工业给水处理概论与水的软化处.ppt

水质工程学（工业给水处理）,序 言,1、给排水专业性质：半土建、半化工、半机械、半自动化（参与水的社会循环，解决水的质量问题）2、水的社会循环：天然水（地表水与地下水）、使用水（生活与生产用水）、污废水（生活和生产使用过的水，通过水处理使这三种水质不断转换，从而构成了水的社会循环。（原水）【给水处理】给水管网【建筑给排水】排水管网【污废水处理】天然水 水处理 使用水 用户使用 污废水 水处理 再生水（中水）达标排放水,3、本课程章节：第1章 工业给水处理概述第2章 水的软化（课本21章）第3章 水的除盐（课本22章）第4章 水的冷却（课本23章）第5章 循环冷却水水质处理（课本24章）,第1章 工业给水处理概述第一节 概述,天然水中含有多种杂质，按粒径分为三类：（1）悬浮物质：1m100 m，泥土、砂、水藻、细菌等（2）胶体物质：1 nm 1 m，水中带电荷的胶体微粒，硅、铁、铝的化合物及一些高分子有机物，如腐殖质等（3）溶解物质：1nm以下，水中所溶解的呈分子和离子状态的溶质或气体，如氯化物、硫酸盐、重金属离子、氧、二氧化碳等。,自来水常规处理工艺过程中，主要是去除悬浮物、胶体，以及消毒等，很难去除溶解物质。城市给水处理以满足生活饮用水标准为目标，而工业给水处理则根据工业生产工艺、产品质量、设备材料等对水质的要求来决定处理工艺。由于各种工业产品的工艺要求不同，对水质的要求差异极大。一、工业给水处理的目的 软化、除盐、循环冷却水的处理和水质稳定处理。,1.软化：去除水中部分或全部硬度（钙、镁离子）的过程 称为水的软化。软化的方法通常分为药剂软化法和离子交换法两种，目前还有电渗析、纳滤、反渗透。软化后剩余硬度一般在0.050.8mml/l之间。2.除盐：采用物理、化学的方法，去除水中无机盐类，获得电导率为100.1S/cm的除盐水，以及小于0.1S/cm的高纯水。除盐的方法有：蒸馏、电渗析、反渗透、离子交换等，或这些方法综合使用。3.循环冷却水的处理：用物理的方法，降低工业用水在使用过程中增加的热量，供循环使用。水质稳定处理：采用物理和化学的方法，如加酸、阻垢剂、缓蚀剂和杀生剂等对冷却水作控制沉积物、腐蚀和微生物生长的全面处理。,二、工业给水处理的水源（1）地下水（2）地面水（3）自来水（4）污废水三、水质分析 原水水质和处理要求是确定适宜的水处理工艺、选择合理处理流程、采用适当的化学药剂及其剂量、进行水处理设备计算的重要资料。在这里水质分析十分重要。,1.含盐量和总固体（1）含盐量：水中阴、阳离子含量的总和。（2）总固体：水在一定温度蒸发，烘干后剩留在器皿中的物质重力，包括悬浮物和溶解固体。2.电导率 电导率是以数字表示溶液传导电流的能力。纯水电导率很小，水中溶解离子是水能导电的原因。规定111cm 水测得的电阻称为电阻率1.cm,电阻率的倒数叫电导率，单位：S/cm 或S/cm 电导率是溶解性固体的替代参数，可以来估算溶解固体：TDS单位mg/l，电导率单位S/cm，适用于TDS小于5000,3.酸度 水中含有的能与强碱起作用的酸性物质的含量（强酸、弱酸、强酸弱碱盐）。4.碱度 水中含有的能与强酸起作用的碱性物质的含量（重碳酸盐碱度HCO3-、碳酸盐碱度CO32-、氢氧化物碱度OH-）。一般天然水的碱度只有HCO3-,即水的碱度等于碳酸盐硬度。5.硬度 水中Ca2+、Mg2+离子的总浓度或总含量。包括：暂时硬度（碳酸盐硬度Hc 煮沸时可析出）和永久硬度（非碳酸盐硬度Hn）或分为：钙硬度（HCa）和镁硬度（HMg）。,各硬度关系：总硬度（Ht）=Hc+Hn=HCa+HMg 暂时硬度加热分解：Mg(HCO3)2 Mg(OH)2+2CO2 Ca(HCO3)2 CaCO3+H2O+CO2硬度单位：（1）法定计量单位：mol/L或mmol/L（2）其它：meq/L 德国度:1d=10mg/LCaO 美、日:1度=1mg/LCaCO3（3）换算关系：1meq/L=2.8d=50mg/LCaCO3硬度和碱度的关系（碱度以A表示）,6.pH 值 每升水中氢离子浓度的负对数，即lgH+24时纯水的H+HO107mmol，因此中性水pH 值为7。pH 值与酸碱度不同，酸碱度是水中含酸性类或碱性类物质多少的指标，而pH 值是水呈酸碱性强度的指标。7.浊度 ISO国际标准定义：浊度是由于不溶性物质的存在而引起液体透明度的降低。根据测试所使用的标准液不同，所得浊度数值及单位不同，目前国际国内通用以甲腊（化学试剂在严格的控制下制成）作为浊度标准液用散光浊度仪测得，单位：NTU。