水污染控制工程新

1、授課教師：魯金鳳南開大學環(huán)境科學與工程學院第十三講 離子交換軟化系統(tǒng)與離子交換除鹽內 容 固定床離子交換軟化裝置 離子交換軟化系統(tǒng)的選擇 再生附屬設備 除二氧化碳器離子交換除鹽方法與系統(tǒng)3. 固定床軟化系統(tǒng)的設計計算物料平衡關系式： Fhq = QTHt 式中：F-離子交換器截面積，m2 ； h-樹脂層高度，m； q-樹脂工作交換容量,mmol/L；Q-軟化水水量， m3/h； T-軟化工作時間，h； Ht-原水硬度以c(1/2Ca2+1/2Mg2+)表示， mmol/L交換器在給定工作條件下的實際交換能力樹脂吸著的硬度總量圖12-11 泄露曲線硬度泄漏點耗竭點工作交換容量= Sabedca/

2、V樹脂q可以寫成： q=qo = r（1s）qo q0：樹脂全交換容量；：樹脂實際利用率r:樹脂再生程度，再生度；s:樹脂飽和程度，飽和度(12-25) 圖12-12 硬度開始泄漏時樹脂層飽和程度情況示意再生后整個樹脂層內的交換能力未能得到再生所占的部分軟化工作期間樹脂層交換能力實際用于離子交換所占的部分當交換器開始泄露硬度時，樹脂層交換能力尚未利用所占的部分由圖可知：離子交換器中涉及到的計算： 交換器直徑 （m）12.4.3 離子交換軟化系統(tǒng)選擇 1Na離子交換軟化法 適用于原水堿度低，只需進行軟化的情況，可用于低壓鍋爐的軟化處理。特點：2H離子交換軟化法硬度圖12-13 氫離子交換出水水質

3、變化全過程 失效點的選擇：3HNa聯(lián)用： HNa并聯(lián)：圖12-14 H-Na并聯(lián)離子交換系統(tǒng)1-H離子交換器；2-Na離子交換器；3-除CO2器；4-水箱；5-混合器QHQNa上式移項整理后得：(12-27) (12-28) 式中，原水中總陰離子的濃度其中，Q 處理水總流量；c(HCO3-) 原水堿度；(12-26) 1）2）一般都以Na+泄露為控制點以硬度泄漏點為控制點不好 1）初期混合水可能呈酸性； 2）設備需要防腐，增加麻煩； 3）后期不能脫堿，增加除CO2負擔圖12-15 H-Na串聯(lián)離子交換系統(tǒng)1-H離子交換器；2-Na離子交換器；3-除CO2器；4-中間水箱；5-混合器；6-水泵（

4、2）HNa串聯(lián)12.4.4 再生附屬設備1食鹽系統(tǒng) 2酸系統(tǒng)12.4.5 除二氧化碳器 1 原理：CO2具有腐蝕性，并增加強堿樹脂負荷，因此，需要脫除水中的CO2。一般將除CO2器放在緊接H離子交換器后。水中的堿度會轉化成CO22構造和計算： 1） 構造： 2） 填料：常用瓷環(huán) ,空隙率 74% 3） 計算： GKFC kgh G單位時間能夠去除CO2的量（能力） K 解吸系數，即單位時間、單位接觸面積、單位平均解 吸動力下，去除的CO2的數量； F 瓷環(huán)面積； C 平均解析推動力 設計和安裝除二氧化碳器時應注意的問題： 底部水封高度應大于鼓風機風壓，以防止進風從下部出水管溢出； 進風口高于水

5、面距離25cm，伸入內壁，防止水濺入風口 鼓風機與除二氧化碳器進風口間的通風管有一定坡向水面的坡度，防止水往鼓風機倒流； 保證除二氧化碳器的出水管有足夠的通水能力，不致使水漫入鼓風機； 設備應有防腐措施 第十三章 離子交換除鹽方法與系統(tǒng)13.1.1水的純度概念 水的純度常以含鹽量或電阻率來衡量。 電阻率：1cm1cm1cm體積的水所測得的電阻（cm）理論純水的電阻率：18.3106cm 水的純度可以分為4種： 1 .淡化水：生活及生產用的淡水 2. 脫鹽水：含鹽量為15mg/l，強電解質大部分被去除（普通蒸餾水） 25 0C 時， 電阻率為 0.11.0106cm 3. 純水：去離子水，含鹽量

