水的离子交换处理.docx
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1、水的离子交换处理水的离子交换处理 第一节 离子交换除盐原理、 水的离子交换除盐就是顺序用H型阳离子交换树脂将水中各种阳离子交换成H+,用 OH型阴离子交换树脂将水中各种阴离子交换成OH-,进入水中的H+和OH-离子组成水分子H2O;或者让水经过阳阴混合离子交换树脂层,水中阳、阴离子几乎同时被H+和OH-离子所取代。这样,当水经过离子交换处理后,就可除尽水中各种的无机盐类。该工艺中发生的H离子交换反应和OH离子交换反应以及树脂再生过程中发生的反应如下: (1)氢离子交换反应式: (HCO3) (HCO3) 2RH + Ca(Mg,Na2) Cl2 R2Ca(Mg,Na2) + H2 Cl2 SO
2、4 SO4 再生反应式为: 2HCl Cl2 R2Ca(Mg,Na2) + 2RH + Ca(Mg,Na2) H2SO4 SO4 (2)氢氧根离子交换反应式为: SO4 SO4 Cl2 Cl2 2ROH + H2 CO3 R2 (HCO3)2 + 2H2O SiO3 (HsiO3)2 再生反应式: SO4 SO4 Cl2 Cl2 R2 (HCO3)2 + 2NaOH 2ROH + Na2 CO32- (HSiO3)2 SiO3 进入离子交换器的水中一般都含有大量的碳酸氢盐。它是天然水中碱度的主要组成部分。当水经H离子交换后,碳酸氢盐转化成了碳酸,连同水中原来含有的碳酸,可用除碳器一起除去。这样
3、可以减轻阴离子交换器的负担降低消耗。 水中碳酸的平衡关系如下式所示: H + HCO3- H2CO3 CO2 +H2O 水中H浓度越大,平衡越易向右移动。当水的pH值低于4.3时,水中的碳酸几乎全部以游离的CO2形式存在。水中游离的CO2可以看作是溶解在水中的气体,它在水中的溶解度符合亨利定律,只要降低水面上CO2的分压就可除去CO2。除碳器就是利用这个原理除去CO2的。 第二节 树脂层中的离子交换过程 一、阳床工作特性 阳床的作用是除去水中H离子以外的所有阳离子。当其运行出水钠离子浓度升高时,树脂失效,须进行再生。 阳床运行时,水由上而下通过强酸性H型树脂层,因树脂层对各种阳离子的选择性不同
4、,被吸着的离子在树脂层中产生分层,其分布状况如下图5-1所示。在运行过程中,Ca、Mg、Na三层树脂层的高度均会不断向下扩展,直到树脂失效。实际上各层界面并不是很明显的,有程度不同的混层现象发生。 (a) (b) 图5-1 逆流再生阳床树脂层态分布示意 运行至失效时;再生后 图52所示为阳床经再生投入运行后的出水特性。当阳床再生后冲洗时,出水中各种杂质的含量迅速下降,待出水水质达到一定标准时,就可投入运行,此后水质基本保持稳定。当运行一定程度时,如图52中b点,漏钠量增大,酸度降低,树脂进入失效状态。 图5-2阳床出水特性 阳床失效的监督最好采用钠度计,当阳床出水含钠量大于500ug/L时,说
5、明阳床已经失效。 二、阴床工作特性 阴床中强碱性OH型交换树脂可以和水中除OH-离子外的各种阴离子进行交换,把它们从水中除去。由于树脂对离子的选择性不同,阴床运行中被吸着的离子也会发生分层,其分布状况如图53所示。 (a) (b) 图5-3逆流再生阴床树脂层态分布示意 (a)运行至失效时;再生后 阴床运行时,一般出水pH值为79之间,SiO2含量小于100ug/L,电导率小于10uS/cm。因为阴床设在阳床的后面,所以阴床的出水水质受阳床出水水质的影响很大。阳床未失效时,阴床的出水特性如图54所示。当运行通过水量到b点时,SiO2含量上升,pH值下降,电导率先微降后再上升。电导率的变化是因为H