采用透射光浊度仪测得的为FTU。,碳酸的电离度与水中PH值的关系,8.淤塞密度指数SDI（与污染指数FI等同）SDI是测定在标准压力和标准时间间隔内，一定体积水样通过一特定微孔膜滤器的阻塞率。它表征水中胶体物和悬浮物的多少。与浊度相比，SDI是从不同角度来表示水质，比浊度更准确、可靠。浊度对于不感光的一些胶体测不出来，而SDI用微孔膜孔径0.45 m，凡大于0.45 m的胶体、细菌与其它微粒皆截留在膜面上，重现性好，并可靠。SDI值的测定：在0.21MPa恒定水流压力下，记录从通水开始到收集500ml水样所需要的时间t0(s)，在与上相同的压力下，记录过滤15min（包括初始水样时间）后，再次收集500ml水样，记录所需时间t15(s)；然后用公式计算：,SDI值5严重污染 最大值为100/15=6.666,SDI测定仪,9.有机物 CODcr、CODMn、BOD5、TOC、UV25410.二氧化硅 天然水中硅一般小于20mg/l，工业给水处理对硅的要求较高，电厂一般要求小于20g/l。四、水中离子的假想化合物（阴阳离子之间的关系）水质资料的整理内容和原则：第一，全部阳离子所带的总正电荷必须与全部阴离子所带总负电荷相等。第二，阳离子和阴离子之间存在等和组合关系。,阴、阳离子在水中本是独立存在的，但在水处理中往往假定它们组合成一些化合物，称为假想化合物。这种假定的原因是：（1）根据假想化合物的成分可以拟定水处理方法，如：碳酸盐、非碳酸盐的去除方法；（2）水因温度升高而引起溶解物沉淀出来时，为了知道沉淀出的成分来，就要分析阴阳离子组合；（3）应用离子间的组合关系可以按照假想化合物来写水处理的化学方程式，比较容易理解。离子组合次序按形成化合物的溶解度大小得出：阳离子组合顺序：Mn2+,Fe2+,Ca2+,Mg2+,Na+,K+阴离子组合顺序：P042-,HCO3-,CO32-,OH-,SO42-,NO3-,Cl-,水中离子的假想组合(P393图211)：,单位：mmol/L,某水质化验样品，因临时故障未能完成，但已对天然原水水质进行了以下项目监测。假定分析的数据准确无误，请回答以下问题:HCO3-3.08 mmol/L Ca2+4.56 mmol/L SO42-2.19 mmol/L Mg2+2.7 mmol/L Cl-3.46 mmol/L1.这个水样中Na+的含量应该是多少？Na+=（3.08+2.19+3.46）-（4.56+2.7）=1.47 mmol/L2.暂时硬度Hz、永久硬度Hy是多少？Hz=3.08 mmol/L Hy=（4.56+2.7）-3.08=4.18 mmol/L3.碱度是多少？含盐量是多少？碱度=3.08 mmol/L TDS=3.0861+2.1948+3.4635.5+4.5620+2.712+1.4723=573.24 mg/L,4.能够组成的假想化合物及其含量是多少？,单位：mmol/L,四、水的纯度及硬度的概念1、水的纯度（TDS，mg/l 25，电阻率，M.cm)海水：600050000 苦咸水：1500 6000 半苦咸水：1000 1500 淡水：1000 脱盐水：1 5 0.1 1.0 纯水：1 1.0 10 高纯水：0.1 10 理论纯水：18.3,2、水的硬度（以CaCO3计，mg/l）软化水：10 特软水：70 软水：70140 中硬水：140280 硬水：280530 极硬水：530五、有关水质标准对含盐量、硬度的要求饮用水有关标准：1.我国饮用水水质卫生标准（GB57492006）TDS 1000 mg/l 总硬度（以CaCO3计）450mg/l,2.瓶装饮用净水标准（GB173231998）电导率25，10S/cm 3.饮用净水标准（CJ941999）TDS 500 mg/l 总硬度（以Ca(CO3)2计）300mg/l 4.饮用天然矿泉水（GB857371995）含锂、锶、偏硅酸，TDS 1000 mg/l 5.欧共体水质指标 TDS 500 mg/l 6.世界卫生组织饮用水水质标准 TDS 1000 mg/l,工业用水种类繁多，水质要求各不相同：1.食品、酿造、饮料原料用水：高于生活饮用水标准 2.纺织、造纸：水质清澈，对产生斑点的物质控制 3.锅炉补给水：对产生腐蚀、结垢等的物质控制（与锅炉压力有关系）一般硬度0.03 mol/l，高压锅炉硬度0.01 mol/l 4.电子工业：高纯水，我国电阻率15 M.cm，美国IBM公司电阻率18 M.cm 5.电厂蒸汽机：总硬度0，电导率0.2S/cm 6.