《离子交换处理》PPT课件.ppt
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1、离子交换处理,为了除去水中的离子态杂质,目前电厂广泛采用的是离子交换法。这种方法可以将水中离子态杂质清除得比较彻底,因而能制得纯度很高的水。所以,在热力发电厂的补充水制备工艺中,离子交换处理是一个必要的步骤。,离子交换树脂,离子交换处理使用离子交换剂(简称交换剂)来进行。这种物质遇水时,可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换,如H型离子交换剂遇到含有Ca2+的水时,就发生下列反应:,式中R表示交换剂,RH表示交换剂中可交换的离子为H(称H型)。反应结果,水中Ca2+被吸着在离子交换剂上,交换剂转变为Ca型,而交换剂上原有的H+跑入水中,这样水中的Ca2+就被除去了。转变成的Ca
2、型离子交换剂,可以用酸溶液通过的办法,使其再变成H型的交换剂,以便重新使用,称为交换剂的再生。,离子交换剂的种类很多,有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分。此外,按结构待征来分,还有大孔型和凝胶型等。目前广泛采用的是合成离子交换树脂。离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合物。在它的分子结构中,可以人为地分为两部分:一部分称为离子交换树脂的骨架,它是高分子化合物的聚体,具有庞大的空间结构,支撑着整个化合物;另一部分是带有可交换离子的活性基团,它化合在高分子骨架上,提供可交换的离子。活性基团也是由两部分组成:一是固定部分,与骨架牢固结合,不能自由移动,称为固定离子;二是活
3、动部分,遇水可以电离,并能在一定范围内自由移动,可与周围水中的其它带同类电荷的离子进行交换反应,称为自由离子或可交换离子。,离子交换树脂的分类1按活性基团的性质分类分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。带有酸性活性基团、能与水中阳离子进行交换的称阳离子交换树脂;带有碱性活性基团,能与水中阴离子进行交换的称阴离子交换树脂。按活性基团上H+或OH电离的强弱程度,又可分为强酸性阳离子交换树脂和弱酸性阳离子交换树脂以及强碱性阴离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。,2按离子交换树脂的孔型分类分为凝胶型树脂和大孔型树脂。凝胶型树脂由苯乙烯和二乙烯苯混合物在引发剂存在下进行悬浮聚合得到的具有交联网状结构的聚合
4、物,这种聚合物呈透明或半透明状态的凝胶结构。大孔型树脂在制备高分子聚合物骨架时,在单体混合物中加入致孔剂,待聚合反应完成后,再将致孔剂抽提出来,这样便留下了永久性网孔,称物理孔。3按单体种类分类分为苯乙烯系、丙烯酸系等。,分类代号(第一位数字),骨架代号(第二位数字),离子交换树脂的命名 全名称由分类名称、骨架(或基团)名称、基本名称依次排列组成。基本名称为离子交换树脂。大孔型树脂在全名称前加“大孔”两字。分类属酸性的在基本名称前加“阳”字;分类属碱性的,在基本名称前加“阴”字。型号离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数字组成:第一位数字代表产品分类,第二位数字代表骨架组成,第三位数字为顺序号,
5、用以区别活性基团或交联剂的差异。大孔型树脂,在型号前加“大”字的汉语拼音首位字母“D”;交联度数值在型号后用“”符号联接阿拉伯数字表示。如:0017型表示强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂,2017型表示强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂,交联度均为7。,化学性能1酸、碱性H型阳离子交换树脂和OH型阴离子交换树脂的性能与电解质酸、碱相同,在水中有电离出H+和OH的能力,根据电解能力的大小还可以有强弱之分。2.离子交换反应的可逆性离子交换反应是可逆的,是离子交换树脂可以反复使用的重要性质。,3离子交换树脂的选择性离子交换树脂吸着各种离子的能力不一,有些离子易被交换树脂吸着,但吸着后要把它置换下来就比较困难;
