第六章、离子交换
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第六章、离子交换
第一节、水的软化
一、离子交换软化系统与装置
根据使用的目的，离子交换软化法有： ❖ 钠离子交换软化法 ❖ 弱酸性氢离子交换除碱度软化法 ❖ 氢-钠并联离子交换除碱度软化法 ❖ 氢-钠串联离子交换除碱度软化法 ❖ 铵-钠混合固定床离子交换软化法
1、钠离子交换软化系统
（1）单级 ➢ 单级钠离子交换软化系统的流程见图6－1。 ➢ 去除效果：
1、交换器及辅助设备 （1）交换器 交换器为钢罐，内部构造由三部分组成： 上部配水系统：喇叭口、穿孔管 树脂层，厚1.5-2.0m。 下部配水系统：排水帽、多孔板＋石英砂垫层 （2）辅助设备 再生设备 脱炭器 水泵、水箱等
2、操作过程 （1）交换 （2）反洗 作用：
一、复床除盐
复床指阳离子、阴离子交换器串联使用 的除盐系统。 1、强酸－脱气－强碱系统
图6－4 强酸－脱气－强碱系统
（1）强酸阳离子交换器 强酸阳离子交换树脂采用001×7 再生剂为盐酸，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F1h1EOP1 QT1 C C Na＋ ＋2 Ca2＋ ＋2 Mg2＋
2、混床交换器设计计算 物料平衡关系式为：
Fh阳EOP阳 QTC Fh阴EOP阴＝QTC
式中C为水中含盐量。
对环境的污染 （2）缺点 设备复杂，造价高 操作麻烦 （3）适用 原水硬度较高的大型软化站
四、固定床离子交换器设计计算
1、树脂层高度 由物料平衡关系式：
FhEOP
QT
(Ht
H
' t
)
可计算得到树脂层高度为：
h
QT
(Ht
H
' t
)
vT(Ht
H
' t
)
FEOP
EOP
3、强酸－脱气－弱碱－强碱系统 该系统适用于原水有机物含量较高、强酸阴离
子含量较大的情况。
图6－5 强酸－脱气－弱碱－强碱系统
（1）强酸阳离子交换器
强酸阳离子交换树脂采用001×7 再生剂为盐酸，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F1h1EOP1 QT C C Na＋ ＋2 Ca2＋ ＋2 Mg2＋
剂量。 （2）再生剂总量 每台离子交换器再生一次需要的再生剂总量为：
G QHt M BnT (kg)
1000
第二节、水的除盐
离子交换法除盐工艺的设计计算内容有： ➢ 选择除盐系统的 工艺流程 ➢ 确定处理装置中各主要设备的尺寸大小和数量 ➢ 计算离子交换树脂用量及交换器的工作周期 ➢ 估算再生剂的消耗及再生设备的计算 ➢ 管路系统及其他附属设备计算
适用：原水硬度较低的小型软化站
三、逆流再生固定床
1、装置 逆流再生固定床有以下特点：
设有中间排水装置，作用：排除再生废液、 冲洗废液。
用压缩空气顶压，防止再生时树脂乱层 在中上部设有压脂层
作用：使压缩空气分布均匀；起过滤作用，截 留水中杂质。
材料：比重轻于树脂而略重于水的惰性树脂， 高度为15cm。
2、操作过程
（1）交换
（2）再生
小反洗：把压脂层中杂质洗去 放水：将中间排水装置上部的水放掉 顶压：进压缩空气 再生：进再生液 逆向清洗：用软化水逆流清洗 正洗：顺向清洗 大反洗：10-20个周期进行一次
3、评价
（1）优点 使再生剂得到充分利用，降低再生剂用量。 底层再生度高，使出水水质好。 工作交换容量大，交换周期长，产水量高。 再生废液浓度低，清洗时间短，节约冲洗水，减少
（2）弱碱阴离子交换器
F2h2EOP2 QT (Cl－ ＋2 SO42 )