循环冷却水：水温低，无悬浮物、藻类、微生物，对产生腐蚀、结垢等的物质控制,第二节 预处理,一、预处理的目的 工业给水处理包括多道工序，通常把离子交换、电渗析、反渗透等处理工艺作为主要工序，为了保证这些主要工序能安全、高效、经济地运行，需要将原水处理到这些装置允许的进水水质指标。工程中把进入主要工序前的水质净化、预软化或水质调整称为水质预处理。预处理的对象主要是机械杂质、胶体、二氧化硅、微生物、有机物和氧化物（余氯）等对后续处理装置产生不利影响的物质。,二、水中有害物质对后续水处理装置的影响1.悬浮物：附着在树脂颗粒或膜表面，降低交换容量；降低RO透水率和脱盐率，堵塞树脂层空隙，引起压力损失增加，恶化出水水质；堵塞ED水流通道，增加膜面电阻。2.有机物：主要污染阴离子交换树脂，使其交换容量下降，再生剂耗量增大，出水水质恶化；堵塞RO和ED膜通道，选择透过性降低，滋生微生物。3.微生物：堵塞通道，水质恶化。4.氧化剂：破坏膜和树脂结构，性能降低，特别是RO复合膜对氧化剂十分敏感。5.重金属：铁、锰离子比钙、镁更易被树脂和膜吸附，且不易再生清除，降低性能，恶化水质。,三、膜分离、离子交换装置对进水水质的要求,四、预处理系统选择及单元设施1.悬浮物胶体：混凝沉淀过滤，或直接过滤 机械过滤器（压力过滤、多介质过滤）2.高硬度：预软化、加阻垢剂3.RO前：保安过滤（5微米），UF或MF 精密过滤器：滤布、PE烧结管、线绕、叠片式4.有机物：加氯、凝聚、澄清、过滤、活性炭5.游余氯：活性炭过滤或加亚硫酸钠 2Cl2+C+2H2O=4HCl+CO2；1mg/l余氯需2mg/l亚硫酸钠6.铁、锰：空气氧化、锰砂过滤,第一章 作业,一、工业给水处理的目的二、工业给水的水源有哪些？三、淤塞密度指数SDI与浊度的区别四、某水质化验结果如下，请回答以下问题:HCO3-2.5 mmol/L Ca2+3.5 mmol/L SO42-0.8 mmol/L Mg2+1.1 mmol/L Cl-1.8 mmol/L Na+0.5 mmol/L 1.能够组成的假想化合物及其含量是多少？2.暂时硬度Hz、永久硬度Hy是多少？3.碱度是多少？含盐量是多少？五、预处理的目的,第2章 水的软化第一节 软化的目的与方法概述,一、软化的目的锅炉用水对硬度要求很高，主要是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而引起爆炸。因此对低压锅炉用水需软化处理，高压锅炉不仅软化甚至需脱盐处理。软化的目的就是去除水中钙、镁、铁、锰、铝等易形成难溶盐类的金属阳离子，期中主要是钙镁硬度。消除不良影响，满足生活和工业用水的要求。,具体目的有：（1）避免锅炉水由于硬度而生垢浪费燃料、烧损部件、爆炸；（2）避免 Ca2+、Mg2+对工业冷却设备正常运行 的影响传热系数低、导热性能差；（3）避免影响造纸、纺织等行业产品质量。二、软化的方法1.药剂软化法（沉淀软化法）：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。CaCO3 Ca2+CO32-（向水中加CO32-）当Ksp Ca2+CO32-时反应向右进行,2.离子交换法：利用某些离子交换剂所具有的阳离子（H+、Na+）与水中Ca2+、Mg2+进行交换反应达到软化的目的。3.电渗析法：基于电渗析原理，利用离子交换膜的选择透过性，在外加直流电场的作用下通过离子的迁移，在进行水的局部除盐的同时达到软化的目的。4.纳滤法：同ED和RO一样，在进行水的局部除盐的同时达到软化的目的，纳滤对二价离子去除滤高达90以上，而对一价离子的去除率只有4080。5.掩蔽剂法：利用络合物的掩蔽性去除水中硬度或利用络合物的掩蔽性使络合物中的离子失去原离子反应性的方法，如加阻垢剂。（并不一定真正去除）,第二节 水的药剂软化,一、概述定义：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。A、原理：溶度积原理 B、药剂：石灰、苏打、石膏 C、CaCO3、Mg(OH)2溶度积最小 水处理中常见难溶化合物的溶度积（25）,二、石灰软化法1、石灰的生产过程 石灰石CaCO3煅烧而成生石灰CaO，生石灰加水消化为熟石灰Ca(OH)2，再配制成一定浓度的石灰乳可用于石灰软化。2、原理：主要利用了加入的OH-和水中原有的HCO3-反应，产生过剩的CO32-，使之与水中Ca 2生成CaCO3沉淀析出。