离子交换原理及设备--杜世新

离子交换原理及设备杜世新离子交换器水经反渗透脱盐后，除去了绝大部分的溶解盐类，但还有大约1%左右的溶解盐类尚未除尽，用作锅炉补给水，还需进一步进行深度除盐处理。深度除盐采用的是离子交换法。离子交换的定义及发展离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂的分类离子交换树脂的理化性能离子交换机理及动力学离子交换装置及再生主要内容（一）定义利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用，使欲提取的组分与其它组分进行分离的单元操作离子交换是一种新型的化学分离过程，是从水溶液中提取有用组分的基本单元操作。树脂容量有限，若溶液中离子浓度太高，则树脂用量多，设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。离子交换（二）发展1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象；1876年Lemberg揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系；1935年人工合成了离子交换树脂；1940年应用于工业生产；1951年我国开始合成树脂。7离子交换树脂离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料，在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。结构：离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，它由不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团上带有相反电荷的可交换离子三部分构成。(一)组成离子交换树脂母体(骨架）活性基团固定离子可交换离子苯乙烯(单体)+二乙烯苯(交联剂)母体共聚H2SO4功能基反应R—SO3H固定离子可交换离子母体(二)分类按结构离子交换树脂凝胶型孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。大孔型离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂(伯、仲、叔胺基)强碱性阴离子交换树脂(季铵基团)弱酸性阳离子交换树脂(羧酸基团)强酸性阳离子交换树脂(磺酸基团)聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；按选择性按主要成分凝胶型树脂大孔型树脂12凝胶型树脂•交换容量大、离子交换速度快和耐热性能较好等优点。这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔。在水中会溶胀成凝胶状，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔。湿润树脂的平均孔径为2~4nm(2×10-6~4×10-6mm)。在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过。所以，这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能。大孔型树脂针对凝胶型离子交换树脂的缺点，研制了大孔型离子交换树脂。大孔型离子交换树脂外观不透明，表面粗糙，为非均相凝胶结构。内部的孔隙又多又大，表面积很大，活性中心多，孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米因此其吸附功能十分显著。离子交换反应的速度快，约比凝胶型树脂快约十倍。而且能抗有机物的污染（因为被截留的有机物容易在再生时通过这些孔道除去）。即使在干燥状态，内部也存在不同尺寸的毛细孔，因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。大孔型树脂的缺点是交换容量较低，再生时酸、碱的用量较大和售价较贵等。15①粒度（珠状颗粒型）：0.315-1.2mm②含水量（凝胶树脂）：30%-80%③交换容量：单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能交换离子相当于一价离子的物质的量④离子交换选择性：,mmol/g或者⑤对不同离子的选择性，例：(三)离子交换树脂的性能苯乙烯强酸阳离子型（对阳离子的选择性）Fe3+Ca2+Na+依价数高优先Ba2+Pb2+Ca2+同价位时，依半径大优先，因为水化半径小，与固定离子的静电引力越大热稳定性，最高使用温度，如苯乙烯强酸阳离子120℃丙烯酸弱酸阳离子200℃mmol/mL几类树脂性能的比较类型性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强酸性弱酸性活性基团磺酸羧酸季胺伯胺、仲胺pH的影响无酸性交换力小无碱性交换力小再生剂用量3～5倍1.5～2倍3～5倍1.2～2倍交换速率快慢快慢离子交换机理离子交换机理B+A+BRARBA树脂离子交换过程包括5步：1.A+自溶液扩散到树脂表面；2.A+从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心；3.A+在活性中心发生交换反应；4.