（3）强碱阴离子交换器
F3h 3 EOP 3
QT ( 5 ＋ 35
SiO2
)
四、混合床除盐
混合床除盐指阳离子、阴离子交换树脂装填 在同一交换器内的除盐系统。混合床除盐系 统的出水纯度高，电阻率ρ＝5～10MΩ·cm。
强酸阳离子交换树脂采用001×7 再生剂为盐酸，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F1h1EOP1 QT C C Na＋ ＋2 Ca2＋ ＋2 Mg2＋
（2）弱碱阴离子交换器
F2h2EOP2 QT (Cl－ ＋2 SO42 )
≤0.01meq/L，再生剂耗量较少。 适用：进水总硬度＜10meq/L，且碱度较低。
2、H－Na离子交换脱碱软化系统
（1）H－Na并联离子交换脱碱软化系统 H－Na并联离子交换脱碱软化系统的流程见图
6－2。 特点：适用于原水硬度高、碱度大的情况，且
系统布置紧凑，投资较省，但系统安全可靠性 稍差。
松动树脂，使再生液分布均匀 去除树脂中的杂质、碎粒、气泡
反洗强度：3L/m2·s 反洗时间15-20min （3）再生 （4）正洗 作用：将残留在树脂中的再生液冲洗干净 正洗时间：40-60min
3、评价 优点：设备简单、操作容易 缺点：
再生剂的用量比较大 再生后树脂的工作交换容量较低
2、交换器的截面积及直径 F=Q/v
d 4F
3、树脂装量 湿树脂重量为：
W V f F (h h0 ) f
五、再生剂及其设备设计计算
1、再生剂用量 （1）表示方法 再生剂用量G：单位体积树脂所耗的纯再生剂量。 再生剂比耗n：单位体积树脂所耗的纯再生剂物
质的量与树脂工作交换容量的比值。 再生剂耗量R：单位工作交换容量所需的纯再生
（2）强碱阴离子交换器
强碱阴离子交换树脂采用201×7 再生剂为NaOH，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F2h2 EOP2
QT2 (
A
HCO3
CO2
)
44
A Cl－＋2 SO42 ＋HCO3 SiO2
2、强酸－弱碱－脱气系统 强酸－弱碱－脱气系统适用于无除硅要求的场合。 （1）强酸阳离子交换器
图6－2 H－Na并联离子交换脱碱软化系统
在H－Na并联离子交换脱碱软化系统中， H交 换器和Na交换器的流量分配为：
Q QH QNa
QH S QNa A Q A'
QH
A A' AS
Q
Q Na
Q
QH
S A' AS
Q
（2）H－Na串联离子交换脱碱软化系统
➢ ①能去硬度，残余硬度为0.03～0.05meq/L； ➢ ②不能脱碱； ➢ ③出水总固体稍有增加。 ➢ 适用： ➢ ①原水硬度不太大的情况，原水硬度小于6～
8meq/L； ➢ ②原水碱度小于出水Байду номын сангаас许碱度； ➢ ③用于低压锅炉。
图6－1 单级钠离子交换软化系统
（2）双级 双级钠离子交换软化系统的出水残余硬度
H－Na串联离子交换脱碱软化系统见图6－3。 H－Na串联离子交换脱碱软化系统的流量分
配与并联情况一样。
特点：适用于原水硬度高、碱度大的情况，且 该系统运行安全可靠，能减轻Na交换器的负 荷，提高软化水的质量，更适合于处理高硬度 水。
图6－3 H－Na串联离子交换脱碱软化系统
二、顺流再生固定床
再生时将阳树脂、阴树脂分层再生，再生结 束后将其均匀混合再进行离子交换。
1、混床装置及再生方式
（1）装置 设有上部进水、中间排水、底部配水、进
酸管、进碱管等。
（2）再生 ❖ 再生之前利用阴树脂、阳树脂的湿真密度不同
进行反洗分层。 ❖ 再生方式有：