当：HtA Ht=Hc（Hz）Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3+2H2O Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2=2CaCO3+Mg(OH)2+2H2O Ht 全部去除。,当：HtA Ht=Hc+Hn Hc有以上反应，可去除；而Hn有一下反应：MgSO4+Ca(OH)2=CaSO4+Mg(OH)2 CaCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Ca(OH)2 MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2产生了等当量的钙硬度，Hn 不能去除。当：A=0 Ht=Hn 无软化效果。,3、特点：（1）只能除Hc，不能除Hn（2）去除1摩尔Ca(HCO3)2需1摩尔Ca(OH)2，去除1摩尔Mg(HCO3)2需2摩尔Ca(OH)2。（3）可以去除碱度（4）可去除水中部分铁和硅的化合物（5）石灰软化与混凝处理同时进行，可产生共沉效果（6）余硬：Hn+0.250.5mmol/L(溶度积及CaO过剩量)（7）含盐量略有降低（沉淀）（8）经济费用低,4、适用条件：（1）Hc占大部分的原水;（2）预处理钠离子交换5、石灰用量的计算：（1）通过实验确定：以石灰投量（mgCaO/L）为横坐标，以水中残留硬度（H）为纵坐标，根据实验数据绘曲线，得出最佳石灰投量。（2）理论计算：当：HCaHc 水中Hc仅以Ca(HCO3)2形式出现（CaO）=56c(CO2)+c(Ca(HCO3)2)+c(Fe2+)+K+(mg/L),c(CO2)原水中游离二氧化碳浓度，mmol/L c(Ca(HCO3)2)原水中Ca(HCO3)2浓度，mmol/L c(Fe2+）源水中Fe2+浓度，mmol/L K混凝剂投量，mmol/L CaO过剩量：0.10.2mmol/L当：HCaHC 水中HC以Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2形式出现（CaO）=56c(CO2)+c(Ca(HCO3)2)+2c(Mg(HCO3)2)+c(Fe2+)+K+,(mg/L),三、其他药剂软化法1.石灰苏打法：（1）背景：石灰软化不能去除永久硬度，研究发现苏打能去除永久硬度，因此，向水中同时投加石灰和苏打，就能去除全部硬度。软化水的剩余硬度可降低至0.150.2mmol/L。（2）原理：暂时硬度用石灰去除，反应与石灰法相同，Hn的去除（与苏打反应）原理如下：CaSO4+Na2CO3CaCO3+Na2SO4 CaCl2+Na2CO3CaCO3+2NaCl MgSO4+Na2CO3MgCO3+Na2SO4 MgCl2+Na2CO3MgCO3+2NaCl MgCO3+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaCO3,（3）适用条件：适用于硬度大于碱度的水。2.石灰石膏软化：（1）适用条件：碱度大于硬度的负硬水（2）目的：去除硬度的同时去除碱度（3）反应原理：（石膏也可用CaCl2代替）2NaHCO3+CaSO4+Ca(OH)22CaCO3+Na2SO4+H2O四、药剂软化主意事项1.药剂（石灰）投加量要适当，计算完后还要在生产实践中调试；2.充分考虑设备的选型、设计，这是石灰软化中非常重要的问题，设备不当直接影响正常运行的效果。,五、实际工程1.邯郸热电厂化水处理 原水为滏阳河水，TDS：900-1200 mg/L，总硬度：812 mmol/L，碱度：4.55.8 mmol/L，COD：1025 mg/L。处理水量1000m3/h，石灰软化后出水硬度58 mmol/L，并且对COD有一定的去除效果。工艺流程见后。2.河南鹤壁二矿矿井水处理 原水总硬度6.28 mmol/L（以CaCO3计627.5 mg/L），其中碳酸盐硬度3.38 mmol/L，经计算石灰投加量210 mg/L，处理水量100m3/h，软化后出水硬度以CaCO3计334 mg/L，满足饮用水要求。工艺流程见后。,邯郸热电厂化水处理工艺流程,PAC 石灰乳矿井水 调节池 提升泵 网格反应池 斜管沉淀池 液氯 加压泵 压力过滤器 高位水池 生活生产用水 鹤壁二矿矿井水处理工艺流程3.天津铁厂轧钢废水处理 混凝沉淀过滤工艺，投加PAC、PAM、石灰，效果非常好。,第三节 离子交换基本原理一、离子交换树脂1.离子交换剂 无机质：天然海绿砂、沸石、粘土 有机质：磺化煤（阳离子交换剂）、离子交换树脂2.