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工业给水处理-1.ppt

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软化的目的与方法概述,为什么要软化? 软化的目的 硬度的概念 硬度的种类及区别 硬度的表示方法和单位 硬度表示方法之间的换算关系 硬水与软水 水中离子的假想结合 目前水的软化处理的几种主要方法,,第一篇 工业水处理,目录 一 软化 二 除盐 三 冷却 四 循环冷却水质处理,在一般天然水中,主要是Ca2+和Mg2+,其它离子含量很少,通常以水中Ca2+和Mg2+的总含量称为水的总硬度Ht。,硬 度 的 概 念,硬度盐类包括Ca2+、Mg2+、 Fe2+、Mn2+、 Fe3+、Al3+等易形成难溶盐类的金属阳离子。,,,软 化,,第一章 软 化,硬度的危害:,软 化,日常生活:衣服不易洗净、容易引起水土不服;,工业生产:印染质量受影响、锅炉效率低,甚至引起爆炸哦。,硬 度 的 种 类 及 区 别,,碳酸盐硬度(Hc):由于水中含有Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2而形成的硬度,经煮沸后可把硬度去掉,这种硬度称为碳酸盐硬度,亦称暂时硬度。,软 化,,非碳酸盐硬度(Hn):由于水中含有CaSO4(CaCl2)和MgSO4( MgCl2 )等盐类物质而形成的硬度,经煮沸后也不能去除,这种硬度称为非碳酸盐硬度,亦称永久硬度。,Ca(HCO3)2 = CaCO3↓+CO2+H2O Mg(HCO3)2 = MgCO3+H2O+CO2 MgCO3+H2O = Mg(OH)2↓+CO2,硬 度 的 表 示 方 法 和 单 位,物质的量浓度(法定计量单位)mol/L或mmol/L,基本单元选用1/2Ca2+、1/2Mg2+(当量粒子) 或者Ca2+、Mg2+,软 化,,当量粒子:对于还原性物质,一个当量粒子是指与1个氢原子具有相同的还原能力的粒子,硬 度 的 表 示 方 法 和 单 位,软 化,,毫克当量浓度(Ca2+和Mg2+的毫克当量数/体积)meq/L,毫克当量:对于还原性物质,与1mg(1mmol)氢的还原能力相等的物质叫做1毫克当量。以钙为例子,20mg(0.5mmol)钙的还原能力与1mg(1mmol/L)氢的还原能力相等,所以20mg钙称为1毫克当量。,当量摩尔浓度与毫克当量浓度在数值上是相等的。,硬 度 的 表 示 方 法 和 单 位,软 化,,CaCO3的质量浓度(CaCO3的质量/体积)mgCaCO3/L(ppm),德国度(10mgCaO/L) ºd,换算关系:1mmol/L( Ca2+)=1meq/L=0.5mmol/L(Ca2+)=50mgCaCO3/L=2.8ºd,硬度的表示方法之间的换算关系,,软 化,,硬水与软水,通常根据硬度的大小,把水分为硬水与软水。 软水:30 od (538 mg CaCO3/L; 5.38mmol/L),软 化,,我国生活饮用水卫生标准中规定: 总硬度小于450 mg CaCO3/L,水 中 离 子 的 假 想 结 合,水加热后,溶解度变小,会按一定的规律有先有后分别结合成某些化合物从水中沉淀析出,析出顺序如下:,软 化,水 中 离 子 的 假 想 结 合,上图清晰的表明水中各种离子的假想组合情况以及化合物含量的大小,这样,便于对水质进行分析研究。,软 化,,目前水的软化处理的几种主要方法,药剂软化法或沉淀软化法基于溶度积原理,加入某些药剂,把水中Ca2+、Mg2+转变成难溶化合物使之沉淀析出。 离子交换软化法基于离子交换原理,利用某些离子交换剂所具有的阳离子(Na+和H+)与水中Ca2+、Mg2+离子进行交换反应,达到软化的目的。 电渗析法基于电渗析原理,利用离子交换膜的选择透过性,在外加电场作用下,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。 反渗透与超滤 蒸馏法其中电渗析、反渗透、超滤和蒸馏主要用于水的除盐与咸水淡化。,软 化,,第一章 软 化,软化的目的:去除或降低水中的Ca+、Mg2+等易形成难溶盐类的金属离子含量。,软 化,,水 的 药 剂 软 化 法,溶度积原理 石灰软化 石灰软化的原理 石灰软化过程 石灰软化的主要去除物 石灰用量的计算 石灰软化的效果 石灰软化的适用范围 石灰-苏打软化,软 化,,溶 度 积 原 理,在一定温度下,难溶电解质(假定为AmBn)饱和溶液中离子的相对浓度的系数方次项的乘积,为一常数Ksp ,称为溶度积常数。