离子交换、膜处理、污水处理的一般性知识

离子交换、膜处理、污水处理的一般性知识

——史东明

目录

一、水的软化（给水工程第21章） (2)

二、水的除盐与咸水淡化（给水工程第22章） (5)

三、化学水处理技术（离子交换技术） (7)

四、膜处理技术 (17)

五、污水处理 (25)

六、中水处理 (35)

一、水的软化（给水工程第21章）

1.1 软化的目的与方法概述

1）硬度的概念

水的硬度系指水沉淀肥皂的程度。使肥皂沉淀的原因主要是由于水中存在的钙、镁离子，此外钡、铁、锰，锶、锌等金属离子也有同样的作用。硬水需要大量肥皂才会产生泡沫。现在习惯上把总硬度定义为钙、镁浓度的总和，我国以每升水中碳酸钙的毫克数表示。硬度是由一系列溶解性多价态的金属离子形成的。硬度低于60mgCaCO3/L 的水通常被认为是软水。硬度还可以根据阴离子划分成为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。

碳酸盐硬度（暂时硬度）：煮沸时沉淀析出

非碳酸盐硬度（永久硬度）：煮沸时沉淀不析出

2）水中硬度的来源及危害

水中硬度的主要天然来源是沉积岩、地下渗流及土壤冲刷中的溶解性多价态金属离子。两种主要离子是钙离子和镁离子，存在于许多水成岩中．最常见的是石灰石和白垩。它们还广泛存在于工业产品中，也是食物的常见成分。

WHO的文献中认为没有令人信服的证据说明水中硬度对人体有不良影响。在考虑了气候、社会经济因素以及风险因素如高血压、抽烟、高血脂之后·又研究得出了饮用水硬度与心血管疾病之间关联性较弱的负相关关系。自来水硬度和心脏病死亡率的关系，王立医院和水道研究中心做过调查-确认两者间有高度的关连性。平均起来，软水

地区心脏病死亡率。比硬水地区高10%，也就是与硬度成反比例。一研究的结果显示许多其他疾病与水中硬度存在负相关包括无脑畸形和多种癌症。然而，这些结果的意义尚不清楚

锅炉用水中若含有硬度盐类，会在锅炉受热面上生成水垢，从而降低锅炉热效率、增大燃料消耗，甚至因金属壁面局部过热面烧损部件、引起爆炸，因此，对于分低压锅炉，一般要进水的软化处理；对于中、高压锅炉，则要求进行水的软化与脱盐处理。

3）硬度表示方法

1德国度=10mg/LCaO

我国通常以CaCO3 1meq/L=2.8德国度=50mg/LCaCO3

4）水的软化方法

A、基于溶度积原理，加入某些药剂，把水中钙、镁离子转变成难溶化合物使之沉淀析出，这一方法称为水的药剂软化法或沉淀软化法。

B、基于离子交换原理，利用某些离子交换剂所具有的阳离子（Na+或H+）与水中钙、镁离子进行交换反应，达到软化的目的，称为水的离子交换软化法。

1.2 水的药剂软化法

水的药剂软化工艺过程，就是根据溶度积原理，按一定量投加某些药剂（如石灰、苏打等）于原水中，使之与水中钙、镁离子反应生成沉淀物CaCO3和Mg(OH)2。工艺所需的设备与净化过程基本相同，也要经过混合、絮凝、沉淀、过滤等工艺。

1）石灰软化

原理：CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2O

Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→CaCO3↓+ MgCO3+2H2O

MgCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+ Mg(OH)2↓

由上式可知，去除１mol Ca(HCO3)2，要消耗１mol Ca(OH)2，去除１mol Ｍg(HCO3)2，要消耗２mol Ca(OH)2。

熟石灰虽然也能与水中非碳酸盐镁硬度起反应生成氢氧化镁，但同时又产生了等物质量的非碳酸盐的钙硬度：

MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4

MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCl2

所以，单纯的石炭软化是不能降低水的非碳酸盐硬度的。不过，通过石灰处理，还可以去除水中部分铁和硅的化合物。

经石灰处理后，水的剩余碳酸盐硬度可降低到0.25～0.5mmol/L，剩余碱度约为0.8～1.2mmol/L，硅化合物可去除30%～35%，有机物可去除25%，铁残留量约为0.1mg/L。

2）石灰-苏打软化法

在水中同时投加石灰和苏打（Na2CO3），此时，石灰用以降低水的碳酸盐硬度，苏打用于降低水的非碳酸盐硬度。软化水的剩余硬度可降低到0.15～0.2mmol/L。

与Na2CO3有关的化学反应表示如下：

CaSO4+ Na2CO3→CaCO3↓+ Na2SO4

CaCl2+ Na2CO3→CaCO3↓+ 2NaCl

MgSO4+ Na2CO3→MgCO3+ Na2SO4

MgCl2+ Na2CO3→MgCO3↓+ 2NaCl

MgCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+ Mg(OH)2↓

1.3 离子交换的基本原理（看给水工程P397～404页）

1.4 离子交换软化方法与系统（结合离子交换技术部分讲解）

二、水的除盐与咸水淡化（给水工程第22章）

2.1 概述

1）水的纯度概念

水的纯度常以水中含盐量或水的电阻率（电导率）来衡量。通常用于生活及生产用的水称为淡水，海水及咸水脱盐后称为淡化水。

除盐水（初级纯水）纯水（去离子水）高纯水超纯水

含盐量 1～5mg/ <1.0mg/L <0.1mg/L 0.01～0.02mg/L 电导率 1～10μS/cm 0.1～1μS/cm <0.1μS/cm <0.05μS/cm 电阻率 >0.1MΩ·cm 1～10MΩ·cm >10MΩ·cm 18MΩ·cm

2）海水（咸水）淡化与水的除盐方法

海水（咸水）淡化的主要方法有蒸馏法、反渗透法、电渗析法和冷冻法等。其中反渗透法耗能最少，近年来发展迅速，具有广阔的应用前景。离子交换法主要用于淡水除盐，该法可与电渗析或反渗透法联合使用。

3）进水水质预处理

进水水质预处理是水的淡化与除盐系统的一个重要组成部分，是保证处理装置安全运行的条件。预处理包括去除悬浮物、有机物、胶体物质、微生物、细菌以及某些有害物质（如铁、锰等）。