6、1.0mg/L，強電解質絕大部分被去除，弱電解質也去除到一定程度。 25 0C時，電導率1.0 10106cm。 4. 高純水：超純水，導電介質幾乎已全部被去除，水中膠粒，微生物，溶解氣體和有機物等亦去除到最低的程度。 含鹽量0.1mg/L， 250C時，電導率10106cm 13.1 概述13.1.2 海水淡化與水的除鹽方法表13-1 海水淡化與除鹽方法13.1.3 對進水的要求表13-2 膜分離、離子交換裝置對進水水質指標的要求13.2 離子交換除鹽方法與系統(tǒng)除鹽“兩步走”： H離子交換樹脂 + 陰離子交換樹脂ROH+HClRCl+ H2O ROH+H2SO4RHSO4+H2O2ROH+

7、H2SO4R2SO4+2 H2OROH +H2CO3RHCO3+ H2OROH+H2SiO3RHSiO3+ H2O1）強堿性樹脂的交換選擇性順序為： PO43-SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3- 電荷愈多，選擇性愈好相同電荷時，原子序數愈高，水合半徑愈小，則選者性愈好1.強堿性陰樹脂2）根據強堿性陰樹脂對水中各種陰離子的交換順序可得：ROH+NaSiO3RHSiO3+NaOH （幾乎不能進行） 除鹽系統(tǒng)相應通過強酸性陽樹脂，而不應通過Na床，且通過H型樹脂應減少漏鈉量。3） 陰樹脂的化學穩(wěn)定性一般要比陽樹脂差，（600C800C）, 易受氧化劑的影響而變質。水中存在氧化劑

8、時，則會使：4）強堿性樹脂抗有機物的能力較差，特別是凝膠型強堿性陰樹脂，由于孔道分布不均勻，容易堵塞。強堿性樹脂被有機物污染后，正洗水量增加，同時由于正洗時陰離子與ROH發(fā)生交換，從而使運行時交換容量降低，出水導電率增加。 凝膠型5）強堿性陰樹脂的運行過程將清洗水排出，直到清洗排水總溶解固體等于進水總溶解固體時；將清洗水循環(huán)回收到陽離子交換器的入口，直到出水電導率符合要求，開始正常運行。圖13-1 弱堿陰離子交換器的運行過程曲線6）強堿樹脂除Si要求： 進水應呈酸性，使水中的硅酸化合物以H2SiO3的形式存在； 進水漏鈉量要低,避免陰床出水中堿度的增高影響除硅效果； 再生條件要求高，再生劑用量

9、高，且再生時間不少于1h.適當提高再生液溫度至（40-500C）有利于再生的進行。2弱堿陰樹脂的工藝特性： R=NH2-OH R-NH3OH 仲胺型 伯胺型1）交換能力差, 不能吸附弱酸陰離子,只能吸附強酸陰離子；2）再生容易：NaOH，NaHCO3，Na2CO3，NH4OH都可，實際堿比耗是理論值的1.21.4倍；3）交換容量大 ，可做強堿陰床前的預處理；4）抗有機污染強，吸附后容易洗脫 ，可做強堿陰床前的預處理；5）出水呈堿性，NaHCO3，NaHSiO3存在, 漏SO42-、Cl-后出水呈酸性。 Cl- 首先泄漏。圖13-2 弱堿陰離子交換器的運行過程曲線13.2.2 復床除鹽陽、陰離子