离子交换树脂的分类,按电性活性基团的解离常数大小,3.离子交换树脂的结构 以强酸性阳离子交换树脂为例，可写成：RSO3-H+其中R代表母体即网状结构部分，SO3-为活性基团的固定离子，H+为活性基团的可交换离子。可简写为R-H+。因此，离子交换的实质是不溶性的电解质（树脂）与溶液中的另一种电解质所进行的化学反应。,阳离子交换树脂结构示意图,离子交换树脂合成路线示意图,4.离子交换树脂的命名与型号 离子交换树脂的全称由分类名称、骨架名称、基本名称排列组成。例如：强酸性 苯乙烯系 阳离子交换树脂 为了区别同一类树脂的不同品种，在全名称前加以三位数字组成型号。第一位数字代表产品分类名称（P398表213），第二位数字代表骨架名称（表214），第三位数字为顺序号，在连接符号之后的数字表示交联度。例如：0017 凝胶型 强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，交联度为7。凡前面不加字母的均为凝胶型，加“D”的为大孔型。D311 大孔型 弱碱性丙烯酸系阴离子交换树脂,二、离子交换树脂的基本性能1.物理性能（1）外观：不透明或半透明球状颗粒，乳白、淡黄、棕褐色等（见下页图）。（2）粒径：粒径0.31.2mm，均粒为0.50.6mm（3）密度：分为湿真密度和湿视密度 湿真密度：指树脂在水中充分溶胀后，其重量与真实体积（不包括树脂间的孔隙）之比。一般1.041.30 g/ml,各种离子交换树脂外观,苯乙烯型强酸树脂湿真密度约1.3g/ml，强碱树脂为1.1 g/ml。意义：1）决定反洗强度 2）混合床水力分层 湿视密度：树脂充分溶胀后，其重量与堆积体积之比。一般0.60.85g/ml。用来计算交换器所需装填湿树脂的数量。,（4）含水率：树脂的含水率以每克树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（4060%），树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率。（5）溶胀性：干树脂+水湿树脂，体积胀大，为绝对溶胀度；树脂转型时的体积变化为转型溶胀度，一般，强性树脂转型变化不大，弱性树脂转型变化较大。（6）机械强度：是影响树脂使用寿命的重要指标。（7）耐热性：一般凝胶型树脂最高使用温度小于100，大孔型树脂耐热温度小于60，现已研究出耐高温专用树脂，可达120。,凝交型树脂和大孔型树脂的干湿状态比较,凝交型、大孔型、等孔型树脂的孔型比较,凝交型树脂和大孔型树脂的物理性能比较,2.化学性能（1）化学稳定性：树脂在酸、碱、氧化剂等的反复作用下，应保持必要的化学稳定性，不产生破裂、降解等现象。阳树脂的稳定性优于阴树脂，交联度高的优于低的，钠型优于氢型，但应尽量避免氧化剂的作用。（2）交联度：树脂结构骨架的交联度取决于制造过程，水处理用树脂交联度以7-10%为宜，树脂网架结构中平均孔道宽为24nm。交联度对树脂的交换容量、含水率、溶胀性、机械强度等性能影响。,（3）选择性：树脂对不同离子的亲合力有一定的差别，一般亲合力大的离子容易被吸附，但再生时置换下来比较困难，否则相反。在常温、低浓度（210meq/L）时对常见离子的选择次序如下：强酸性阳离子交换树：Fe3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+H+Li+弱酸性阳离子交换树：H+Fe3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+Li+强碱性阴离子交换树脂：PO43SO42NO3ClOHFHCO3HSiO3 弱碱性阴离子交换树脂：OHSO42NO3ClHCO3,（4）交换容量：交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力地大小。交换容量的单位mg当量/g(干树脂)或meq/L(湿树脂)。交换容量分为两部分，即全交换容量与工作交换容量。全交换容量:是指单位重量或体积树脂内的交换基团总量或可交换离子的总数量，表示单位树脂所能吸附去除离子的最大量。可用滴定测定。重量交换容量，mmol/g(干树脂)体积交换容量，mmol/mL(湿树脂)工作交换容量：指在给定的条件下树脂实际交换容量，受再生条件、原水水质运行条件等的影响。一般为全交换容量的6070，可通过试验或查有关设计规范。,（5）有效pH值范围 此范围与树脂内活性基团的解离常数有关。