如: AmBn mAn++nBm- Ksp=[An+]m[Bm-]n溶度积规则:当溶液中[An+]m[Bm-]n Ksp 有沉淀生成,沉淀完全后,溶液呈 饱和状态[An+]m[Bm-]n =Ksp 无沉淀生成,溶液呈饱和状态[An+]m[Bm-]n Ksp 溶液不饱和,尚可溶解少量固体,软 化,溶 度 积 原 理,水中常见难溶化合物溶度积(25ºC)之间的关系Mg(OH)2CaCO3Ca(OH)2MgCO3CaSO4水的药剂软化工艺 基本原理:溶度积原理 工艺过程:按一定量投加某些药剂(如石灰、苏打等)于原水中,使之与水中Ca2+、Mg2+反应生成沉淀物CaCO3和Mg(OH)2。,软 化,,石 灰 软 化——石灰软化的原理,,软 化,,石 灰 软 化——石灰软化过程,软 化,石 灰 软 化——石灰软化过程,软 化,石 灰 软 化——石灰软化过程,软 化,,石 灰 软 化——石灰软化的主要去除物,石灰软化的主要去除物:石灰软化主要是去除水中的碳酸盐硬度以及降低水的碱度。 投加中要注意的问题:过量投加石灰,会增加水的硬度。,软 化,,石 灰 软 化——石灰用量的计算,石灰软化往往与混凝同时进行,有利于混凝沉淀。 石灰用量ρ(CaO)(以100%CaO计算)可按下列两种情况进行估算。 钙硬度碳酸盐硬度,此时水中碳酸盐硬度仅以Ca(HCO3)2形式出现 (13) ρ(CaO)=56[c(CO2)+c(Ca(HCO3)2+c(Fe2+)+K+α], mg/L 钙硬度碳酸盐硬度,此时水中碳酸盐硬度以Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2形式出现 ρ(CaO)=56[c(CO2)+c(Ca(HCO3)2+2c(Mg(HCO3)2+c(Fe2+)+K+α], mg/L 式中 c(CO2)——原水中游离CO2浓度,mmol/L;c(Fe2+)——原水中铁离子浓度,mmol/L;K——铁盐或铝盐混凝剂投加量,mmol/L;α——CaO过剩量,一般为0.1~0.2mmol/L。,软 化,,石 灰 软 化——石灰软化效果,经石灰软化处理后,去除效果如下: 剩余碳酸盐硬度: 0.25~0.5mmol/L 剩余碱度:0.8~1.2mmol/L 硅化合物去除率:30%~35% 有机物去除率:约25% 铁残留量:约0.1mg/L,软 化,,石 灰 软 化——石灰软化的适用范围,石灰软化的适用范围:原水碳酸盐硬度较高、非碳酸盐硬度较低且不要求深度软化的场合。 石灰软化法可与钠离子交换法联合使用,用于原水的碳酸盐硬度较高且要求深度软化的情况,这时石灰软化可作为钠离子交换法的预处理。,软 化,,石灰—苏打软化,过程:在水中同时投加石灰和苏打(Na2CO3) 作用: 石灰——降低水的碳酸盐硬度; 苏打——降低水的非碳酸盐硬度。 与Na2CO3有关的化学反应: (15) CaSO4+NaCO3→CaCO3↓+Na2SO4 (16) CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCl (17) MgSO4+Na2CO3→MgCO3+Na2SO4 (18) MgCl2+Na2CO3→MgCO3+2NaCl (19) MgCO3+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓ 效果: 软化水的剩余硬度可降低到0.15~0.2mmol/L 适用范围:硬度碱度,软 化,,离子交换基本原理,软 化,离子交换剂的分类 离子交换树脂的结构 离子交换树脂的命名与型号 离子交换树脂的基本性能 离子交换平衡 离子交换速度 树脂层离子交换过程,,离 子 交 换 剂 的 分 类,软 化,离子交换剂的分类,软 化,软 化,离子交换剂的分类,,离子交换树脂的结构,软 化,固定部分:与骨架牢固结合,不能自由移动,构成所谓固定离子; 活动部分:能在一定空间内自由移动,并与其周围溶液中的其他同性离子进行交换反应,称为可交换离子或反离子。例如: 强酸性阳离子交换树脂R-SO3-H+,离子交换树脂的结构,软 化,离子交换树脂的结构,软 化,可简写为:R-H+ R-__代表树脂结构中除活动离子以外的其他部分,即惰性骨架与固定基团。 离子交换的实质 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。 化学反应可以是中和反应、中性盐分解反应、复分解反应。 