❖ 体内再生：体内同时再生、体内分别再生 ❖ 体外再生
第一节、水的软化
一、离子交换软化系统与装置
根据使用的目的，离子交换软化法有： ❖ 钠离子交换软化法 ❖ 弱酸性氢离子交换除碱度软化法 ❖ 氢-钠并联离子交换除碱度软化法 ❖ 氢-钠串联离子交换除碱度软化法 ❖ 铵-钠混合固定床离子交换软化法
1、钠离子交换软化系统
（1）单级 ➢ 单级钠离子交换软化系统的流程见图6－1。 ➢ 去除效果：
1、交换器及辅助设备 （1）交换器 交换器为钢罐，内部构造由三部分组成： 上部配水系统：喇叭口、穿孔管 树脂层，厚1.5-2.0m。 下部配水系统：排水帽、多孔板＋石英砂垫层 （2）辅助设备 再生设备 脱炭器 水泵、水箱等
2、操作过程 （1）交换 （2）反洗 作用：
一、复床除盐
复床指阳离子、阴离子交换器串联使用 的除盐系统。 1、强酸－脱气－强碱系统
图6－4 强酸－脱气－强碱系统
（1）强酸阳离子交换器 强酸阳离子交换树脂采用001×7 再生剂为盐酸，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F1h1EOP1 QT1 C C Na＋ ＋2 Ca2＋ ＋2 Mg2＋
2、混床交换器设计计算 物料平衡关系式为：
Fh阳EOP阳 QTC Fh阴EOP阴＝QTC
式中C为水中含盐量。
对环境的污染 （2）缺点 设备复杂，造价高 操作麻烦 （3）适用 原水硬度较高的大型软化站
四、固定床离子交换器设计计算
1、树脂层高度 由物料平衡关系式：
FhEOP
QT
(Ht
H
' t
)
可计算得到树脂层高度为：
h
QT
(Ht
H
' t
)
vT(Ht
H
' t
)
FEOP
EOP
3、强酸－脱气－弱碱－强碱系统 该系统适用于原水有机物含量较高、强酸阴离
子含量较大的情况。
图6－5 强酸－脱气－弱碱－强碱系统
（1）强酸阳离子交换器
强酸阳离子交换树脂采用001×7 再生剂为盐酸，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F1h1EOP1 QT C C Na＋ ＋2 Ca2＋ ＋2 Mg2＋
剂量。 （2）再生剂总量 每台离子交换器再生一次需要的再生剂总量为：
G QHt M BnT (kg)
1000
第二节、水的除盐
离子交换法除盐工艺的设计计算内容有： ➢ 选择除盐系统的 工艺流程 ➢ 确定处理装置中各主要设备的尺寸大小和数量 ➢ 计算离子交换树脂用量及交换器的工作周期 ➢ 估算再生剂的消耗及再生设备的计算 ➢ 管路系统及其他附属设备计算
适用：原水硬度较低的小型软化站
三、逆流再生固定床
1、装置 逆流再生固定床有以下特点：
设有中间排水装置，作用：排除再生废液、 冲洗废液。
用压缩空气顶压，防止再生时树脂乱层 在中上部设有压脂层
作用：使压缩空气分布均匀；起过滤作用，截 留水中杂质。
材料：比重轻于树脂而略重于水的惰性树脂， 高度为15cm。
2、操作过程
（1）交换
（2）再生
小反洗：把压脂层中杂质洗去 放水：将中间排水装置上部的水放掉 顶压：进压缩空气 再生：进再生液 逆向清洗：用软化水逆流清洗 正洗：顺向清洗 大反洗：10-20个周期进行一次
3、评价
（1）优点 使再生剂得到充分利用，降低再生剂用量。 底层再生度高，使出水水质好。 工作交换容量大，交换周期长，产水量高。 再生废液浓度低，清洗时间短，节约冲洗水，减少
（2）弱碱阴离子交换器
F2h2EOP2 QT (Cl－ ＋2 SO42 )
（3）强碱阴离子交换器
F3h 3 EOP 3