10、交換器串聯(lián)使用以達到除鹽目的的方法1）一級復床除鹽 強酸脫氣強堿系統(tǒng)陽一級復床出水的特點： 呈弱堿性 pH= 8 9.5 （陽床微量Na泄漏） 出水電阻率 0.1 1.0106 *cm脫鹽水（普通蒸餾水） 如果陽床泄漏Na過量的話，電導率會升高。 因而關鍵是控制陽床的Na泄露，另外除硅時，可采用熱堿液再生。陰床設在陽床之后（為什么？）1)若先通過陰床，則容易生成CaCO3、Mg(OH)2沉積在樹脂層內，使強堿樹脂的交換容量降低；2）陰床在酸性介質中易于進行離子交換，若進水先經過陰床，不利于除硅；3）強酸樹脂的抗有機污染能力勝過堿樹脂；4）若先通過陰床，應有除二氧化碳器去除的碳酸都要由陰床承擔，

11、增加了再生劑耗量。2）強酸脫氣弱堿強堿系統(tǒng) 適合于原水有機物含量較高、強酸陰離子含量較大的情況。弱堿用于去除強酸陰離子，如Cl-等； 強堿主要用于去除硅，SiO32-采用串聯(lián)再生法，除CO2器設置在陰床前，以便強堿、弱堿陰床串聯(lián)再生。1）原理與特點： 陰、陽離子樹脂裝在同一個交換器內，使用時均勻混合，構成無數微型復床，反復脫鹽，故其出水電阻率可達510106 cm。 混床除鹽的反應過程（以NaCl為例）: RH + ROH + NaCl RNa + RCl +H2O 13.2.2 混合床除鹽混床除鹽遠比復床徹底的多混合床的特點： 陰、陽離子交換反應幾乎同時進行 出水呈中性，出水水質穩(wěn)定，純度高

12、（制備純水，超純水必不可少的除鹽設備） 不存在反離子（強堿出水呈堿性，強酸出水呈酸性） 失效終點分明 設備小 缺點： 再生時，陰、陽樹脂難以徹底分層 ，導致交叉污染。 交叉污染：部分陽樹脂混合在陰樹脂層時，經堿液再生，這部分陽樹脂轉為Na型，造成運行后Na+泄漏。三層混合床：（為了有利于分層）中間另裝1015cm惰性樹脂使其分層徹底。 混合床對有機物敏感，陰樹脂變質后，出水水質惡化 一般常需進行預處理（混凝、沉淀 、活性炭吸附） 再生操作復雜 2） 混合床離子交換器再生方式 體內再生體外再生酸、堿同時再生酸、堿分別再生再生圖13-4 混合床體內酸、堿分別再生示意 1、反洗分層：反洗流速10m/

13、h,到分層需15min； 2、陰樹脂再生：用4%堿液以5m/h再生； 3、陰樹脂正洗：用脫鹽水以12-15m/h正洗到出水堿度在 0.5mmol/L以下為止； 4、陽樹脂再生：5%的HCl（或1.5%的H2SO4)再生 5、陽樹脂清洗：用脫鹽水以12-15m/h流速上下同時正洗到出 水酸度在0.5mmol/L左右為止； 6、混合：將水放至樹脂層表面上約10cm處，用壓縮空氣使之 均勻混合，立即快速排水，是整個樹脂層迅速下落，以防 止重新分層； 7、最后正洗：至pH7，電阻率大于5105cm，即可運行混合床體內分別再生操作步驟：3.離子交換雙層床： 陽離子交換雙層床陰離子交換雙層床 1) 陽離子交換雙層床采用逆流再生，酸比耗量只需1.1適應于：原水硬度=堿度的水，或硬度略大于堿度而Na+較低的水。兩種樹脂的體積比的選擇：（1）逆流再生，堿耗量低，只是理論值的1.1倍。強堿單層陰床是理論值的34倍。（2）交換容量提高，出水量增加。（3）適應的含鹽量范圍高。（4）出水水質好。 2) 陰離子交換雙層床特點：缺點：要求再生條件嚴格，否則會出現，大量膠體硅（甚至膠凍）聚積在弱堿樹脂上，使出水水質嚴重惡化。 原因：再生時：下層強堿樹脂的再生堿廢液中含有的Na2SiO3，Na2CO3會進入上層弱堿樹脂，發(fā)生如下反應： 2R-NH3Cl