第3章 水的离子交换处理后

2. 阳离子交换器（阳床）
进水装臵的作用是均匀分布进水于 交换器的过水断面上。另一个作用 是均匀收集反洗排水。 压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物 及机械杂质；使进水通过压脂层均 匀作用于树脂层表面；防止树脂在 逆流再生中乱层。 中间排液装臵的作用：中间排液装 臵对逆流再生离子交换器运行效果 有较大影响，其作用是均匀排出再 生液，防止树脂乱层、流失外，还 应有足够的强度，安装时应保证在 交换器内呈水平状态， 排水装臵的作用是均匀收集处理好 的水；另一个作用是均匀分配反洗 进水。
再 生 液
出 水
交换器经过多周期运行后，下部树脂层也会受到一定程度的污染，必须定期对 整个树脂层进行大反洗，大反洗前先进行小反洗，在大反洗时流量应由小到大，逐 步增大。从下步进水废液由上部的反洗排水阀排出。
运行时的技术经济指标
离子交换器的运行中技术经济指标有交换器的出水水质，工作交换容量和相应的 再生剂 比耗，周期制水量及再生过程中消耗水量。 工作交换容量(qi)：在一个制水运行周期中，平均单位体积树脂进行交换所放出的离子 量（mmol/Ｌ）。计算式： qi=(A+S)V/Vi。式中，A为平均进水碱度,mmol／Ｌ；Ｓ 为平均出水酸度,mmol／Ｌ；Ｖ为从正洗合格开始制水到失效一周期内的总制水量， m3;Vi交换器内的树脂体积， m3。 酸耗：使交换剂恢复１mol的离子交换能力，所消耗的酸的的克数。 酸耗（g／mol）＝酸的克数÷［周期制水量(L)×（阳床出口平均酸度＋阳床进口平均 碱度）(mol／Ｌ)］。
3. 离子交换树脂的特性
物理性能 ： (1)外观。 (2)颗粒度。 (3)含水量。 (4)密度。 1)湿真密度。 2)湿视密度。 （3)机械强度。 （5)耐热性。 化学性能： (1)交换反应的可逆性 (2)酸、碱性 (3)选择性。 (4)交换容量。 1)全交换容量。 2)工作交换容量。
3.4 离子交换原理
a b
图3.7.2 交换器中离子分布情况 (a)开始进水时 (b)交换器失效时
降。
图3.7.3 强酸H型阳离子交 换 器典型出水曲线
树脂的再生
无顶压逆流再生的操作步骤：
逆流固定床制水和再 生流向图
进 水 压脂层 再生废液
1）小反洗。只对压脂层进行反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污 染物。用水为该级交换器的进口水，流速树脂不乱层为宜，一 直反洗至出水清澈为为止。 2）放水。待树脂颗粒下沉后，放掉中间排液装臵以上的水。 3）进再生液。将再生液放入交换器内，严格控制其流速和浓度 4）逆流再生。进完再生液，关闭再生液计量箱出口阀，按再生 液的流速和流量继续用稀释再生液的除盐水进行冲洗，直至出 水指标合格为止。关闭进水阀。 5）小正洗。水从上部进入，控制适当的流速，洗去再生后压脂 层中残留的再生废液和杂质。小正洗用水为运行时的进口水。 6）正洗。用水自上而下进行正洗，直到出水水质合格，即可投 入运行。
离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产
品分类，第二位数字代表产品骨架组成，第三位数字为顺序号，用以 区别功能基或交联剂的差异。代号数字的意义见表3.5.1和3.5.2 。
表3.5.1 分类代号
代号 功能基 0 强酸性 1 弱酸性 2 强碱性 3 弱碱性 4 螯合性 5 两性 6 氧化还原
表3.5.1 骨架代号
代号 0 1 2 3 4 5
脲醛系
6
氯乙烯系
骨架类型 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯吡啶系
例如：001×7——(凝胶型)苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 。 110×4——(凝胶型)丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4。 D201——大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。
SO3H —CH—CH2— CH—… 苯乙烯系磺酸型阳树脂
苯乙烯阴树脂的制备 氯甲基化反应：
……—CH－CH2—……
+CH2OCH2CI→ ……—CH－CH2—…… 聚苯乙烯 氯甲醚 +CH3OH CH2CI 氯甲基聚苯乙烯（氯球）
……—CH－CH2—……
氨化反应：
……—CH－CH2—……
+ (CH3)3 N → CH CI 氯球 2 三甲基胺
二乙烯苯在高聚物中起的是空间架桥作用，使聚合物形成网状交联，聚合物 中二乙烯苯的含量愈多，白球的网状结构就愈坚固。我们通常把聚合物中二 乙烯苯的质量百分数叫做交联度。如交联度为7，就是指白球中二乙烯苯的 质量占7%。白球制备出来以后，再将白球通过磺化反应、氯甲基反应和胺化 反应，即可分别得到阴、阳离子交换树脂。下面就分别介绍。