R-SO3H+NaOH——〉R-SO3Na+H2O (中和反应) R-SO3H+NaClR-SO3Na+H2O (中性盐分解反应) 2R-SO3H+CaCl2 (R-SO3)2Ca+2NaCl (复分解反应),软 化,离子交换树脂的结构,罗门哈斯,苏青,漂莱特,阴离子交换树脂,,离子交换树脂的命名与型号,软 化,离子交换树脂的型号名称是由其结构决定的。即树脂型号由分类代号(功能基因)、骨架代号与顺序号(区别基团、交联剂等的差异)三位数字构成。,离子交换树脂的命名与型号,软 化,,例如,型号001X7表示的是交联度为7的强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂。国家标准,离子交换树脂的基本性能,软 化,,外观 惰性骨架 交联度 含水率 溶胀性 密度 交换容量 有效PH值范围,,离子交换树脂的基本性能,软 化,,外观 离子交换树脂外观呈不透明或半透明球状颗粒。 颜色有乳白、淡黄色或棕褐色等数种。 胶粒粒径一般为0.3~1.2mm。,离子交换树脂的基本性能,软 化,惰性骨架: 离子交换树脂的惰性骨架由分子量较大的碳链组成,按骨架不同,离子交换树脂分为加聚型与缩聚型两类。 加聚型:聚苯乙烯类和丙烯酸类等 缩聚型:酚醛类 惰性骨架是制备离子交换树脂的中间产品。这一合成共聚物俗称“小白球”。小白球中引入交换基团后,便成为具有离子交换功能的树脂。 小白球是离子交换树脂结构的基础构架。,,离子交换树脂的基本性能,软 化,交联度合成聚苯乙烯与丙烯酸两类树脂时,需要加入一定量的交联剂二乙烯苯(DVB),以使合成的小白球具备一定的结构和强度,既有一定的微孔尺寸、孔隙率和密度。工业上常用的凝胶型树脂含有2%~12%的二乙烯苯作为苯乙烯的交联剂。苯乙烯系树脂的交联度指二乙烯苯的质量占苯乙烯和二乙烯苯总量的百分比。树脂结构骨架的交联程度取决于制造过程。 交联度对树脂性能的影响: ⅰ)交换容量ⅱ)含水率ⅲ)溶胀度ⅳ)机械强度水处理用的离子交换树脂,交联度7%~10%为宜。,,离子交换树脂的基本性能,软 化,,离子交换树脂的基本性能,软 化,溶胀性树脂骨架由碳—碳链构成,具备一定的柔韧性,因而可以胀、缩。 定义:树脂体积变化的现象称为溶胀。 例如: ⑴干树脂浸泡水中时,体积胀大,成为湿树脂。 ⑵湿树脂转型时,如阳树脂由钠盐转型为氢型,体积变化。 ⑴所发生的体积变化率,称为绝对溶胀度。 ⑵所发生的体积变化率,称为相对溶胀度。,离子交换树脂的基本性能,溶胀性 溶胀原因:当干燥树脂浸于水溶液中,树脂孔隙中就有水渗透,使交换基团上的交换离子发生水化,继而更多水分子通过氢键相互联系被不断地吸附,于是树脂骨架的碳—碳链被拉长、拉开,孔隙涨大,结果树脂颗粒的体积便膨胀。树脂交联度越小或者活性基团越易电离或水合离子半径越大,则溶胀度越大。,软 化,,离子交换树脂的基本性能,软 化,离子交换树脂的基本性能,软 化,离子交换树脂的基本性能,软 化,,湿树脂的表观密度(湿视密度)树脂的表观密度(apparent density)也称视密度、堆积密度或松散密度(bulk density).,式中,WS——湿树脂的量,其中除树脂本身的 量外, 还包括树脂孔隙中的水量。VB——树脂堆积体积,VB包括湿树脂体积VS与床层空隙体积VI,故ρa的数值反映了树脂床的堆积状况,也就决定了树脂床的流体力学行为。可用来计算离子交换器所需装填湿树脂的数量。,离子交换树脂的基本性能,软 化,交换容量离子交换树脂可视为交换离子的一种存贮器。一定条件下一定量的树脂存贮可交换离子的量是一个常数。 交换容量定量表示树脂交换能力的大小。,全交换容量:一定量树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量。 工作交换容量:在给定工作条件下实际可利用的交换能力。,离子交换树脂的基本性能,软 化,完交换容量 完全交换容量也称最大容量、理论容量,是干燥恒重的单位质量H型或Cl型树脂中可交换离子(离子基团)的总数量。因此树脂全交换容量可定义为树脂所能交换的离子的物质的量nB除以树脂体积V或质量m。即 qV=nB/V或qm=nB/m 式中B为可交换离子的基本单元,等于离子式除以电荷数,即一律以当量离子为基本单元。 交换容量的单位可用mmol/L(湿树脂)或mmol/g(干树脂)。它们之间的关系为 qv=qm× (1-含水率%) ×湿视密度 m=V× (1-含水率%) ×湿视密度,离子交换树脂的基本性能,软 化,离子交换树脂的基本性能,软 化,树脂工作交换容量 与实际运行条件有关,如再生方式、原水含盐量及其组成、树脂层高度、水流速度、再生剂用量等等均对之有影响。 在其他条件一定的情况下,选择逆流(对流)再生方式,一般可获得较高的工作交换容量。 实际中,树脂工作交换容量可由模拟试验确定,也可参考有关数据。