由于树脂活性基团分为强酸、弱酸、强碱和弱碱，水的PH值势必对它们的交换容量产生影响。强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与pH值无关。弱酸树脂在水pH值低时不电离或只部分电离，因而只能在碱性溶液中，才含有较高的交换能力。弱碱性树脂相反，在pH值高时不电离或只部分电离。只是在酸性溶液中才含有较高的交换能力。各种类型树脂有效pH值范围,三、离子交换平衡 离子交换实质是一种可逆反应，一价对一价的反应通式如下：,选择系数可以用离子浓度分率表示：,选择系数大于1，说明该树脂对B+的亲合力大与对A+的亲合力，即有利于进行离子交换反应。,二阶对一阶离子交换反应通式为：,改变液相中的离子总浓度可以改变离子交换体系的反应方向，低浓度处理水，高浓度再生。,（单位均为mmol/L）,四、离子交换速度 离子交换过程受离子浓度和树脂对各种离子亲和力的影响外，还受离子扩散过程的影响。,膜扩散和孔道扩散何者影响最大？何者为控制步？慢者控制离子交换反应的速度。(1)浓度：浓度大于0.1mol/l时，孔道扩散为控制步；浓度小于0.003mol/l时，膜扩散成为控制步，介于中间则取决于具体情况。(2)流速或搅拌速率：大，则水膜薄，膜扩散快，但孔隙 扩散基本不受影响。(3)树脂粒径：膜扩散，速度与粒径成反比；孔道扩散，速度与粒径的次方成反比。(4)交联度：对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著。,五、树脂层离子交换过程 以钠型树脂软化为例，以一定浓度钙离子的硬水通过交换柱，交换反应一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品并测定其吸收钙、镁离子含量以及饱和度（树脂中钙、镁离子含量与其全交换容量之比），树脂层饱和度示意如下图所示。,实验证明，树脂层离子交换过程可分为两个阶段，第一阶段即交换带形成阶段，第二阶段是已定形的交换带沿水流方向以一定速率向前推移的过程。当交换带下端到达树脂层底部，硬度也就开始泄露。此时整个树脂层分为两部分：树脂交换容量得到充分利用的部分称为饱和层，树脂交换容量只是部分利用的部分称为保护层。交换进水流速大、硬度高，则交换带厚度就大，保护层厚度也要求大。树脂层离子交换过程如下图示意。,第四节 离子交换软化方法与系统,一、离子交换软化方法 目前常用三种方法：Na型树脂软化法、H型树脂软化法、H-Na联合软化法。1Na离子交换软化法 Na离子交换是最简单的一种软化法，其反应如下：2RNa+Ca(HCO3)2=R2Ca+2NaHCO3 2RNa+CaSO4=R2Ca+Na2SO4 2RNa+MgCl2=R2Ca+2NaCl 处理后产水为中性，再生剂为食盐。,Na离子交换软化法示意图,可作为低压锅炉的给水处理系统。,2H 离子交换软化法 H 离子交换软化法反应如下：2RH+Ca(HCO3)2=R2Ca+2CO2+H2O 2RH+CaCl2=R2Ca+2HCl 2RH+MgSO4=R2Mg+H4SO4 处理后产水为酸性，在软化的同时还可以除碱，一般总是与Na离子交换联合使用。我们知道强酸树脂的离子选择顺序为Ca2+Mg2+，所以出水中离子出现的次序为H+、Na+、Mg2+和Ca2+。,H 离子交换的出水水质变化过程图,在开始阶段，原水中所有阳离子均被树脂上的H+所交换，出水强酸酸度保持定值，并与原水中 浓度相当。a点开始钠泄漏，在a-c 阶段c点酸度等于零，d点碱度与原水相等，钠离子含量达到最高，b点硬度开始泄漏，直到出水硬度、钠离子接近原水，整个树脂层完全失效。,3HNa离子交换脱碱软化法 可分为 HNa串联和 HNa并联。,QH,QNa,HNa串联软化法示意 1.H离子交换器，2.Na离子交换器，4.除CO2器，5.中间水箱，6.中间水泵,HNa串联和 HNa并联关键是计算流量的分配，为了保证混合后出水不呈酸性，且有少量剩余碱度，H离子交换过程运行到钠泄露为宜。,即原水中阴离子总浓度,HNa串联适合于原水硬度较高的场合，因为部分原水于H交换后与原水混合硬度较低，再经Na交换。就设备而言，并联系统比较紧凑，投资省，但从运行看，串联较安全可靠，更适合于高硬度水。经过HNa交换处理，蒸发残渣有所降低，能够满足低压锅炉对水质的要求。,二、离子交换装置 离子交换装置按运行方式分为：固体床（单层床、双层床、混合床）连续床（移动床、流到床）按原水与再生液的流动方向分为：顺流再生固体床 对流再生（逆流再生固体床、浮动床）离子交换器的材料有：碳钢衬胶（常用）、玻璃钢、有机玻璃、不锈钢、硬聚氯乙烯等。