6、和OH-要比其它离子易导电,当出水中这两种离子的总含量很小时,有一电导率最低点。在b点前由于OH含量较大使水的电导率较大;在b点之后由于H含量增加而使水的电导率增大。 图5-4 阴床出水特性 (a)阳床未失效时(b)阳床失效时 阳床失效时,阴床的出水特性如图54所示。阳床失效时漏钠量增大,这些钠离子通过阴床后转化成氢氧化钠,使阴床出水pH值迅速上升,连续测定阴床出水pH值,可以区分是阳床还是阴床失效。 阴床失效的监督最好用SiO2 含量和电导率来判断,当然用出水pH值也可以进行分析判断。 第三节 树脂的再生原理 树脂再生是离子交换水处理中很重要的一环。影响再生效果的因素很多,如再生方式,再生剂
7、的种类、纯度、用量,再生液的浓度、流速、温度等。要取得好的再生效果,必须进行调整试验,确定最优的再生条件。 1、再生方式 再生方式按再生液流向与运行时水流方向分为顺流、对流和分流三种。 顺流再生是指再生液流向与运行时水流方向一致的再生方式,通常是自上而下流动。 对流再生指再生液流向与运行时水流方向是相对的。习惯上将运行时水流向下流动,再生液向上流动的水处理工艺称逆流再生工艺。将运行时水向上流,床层浮动;再生时再生液向下流的水处理工艺称浮动床工艺。对流再生可使出水端树脂层再生度最高,出水水质好。 分流再生是指再生液自交换器的上端和下端同时进入,由树脂层中间的排水装置排出,运行时水自上而下流过床层
8、。这种交换器上部床层采用顺流再生工艺,下部床层采用对流再生工艺。 2、再生剂的品种与纯度 一般认为盐酸的再生效果优于硫酸,硫酸再生成本低于盐酸。再生剂的纯度高,杂质含量少,树脂的再生程度就高,特别是对阴树脂影响更大。 3、再生剂用量 再生剂用量是影响再生的重要因素,其概念是单位体积树脂所用的再生剂的量,单位为kg/m3(树脂)或g/L。另外常用的一个指标是再生剂比耗,它是指投入的再生剂的量与所获得树脂的工作交换容量的比值。还有一种表示法即再生剂耗量,是预计取得单位工作交换容量所需纯再生剂量,单位g/mol。 从理论上讲1mol的再生剂应使交换树脂恢复1mol的交换容量,但实际上再生反应最多只能
9、进行到离子交换化学反应的平衡状态,只用理论量的再生剂再生树脂,并不能完全恢复其交容量,所以用量必须超过理论量。 提高再生剂的用量,可以提高树脂的再生程度,但再生剂比耗增加到一定程度之后,再生程度的提高则不明显。再生剂用量与离子交换树脂的性质有关,一般强型树脂所需再生剂用量高于弱型树脂。不同的再生方式,再生剂用量也有所不同,一般顺流再生的再生剂用量要高于逆流再生的。 再生方式采用顺流时,由于再生液首先接触到的是上部完全失效的树脂,所以这一部分树脂得到了很好的再生。当再生液再往下流与交换器底部树脂接触时,再生液中已经积累了大量被置换出来的离子,严重影响了交换树脂的再生程度,使这部分树脂没有得到充分
10、的再生,影响了出水水质。如果要提高这部分树脂的再生程度,就要增加再生剂的用量。 再生方式采用逆流时,由于交换器底部树脂总是和新鲜的再生剂相接触,所以可以达到很高的再生程度,运行时水最后和这部分再生程度高的树脂接触,保证了出水水质。采用逆流再生时,交换器上部树脂再生程度差,虽然它首先与进水接触,但由于水中从树脂交换下来离子含量少,所以还是可以进行离子交换的,这部分树脂的交换容量仍可以得到充分的发挥。因此这种再生方式比较优越,使用得也比较广泛。 4、再生液的浓度 再生液的浓度与再生方式有关,一般顺流再生的再生液浓度应高于逆流再生的。通常HCl以3%5%为宜,NaOH以2%4%为宜。 5、再生液的温