,,离子交换树脂的基本性能,软 化,有效PH值范围 强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强,其交换容量基本上与PH值无关。 弱酸树脂在水的PH值低时不电离或仅部分电离,因而只能在碱性溶液中才会有较高的交换能力。 弱碱树脂则相反,在水的PH值高时不电离或仅部分电离,只是在酸性溶液中才会有较高的能力。,,离子交换平衡,软 化,离子交换平衡中须掌握的要点: 离子交换的特点 离子交换选择系数 离子交换选择系数的意义 部分树脂选择系数及应用,,离子交换平衡,软 化,离子交换的特点: 离子交换过程是被分离组分(即被提取、被纯化的离子)在水溶液与固体交换剂之间发生的一种化学计量分配过程 离子交换操作是一个具有固—液非均相扩散传质普遍规律而不同于传统分离过程的新型化工单元操作。,,离子交换平衡,软 化,,,离子交换平衡,软 化,离子交换选择系数的意义: 反映了交换体系(用何种类型的离子交换树脂处理什么溶液中的离子)的平衡行为,是与实验条件无关的常数。,,离子交换平衡,软 化,强酸树脂与强碱树脂选择系数近似值,离子交换平衡,由上表可知,同一种树脂对不同离子进行交换反应,其选择系数值是不同的,这取决于树脂和离子之间的亲合力。选择系数大,则亲合力亦大。强酸树脂对水中各种常见离子的选择性顺序为:Fe2+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>H+>Li+即位于顺序前列的离子可从树脂上取代位于顺序后列的离子。并且,原子价愈高的阳离子,其亲合力愈强,在同价离子(碱金属和碱土金属)中原子序数愈大,则水合离子半径愈小,其亲合力也愈大。应着重指出,上述有关选择性顺序均指常温、稀溶液的情况而言,当高浓度时,顺序的前后变成次要的问题,而浓度的大小则成为决定离子交换反应方向的关键因素。,软 化,离子交换平衡,软 化,离子交换平衡,软 化,,离子交换速度,软 化,离子交换速度,软 化,离子扩散过程分为五个步骤: 树脂颗粒周围滞流液膜中,交换离子的扩散运动; 树脂颗粒内部(包括微孔结构中),交换离子进行的扩散运动; 交换离子在树脂的固定基团上,按化学计量关系进行交换反应; 被交换离子在树脂颗粒内部进行扩散运动 被交换离子穿过滞流液膜的扩散。 ①与⑤、②与④是性质相同的过程 ③是化学反应,反应速度较快 ①与⑤为膜扩散 ②与④为孔道扩散 离子交换主要由膜扩散和孔道扩散控制。,软 化,离子交换速度,膜扩散与孔道扩散的主要影响因素: 溶液浓度 浓度是扩散的推动力 水中离子浓度0.1mol/L,膜扩散孔道扩散,如树脂再生时 水中离子浓度0.003mol/L,膜扩散孔道扩散,如离子交换时 流速或搅拌速率由于流速或搅拌影响边界水膜厚度。膜扩散受流速或搅拌影响。孔道扩散不受其影响。 树脂粒径 膜扩散 离子交换速度与颗粒粒径成反比 孔道扩散 离子交换速度与颗粒粒径二次方成反比 交联度 交联度对于孔道扩散比膜扩散影响显著。,,树脂层离子交换过程,软 化,流出曲线,离子交换柱操作过程的行为,可以用流出曲线表征。流出曲线也称吸附曲线、贯穿曲线、穿透曲线。 横坐标为流出液体积V,纵坐标为流出液中离子浓度c。,流出曲线反映了恒速条件下,不同时刻流出液中的离子浓度的变化规律。,A时,交换柱内的树脂由饱和段(Ⅰ)、部分饱和段(Ⅱ)及未交换段(Ⅲ)构成。Ⅰ段也称失效段,即柱内这部分树脂不再具有交换能力;Ⅱ段也称交换段,这部分树脂正在发挥作用;Ⅲ段是新树脂,尚未被利用,此时,流出液不含交换离子。,B时,饱和段Ⅰ增加,未交换段Ⅲ减少。流出液中不含交换离子,如b点所示。,C时,饱和段Ⅰ继续增加,未交换段Ⅲ消失,流出液中开始出现交换离子。,D时,饱和段Ⅰ进一步增加,部分饱和段Ⅱ减少,流出液中交换离子浓度增加,如d点所示。,E时,柱内树脂完全由饱和段Ⅰ构成。流出液中的离子浓度达到进料液水平c0,如e点所示。,图中c点称为贯穿点,或漏过点,此时的流出液体积称为贯穿体积,用VB表示,对应于VB时交换柱所具有的操作容量称为贯穿容量BTC(break through capacity)。,图中e点称饱和点或耗竭点,此时的流出液体积称为饱和体积,用VS表示。此时,交换柱所具有的容量称为饱和容量。,树脂层离子交换过程,软 化,分为两个阶段: 交换带形成阶段刚开始交换反应的一段不长时间内,树脂饱和程度曲线形状不断变化,随即形成一定形式曲线。 交换带推移阶段已定型的交换带沿水流方向以一定速度向前推移的过程。 所谓交换带指在那一时刻正在进行交换反应的软化工作层。随时间而缓慢推移。