,1.顺流再生固定床 常用碳钢衬胶钢罐，承压0.40.6 MPa，内上部设配水管，树脂层，下部设配水系统（管、滤帽），类似压力过滤器。树脂层高度一般为1.52.0m，上部有足够空间，使树脂层膨胀。运行操作包括交换过程和再生过程，再生过程由反洗、再生、清洗三步完成。主要缺点：树脂层上层再生程度高，而越是下部，再生程度越差，通常，即使再生剂耗量23倍于理论值，而再生效果仍不理想；软化时出水剩余硬度较高，到后期，由于下部再生不好，出水剩余硬度提前超标，导致交换器过早失效，降低了设备工作效率。基于上述原因，顺流再生只适用于设备较小，原水硬度较低的场合。,2.逆流再生固定床（1）原理：通常是再生液向上流，水流向下流。再生时，再生液首先接触饱和程度低的底层树脂，然后再生饱和程度较高的中、上层树脂，这样再生液被充分利用，再生剂用量显著降低，并能保证底层树脂得到充分再生，软化时，处理水在经过相当软化后又与这一底层树脂接触，进行充分交换，从而提高了出水水质。以H型树脂与含钠盐进行交换为例，即能降低钠的泄漏,（2）特点：再生剂耗量可降低20%以上；出水水质明显提高，硬度一般小于20；原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出水水质；再生废液中再生剂有效浓度低，小于1；工作交换容量提高；自用水率低，相应排水量也少，比顺流低约30。缺点是：操作较复杂。,（3）构造,上配水：进水水流分布均匀 中间排液管：再生液排出，小反洗进水及排除积水 下配水（管或滤帽）：出水均匀 压脂层：15厘米树脂或比重轻于树脂而略重于水的惰性树脂。气顶压时，使压缩空气比较均匀而缓慢地从中间排水装置逸出，交换时起一定的过滤作用，主要是防止树脂乱层。（4）工艺（逆流再生操作步骤及关键）再生和交换时树脂层不发生乱层是保证逆流再生效果的关键。再生操作方法有4种：气顶压法、水顶压法、低流速法、无顶压法。,气顶压法：再生之前，在交换器顶部进压强约3050 kPa的 压缩空气，从而在正常再生流速下树脂不乱层。水顶压法：水压0.5 MPa。低流速法：水流流速2 m/h。无顶压法：加厚压脂层（200厘米以上）,逆流再生操作步骤：小反洗：从中间排水装置引入反洗水，冲洗压脂层，流速510 m/h，1015分钟；放水：将中间排水管上部水排掉；顶压：使床不乱；进再生液：从底部进再生液，上升流速5m/h；逆向冲洗：用软化水，流速57m/h；正洗：顺向清洗到出水水质符合标准，1015 m/h；再生结束，转入正常运行，1520 m/h。逆流再生固定床运行若干周期后要进行一次大反洗，去除树脂层里的污物与碎粒，大反洗后第一次再生耗药量适当增加。下面是逆流再生操作示意,3.固定床软化设备计算 离子交换器内的物料平衡关系式：F h q=Q T Ht F交换器截面积，m2 h树脂层厚度，m q工作交换容量，mmol/L Q软化水量，m3/h T工作时间，h Ht原水硬度，mmol/L 上式两边分别表示实际交换能力和树脂吸附的硬度总量。q工 q o r（1 s）q o r：树脂再生程度，再生度,：树脂实际利用率 s：树脂饱和程度，饱和度,再生、清洗后整个树脂内的交换能力未得到再生部分 软化时树脂实际用于交换所占部分 漏泄开始时，尚未利用的部分,再生度，实际中8090,饱和度，实际中8090,设计计算：,湿视密度一般600850kg/m3实际中软化器一般不小于两台，便于维修。,4.弱酸树脂的工艺特性及其应用 弱酸树脂目前应用最多的是丙烯酸型，如：111弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，其活性基团主要是羧（suo)酸(-COOH),表示为：RCOOH。弱酸树脂的工艺特性：（1）弱酸树脂与水中碳酸盐硬度交换，反应产生的H2CO3只有极少量离解为H，并不影响树脂上的可交换H继续与水中钙镁离子交换。可H2CO3分解为二氧化碳逸出。（2）弱酸树脂对于水中非碳酸盐硬度以及钠盐一类的中性盐基本不起反应，因为反应产物为强酸，离解度大，立即产生可逆反应，抑制了交换反应的继续进行。,（3）易再生，由于羧酸根(-COO)与结合所生成的羧酸离解度很小,弱酸性树脂对H的亲和力大，再生容易，再生剂浓度可以很低。（4）弱酸性树脂单体结合活性基团多，交换容量大。如111全交换容量大于12mmol/g干树脂，比001-7全交换容量大于4.99mmol/g干树脂。