠砂兩類物質。2. 磺化煤一般是通過發煙硫酸對褐煤、無煙煤等進行磺化處理而合成的。 磺化煤的交換容量約為合成樹脂交換劑的

2、1/3到1/4。第2頁/共50頁1.2有機合成離子交換樹脂有機合成離子交換樹脂1. 有機合成離子交換樹脂的結構有機合成離子交換樹脂的結構 離子交換樹脂是一類帶有活性基團的網狀結構高分子離子交換樹脂是一類帶有活性基團的網狀結構高分子化合物化合物。分為兩部分：一部分為離子交換樹脂的骨架離子交換樹脂的骨架，它是高分子化合物的基體；另一部分是帶有可交換離子帶有可交換離子的活性基團的活性基團，它化合在高分子骨架上，提供可交換的離子。2. 有機合成離子交換樹脂的分類有機合成離子交換樹脂的分類（1）按活性基團性質分類：陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂；（2）按結構特征分類：凝膠型樹脂、大孔型和均孔型樹脂；（3

3、）按單體種類分類：苯乙烯系、丙烯酸系等。第3頁/共50頁 3. 離子交換樹脂的命名離子交換樹脂的命名 根據國家標準離子交換樹脂產品分類、命名及型號（GB163179）制定。（1）名稱；（2）型號4. 幾類常見的離子交換樹脂幾類常見的離子交換樹脂（1）陽離子交換樹脂：苯乙烯磺酸型；苯酚磺酸型；丙烯酸系羧酸型（2）陰離子交換樹脂：季胺型；弱堿型第4頁/共50頁1.3 離子交換樹脂的性質離子交換樹脂的性質1. 離子交換樹脂的物理性質（1）外觀）外觀 顏色 苯乙烯系呈黃色；凝膠型樹脂呈透明或半透明狀態；大孔型樹脂呈不透明狀態。 形狀 球形，圓球率應達90以上。（2 2）粒度）粒度 樹脂粒度一般用有效粒

4、徑和均一系數表示，樹脂的粒徑通常在0.31.2mm范圍。（3 3）交聯度）交聯度 是指交聯劑在離子交換樹脂內的重量百分含量，水處理過程中的交聯度710為宜。第5頁/共50頁（4）密度1）濕真密度 指在單位真體積（不包括樹脂顆粒間空隙的體積）內濕態離子交換樹脂的質量，單位是g/mL或kg/L 一般濕真密度在1.041.30g/mL之間。2）濕視密度 指單位視體積內緊密無規律排列的濕態離子交換樹脂的質量，單位是g/mL或kg/L。一般濕視密度在0.60.85g/mL之間第6頁/共50頁（5）含水率 是指在水中充分膨脹的濕樹脂中所含水分的百分數；含水率可以反映離子交換樹脂的交聯度和網眼中的孔隙率，一

5、般樹脂的含水率在4060之間。（6）溶脹性和轉型體積改變率 將干的離子交換樹脂浸入水中時，其體積會膨脹的現象稱為溶脹溶脹。 當樹脂由一種離子型轉為另一種離子型時，其體積就會發生改變，此時樹脂體積改變的百分數稱為樹脂轉型樹脂轉型體積改變率體積改變率。（7）耐磨性 一般情況下，樹脂每年的耗損應不超過37。第7頁/共50頁2. 離子交換樹脂的化學性質（1）酸堿性 各種類型樹脂有效pH值范圍（2）選擇性 離子交換樹脂對各種離子具有不同的親和力，可以優先交換溶液中某種離子，這種現象為 * 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： Fe 3+ Al 3+ Ca 2+ Mg

6、2+ K+ = NH 4+ Na + Li + SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3- 樹脂類型強酸性弱酸性強堿性弱堿性有效pH值范圍11451411207第8頁/共50頁（3）交換容量）交換容量 一定數量的離子交換樹脂所具有的可交換離子的數量 1）全交換容量 指一定量的樹脂所具有的活性基團或可交換離子的總數量； 2）工作交換容量 指樹脂在給定工作條件下實際的交換能力。 實際工作條件下的交換容量為全交換容量的6070。（4 4）熱穩定性）熱穩定性 弱酸性強酸性弱堿性型強堿性型強堿性第9頁/共50頁1.4 離子交換樹脂的分類離子交換樹脂的分類1）按電性分）按電性分陽離子交換樹脂，可解離部