11、度与流速 提高再生液的温度能提高树脂的再生程度,但再生温度不能超过树脂允许的最高使用温度,一般强酸性阳树脂用盐酸再生时不需加热。强碱性型阴树脂的再生液温度为3550。强碱性型阴树脂适宜的再生液温度为353。 再生液流速影响着再生液与树脂的接触时间,一般以48m/h为宜。逆流再生的再生液流速应保证不使树脂乱层。再生液的温度很低时,不宜提高流速。 第四节 离子交换器的运行 离子交换器分为固定床和连续床两种。固定床有顺流再生固定床、逆流再生固定床、浮动床、双层床、混合床等形式;连续床有移动床和流动床。离子交换除盐系统一般都采用固定床。 离子交换器外形为圆筒形容器,为防止设备腐蚀,对交换器内部及附属设
12、备都进行了防腐处理。 针对我厂的设备特点,本节主要介绍逆流再生固定床离子交换工艺。 一、逆流再生固定床离子交换工艺 1、交换器的结构 逆流再生离子交换器按其用途的不同,可分为阳离子交换器和阴离子交换器。用于软化工艺的阳离子交换器称为钠离子软化器和氢离子软化器。用于除盐工艺的阳离子交换器和阴离子交换器分别称为阳床和阴床。这些交换器在结构上没有多大区别,其结构为交换器内顶部装有十字支管式进水分配装置。中上部装有母支管式再生液分配装置,称为中间排水装置。在其上面有一层厚150200mm的压脂层,其作用一是过滤掉水中的悬浮物,二是使水均匀地进入中排装置。底部装有穹形多孔板加石英砂垫层式的排水装置。交换
13、器的外部设有各种管道、阀门、取样管、监视管、排空气管、流量和压力表计以及有机玻璃窥视孔等。 2、交换器的运行 交换器的运行应保证其出水水质、水量和经济指标,这些指标与运行操作,特别是再生操作有很大的关系。 逆流再生固定床的运行通常分为四个步骤,从床层失效后算起为:反洗、再生、正洗和交换。这四个步骤为交换器的一个运行周期。 小反洗。交换器运行到失效时,停止交换运行,将反洗水从中间排水管引进,对中间排水管上面的压脂层进行反洗,以冲去运行时积聚在表面层和中间排水装置上的污物,然后由上部排走。冲洗流速应使压脂层能充分松动,但又不至将正常的颗粒冲走。反洗一直进行到出水澄清。 放水。小反洗后,待交换剂颗粒
14、下降后,放掉交换器内中间排水装置上部的水。 进再生液。开进酸一次、二次门,启动自用水泵,开喷射器入口门,维持进水流速58m/h,同时开启并调整中间排水门。开酸计量箱出口门,调整进酸浓度为34%范围内。进碱浓度为22.5%范围内。 逆流冲洗。当再生液进完后,关闭进再生液阀门,停止送入再生液,但喷射器保持原来的流量,在有顶压的情况下,进行逆流冲洗,直至排出废液达到一定标准为止如H型交换器,控制排出废液中酸度小于10mmol/L。逆流冲洗所需的时间一般为3040min,逆洗水应采用质量较好的水,不然会影响底部交换剂的再生程度。 正洗。最后,用水由上而下进行正洗至出水合格,即可投入运行。 逆流离子交换
15、器一般在运行1020个或更多周期后,进行一次大反洗,以除去交换剂层中的污物和破碎的树脂微粒。通常运行,不进行大反洗。大反洗是从底部进水,废水由上部反洗排水阀门放掉。由于大反洗时扰乱了整个树脂层,所以大反洗后第一次再生时,再生剂的用量应加大1倍以上。 为了使逆流再生达到较好的效果,故在逆流再生的操作工艺中需注意以下几个问题: 1)压脂层的厚度要符合要求。 2)为使底部树脂的再生程度高,不致被杂质污染而影响出水水质,故在逆流再生后,应用水质较好的水逆流冲洗,如用经过H离子交换的水来逆流冲洗阴离子交换器。 3)中部排水装置应进行必要的加固,以防止其上的管子断裂或弯曲。此外,为了防止在反冲洗的过程中产
16、生过大的应力,在大反洗时的流量应由小到大,以逐渐排除交换器中的空气和疏松树脂层。进入交换器水中的悬浮物含量要小,以免压脂层中积聚污物,造成过大的压降。 4)逆流再生所用的再生剂质量要好,否则,仍不能保证出水水质良好。逆流再生的再生废液中剩余的再生剂量较少,故不宜再用。 5)应防止有气泡混入交换剂层中。 第五节 一级复床除盐 水只一次顺序通过H型和OH型离子交换树脂进行除盐,称为一级复床除盐,典型的一级复床除盐系统,它包括强酸性H离子交换器,除碳器-和强碱性OH离子交换器。交换器一般采用固定床,再生方式可选用顺流式或对流式。系统多为单元式,也有母管式的。如图5-5所示. 图5-5 一级复床除盐系