,树脂层离子交换过程,软 化,当交换带下端到达树脂层底部,硬度开始泄露。 此时,整个树脂层分为两个部分: 饱和层 树脂交换容量得到充分利用的部分 保护层 树脂交换容量只是部分利用的部分在水的离子交换软化的情况下,交换带的厚度主要与进水流速及进水总硬度有关。,树脂层离子交换过程,软 化,,离子交换软化方法与系统,软 化,离子交换软化方法 离子交换软化装置 离子交换软化系统的选择 再生附属设备 再生剂用量计算 除二氧化碳器,,离子交换软化方法,软 化,目前常用的离子交换软化方法: Na离子交换法 H离子交换法 H-Na离子交换法,,Na离子交换软化法,软 化,,Na离子交换软化法,软 化,Na离子交换软化法,软 化,,H离子交换软化法,软 化,,H-Na离子交换脱碱软化法,软 化,,离子交换软化装置,软 化,离子交换软化装置,软 化,固定床优点: 设备结构简单,操作方便,树脂磨损少,适宜于澄清料液的交换。,固定床的缺点: 管线复杂,阀门多,不适合于悬浮液的处理。同时,树脂利用率比较低,交换操作的线速度比较慢。虽然操作费用低,但投资费用高。,,离子交换软化装置,软 化,,离子交换软化装置,软 化,1、顺流再生固定床,顺流再生固定床内部构造分为: 1、上部配水管系 2、树脂层 3、下部配水管系 类似于压力过滤器 树脂层高度:1.5~2.0米 上部足够空间保证反洗树脂层膨胀用 过程分为两个过程: 1、软化过程 交换过程 2、再生过程 反洗、再生、清洗,离子交换软化装置,软 化,顺流再生的特点: 设备结构简单,易操作,易实现自动控制 对进水浊度要求较低 再生度较低的树脂正处于出水端,因此出水水质较差 再生剂用量大,再生度低,树脂工作交换容量低 顺流再生床的适用范围: 适用于设备较小,原水硬度较低的场合。,离子交换软化装置,软 化,工艺程序: 顺流再生固定床工艺程序如图:,离子交换软化装置,软 化,反洗:可用前级出水(即本级出水)进行反洗,反洗流速与柱内装填的树脂品种有关。 排除积水:排除树脂层面以上的积水,避免再生液不必要的被稀释。 进再生液:常用的进再生液流速为4~8m/h 正洗:正洗流速与床内装填的树脂品种有关。常用正洗流速为10~20m/h。,离子交换软化装置,软 化,2、逆流再生固定床,再生时再生液流向与交换时水流流向相反的,均属于逆流(对流)再生工艺。 常见的是再生液向上流、水流向下流的逆流再生固定床。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底层树脂接触,充分交换,提高出水水质。,离子交换软化装置,软 化,离子交换软化装置,软 化,离子交换软化装置,软 化,离子交换软化装置,软 化,,工艺: 1)再生操作方法:按再生操作压脂层面的顶压方式分为,常用的为气顶压法和无顶压法。,离子交换软化装置,软 化,气顶压法: 在再生之前,在交换器顶部送入压强约30~50kPa的压缩空气,从而在正常再生流速(5m/h左右)情况下,做到层次不乱。 与普通顺流再生设备不同在于: 1、在树脂层表面处安装有中间排水装置,以便排出向上流的再生液与清洗水,借助上部压缩空气的压力,防止乱层。 2、在中间排水装置上面,装填一层厚约15cm的树脂或比重较轻于树脂而略重于水的惰性树脂(压脂层),一方面使压缩空气均匀而缓慢从中间排水装置溢出,另一方面起过滤作用。,离子交换软化装置,软 化,水顶压法 装置及工作原理与气顶压法相同。 不同在于: 用带有一定压力的水代替压缩空气以保持床层不乱。 再生时将水引入交换器顶部,经压脂层进入中间排水装置与再生废液同时排出。,离子交换软化装置,软 化,无顶压法: 增加中间排水装置的开孔面积,使小孔流速低于0.1~0.2m/s。 在压脂层厚20cm、再生流速小于7m/h的情况下,不需任何顶压手段,即可保持层床固定密实,而再生效果完全相同。,离子交换软化装置,软 化,离子交换软化装置,软 化,以气压顶法为例介绍,逆流再生固定床工艺程序,1、运行 2、小反洗 3、大反洗 4、排除积水 5、进再生液 6、置换清洗 7、小正洗 8、正洗,离子交换软化装置,软 化,小反洗:目的是清除压脂层内的污物,松动压脂层,疏通中排液管滤网。时间:10~15min 流速:5~10m/h 大反洗:大反洗时间间隔与进水浊度等因素有关。一般间隔5~20个运行周期在再生前进行一次大反洗,彻底的清除树脂层的污物及疏通树脂层。 时间:10~15分钟 流速:阳离子交换树脂10~15m/h阴离子交换树脂8~10m/h 排除积水:通过中排液管排除树脂层面以上积水,使压脂层处于干的状态。水压顶法可不排水 进再生液:按顶压方法选择进再生液流速,以树脂层不扰动为控制流速的标准。