7、分陽離子陽離子交換樹脂，可解離部分陽離子(H+或金屬離子或金屬離子)陰離子交換樹脂，可解離部分陰離子（陰離子交換樹脂，可解離部分陰離子（OH或酸根）或酸根）2）按活性基團的解離常數大小）按活性基團的解離常數大小: 強酸性陽離子交換樹脂；強酸性陽離子交換樹脂； 弱酸性陽離子交換樹脂；弱酸性陽離子交換樹脂； 強堿性陰離子交換樹脂；強堿性陰離子交換樹脂； 弱堿性陰離子交換樹脂。弱堿性陰離子交換樹脂。3）按結構特征）按結構特征凝膠型、大孔型與等孔型凝膠型、大孔型與等孔型主要掌握：陽離子交換樹脂或磺化煤：軟化、脫堿；主要掌握：陽離子交換樹脂或磺化煤：軟化、脫堿；陰、陽離子交換樹脂配合除鹽。陰、陽離子交換

8、樹脂配合除鹽。第10頁/共50頁二、二、 離子交換反應離子交換反應 離子交換如同化學反應一樣，服從當量定律，且是可逆反應離子交換如同化學反應一樣，服從當量定律，且是可逆反應 離子交換技術就是基于等當量交換與可逆反應來進行交換與再生的；離子交換技術就是基于等當量交換與可逆反應來進行交換與再生的； 離子交換中的等當量性、可逆性、選擇性是進行水質軟化的基本設計依據。離子交換中的等當量性、可逆性、選擇性是進行水質軟化的基本設計依據。第11頁/共50頁離子交換反應強型樹脂的交換反應弱型樹脂的交換反應非中性鹽的分解反應強酸或強堿的中和反應復分解反應中和反應復分解反應中性鹽分解反應RSO3H+NaOH=RS

9、O3Na+H2OR(SO3Na)2+NaOH=RCOONa+H2OR-SO3H十NaCl=RSO3Na+HCLR(NCl)2+CaCl2=R(COO)2Ca+2NaCl第12頁/共50頁2.2 離子交換樹脂的選擇性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。關系，同時也受離子濃度和溫度的影響。 離子電荷愈多，愈易被交換離子電荷愈多，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-NO

10、3-Cl-HCO3-HSiO3- H和和OH的交換選擇性與樹脂交換基團酸、的交換選擇性與樹脂交換基團酸、堿性的強弱有關。堿性的強弱有關。 對于強酸陽樹脂：對于強酸陽樹脂： H+Li+ 而對于弱酸陽樹脂：而對于弱酸陽樹脂：H+Fe3+ 第13頁/共50頁三、離子交換裝置及運行操作三、離子交換裝置及運行操作 1、復床除鹽 2、固定床的工作過程 3、工作交換容量 4、鈉床除鹽 5、樹脂的再生 6、混床除鹽 7、雙層床除鹽第14頁/共50頁強酸脫氣強堿系統：3.1復床除鹽 該系統適用于制取脫鹽水。含鹽量不大于500mgL的原水經處理后，出水電阻率可達到0.1xl06 .cm以上，電導率5S/cm以下，

11、硅含量在0.1mgL以下。第15頁/共50頁 除二氧化碳器放在陰床之前是為了減輕陰床負荷。水量小和進水堿除二氧化碳器放在陰床之前是為了減輕陰床負荷。水量小和進水堿度低的小型除鹽裝置可以省去除二氧化碳器。度低的小型除鹽裝置可以省去除二氧化碳器。強堿陰床設置在強酸陽床之后的原因在于； 1若進水先通過陰床，容易生成CaCO3、Mg（OH)2沉積在樹脂層內，使強堿樹脂交換容量降低。 2陰床在酸性介質中易于進行離子交換，若進水先經過陰床，更不利于去除硅酸，因為強堿樹脂對硅酸鹽的吸附要比對硅酸的吸附差得很很多。 3強酸樹脂抗有機物污染的能力勝過強堿樹脂。 4若原水先通過陰床，本應由除二氧化碳器去除的碳酸，

12、都要由陰床承擔，從而增增加了再生劑耗用量。第16頁/共50頁3.2固定床的工作過程： 交換帶形成階段交換帶下移為保證一定的水質：應有一個保護層交換帶高度交換帶影響因素：水流速度、樹脂大小、原水水質 第17頁/共50頁3.3工作交換容量： 在給定工作條件下的實際交換能力。在給定工作條件下的實際交換能力。P1：再生完畢，軟化開始前殘存硬度離子所占的百分數 P2（工作交換容量）P1+P2+P3100影響因素：再生程度、軟化時的流速、原水水質 P3：軟化結束時，樹脂層中交換不到部分所占的百分數。 第18頁/共50頁3.4鈉床除鹽鈉床除鹽 鈉床除鹽就是利用陽離子交換樹脂中的Na+離子把水中所含的鈣、鎂離

