华北理工水质工程学教案24第八章苦咸水淡化与除盐8-1概述8-2离子交换方法与系统

课程名称：《水质工程学I》第周，第24讲次摘要授课题目（章、节）第八章苦咸水淡化与除盐§8-1概述：【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】第八章苦咸水淡化与除盐§8-1概述：软化是去除水中的硬度，去除Ca2+和Mg2+淡化与除盐是去除水中的盐。一、水的纯度概念：常用，水中的含盐量和电阻率（电导率）来衡量。据水的纯度可分为四种：1、淡化水：一般指将高含盐量的水经局部除盐处理，成为生活及工业用淡水。海水、苦咸水的淡化。2、脱盐水：一般蒸馏水，水中强电解质已大部去除。含盐量1～5mg/L，25℃时电阻率0.1～1.0×106Ω㎝3、纯水：去离子水，水中强电解质绝大部已去除，弱电解质也去除到了一定程度，含盐量1.0mg/L以下，25℃电阻率为1.0~10×106Ω㎝4、高纯水：超纯水（电子工业用的较多）水中导电的电介质几乎全部去除，微生物，气体，有机物等去除到最低。含盐量在0.1mg/L以下，25℃时电阻率10×106Ω㎝以上。（理论值18.3×106Ω㎝）二．淡化与除盐的方法：1、海水（苦咸水）淡化：蒸馏法，反渗透法，电渗折法，冷冻法，多级闪蒸法。电渗折法，用于的苦咸水淡化较为经济。在淡水制备中常作为预处理用。看表22-1，各种海水淡化的耗能，2、除盐：常用离子交换法，或与电渗折，反渗透联合使用。下表为制纯水的不同方法，出水水质（纯度）三．进水水质预处理：某些谈化除盐工艺如：电渗折，离子交换，反渗透等。对进水有一定的水质要求，否则将损害这些工艺设备，所以对进水要求预处理：1、预处理内容：悬浮物，有机物，胶体物质，微生物，及有害物质铁，锰等。2、污染指数FI：FI——在规定压力和时间的条件下，滤膜通过一定水量时的阻塞率（是对水中杂质影响反渗透的一种描述）例：42.7nm的微孔滤膜，在0.3MPa下初始滤过500ml水需时间t1，经过15min后再滤过500ml水需时间t2，则FI值计算：min15100121ttFI3、各种杂质对膜和树脂的危害：（1）悬浮物和胶体物质容易粘附在膜面上或堵塞树脂微孔道，使脱盐效率降低；（2）微生物、细菌容易在膜和树脂表面生长繁殖，降低设备性能；（3）水中无机离子主要是高价离子（如铁、锰等）能与膜和树脂牢固结合，并使之中毒，从而降低其工作性能；钙、镁离子在某些情况下能在膜面上结垢沉淀，在反渗透法中应采取调整pH值措施；（4）水中游离氯能对膜进行氧化，使树脂降解，因而对其含量有严格要求。碱度硬度§8-2离子交换除盐方法与系统一、阴离子交换树脂的工艺特性1、树脂结构：固定部分骨架（母体）——活性基团活动离子例：季铵型CH2N(CH3)+OH－即ROH阴离子交换树脂分为：强碱型阴离子交换树脂：季铵型RNOH弱碱型阴离子交换树脂：伯、仲、叔铵型R－NH3OH伯铵型R＝NH2OH仲铵型R≡NHOH叔铵型强碱树脂又分为：Ⅰ型——碱性大除硅能力大，适用于制取纯水。Ⅱ型——交换容量大于Ⅰ型。2、不同结构类型树脂的特点：（1）凝胶型——具有溶胀性，易破碎磨损，机械强度低，胶联度底，不均匀，容易被有机物堵塞孔道。（2）大孔型——孔比较大，交换速度快，抗有机污染能力强，价高，再生剂用量高。（3）均孔型（等孔）——孔道均匀，交换容量高，对有机物的吸附与洗脱效果好。3、强碱、弱碱树脂的工艺特点与区别比较：强碱树脂：（1）与强、弱酸均能进行反应，可去除水中的硅，出水呈中性。（2）交换选择顺序：SO2-4＞NO-3＞Cl-＞F-＞HCO-3＞HSiO-3（3）不易再生，用HaOH再生，用量高，一般是理论值的2倍。（4）交换运行曲线：以硅开始泄漏为失效点。弱碱树脂：（1）只能与强酸性阴离子起交换反应（因为OH-不易离解出来）不能除硅。