QT ( 5 ＋ 35
SiO2
)
四、混合床除盐
混合床除盐指阳离子、阴离子交换树脂装填 在同一交换器内的除盐系统。混合床除盐系 统的出水纯度高，电阻率ρ＝5～10MΩ·cm。
强酸阳离子交换树脂采用001×7 再生剂为盐酸，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F1h1EOP1 QT C C Na＋ ＋2 Ca2＋ ＋2 Mg2＋
（2）弱碱阴离子交换器
F2h2EOP2 QT (Cl－ ＋2 SO42 )
≤0.01meq/L，再生剂耗量较少。 适用：进水总硬度＜10meq/L，且碱度较低。
2、H－Na离子交换脱碱软化系统
（1）H－Na并联离子交换脱碱软化系统 H－Na并联离子交换脱碱软化系统的流程见图
6－2。 特点：适用于原水硬度高、碱度大的情况，且
系统布置紧凑，投资较省，但系统安全可靠性 稍差。
松动树脂，使再生液分布均匀 去除树脂中的杂质、碎粒、气泡
反洗强度：3L/m2·s 反洗时间15-20min （3）再生 （4）正洗 作用：将残留在树脂中的再生液冲洗干净 正洗时间：40-60min
3、评价 优点：设备简单、操作容易 缺点：
再生剂的用量比较大 再生后树脂的工作交换容量较低
2、交换器的截面积及直径 F=Q/v
d 4F
3、树脂装量 湿树脂重量为：
W V f F (h h0 ) f
五、再生剂及其设备设计计算
1、再生剂用量 （1）表示方法 再生剂用量G：单位体积树脂所耗的纯再生剂量。 再生剂比耗n：单位体积树脂所耗的纯再生剂物
质的量与树脂工作交换容量的比值。 再生剂耗量R：单位工作交换容量所需的纯再生
（2）强碱阴离子交换器
强碱阴离子交换树脂采用201×7 再生剂为NaOH，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F2h2 EOP2
QT2 (
A
HCO3
CO2
)
44
A Cl－＋2 SO42 ＋HCO3 SiO2
2、强酸－弱碱－脱气系统 强酸－弱碱－脱气系统适用于无除硅要求的场合。 （1）强酸阳离子交换器
图6－2 H－Na并联离子交换脱碱软化系统
在H－Na并联离子交换脱碱软化系统中， H交 换器和Na交换器的流量分配为：
Q QH QNa
QH S QNa A Q A'
QH
A A' AS
Q
Q Na
Q
QH
S A' AS
Q
（2）H－Na串联离子交换脱碱软化系统
➢ ①能去硬度，残余硬度为0.03～0.05meq/L； ➢ ②不能脱碱； ➢ ③出水总固体稍有增加。 ➢ 适用： ➢ ①原水硬度不太大的情况，原水硬度小于6～
8meq/L； ➢ ②原水碱度小于出水Байду номын сангаас许碱度； ➢ ③用于低压锅炉。
图6－1 单级钠离子交换软化系统
（2）双级 双级钠离子交换软化系统的出水残余硬度
H－Na串联离子交换脱碱软化系统见图6－3。 H－Na串联离子交换脱碱软化系统的流量分
配与并联情况一样。
特点：适用于原水硬度高、碱度大的情况，且 该系统运行安全可靠，能减轻Na交换器的负 荷，提高软化水的质量，更适合于处理高硬度 水。
图6－3 H－Na串联离子交换脱碱软化系统
二、顺流再生固定床
再生时将阳树脂、阴树脂分层再生，再生结 束后将其均匀混合再进行离子交换。
1、混床装置及再生方式
（1）装置 设有上部进水、中间排水、底部配水、进
酸管、进碱管等。
（2）再生 ❖ 再生之前利用阴树脂、阳树脂的湿真密度不同
进行反洗分层。 ❖ 再生方式有：
❖ 体内再生：体内同时再生、体内分别再生 ❖ 体外再生