17、统 1 强酸性H型交换器 2 除碳器 3 强碱性OH型交换器 一、原理 进入除盐系统的原水中,常含有Ca2、Mg2、Na2等阳离子和SO42-、Cl-、HCO3-等阴离子,以及弱酸H2CO3和H2SiO3。当此水通过强酸H型树脂层时,水中各种阳离子均被树脂吸着,树脂上的H被置换到水中。其反应可用下式综合表示, Mg 2 Ca (HCO3)2 R(SO3H)2 + Ca SO4 R(SO3)2 Mg + H2 SO4 Na2 Cl2 Na2 Cl2 所以,此H型交换器的出水呈酸性,其中含有和进水中阴离子相应的H2SO4和HCl等强酸,以及H2CO3和HSiO4等弱酸。这种含有CO2和其他无机酸的
18、水,先经除碳器除去CO2,之后,通过强碱性OH型树脂时,水中各种阴离子均被树脂吸着,树脂上的OH-被置换到水中,与水中的H结合成水。 通过一级复床除盐的出水水质:硅酸达0.1mg/L SiO2以下,电导率达5uS/cm以下。 二、除碳器的运行 除碳器有鼓风式和真空式两种。前者只能除去二氧化碳;后者不仅能除去二氧化碳,还可以除去氧气等各种溶解气体。目前采用比较广泛的是鼓风式除碳器。 鼓风式除碳器的结构为圆柱型塔式结构,由配水装置、填料层和鼓风装置所组成。水从上部进入塔体,由配水装置均匀地喷淋在填料表面形成水膜,经填料层与空气接触后,流入下部集水箱。空气由鼓风机从塔底鼓入,与水中析出的二氧化碳一起
19、从顶部排出。 水通过鼓风机除碳,一般可将CO2含量降至5mg/L以下。 2、真空式除碳器 真空式除碳器是利用真空泵或喷射器从除碳器的上部抽真空,使水在常温下呈沸腾状态以除去气体。 水由上部进入塔体,经喷水装置后,在整个截面上喷成雾状,再经填料层后呈水膜状向下流动;所释放的气体则通过顶部真空管路抽出塔外。真空式除碳器的淋洗密度一般为4060m3/(m3h)。 第六节 再生系统及废水中和系统 一、再生系统 水的离子交换除盐的再生系统包括酸、碱的贮存、溶解、计量、配制和输送。因为酸、碱具有强烈的腐蚀性,所以必须采取妥善的防腐措施并在运行中注意防止灼伤。 1、酸、碱的贮存与计量 盐酸、硫酸、液体烧碱通
20、常贮存于密闭卧式贮槽中。酸、碱贮槽的壳体一般用碳钢、玻璃钢或硬聚氯乙烯制作,贮酸槽碳钢外壳内部的防腐一般采用橡胶衬里,但对90%以上的浓硫酸不允许用橡胶衬里,对30%的液体烧碱可不做衬里。 酸、碱贮槽有高位布置的,也有低位布置的,若高位布置,则需用泵从运送槽车将酸、碱卸入贮槽,使用时酸、碱以自流方式流入计量箱。若低位布置时,则酸、碱 从运送槽车以自流方式卸入贮槽,使用时用泵从贮槽中输出酸、碱,送入计量箱内。我厂采用的是酸、碱贮槽高位布置,计量箱地下布置,依靠压力差自动流入。 酸、碱的计量一般采用计量箱,计量箱设有液位计或电测液位装置,其容量能满足一台离子交换器12次再生的需要。根据计量箱内酸、
21、碱液位变化,可控制一次再生所用的酸、碱量。 2、酸、碱的配送与输送 电厂水处理的酸、碱配送通常采用喷射器或计量泵配制输送法。以喷射器法以例,配制水以稳定的压力和流量通过喷射器将酸、碱再生液抽吸并输送至交换器中,适当调整计量箱的出口门,就可配制成所需浓度的再生液。此种方法具有设备简单,操作管理方便,工作可靠的优点。 二、废水中和处理 离子交换除盐系统中废液和废水的排放量很大,一般约相当于其处理水量的10%。为了防止环境污染,应使排放废液的pH值不超过69的范围。 因为排放的有废酸和废碱,所以可将它们中和至合格后再排出。酸、碱废液排放至中和池后,采用罗茨风机向池内鼓入空气进行搅拌,同时启动泵进行循
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