树脂的离子交换是一种可逆反应，反应式可表示为： RA+B RB+A
与任何化学平衡一样，上述反应遵循质量作用定律，它的逆反应就是A型树脂的
再生。平衡常数表达式： KBA=[RB]· [A]/（[RA]· [B]） KBA>1树脂对B的亲和力大于对A的亲和力， 图中曲线c； KBA<1树脂对B的亲和力小于对A的亲和力 图中曲线a； KBA=1树脂对A的亲和力等于对B的亲和力 图中曲线b； 称KBA为树脂的选择性系数，在浓度很稀时
HNO 3 HCI 1/2H2CO3
阳离子交换器的出水是酸性水。但当交换器运行失效时，其出水中就会有 其它阳离子的泄漏，而在诸多的阳离子中，首先漏出的阳离子是Na+，故 习惯上称之为漏钠。当出水中的Na+超过一个给定的极限值时，阳离子交换器被
判失效，需停运再生后才能投入运行。 为什么阳交换器失效时，首先发生漏钠，而不是漏Ca2+或Mg2+离子？这是因为水
CI CH2N (CH3)3 苯乙烯季胺盐阴树脂
2 离子交换树脂的命名
离子交换树脂产品型号是根据国家标准GBl631—79《离子交换树脂产 品分类、命名及型号》而制定的。 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基团）名称、基本名称 依次排列组成。基本名称为离子交换树脂。大孔型树脂在全名称前加 “大孔”两字。分类属酸性的，在基本名称前加“阳”字；分类属碱 性的，在基本名称前加“阴”字。
进水装臵
反洗空间 压脂层 200mm 中间排液装臵
树脂层 1600mm 排水装臵
逆流再生阳离子交换器结构图
运行时的交换情况
当交换器不断进水，随离子交换的不断进行，由于 水中的Ca2+比Mg2+、Na2+与树脂的亲合力更大，更 易被树脂吸收，所以水中的Ca2+离子可和已吸收了
Mg2+的树脂进行交换反应，使Ca型树脂层向下扩展，
如果保护层厚度大，则交换柱的工作交换容量就小；反之，交换柱的工作交换容量就大。
3.7 一级除盐系统
一级化学除盐系统由阳离子交换器、除碳器和阴离子交换
器所组成，其组合方式分为单元制和母管制。
单元制
H C OH
H
C
OH
母管制
H C H C H OH OH OH
图3.7.1 一级复床除盐系统 1—阳床水泵； 2—强酸性H型阳离子交换器； 3—除碳器； 4—中间水箱； 5—中间水泵； 6—强碱性OH型阴离子交换器
比耗：再生剂的实际酸耗与理论酸耗（酸的摩尔质量）的比值。在实际中常用平均比
耗来表示。平均比耗＝月或年的再生剂耗量／［（Ａ＋Ｓ）×制水量］。 水耗：每次再生所耗水的体积与树脂层体积之比。
出水水质：是监督阳床出水的含钠量。
2 . 除碳器
除碳原理 水通过阳离子交换器，水中的HCO3-与从树脂上交换 下来的H+结合，形成H2CO3极不稳定，随即分解生成 的CO2： H2CO3 H2O+CO2 水中的CO2，可以看作是溶解在水中的气体，它的溶 解度与气体分压的关系符合亨利定律，即在一定的温 度下气体在液体中的溶解度与该气体在液面上的分压 成正比。只要降低水面上CO2 的分压力，溶于水中的 游离CO2就能解吸出来。 降低液面CO2气体分压的常用方法有鼓风和抽真空两 种。
中各种阳离子与树脂中H+发生交换反应时，因树脂对各种阳离子的吸收有选择性， 故被树脂吸收的离子在交换器内有分层现象，根据树脂对被吸收离子的选择性顺 序，最上层是最易被吸收的Ca2+ ，次层以Mg2+ 为主，下层就是Na+ 。强酸性阳树 脂的选择性顺序为： Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+
当水通过强酸性H型阳交换器时，水中所有的阳离 子都被强酸性H型树脂吸收，活性基团上的H+被置换到 水中，与水中的阴离子组合生 成酸。其反应式：
强酸性阳离子交换树脂交换反应： 1/2Ca 1/2SO4 1/2Ca 1/2H2SO4
1/2Mg
Na
NO3 + RH → CI HCO3
R
1/2Mg +
Na
图3.6.2 树脂层交换层工作状况 1—失效层； 2—工作层； 3—尚未工作的树脂层
工作层的下一个区域是尚未工作的A型树脂层，在离子交换进行过程中，这三层实际上无 时不在变化，所以不可能找出明显的分界线，图中的分界线是为说明问题而大致划分的。
在交换过程中，工作层不断下移，当下移到交换柱底部最后一层时，此时出水中就有B离 子，也就说B离子开始穿透，交换柱开始失效了。所以最后一层离子交换容量未能充分发 挥，只起保证出水质量的作用，为保护层。
鼓风除碳器的结构
除碳器工作时水中上部布水扳扳淋下，通过 填料层后，从下部排入水箱。空气从下部由 风机引入，通过填料层后由顶部排出。
排气口
o o o o o o o o
进水口
在除碳器中因填料的阴挡作用，从上面流下
来的水被分散成许多小股水流、微小滴或水 膜，增大了空气与水的接触面积。 因空气中CO2含量很小（约0.03%），在水 中溶解达平衡时不到0.45mg/L，这样水与 空气接触时，水中的CO2便会析出。