13、子交換出來，這一過程成為水的軟化，所得的水稱為軟化水。 第19頁/共50頁3.5樹脂的再生 固定床再生再生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。 ROH型：用型：用NaOH再生。再生。第20頁/共50頁3.5.1順流再生離子交換器結構結構第21頁/共50頁3.5.2順流再生離子交換器的運行 一個運行周期：反洗、進再生液、置換、正洗一個運行周期：反洗、進再生液、置換、正洗和制水和制水。 反洗的目的反洗的目的：1）松動樹脂層；2）清除樹脂上層中的懸浮物碎粒；反洗到排水不渾為止，一般

14、需1015min。 置換置換：使水按再生液流過樹脂的流程及流速通過交換器； 置換的目的置換的目的：使樹脂層中仍有再生能力的再生液和其他部位殘存的再生液得以充分利用。 正洗的流速約為1015m/h 正洗合格后即可投入制水第22頁/共50頁3.5.3逆流再生離子交換器的結構第23頁/共50頁3.5.4逆流再生離子交換器的運行逆流再生操作步驟： 小反洗 放水 頂壓 使床不亂 （為何需頂壓，順流時是否需頂壓） 進再生液 逆向沖洗 （軟化水，流速57m/h） 正洗為何需軟化水逆向沖洗： 逆流再生要用軟化水清洗，否則底層已再生好的樹脂在清洗過程中又被消耗，導致出水質量下降，失去了逆流再生的特點。第24頁/

15、共50頁沖洗壓脂層沖洗壓脂層流速流速5-10m/h歷時歷時10-15min流速流速5-7m/h流速流速5-7m/h維持空氣壓維持空氣壓力力30-50kPa流速流速10-15m/h第25頁/共50頁3.5.5無頂壓逆流再生 增加中間排水孔開孔面積，使穿孔管的小孔流速在0.10.2m/s 增加壓脂層厚度：一般壓脂層厚20cm，再生速度小于7m/h，不需任何頂壓設備，可保證樹脂層固定密實，再生效果與有頂壓設備相同第26頁/共50頁3.5.6工藝特點 1）逆流再生交換器運行失效后，各離子在樹脂層中的分布規律與順流交換器基本上是一致的； 2）逆流在再生前僅對壓脂層進行小反洗，所以樹脂層仍保持運行失效時的

16、層態； 3）再生效果比順流式好得多； 4）與順流再生相比，逆流再生工藝具有對水質適應性強、出水水質好、再生劑比耗低、自用水率低等優點。第27頁/共50頁3.6混床除鹽混床除鹽o陰陽離子交換樹脂裝填在同一個交換器內，再生時使之分層再生，使用時先將其均勻混合，這種陰、陽樹脂混合在一起的離子交換器稱為混合床。第28頁/共50頁3.6.1原理與特點 由于混合床中陰、陽樹脂緊密交替接觸。好像由于混合床中陰、陽樹脂緊密交替接觸。好像有許多陽床和陰床串聯一起，構成無數微型復床，有許多陽床和陰床串聯一起，構成無數微型復床，反復進行多次脫鹽，因而出水純度高，其電阻率達反復進行多次脫鹽，因而出水純度高，其電阻率達

17、到到510 106 cm第29頁/共50頁混床主要優點是：a.出水水質純度高。 混床離子交換可以把水中含有的離子幾乎全部去除，出水含 鹽量在10mgL以下。對需高純水的場合，混合床可滿足水質需求標準，一般不需考慮其它技術。b.工作條件變化時對出水水質影響較小，且工作周期較長。 混床開始運行時有23min出水的電導率較高，然后急劇降到 0.5scm-1以下，這是因為床內殘留的微量酸、堿和鹽很快地被陽、陰樹脂吸收掉。另外，快速正洗是混合床的一大特點，再生總時間比雙層床少，相應地工作周期長，而且原水水質變化和再生劑比耗對出水純度影響較小，這是因為混合床中離子的泄漏因另一種樹脂的存在而大大減少所致。c

18、.間斷運行對出水水質的影響小。d.交換終點明顯。第30頁/共50頁o混床的主要缺點是：混床的主要缺點是：o 樹脂層工作交換容量的利用率低，再生劑利樹脂層工作交換容量的利用率低，再生劑利用率低；再生時陽、陰樹脂很難徹底分層，特別用率低；再生時陽、陰樹脂很難徹底分層，特別是當有部分陽樹脂混雜在陰樹脂層內時，這部分是當有部分陽樹脂混雜在陰樹脂層內時，這部分陽樹脂在堿液再生陰樹脂時轉為鈉型，造成運行陽樹脂在堿液再生陰樹脂時轉為鈉型，造成運行以后的以后的Na泄漏，即所謂的交叉污染；混床對有泄漏，即所謂的交叉污染；混床對有機物污染很敏感，污染后很快出現出水質量降低、機物污染很敏感，污染后很快出現出水質量降