,离子交换软化装置,软 化,水压顶法的工艺程序与气压顶法相同,仅将气改为水。 无压顶法的工艺程序与低流速法的工艺程序亦与气压顶法相同,仅取消顶压气体。 影响工艺效果的因素: 无论采用何种顶压方法,要保证逆流再生的工艺效果必须注意以下几点: 树脂不乱层:再生和置换时树脂层不发生紊乱是保证逆流再生效果的关键。 底层树脂的再生度:出水端树脂层的再生度对出水品质有决定性的影响。(再生液的纯度重要因素) 进水浊度:控制浊度主要为减少大反洗次数提高经济效益。,离子交换软化装置,软 化,逆流再生的特点: 出水水质优良,适应性强,逆流再生固定床对进水含盐量的适用范围比顺流再生固定床大。 以较低的再生剂用量,可获得较大的工作交换容量。 与顺流再生比较,逆流再生的优点: 再生剂耗量可降低20%以上; 出水质量显著提高 原水水质适用范围扩大,对硬度较高的水,仍能保证出水水质; 再生废液中再生剂有效浓度明显降低,一般不超过1%; 树脂工作交换容量有所提高。,离子交换软化装置,软 化,固定床软化设备的设计计算: 基于物料平衡Fhq=QTHt 式中 F——离子交换器截面积,m2h——树脂层高度,mq——树脂工作交换容量,mol/LQ——软化水水量,m3/hT——软化工作时间,即从软化开始到出现硬度泄漏的时间,hH——原水硬度以c(1/2Ca2++1/2Mg2+)表示,单位mmol/L 左式表示交换器在给定工作条件下具有的实际交换能力 右式表示树脂吸着的硬度总量。 关键是确定q,可利用漏出曲线。,离子交换软化装置,软 化,,图中面积abedca表示在给定条件下交换器总的交换能力。 面积abdca为交换器的工作交换能力。 交换能力除以树脂体积即等于树脂工作交换容量。 q=ηq0 q0—树脂全交换容量;mmol/L η—树脂实际利用率,,离子交换软化系统的选择,软 化,离子交换软化系统的选择除了应根据水量、进水水质及处理后的要求水质外,还应根据建设投资、运行费用、管理条件、操作习惯与水平、再生剂来源以及用户具体要求等因素综合比较后决定。在进入各种离子交换软化水处理系统前,应对进水进行预处理,使进水水质符合离子交换器的进水水质标准。,离子交换软化系统的选择,软 化,离子交换软化系统的选择,软 化,2、双级钠离子交换系统,主要特点: 1、出水残余硬度很低 2、可降低盐耗 3、设备较多,离子交换软化系统的选择,软 化,离子交换软化系统的选择,软 化,2)H-Na串联离子交换系统,特点: 1、全部流量流经Na离子交换器,系统安全可靠,更适合处理高硬度水。 2、出水能满足低压锅炉对水质要求。 适用范围: 适用于原水硬度较高的场合。,离子交换软化系统的选择,软 化,,再生附属设备,软 化,1)食盐系统,食盐系统包括食盐贮存、盐液配制及输送等设备。 一般为湿法贮存。 当盐用量小于500kg时,亦可干法贮存。,再生附属设备,软 化,,再生剂用量计算,软 化,公式:R=n·MB (g/mol)G=q·R=q·n·MB (g/L) 式中:G——再生剂用量,表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量 g/L;n——再生剂比耗,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;R——再生剂耗量,表示单位工作交换容量所需的纯再生剂量(g/mol)MB——再生剂的摩尔质量,g/molq——树脂工作交换容量,mol/L,,除二氧化碳器,软 化,1、基本原理CO2在水中的溶解度与水面上气体压力中CO2所占的分压有关。由于空气中CO2的份额较小(在大气压中CO2的分压仅占0.03%),使含有CO2的水与新鲜空气接触,水中的CO2可以向空气中转移,从而降低CO2在水中的溶解量。当水中溶解的CO2浓度大于溶解度,CO2逐渐从水中析出,称之为解吸过程。,除二氧化碳器,软 化,,第二章 水的除盐,水的除盐与咸水淡化,几个基本概念: 水的纯度:以水中含盐量或水的电阻率来衡量。 电阻率:指断面1cmX1cm,长1cm体积的水所测得的电阻,单位为欧姆•厘米(Ω•cm)。,概 述,水的除盐与咸水淡化,分类及处理方法:,概 述,水的除盐与咸水淡化,进水水质预处理: 为什么要预处理? 水中杂质对膜和树脂的危害: (1)悬浮物和胶体 粘附 膜表面 堵塞 树脂微孔道 脱盐率降低 (2)微生物、细菌 膜和树脂 表面生长繁殖 降低设备性能 (3)无机离子(高价离子,铁或锰)能与膜和树脂牢固结合,并使之中毒,降低工作性能。钙、镁离子在某些情况下能在表面结垢沉淀,在反渗透法中应采取措施调整PH值 (4)水中游离氯能对膜进行氧化,使树脂降解。