（2）交换选择顺序：SO2-4＞NO-3＞Cl-＞OH-＞F-＞HCO-3＞HSiO-3（3）再生容易，再生剂用量少，浓度可低。（4）交换运行曲线：以Cl-开始泄漏为失效点都在再生后进行两次靖冼4、强碱树脂除硅的工艺要求：（1）进水呈酸性，硅化物以H2SiO3形式存在，如呈碱性，则：ROH+NaHSiO3→RHSiO3+NaOHNaOH离解为OH-使反应受抑制，会有NaHSiO3漏出。（2）阳床漏Na+要低。是为了提高除硅效果。（3）再生程度要高。二、复床除盐：什么叫复床：指阳床和阴床串联使用的方式。（一）强酸—脱气—强碱系统：由强酸阳床—除CO2器—强碱阴床，串联组成。1、各设备功能：（1）强酸阳离子交换：3i242323i423OSHHClSOHCOHRNaRMgRCaONaHSNaClMgSO)Ca(HCORH（2）脱气：H2CO3→CO2↑+H2O（3）强碱阴离子交换：OHORHSRClRSORHCOOSHHClSOHCOHROH23i433i24232微量2、适用条件：原水含盐量不大于500mg/l为宜。重碳酸盐占比例大时，制取脱盐水。3、出水水质：为脱盐水电阻率可达0.1×106Ω·cm以上；硅含量在0.1mg/l以下4、原水为什么先进阳床：（1）因先进阴床，形成碱性水，易形成CaCO3、Mg(OH)2沉淀结水垢。（2）阴床中强碱树脂在酸性条件下，容易交换反应，除硅效果好。（3）强酸树脂抗有机物污染能力强，并起过滤作用。（4）先进阳床，可去除CO2后，再进阴床，可减轻阴床负担。（二）强酸—弱碱—脱气系统：1、适用条件：（1）原水中强酸性阳离子含量大。（2）不要求除硅的情况下。2、优点：利用了弱碱树脂容易再生的优点，达到了节省再生剂的目的。再生剂可用NaOH、Na2CO3或NaHCO3。3、脱气塔的位置：若用Na2CO3或NaHCO3再生，脱气在弱碱柱之后，柱中反应：3244222RSOHClSOHRCORHCOCOHRCl脱气CO2↑+H2O若用NaOH再生，脱气在弱碱柱前后均可。（三）强酸—脱气—弱碱—强碱系统：1、加双碱目的：弱碱柱去除强酸阴离子，强碱柱主要去除硅。再生采用串联再生方式，省再生剂。2、适用条件：碱度和强酸阴离子含量比较大的情况：有机物含量较高，要求除硅。三、混合床除盐：（一）基本原理与特点：1、什么叫混合床：阴阳离子交换树脂装在同一交换器内，再生时使之分层再生，使用时，先将其均匀混合，就构成了混合床。2、基本原理：阴阳脂混在一起，就形成了无数多的复床，对水进行反复脱盐。RH+ROH+NaCl→RNa+RCl+H2O3、特点：（1）出水纯度高:选择性系数OHClOHNaHKNaClROHRHOHRClRNaKKK212OHHOHClROHOHRClNaRHHRNaK2NaHK——阳树脂的选择系数;ClOHK——阴树脂的选择系数;OHK2——水的离子积;K——阴、阳混合树脂的选择系数。交联度为8～10%的H型强酸树脂对Na的选择系数为1.5～2.0。交联度为8%的OH型强碱树脂对Cl-的选择系数为2.0。22℃度水的离子积1×10-14K=(3～4)×1014（2）出水水质稳定：工作条件发生变化时，出水所达的最高纯度值并不变。（3）间断运行影响小：混床投入2~3分钟可达出水要求，而复床要10分钟。（4）交换终点明显。4、缺点：（1）交换容量利用率低，大约有10%不能利用。（2）对有机物污染敏感。（3）再生操作复杂。（4）磨损较大。5、应用：常把混合床放在复床系统的最后，作为把关用，再生周期可达1000多小时。（二）装置及再生方式：1、再生方式：（1）体外再生：1）用专门的再生床进行再生。2）分别在不同的交换器内再生。（2）体内再生：1）分别再生：A：碱液通过阴、阳树脂B：酸、碱分别通过阴、阳树脂2）同时再生：酸、碱分别通过阴、阳树脂再生。