6、而另一些离子则很难被吸着,但被置换下来却比较容易,这种性能称为离子交换的选择性。选择性是由于离子交换树脂与各种反离子之间的亲和力大小不同而产生的,会影响到离子交换树脂的交换和再生过程。各种离子的选择性顺序如下:(1)强酸性阳树脂:Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+H+。离子所带电荷量愈大,愈易被吸取;当离子所带电荷量相同时,离子水合半径较小的易被吸取。(2)弱酸性阳树脂,H+的位置向前移动:H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+。(3)强碱性阴树脂:SO42NO3ClOHHCO3HSiO3。(4)弱碱性阴树脂:OH SO42NO3ClHCO3HSiO3。,4交换
7、容量离子交换树脂的交换容量表示其可交换离子量的多少。其表示单位有以下两种:一是质量表示法,即单位质量离子交换树脂的吸着能力,通常用mmol/g表示;另一种是体积表示法,即单位体积离子交换树脂的吸着能力,通常用mol/m3表示。(1)全交换容量(Q)全交换容量表示一定量的离子交换树脂中所有活性基团的总量,即将树脂中所有活性基团全部再生成某种可交换的离子,然后测定其全部交换下来的量。(2)工作交换容量(QG)把离子交换树脂放在动态交换柱中,通过需要处理的水,直到滤出液中有要交换的离子漏出为止,此时交换剂所发挥出的交换容量,称为工作交换容量。工作交换容量常用体积表示法,即mol/m3或 mmol/L
8、。,工作交换容量不是常数,而与下列因素有关:交换剂的粒度。同样性质的交换剂,颗粒越小,交换容量越大。但水流过交换剂层的阻力也大,在相同条件下过滤速度降低。树脂层的高度。交换剂层越高,交换剂的利用率越高,工作交换容量越大。因此树脂层高度一般不低于0.6m。进出水水质。进水中离子的浓度越高,交换终点的控制指标越严,出水水质指标要求越高,工作交换容量越小。水流速度。过滤速度过高时,工作交换容量降低。如交换剂层高度为1.5m交换器,过滤速度由10m/h提高到30m/h时,工作交换容量降低1015。再生程度。离子交换树脂的再生程度对其交换容量有很大的影响。通常为了节约再生剂的用量,交换剂不能得到彻底再生
9、,这也会对工作交换容量有很大影响。如经充分再生,则可得到最大的工作交换容量,但再生剂的用量大大增加。实际运行中,应既能使交换剂得到较好的再生,又不消耗过量的再生剂,即要选择最优的再生剂量。,离子交换原理,强酸性阳树脂对水中所有阳离子均有较强的交换能力,与水中主要阳离子Ca2+、Mg2+、Na+的交换反应为:,经H离子交换后,水中各种溶解盐类都转变成相应的酸,出水呈酸性,甚至出现盐酸、硫酸等强酸。由于强酸性阳树脂电离出H+的能力很强,所以它具有除去水中阳离子的彻底性,但将失效树脂恢复成H型则较为困难,为此必须用过量的强酸(HCl或H2SO4)进行再生。,弱酸性阳树脂对水中碳酸盐硬度有较强的交换能
10、力,其交换反应为;,弱酸性阳树脂对水中的中性盐基本上无交换能力,这是因为交换反应产生的强酸抑制了树脂上可交换离子的电离。弱酸性阳树脂的交换能力与强酸性阳树脂比较虽有局限性,但其交换容量比强酸性树脂高很多。很容易再生,不论再生方式如何,都能得到较好的再生效果。,(413),强碱性OH型交换剂可以用来和水中各种阴离子进行交换,在稀溶液中它对各种阴离子的选择性为:SO42NO3ClOHHCO3HSiO3。它对强酸阴离子的吸着能力很强,而对于弱酸阴离子的吸着能力则较小。对于很弱的硅酸,它虽然能吸着HSiO3,但吸着能力很差。如与水中硅酸盐NaHSiO3反应:,生成物中有强碱NaOH,使出水中有大量反离