19、低、正洗時間延長和工作容量減少。正洗時間延長和工作容量減少。o 為了克服交叉污染所引起的為了克服交叉污染所引起的Na泄漏，近年泄漏，近年來發展了三層混床新技術。此法即在普通混合床來發展了三層混床新技術。此法即在普通混合床中另裝填一層厚約中另裝填一層厚約1015cm的惰性樹脂，其的惰性樹脂，其密度介于陰、陽樹脂之間，其顆粒大小也能保證密度介于陰、陽樹脂之間，其顆粒大小也能保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。實踐表明，三在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。實踐表明，三層混床水質優于普通混床，出水層混床水質優于普通混床，出水Na的含量不大的含量不大于于0.1gL。第31頁/共50頁3.6.2混床結構及再生方

20、式混床結構及再生方式裝置：混床交換器里， 陰樹脂的體積一般是陽樹脂的2倍。其再生過程巧妙地利用了陽、陰樹脂濕真比重的差異這一性質。混床在反洗時陽樹脂(比重1.231.27gml)會逐漸下沉到陰樹脂(比重1.061.11gmL)的下面，反洗完畢陰陽樹脂自動分成為兩層。在兩層交界處裝了一個再生排水系統，再生堿液從上面進入交換器，由中間排水系統排出；再生的酸液由下部進入交換器，也由這個排水系統排出。每層樹脂分別再生完畢后，最后從樹脂層底部的壓縮空氣管進壓縮空氣，把兩種樹脂均勻混合成為交換層。第32頁/共50頁再生方式分類體內陰陽樹脂分別再生體內陰陽樹脂同時再生體外再生第33頁/共50頁再生方式及步驟

21、再生方式及步驟 混合床反洗分層主要借助于陰、陽樹脂濕真密度的差別再生 方式有體內再生與體外再生兩種。體內再生又區分為酸、堿分別再生和同時再生。 以體內分別再生為例(見下圖)，混合床再生操作步驟有第34頁/共50頁體內再生還可采用同步再生法，即再生時體內再生還可采用同步再生法，即再生時以相同的流速從樹脂層上、下兩端進堿再以相同的流速從樹脂層上、下兩端進堿再生液和酸再生液，廢液從中間排水裝置排生液和酸再生液，廢液從中間排水裝置排出，然后由上、下進清洗水進行洗凈。出，然后由上、下進清洗水進行洗凈。 混床還可以對陰樹脂采用體外再生法。即在陰陽樹脂分層后將陰樹脂外卸到陰樹脂再生罐內再生，陽樹脂則仍在原罐

22、內再生。 陰樹脂再生清洗凈后再裝進原交換器內與陽樹脂混合。第35頁/共50頁3.7雙層床除鹽雙層床除鹽 1陽樹脂雙層床弱酸型：去除碳酸鹽硬度 強酸型：去除非碳酸鹽硬度及鈉鹽 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。 第36頁/共50頁2. 陰樹脂雙層床陰樹脂雙層床 弱堿：弱堿：去除強酸陰離子去除強酸陰離子強堿：強堿：去除弱酸陰離子去除弱酸陰離子注意再生條件：注意再生條件：防止膠體硅膠聚集在弱堿樹脂上防止膠體硅膠聚集在弱堿樹脂上 第37頁/共50頁四、離子交換的應用四、離子交換的應用 1、水的軟化 2、離子交換除鹽第38頁/共50頁4.1水的軟化 離子交換軟化水處理是利用陽

23、離子交換樹脂中可交換的陽離子（如Na+、H+）把水中所含的鈣、鎂離子交換出來，這一過程稱為水的軟化過程，所得的水稱為軟化水。 目前常用方法： 鈉離子交換軟化法 氫離子交換軟化法 氫 鈉離子交換軟化法第39頁/共50頁4.1.1鈉離子交換軟化鈉離子交換軟化 1）反應： 2RNa+Ca(HCO3)2 R2Ca+2NaHCO3 2RNa+CaSO4 R2Ca+Na2SO4 2RNa+CaCl2 R2Ca+2NaCl Mg鹽相同 2）優點： A：處理過程中不產生酸性水 B：再生液為食鹽，費用低 C：設備和管道防腐蝕設施簡單第40頁/共50頁4.1.2H+交換軟化法交換軟化法 1）反應式：以強酸性H+樹脂軟化為例 2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2H2O+2CO2 2RH+CaCl2 R2Ca+2HCl 2RH+MgSO4 R2Mg+H2SO4 鹽類：Na+RHRNa+H+、K+RHRK+H+ 2）特點：A：可去除堿度 B：產生酸性水，因此不單成系統，可與 Na+交換結合或與加堿中和。第41頁/共50頁 離子交換除鹽是指把水中強電解質鹽類的全部或部分加以去除的處理過程。離子交換除鹽過程可使水的含鹽量低到幾乎不含離子的純凈程度。