应用：弱酸树脂与钠型树脂联合使用可适合于水的脱碱软化，有两种方式：弱HNa串联或双层床。双层床交换能力提高，再生比耗降低，废酸量显著减少，下一章与阴双层床一起讲。,三、再生附属设备 1食盐系统,2酸系统,3再生剂用量计算：再生剂用量G：表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量（g/L，kg/m3）；再生剂比耗n：表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂物质的量与树脂工作交换容量的比值（mol/mol）；再生耗量R：表示单位工作交换容量1mol所需纯再生剂量 RnMB（g/mol）；GqRqnMB（g/L）MB 再生剂摩尔质量（g/mol）；q 树脂工作交换容量（mol/L）每台离子交换器再生一次所需要再生剂的总量等于：式中 工业用酸或盐的浓度或纯度，%Ht 原水硬度，T 工作时间,逆流再生固定床的再生剂耗量与再生液浓度,钠离子交换器顺流、逆流再生盐耗量和出水水质,四、除二氧化碳器1 原理 CO2在水中的溶解度很低，15时仅0.6 mg/L，浓度超过一定值可通过吹脱方法去除。而空气中CO2含量较低（0.03），含有CO2的水与新鲜空气接触，促使CO2逸出。在H交换中，水中产生大量的二氧化碳，1mmol/L 的HCO3-可产生44mg/L的CO2，CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，因此在离子交换脱碱软化或除盐系统中，均应考虑除碳，设备称为除二氧化碳器，脱气塔。,碳酸是弱酸，水的pH值越小，游离态越不稳定，平衡向右移动，有利于碳酸分解，所以一般除碳器放在H交换器之后。,1构造与计算 除二氧化碳的方法有大气式、真空式、热力式三大类，常用的是大气鼓风填料式（1）构造：由外壳、鼓风机、填料、承托架、布水器、水封、出水口、收水器、排风口组成。其中填料是关键：水被淋漏成细滴或薄膜，大大增加水和空气的接触。,（2）填料：有鲍尔环、空心球、瓷环、阶梯环等。常用瓷环规格：25253 mm，单位体积表面积：204 m2/m3，空隙率 74%，52300个/m3。,（3）计算：1）除CO2器的截面积 f 按淋水密度P=60 m3/(m2.h)计算。f=Q/P 2）计算直径 D 根据样本取相近值。3）计算单位时间能够去除CO2的量（能力）,4）计算所需的填料解吸面积 F FG/(KC)K 解吸系数 单位时间、单位接触面积、单位平均解吸推动力下去除的CO2的数量，K与水温有关，由P419图2121求得。5）计算填料高度H H=F/(S.f)（m2）S 填料比表面积，如瓷环为204 m2/m3，塑料空心球为200 m2/m3。6）填料体积V V=Hf（m3）7）风机的风量Q风 Q风i Q（m3/h）i 空气比耗，一般2030 m3/m3（水）,8）风机压力 P P=RH+P局 R 风阻，瓷环阻力0.30.5 KPam P局塔内局部阻力总和，一般为0.30.4 KPa 据风量、风压选风机。总结：处理水量决定除碳器的直径，进水CO2含量决定高度。K解析系数，温度高则其值大，CO2溶解度低。冬天水温低，K值小，不利于吹脱，可鼓热风。水封高度大于风压。进风口高于水面距离25cm，伸入内壁，防止水溅入风口，通风管有一定坡向水面的坡度，防止出水管不通，使水漫入鼓风机。设备防腐。,思考题1、与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水水质显著提高？2、实现逆流再生的关键是什么？3、为什么说在HtHc的条件下，经H离子交换（到硬度开始泄漏）的周期出水平均强酸酸度在数值上与原水Hn相当？此时HNa离子交换系统的QH和QNa表达式为何？4、氢离子交换的出水水质变化过程中，当氢离子交换出水强酸酸度为零，与其相应，出水Na+含量应是多少？5、在固定床逆流再生条件下，树脂工作交换容量能否由下式表示，试阐明其理由。,6 原水总硬度6.28 mmol/L（以CaCO3计627.5 mg/L），其中碳酸盐硬度3.38 mmol/L，钙硬度2.38 mmol/L，水中游离二氧化碳 2 mmol/L，不考虑混凝剂的投加，试计算石灰软化中石灰的投加量。7 某水质化验结果如下：HCO3-2.5 mmol/L Ca2+3.5 mmol/L SO42-0.8 mmol/L Mg2+1.1 mmol/L Cl-1.8 mmol/L Na+0.5 mmol/L设计水量为100m3/h，采用氢钠联合软化，请计算 QH和QNa,