11、子OH,交换反应就不能彻底,除硅的作用往往不完全,难以满足高参数锅炉的要求。在水处理工艺中,必须设法排除OH的干扰,创造有利于吸着HSiO3的条件。现在普遍采用的办法是先将水通过强酸性H型交换剂,使水中各种盐类都转变为相应的酸。这样,在用强碱性OH型交换剂处理时,由于交换产物中有电离度非常小的H2O,故可防止水中OH的干扰。,弱碱性阴树脂只能吸着SO42、Cl、NO3等强酸根,对弱酸根HCO3的吸着能力很弱,对更弱的硅酸根HSiO3不能吸着。不仅如此,弱碱性OH型树脂对于这些酸根的吸着过程只能在酸性溶液中进行,或者说只有当这些酸根成酸的形态时才能被吸着。虽然弱碱性OH型树脂的交换性能不如强碱性
12、的好,但它极易用碱再生。这对于降低离子交换除盐系统运行中的碱耗,具有很大意义,特别是当原水中含有强酸阴离子的量较多时。在离子交换除盐系统中,弱碱性OH型树脂常常是和强碱性OH型树脂联合使用的,所以它还可以利用再生强碱性OH型树脂后的废液来再生。这样,不仅可节约用碱量,而且可减少废碱的排除量。,离子交换设备,电厂水处理中广泛采用固定床作为阳离子交换器(阳床)和阴离子交换器(阴床),另外为了保证出水水质,除盐系统中还会设置混床,混床的结构形式也采用固定床。在运行中,离子交换剂层固定在交换器中,基本静止不动;再生时,交换剂也相对静止,一般不将交换剂转移到床体外部进行再生。固定床的运行方式,通常是使水
13、由上向下不断地通过交换剂层。当将水由上部通入交换剂时,水中杂质粒子首先遇到处于表面层的交换剂,与树脂进行交换反应,所以这层交换剂通水后很快就失效了。水继续通过时,表面层的交换剂已不能与水中的离子进行交换,交换作用就移动到下一层的交换剂。此后,整个交换剂层分为三个区域。上部是已失效的交换剂层,称为失效层(也叫饱和层)。在它下面的一层称为工作层。,由于离子交换反应速度较小,水中的离子不可能马上被交换,未交换的离子继续向下移动,直至达到交换平衡,从而形成一定厚度的工作层。工作层的厚度取决于交换反应速度和相应的离子供给速度的大小。最下部的交换剂层是未参加反应的一层,因为通过工作层后的水质已达到与离子交
14、换剂呈平衡的状态,该层树脂层不参与交换,仅起保护作用。固定床离子交换的运行方式是以离子交换剂为滤料,对水进行过滤。因此,常用作固定床的离子交换器和压力式过滤器结构相似,只是在离子交换器中设有进再生液的装置。固定床离子交换按其再生运行方式不同,可分为顺流、逆流和分流三种。,一、顺流再生固定床离子交换装置顺流式是指再生时再生液流动的方向和运行时的水流方向是一致的,通常都是由上向下流动(以下简称下流)。,顺流再生离子交换器结构图 1放空气管;2进水装置;3进再生液装置;4出水装置,交换器管路系统,交换器的运行顺流式固定床离子交换器的运行分为四个步骤.(1)反洗 交换器中的交换剂失效后,在再生以前常先
15、用水自下而上对交换剂进行短时间的强烈冲洗。反洗的目的是:1)松动交换剂层在交换过程中,带有一定压力的水自上而下地通过交换剂层,故交换剂层被压得很紧。为了使再生液在交换剂层中均匀分布,使交换剂得到充分再生,所以在再生前进行反洗,使交换剂层得以充分松动。2)清除交换剂上层中的悬浮物、碎粒和气泡在交换过程中,交换剂上层还起着过滤作用,水中的悬浮物被截留在这部分交换剂层中,这不仅使水通过交换剂层的压降增大,还可使交换剂结块,造成交换容量不能充分发挥。此外,在运行中产生的交换剂碎粒,也会使压降增加,水流分布不均匀。反洗不仅可以清除这些悬浮物和碎粒,还可排除交换剂层中的气泡。,(2)再生再生的目的是恢复交
16、换剂的交换能力,这是固定床离子交换器运行操作中很重要的一环。影响再生效果的因素很多,如:再生操作的方式、再生剂的种类、浓度、纯度、用量,再生液的流速、温度,交换剂的类型,等等。顺流式再生的优点是,装置简单、操作方便;缺点是再生效果不理想。再生液在流动过程中,首先接触到的是上部完全失效的交换剂,这一部分可得到较好的再生。再生液继续往下流,当与交换器底部交换剂接触时,再生液中已积累了相当数量的反离子,严重地影响了离子交换剂的再生,也就是说这一部分交换剂得到的再生程度较低。而这部分交换剂再生得不好,又直接影响到出水水质。如果要提高这一部分交换剂的再生程度,就要增加再生剂的用量,那么再生的经济性就要下
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