水的软化及技术

水的软化及技术

一、概述

1、概念

硬度：钙和镁以化合物的形式存在的部分称为硬度。硬度分为暂时硬度和永久硬度。

暂时硬度：通过加热去除的硬度，碳酸盐硬度。

永久硬度：非碳酸盐硬度。

软化：去除水中部分或全部硬度的过程称为水的软化

2、硬度单位

硬度常用单位有mg/L, mmol/L, 度（我国用德国度）， meq/L（毫克当量浓度）各单位之间的换算关系为1meq/L=2.8度=50mgCaCO3/L=0.5 mmolCa2+/L=1 mmol （1/2Ca2+）/L

二、软化技术

1、软化基本方法

（1）加热法

通过加热去除暂时硬度，其去除硬度的原理可用方程式Ca（H CO3）→加热→CaCO3+H2O+CO2表示

（2）药剂软化

①石灰软化法

其基本原理表示如下：

CaO + H2O = Ca(OH)2

CO2 + Ca(OH)2 ---CaCO3↓+ H2O

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 --- 2CaCO3↓ + 2H2O

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 --- 2CaCO3↓+ Mg(OH)2↓+2H2O

若碱度>硬度，还应去除多余的HCO3－，若水中存在Fe离子，也要消耗Ca(OH)2 。

②石灰-纯碱法

可以去除碳酸盐和非碳酸盐硬度

③石灰石膏法

当原水的碱度大于硬度，即负硬度（有碱度存在时）出现时采用，基本原理表示如下：

2NaHCO3 + CaSO4 + Ca(OH)2----- 2CaCO3↓ + Na2SO4 + 2H2O （3）离子交换法

离子交换法去除硬度比较彻底，离子交换法软化水的工艺如下图所示：

（4）膜法

膜法去除硬度通常采用反渗透、超滤等。

三、离子交换法

离子交换法是水处理中软化和除盐的主要方法之一。在水处理中主要用于去除水中的金属离子。离子交换的实质是不溶性离子化合物（离子交换剂）上的金属离子与溶液中的其他同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆性化学吸附。

1.离子交换剂

水处理中用的离子交换剂主要有磺化煤和离子交换树脂。磺化煤利用天然煤为原料，经浓硫酸磺化后制成，但交换容量低，机械强度差，化学稳定性较差，已逐渐为离子交换树脂所取代。

离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由树脂本体（又称母体或骨架）和活

性基团两部分组成。生产离子交换剂的树脂母体最常见的是苯乙烯的聚合物，是线性结构的高分子有机化合物。活性基团由固定离子和活动离子（或称交换离子）组成。树脂的外形呈球状颗粒，粒径为0.6-1.2mm（大粒径树脂），0.3-0.6mm（中粒径树脂），或0.02-0.1mm（小粒径树脂）。

离子交换树脂按活性基团的不同主要可分为：含有酸性基团的阳离子交换树脂，含有碱性基团的阴离子交换树脂

（1）阳离子交换树脂分强酸性阳离子交换树脂（R-Na；R-H，命名为001×7）和弱酸性阳离子交换树脂（R-COOH，命名为D113）

强酸性阳离子交换树脂软化机理为：

2RNa + Ca2 +--- R2Ca + 2Na+

2RNa + Mg2+ --- R2Mg + 2Na+

特点：去除碳酸盐和非碳酸盐硬度，总含盐量（阳离子总重量）有所变化，但碱度不变。

（2）阴离子交换树脂分强碱性阴离子交换树脂(R-OH；R-Cl，命名为201×7)和弱碱性阴离子交换树脂(R-NHOH)。

2.离子交换树脂的选用

目前，我国生产的离子交换树脂品种很多，价格差别很大，而原水的成分复杂，要求的处理程度各异，因此，合理的选择离子交换树脂，在生产和经济上都有重大意义。我们常用的树脂品牌有淄博东大树脂、英国漂莱特树脂、罗门哈斯、美国陶氏、金珠（前两种主要用于软化，后三种主要用于混床去离子）。

（1）交换容量

交换容量是离子交换树脂最重要的性能，他定量的表示树脂交换能力的大小。交换容量的单位是mol/kg（干树脂）或mol/L（湿树脂）。交换容量又可分为全交换容量与工作交换容量。全交换容量可用滴定法测定或从理论上计算；工作交换容量为实际工作条件下，全交换容量的60－70％。

（2）湿视密度

湿视密度用来计算湿树脂用量，湿视密度等于湿树脂质量/树脂堆积体积，单位是g/ml。常用的树脂的湿视密度为0.6-0.85g/ml(漂莱特树脂的湿视密度为0.8) （3）交换势

离子交换是可逆反应，可利用化学中的质量作用定律解释离子交换平衡定律。

关于不同离子的交换势大小的解释有多种理论，但是，由于影响因素还不是很清楚，因此关于离子交换势的规律还需依靠实践，下面介绍一些规律可供参考。

①在常温和低浓度水溶液中，离子电荷愈多，愈易被交换

②在常温和低浓度水溶液中，等价阳离子的交换势，一般是原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换，例如，按交换势排列有：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+= NH4+ >Na+>Li+

③在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子交换树脂而言，阴离子的交换序列如下：SO42->NO3->Cl->HCO3->HSiO3-

④H＋和OH－的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。

⑤对于强酸阳树脂： H+>Li+ ，而对于弱酸阳树脂：H+>Fe3+。

由上述的交换顺序可以看出当金水中K+、Na+浓度较高时，采用RNa型阳离子交换树脂不利于Ca2+、Mg2+的去除，此时可选用RH型阳离子树脂。当进水中含有较高的铁、锰时，铁和锰优先和树脂交换，造成树脂中毒，堵塞树脂空隙，同时减小了对Ca2+、Mg2+的交换容量，因此当检测进水中铁、锰浓度较高时可用锰砂预处理去除铁锰，当树脂出现中毒现象时通过增加盐浓度再生效果很小，此时可用Hcl清洗后再进行再生。

四、离子交换工艺和设备

离子交换装置，按照经行房事的不同，可分为固定床和连续床两大类；在水处理中，单层固定床离子交换装置是最常用、最基本的一种形式。

离子交换的运行运行操作包括五个步骤：交换、反洗、吸盐、慢冲洗、快冲洗。不同软化水设备的所有工序非常接近，只是由于实际工艺的不同或控制的需要，可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中，全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。

1.交换

交换过程主要与树脂层高度、水流速度、原水浓度、树脂性能以及再生程度等因素有关；当初水中的离子浓度达到限值时，应进行再生。

2.反洗

工作一段时间后的设备，会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物，把这些污物