第四章 离子交换水处理

4.4 离子交换装置及其运行
离子交换装置按运行方式不同可分为固定床和连续床。 固定床离子交换装置 固定床离子交换是把离子交换树脂固定在一个装置(称 固定床)中，水流经树脂完成交换过程。 完成离子交换过程的设备，叫做离子交换器。 固定床离子交换，按其再生方式不同，可分为顺流 再生和逆流再生固定床。 (1)顺流再生床 顺流再生是指运行时水流方向和再生液流动方向一 致，通常都是自上而下的。
RH型树脂工作过程
4.1 动态离子交换水处理
• 树脂再生
RNa型：用NaCl再生 RH型：用HCl 或H2SO4 再生。
4.1 动态离子交换水处理
•工作交换容量:在给定工作条件下的实际交换能力。
P1：再生完毕，软化开始前残 存硬度离子所占的百分数
P2（工作交换容量） P1+P2+P3＝100 影响因素：再生程度、软化时的 流速、原水水质
非碳酸盐硬度（永久硬度） 2 RH Ca 2 R2Ca 2 H
2 RH Mg 2 R2Ca 2 H
Na型盐
RH + NaHCO3 RNa + H 2O+CO2 RH + NaCl RNa + HCl
4.2 软化脱碱水处理
Na+泄漏
硬度泄漏
4.2 软化脱碱水处理
4.2 软化脱碱水处理
H型弱酸离子交换过程（目前应用广的主要是丙烯
酸型）
4.2 软化脱碱水处理
•由于电离较弱，只能去除碳酸盐硬度
2 RCOOH Ca( HCO3 ) 2 ( RCOO) 2 Ca 2 H 2O 2CO2 2 RCOOH Mg ( HCO3 ) 2 ( RCOO) 2 Mg 2 H 2O 2CO2
4.4 离子交换装置及其运行
这样，尽管上层树脂再生程度差一些，但接触的是含 盐量较大的进水，仍可较好地交换。而下层树脂再生彻底， 将保证出水水质。因此，逆流再生是一种较理想的再生方 式，已在电厂广泛采用。 ②交换器的结构及运行 逆流再生离子交换器见图4-27。它和顺流再生固定床 的主要区别在于：在交换剂的表面设有中间排液装置。
强碱树脂的选择性次序：
运行中，各种离子带下移，首先出现硅（HSiO3-）泄漏。 影响阴树脂工作交换容量的因素有：再生剂用量、工作周期、 原水中SO42-与Cl-含量的比值、SiO2/（Σ阴离子）比值、允许 阴离子泄漏浓度及原水总含盐量。
4.3 离子交换除盐水处理
强碱阴树脂运行过程线：
NaOH → NaHCO3、 NaHSiO3
•开始时出水呈酸性。
•Na＋开始泄漏时，出水酸度急剧下降。
•之后，RH交换转变为RNa型运行模式，对Ca和Mg仍有交换
能力。出水Na离子逐渐超过原水中的浓度，呈碱性。
•然后硬度离子开始泄漏
•出水中离子泄漏的顺序为：H＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋
•失效点控制：脱碱，以Na泄漏为准
软化，以硬度离子泄漏为准。
4.2 软化脱碱水处理
4.2 软化脱碱水处理
4.1 H离子交换软化 (1)交换过程 H型强酸离子交换过程 碳酸盐硬度（暂时硬度）
2 RH Ca ( HCO3 ) 2 R2Ca 2 H 2O CO2 2 RH Mg ( HCO3 ) 2 R2 Mg 2 H 2O CO2
2RCOOH NaHCO3 RCOONa H 2O CO2
交换容量大（活性基团多），比强酸型高一倍。 再生容易。
4.2 软化脱碱水处理
1〕H－Na 并联
QN
QH
4.2 软化脱碱水处理
2）H－Na 串联系统
4.2 软化脱碱水处理
弱酸树脂的H-Na离子交换
4.3 离子交换除盐水处理
4.3 离子交换除盐水处理
4.3 离子交换除盐水处理
（1）强碱性阴离子交换树脂的工艺特性
强碱性阴离子交换树脂分Ⅰ型和Ⅱ型两类。其特点为：Ⅰ型树 脂碱性较强，除硅能力较大，适用于制取纯水；Ⅱ型树脂碱性 较弱，但交换容量大于Ⅰ型。 强碱阴树脂除盐过程：
由于阳床Na+的泄漏，出水呈弱碱性。
4.3 离子交换除盐水处理
4.2 软化脱碱水处理
•特点： 碳酸盐硬度， 生成CO2、H2O―――同时碱度也去除了。
非碳酸盐硬度，生成H2SO4，HCl ――出水酸性
对于Na+, RH + NaCl ---RNa +HCl --- 产生钠型树脂，但 不起软化作用 再生用硫酸或盐酸。 出水实际为稀酸，必须中和水中的酸，提高碱度。方法1：中和 及提高碱度；方法2：与Na型树脂联合使用。