,概 述,水的除盐与咸水淡化,进水水质预处理的作用? 保证处理装置安全运行。 去除些什么? 悬浮物、有机物、胶体物质、微生物、细菌及某些有害物质(铁、锰) P422 膜分离装置和离子交换起对进水水质指标的要求 污染指数FI:在规定压力和时间的条件下,滤膜通过一定水量的阻塞率。 越小越好,概 述,水的除盐与咸水淡化,如何选择? 主要根据原水水质以及脱盐装置所要求的进水水质指标而定。 最简单 机械过滤和微孔过滤 地面水源 混凝、沉淀、过滤、消毒 原水中有机物含量高,增加活性炭吸附 膜分离装置前均应有微孔过滤作为保护措施,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,阴离子交换树脂的工艺特性 阴树脂所具有的活性基团均呈碱性,所以称为碱性基团 根据基团碱性的强弱,区分为强碱性和弱碱性。 (1)强碱树脂的工艺特性 A.阴离子交换出水呈弱碱性 原因:阳床出水中总是有微量Na+泄漏,致使阴床出水含有微量的NaOH的缘故。 B.被吸附离子分布有一定规律 强碱树脂选择性顺序:SO42-NO3-Cl-F-HCO3-HSiO3-,P424 强碱树脂层饱和时被吸附离子的分布 第四层HSiO3-,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,C.清洗分两步 将清洗水排出,直到清洗排水总溶解固体等于进水总溶解固体; 将清洗水循环回收到阳离子交换器的入口,直到出水电导率符合要求,即开始正常运行。,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,D.运行过程曲线(强碱阴离子交换器的运行过程曲线),在运行阶段,出水电导率与硅含量均较稳定。当到达运行终点时,在电导率上升之前,硅酸已开始泄漏。在硅酸泄漏过程中,电导率出现瞬时下降,这是由于出水中含有的微量NaOH为突然出现的弱酸所中和,生成硅酸钠和碳酸氢钠,其导电性能低于NaOH。 若阴床运行以硅酸开始泄漏作为失效控制点,则电导率瞬时下降可视作周期终点的讯号。,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,E.强碱树脂除硅要求 1)进水应呈酸性 有利于反应向右进行 2)进水漏钠量要低 阳床出水漏钠量的增加,会导致阴床出水碱度的增高,对除硅产生不利的影响。 3)再生条件要求高 再生剂用量 64~96kgNaOH/m3树脂 再生液浓度 2%-4% 再生时间1h,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,(2)弱碱树脂的工艺特性 弱碱树脂只能与强酸阴离子起交换反应,而不能吸附弱酸阴离子。因此,在除盐系统中,弱碱阴床往往设置在强酸阳床之后。 弱碱树脂极易用碱再生。 弱碱树脂交换容量高于强碱树脂。 弱碱树脂抗有机物污染能力较强,若在强碱阴床之前,设置弱碱阴床,既可减轻强碱树脂的负荷,又能保护其不受有机物的污染。 清洗亦分两步。正常出水水质呈弱碱性,当Cl-开始泄漏,出水出现酸性,由于酸导电性能较碱为强,因而出水电导率迅速上升,即为周期终点的讯号。,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,弱碱阴离子交换器的运行过程曲线,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,复床除盐 什么是复床? 复床指阳、阴离子交换器串联使用,达到水的除盐的目的。 复床除盐有哪些组合方式? 强酸-脱气-强碱系统 强酸-脱气-弱碱-强碱系统,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,强酸-脱气-强碱系统,阳床:去除Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子,出水为酸性水 除二氧化碳器:去除CO2 阴床:去除SO42-、Cl-、HCO3-、HSiO3-,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,强碱阴床设置在强酸阳床之后的原因: 进水先通过阴床,CaCO3、Mg(OH)2沉积在树脂层,使强碱树脂交换容量降低。 阴床在酸性介质中易于进行离子交换。 强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂。 若原水先通过阴床,本应由除二氧化碳器去除的碳酸,都要由阴床承担,从而增加了再生剂耗用量。 适用于: 制取脱盐水。