下图为混合床体内酸碱分别再生示意图。布骤：同时再生：很少见。2、装置：中间多了一个排水装置。（三）高纯水制备与终端处理：1、系统：（1）强酸—脱气—强碱—混合床系统：出水电阻率可达10×106Ω·cm硅含量0.02mg/l的水平（2）强酸—弱碱—脱气—混合床系统：出水电阻率可达10×106Ω·cm硅含量0.005mg/l的水平。（3）强酸—脱气—弱碱—强碱—混合床系统：出水同上。目的：节省再生液2、终端处理：（后处理）电子工业用高纯水使用前进行紫外线杀菌，精制混床，超滤。四、氢型精处理器：（Hipol）1、目的：在复床后设置一高流速阳床，代替混合床，去掉混合床。可克服混合床的复杂的再生工艺。2、原理：复床出水不纯净，主要因阳床漏Na+。和阴床再生液NaOH不净所致。再经一道阳床（氢型精处理器）RH+NaOH→RNa+H2O3、特点：（1）流速高时，（100m/h）出水水质好。（2）当阴床SiO2泄漏时，氢型精处理器出水导电率上升，可代替硅表监视终点。4、使用条件：只有当复床出水水质达到规定要求，才能取代混合床提纯水质。五、离子交换双层床：特点：再生剂可充分利用。在同一个交换器内有同性不同型号的两种树脂所组成。（一）、阳离子交换双层床：在交换柱内装有强酸，弱酸两种树脂，因比重不同，而分层，湿真比重差大于0.09g/ml有利分层。1、优点：（1）设备可简化，节省投资。（2）可降低再生剂用量。（3）在强酸树脂层不低于80cm时，漏Na+量保持低值。（4）弱酸与强酸树脂体积保持恰当，弱酸树脂可全部发挥作用。2、弱、强酸和树脂体积的计算：3.03.0NacHnHcEVEVopop强强弱弱0.3——出水剩余碱度mmol/lHc——进水碳酸盐硬度或碱度mmol/lc(Na+)——进水Na+离子浓度mmol/lEop弱、Eop强——弱、强酸树脂工作交换容量mmol/lNaMgCacKc222121c(∑K)——进水总阳离子浓度mmol/l。3.0Hc)K(c3.0HcEopEopVVHcHnMg21Ca21c22弱强强弱4、适用条件：碱度硬度接近1或略大于1，并Na+含量不大的水质。如比值小，弱酸性树脂用量少，但不能太少。（二）阴离子交换双层床：强碱、弱碱两种树脂分层组成。1、优点：（1）设备简化，节省投资。（2）提高交换容量，提高出水量。（3）再生剂用量减少，对低质再生液适应性强。（可用工业低质碱液）2、再生注意事项：（1）防止形成SiO2冻胶，树脂失效后，立即再生。（2）再生时加热，交换器内保持40℃避免产生胶体硅，并可降低交换出水含硅量。（3）再生液浓度不能太高，先用1%浓度再生，后用3%液再生或用2%液先快后慢再生，碱液与树脂接触时间约1hr。表为外国某电站，系统水质情况。工艺：阳双层床—脱气—阴双层床—混合床。若原水含盐量高于500mg/l。应用预处理：电渗折离子交换，应做技术经济比较。反渗透六、树脂的污染与复苏处理：（一）树脂污染：1、常规污染物：悬浮物，微生物，无机的、有机的污染物。2、污染特征：交换容量下降，颜色变深，出水水质恶化。3、阳树脂污染：主要是无机物，Al3+，Fe3+等重金属离子，静电力作用极强，化学键使活性基团变为Fe、Al型。4、强碱阴树脂污染：主要是有机物。主要范德华力作用，物理吸附胶体SiO2及Fe、Al、Cu等形成的络合物，用NaOH清洗极为困难。（二）复苏处理：1、阳树脂：无机阳离子污染：用盐酸清洗，压缩空气辅助擦洗。有机物污染：用5%NaOH浓液处理，用提高再生液温度的方法可增大有机物的洗脱率。2、阴树脂：硅污染：用40℃过量碱再生液再生。铁、铝污染：在10%～15%HCl的高浓溶液中浸泡12h，除铁效果好。有机污染强碱阴树脂：用（4%NaOH+10%NaCl）碱性氯化钠复苏液处理。【本讲课程的小结】【本讲课程的作业】P题；