4.4 离子交换装置及其运行 图4-34 浮动床工作示意
4.4 离子交换装置及其运行
连续床离子交换装置 连续床离子交换装置可分为移动床和流动床两类。 固定床离子交换技术有两个明显缺陷：第一，固定床设 备体积较大，树脂用量多；第二，固定床运行是周期性的， 不能连续供水。 移动床内树脂层是不断移动的，它定期排出一部分失效 树脂，同时又补充等量再生好的树脂。 三塔式移动床是典型的移动床，见图4-41。 流动床运行是完全连续的，但树脂磨损大，再生剂耗量 也大，而且出水水质受进水水质影响较大，因此目前应用 很少。
4.1 动态离子交换水处理
4.1 动态离子交换水处理
饱和区
•交换带形 成阶段
交换区
未交换区
•交换带下 移
4.1 动态离子交换水处理
4.1 动态离子交换水处理
c0
失效区
交换区 未用区
c0 c
c0
c0
进水
Ca2+ Mg2+ Na+
hLeabharlann Baidu
H+
出水
c=0 (a)
c=0 (b)
c0 (c)
c0 (d)
(e)
强酸H阳树脂＋脱除CO2＋强碱OH阴树脂
Ca2+ Mg2+ 2Na+ 2HCO3SO422ClCa Mg Na2 (HCO3)2 SO4 Cl2
2RH
+
R2
+
H2
脱除CO2应放在强碱OH阴树脂前，以减轻阴树脂的负担
。强酸树脂应放在阴树脂之前，否则生成的CaCO3， Mg(OH) 2沉积在树脂孔内，降低孔隙率；阳树脂抗有机污染 强。
4.4 离子交换装置及其运行
正洗：冲去交换剂层里残留的NaCl溶液和许多再生的产物CaCl2 和MgCl2等。
交换：清洗合格后，交换器即可投入运行。
顺流再生床的缺点：上部再生程度高，下部再生程度差；出水剩 余硬度较高，提前超标，导致过早失效，降低了设备工作效率。 适用于设备较小，原水硬度较低的场合。
P3：软化结束时，树脂层中交 换不到部分所占的百分数。
4.1 动态离子交换水处理
4.2 软化脱碱水处理
4.1.1 离子交换软化的化学反应
离子交换器内发生如下反应：
（1）Na离子交换软化法
特点：a. 阳离子总重量会有变化，但当量数不变。b. 碱度不 变，不产生酸性水。 用8%~10%的NaCl水溶液再生。（第3个反应的逆反应） 锅炉用水还要求去除碱度，因此要用RH型树脂。
4.1 动态离子交换水处理
水中主要溶解杂质 离子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+) HCO3-, SO42-, Cl一般Fe2+, SiO32-含量较少。 气体：CO2，O2 总硬度：Ca2+, Mg2+ 碳酸盐硬度（carbonate hardness、暂时硬度） 非碳酸盐硬度（noncarbonate hardness） 含盐量：∑阳＋∑阴 软化：降低硬度 除碱：HCO3－（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸） 除盐：降低含盐量
4.3 离子交换除盐水处理
弱碱阴树脂的再生：
再生特点：极易用碱再生，碱耗比低。
弱碱树脂特性：交换容量高于强碱树脂，抗有机污染能力强。设 在强碱阴床前，可减轻强碱树脂的负荷，并保护其不受有机污染。
4.3 离子交换除盐水处理
4.3 离子交换除盐水处理
常见的化学除盐主系统及其选择 采用阳、阴离子交换器组成主系统时，通常参照下面 的原则： (1)第一个交换器应是H型交换器。 (2)弱酸性阳树脂；适用于处理碱度大或碳酸盐硬度 大的水。 (3)弱碱性阴树脂；是用于处理强酸阴离子含量大的 水。 (4)除硅必须采用强碱性阴树脂。 (5)水质要求高时应设混床。 (6)除碳器应置于强碱性阴树脂之前，以保证除硅效 果。
4.4 离子交换装置及其运行 三塔式移动床
4.4 离子交换装置及其运行
各种类型的交换器，各有其特点。 从实践看，应用最普遍的仍属固定床，并且可制 得纯度很高的水，连续床适用于软化处理，当供水 量不大，对水质要求又不太高时，移动床是可行的。 流动床应用很少。
4.5 混合床
混合床是将再生后的阳、阴离子交换树脂放在同一个 交换器中并混合均匀。 混床的设备结构示意见图4-42。 混床的运行分反洗分层、再生、混合、正洗和交换五 个步骤，其中反洗分层是运行操作的关键。