,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,强酸-脱气-弱碱-强碱系统,弱碱树脂:去除强酸阴离子 强碱树脂:除硅 再生采用串联再生方式,全部NaOH再生液先用来再生强碱树脂,然后再生弱碱树脂。 适用于:原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,混合床除盐 基本原理与特点 装置及再生方式 高纯水的制备与终端处理,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,基本原理与特点: 什么是混合床? 阴、阳离子交换树脂按一定比例混合装填于同一交换柱内的离子交换器。 如同许多阳床与阴床串联,构成无数微型复床。 优点: 出水水质优良 出水水质稳定 间断运行对出水水质的影响小,恢复到停运前水质所需的时间比复床短,一般3~5min。 交换终点明显:混床在失效前,出水电导率上升很快,这有利于失效监督。,离子交换除盐方法与系统,缺点: 树脂层工作交换容量的利用率低,再生剂利用率低。(再生时,阴、阳树脂很难彻底分层。导致交叉污染) 树脂破碎率大于复床。 再生操作复杂,每再生一次所需时间较长在水处理系统中用强酸与强碱树脂装填的混合床出水纯度最高,使用广泛,其他性质树脂的混床较差。注意事项:混合床对有机污染很敏感。阴树脂变质与污染导致出水电阻率逐步下降。为防止污染,应进行必要的预处理。,水的除盐与咸水淡化,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,装置及再生方式 混合床反洗分层主要借助于阴、阳树脂湿真密度的差别。 再生方式: 体内再生 阴树脂外移再生 体外再生,,体外再生,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,以体内再生为例,介绍混合床再生操作步骤:,1)反洗分层 2)进碱再生 3)阴树脂正洗 4)进酸再生,5)阳树脂正洗 6)混合 7)最后正洗,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,混合床体外再生,将失效的树脂用水力输送到专设的再生器再生。步骤与体内再生大致相同。 反洗分层后,将阴树脂输送到另一再生器,阴、阳再生分开进行。,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,高纯水的制备与终端处理复床与混合床串联或二级混合床串联是当前制取纯水以至高纯水的有效方法。 如:强酸-脱气-强碱-混合床强酸-弱碱-混合床-混合床,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,为克服混合床再生操作复杂,阴、阳树脂难以彻底分开的缺点,提出氢型精处理工艺。 氢型精处理器 在复床之后设置一高流速阳床以替代混合床。 原理:复床出水产生电导率(电解质NaOH)主要原因 由于阳床泄漏的Na+引起 阴床中残留的NaOH再生液缓慢释放所致。 复床后再经过一阳床(氢型精处理器)发生交换反应 RH+NaOHRNa+H2O 可以彻底去除Na+。,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,离子交换双层床 定义:在同一交换器内装有弱酸和强酸两种树脂,,借助于树脂湿真密度之差别,经反洗分层后,使弱酸树脂位于上层,强酸树脂位于下层。 特点: 双层床具有逆流再生技术的优点,同时具有弱、强树脂串联运行的优点。 分类: 阳离子交换双层床 阴离子交换双层床,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,工艺程序: 双层床为向下流运行、向上流再生,其工艺程序与逆流再生固定床相同。各程序的工艺参数与终点控制指标(除大反洗外),均可参照流流再生固定床的各项参数与控制指标。 大反洗时应缓慢开启(或关闭)进水阀,使反洗流量逐步加大(逐步减少),以利于分层。同时还须妥善控制反洗膨胀高度。是树脂层充分膨胀,达到强、弱树脂分离所必需的展开率,又不使树脂流失。,离子交换除盐方法与系统,水的除盐与咸水淡化,总结:离子交换除盐系统一般适用于原水含盐量小于500mg/l的场合。如原水含盐量大于500mg/l,则须与电渗析-离子交换除盐系统或反渗透-离子交换除盐系统作技术经济比较加以确定。树脂的污染与复苏处理自己看书。,
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