解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面；5.B+从树脂表面扩散到溶液；液膜脱盐工作原理在离子交换过程中，水中的阳离子（如Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Fe3+等）与阳离子交换树脂上的H+进行交换，水中阳离子被转移到树脂上，而树脂上的H+交换到水中。水中的阴离子（如Cl-、HCO3-等）与阴离子交换树脂上的OH-进行交换，水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH-交换到水中。而H+与OH-相结合生成水，从而达到脱盐的目的(见下页图)。H2O阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂H+Na+OH-Cl-NaClH2O离子交换原理示意图离子交换动力学当溶液中的A与树脂内离子B发生交换反应时，整个反应历将经历五个阶段：（1）膜扩散过程在树脂微粒周围包围着一层静止的液膜，离子必须通过这个膜方能到达树脂表面，这叫膜扩散过程（2）粒扩散过程A离子由表面进入树脂内部，进入交换位置（3）化学交换反应过程（4）B离子由树脂内部进入到树脂表面（5）B离子从表面通过液膜进入外界溶液影响扩散速度的因素1树脂颗粒大小——颗粒越小、内扩散距离短、内扩散速度快2树脂交联度——交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢3温度——温度升高、有利于提高扩散速度4交换离子的大小———交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢5溶液浓度——稀溶液中决定的是膜扩散速度、加大浓度、扩散速度加快。浓度过高后，粒扩散速度成为反应速度决定阶段。最后反应趋向于已极限值按照操作方式分类操作方式有静态(与动态交换交换设备两种静态设备为一带有搅拌器的反应罐，目前已较少使用动态设备分为间歇操作的固定床和连续操作的流动床两大类离子交换装置23离子交换装置一级化学除盐系统由阳离子交换器、除碳器和阴离子交换器所组成，其组合方式分为单元制和母管制。OHHCOHHCHHHCCOHOHOH单元制母管制图3一级复床除盐系统1—阳床水泵；2—强酸性H型阳离子交换器；3—除碳器；4—中间水箱；5—中间水泵；6—强碱性OH型阴离子交换器24进入一级除盐系统的水是经预处理、预脱盐的水，水中只含有少量的溶解性杂质。溶解性杂质包括阳离子、阴离子、少量胶体硅等。其中水中的阳离子主要由Ca2+、Mg2+、K+、Na+和极少量的Al3+、Fe3+离子组成，阴离子主要由HCO3－、SO42-、Cl－和少量的NO3-、HSiO3-离子组成。当水通过强酸性H型阳交换器时，水中所有的阳离子都被强酸性H型树脂吸收，活性基团上的H+被置换到水中，与水中的阴离子组合生，阳离子交换器的出水是酸性水。阳离子交换器25排水装置压脂层200mm进水装置反洗空间中间排液装置树脂层1600mm逆流再生阳离子交换器结构图进水装置的作用是均匀分布进水于交换器的过水断面上。另一个作用是均匀收集反洗排水。排水装置的作用是均匀收集处理好的水；另一个作用是均匀分配反洗进水。中间排液装置的作用：中间排液装置对逆流再生离子交换器运行效果有较大影响，其作用是均匀排出再生液，防止树脂乱层、流失外，还应有足够的强度，安装时应保证在交换器内呈水平状态，阳离子交换器（阳床）压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机械杂质；使进水通过压脂层均匀作用于树脂层表面；防止树脂在逆流再生中乱层。26阳离子交换器的出水是酸性水。但当交换器运行失效时，其出水中就会有其它阳离子的泄漏，而在诸多的阳离子中，首先漏出的阳离子是Na+，故习惯上称之为漏钠。当出水中的Na+超过一个给定的极限值时，阳离子交换器被判失效，需停运再生后才能投入运行。为什么阳交换器失效时，首先发生漏钠，而不是漏Ca2+或Mg2+离子？27运行时的交换情况281）小反洗。只对压脂层进行反洗，冲洗掉积聚在压脂层上的污染物。2）放水。3）进再生液4）逆流再生5）小正洗。水从上部进入，控制适当的流速，洗去再生后压脂层中残留的再生废液和杂质。6）正洗。用水自上而下进行正洗，直到出水水质合格，即可投入运行。树脂的再生压脂层进水再生液出水逆流固定床制水和再生流向图再生废液进水再生液出水293.阴离子交换器(阴床)1/2H2SO41/2SO4HNO3NO31/2H2CO3+ROH→R1/2CO3+2H2OHClCI1/2H2SiO3HSiO3阴离子交换实质上是阴树脂中的OH与酸性水(经过阳离子交换及除碳)中的负离子进行交换。所以在强碱性阴离子交换器内发生的反应为：图3.7.4强碱性OH型离子交换器出水水质变化根据强碱阴树脂的交换规律，HSiO3-集中在交换器中树脂的底部。所以当强碱性OH型阴离子交换器失效时，HSiO3-先漏出来，致使出水的硅含量升高。因强碱阴树脂的选择性顺序为：SO42－NO3－Cl－OH－F－HCO3－HSiO3－30压脂层进水装置反洗空间中间排液装置树脂层2500mm排水装置逆流再生阴离子交换器示意图阴离子交换器与阳离子交换器一样是逆流再生工艺，其操作步骤与阳离子交换器相同。其交换器结构示意图与阳离子交换器也相同。31混床除盐步骤1反洗分层水力筛分法借反洗的水力将树脂悬浮起来分层2再生体内再生体外再生阴树脂外移3阴阳树脂的混合树脂再生和清洗后，重新混合4正洗5制水32