4.4 离子交换装置及其运行
气 顶 压 法 再 生 操 作 过 程：
小反洗 5~10m/h
放水
顶压 30~50 kPa
进再生 液5m/h
逆向清 洗 5~7m/h
正洗 10~15 m/h
4.4 离子交换装置及其运行
(3)浮动床 浮动床是对流再生技术的一种形式。浮动床工 作过程示意见图4-34。 浮动床本体是钢制圆筒和上下封头，内部装 有上、下分配装置，床层和水垫层。 浮动床的操作过程分落床、再生、置换和正洗、 成床和顺洗、运行五个步骤。
4.4 离子交换装置及其运行
(2)逆流再生固定床 逆流再生属对流式，即运行时进水和再生时进再生剂 的方向相对进行的水处理工艺。 ①逆流再生原理 逆流再生时，再生剂自下而上，首先接触的是失效程 度最小，又易于再生的 Na 型树脂，因此底层树脂再生程 度较高。另外，下层树脂的再生产物Na+在上升过程中， 对上层树脂中的 Ca、 Mg有一定的交换能力，使再生剂的 利用率提高。
强碱树脂除硅对进水的要求：进水应呈酸性、进水漏钠量要低。 强碱阴树脂的再生：一般只能用NaOH再生。注意点：再生条件 要求较高，再生液浓度2%~4%，时间不少于2h。
4.3 离子交换除盐水处理
（2）弱碱性阴离子交换树脂的工艺特性
只能与水中强酸离子起交换反应，不能吸附弱酸阴离子。
反应速度较慢，在进水呈强酸性的条件下进行，设置在强酸阳床后。 运行过程线：
图4-42 混床结构示意
混床两步法再生示意图
步骤： 1、反洗分层 2、阴树脂再生 3、阴树脂正洗 4、阳树脂再生 5、阳树脂清洗 6、混合 7、最后正洗至PH≈7，电阻率大于5×105Ω·cm，即可运行。
混合床的特点： ①. 阴、阳离子交换反应几乎同时进行 ②. 出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水） ③.不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性） ④.失效终点分明 ⑤. 设备小 缺点： ①. 再生时，难以彻底分层 。 ②. 混合床对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降 ③. 一般常需进行预处理（混凝、沉淀 、活性炭吸附） ④. 再生操作复杂 交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部 分阳树脂转为Na型，造成运行后Na+泄漏。 三层混合床：（为了有利于分层）中间另装10～15cm惰性树脂使其 分层彻底。
4.4 离子交换装置及其运行 图4-27 逆流再生离子交换器
4.4 离子交换装置及其运行
逆流再生操作: 小反洗：进水反洗树脂压实层，清除压实层和中间排 液装置上的污物，至出水澄清。 放水：小反洗后放掉中间排液装置上部的水。 顶压：放水后进压缩空气顶压以防乱层。 进再生剂：在顶压情况下进再生剂。 逆流冲洗：以进再生剂相同流速，自下而上进纯水冲 洗残留废液和再生产物至出水合格。 小反洗：进水反洗树脂压实层中残留再生剂。 正洗：用水自上而下冲洗，至出水合格后转入正常运 行。
第四章
离子交换水处理
4.1 动态离子交换水处理
4.2 Na离子交换软化及H-Na软化脱 碱水处理
4.3 离子交换除盐水处理 4.4 离子交换装置及运行操作 4.5 混合床除盐 4.6 除碳器 4.7 离子交换水处理系统的选择
4.1 动态离子交换水处理 •离子交换方式可分为静态交换与动态交换两种。 •静态交换是将废水与交换剂同置于一耐腐蚀的容器 内，使它们充分接触（可进行不断搅拌）直至交换 反应达到平衡状态。静态交换效率低、操作繁琐、 耗时，实用意义不大 •动态交换是指废水与树脂发生相对移动，它又有塔 式(column)（柱式）与连续式之分。在离子交换系统 中多采用柱式交换法。
4.4 离子交换装置及其运行
①离子交换器结构 交换器是一个密封的圆柱体，设有进水装置，进再生 液装置、排水装置，装有一定高度的离子交换树脂。 ②交换器的运行 交换器的运行可分为反洗、再生、正洗、交换四个步 骤。 反洗：用水在与进水相反的方向上通过交换剂层，使 交换剂层松动，清除由于过滤作用而截留在交换剂上的杂 质。 再生：使失效的交换剂恢复交换能力。