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第十二章 离子交换.ppt

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第12章 离子交换,12.1 离子交换基本原理12.2 离子交换软化方法与系统12.3 离子交换软化设备及其计算12.4 离子交换除盐方法与系统,12.1 离子交换基本原理 12.1.1离子交换树脂的类型及命名12.1.1.1离子交换树脂的类型,2. 离子交换树脂 1) 分类,2) 结构3. 磺化煤:兼有强酸性和弱酸性两种活性基团的阳离子交换剂 分类名称 12.1.1.2 命名,12.1.2离子交换树脂的基本性能1. 外观粒径0.3~1.2mm 乳白、淡黄、棕褐色等不透明或半透明球状颗粒2.交联度:以7~10%为宜,3.含水率树脂的含水率以每克树脂(在水中充分膨胀)所含水分的百分比(约50%)树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率 4.溶胀性干树脂+水→湿树脂 体积胀大 绝对溶胀度,5.密度,6.有效PH值范围由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性,水的pH值势必对其交换容量产生影响。表12.1 各种类型树脂有效pH值范围,12.1.3离子交换平衡,选择系数大于1,说明该树脂对B+的亲合力大与对A+的亲合力,即有利于进行离子交换反应。选择系数用离子浓度分率表示:,二阶对一阶离子交换反应通式为:,12.1.4离子交换速度,膜扩散和孔道扩散何者影响最大?何者为控制步?慢者控制离子交换反应的速度. (1) 浓度:浓度大于0.1mol/l时,孔道扩散为控制步.浓度小于0.003mol/l时,膜扩散成为控制步介于中间则取决于具体情况. (2) 流速或搅拌速率: 大,则水膜薄.膜扩散快.但孔隙扩散基本不受影响. (3) 树脂粒径:膜扩散,速度与粒径成反比.孔道扩散,速度与粒径2次方成反比. (4) 交联度: 交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显 著.,,12.1.5 树脂层离子交换过程,12.1.6树脂的再生 再生液与水流方向相同 1.顺流再生 特点:⑴ 上部再生程度高,下部差,越是下部越差⑵ 再生剂耗量大,2~3倍理论值时,效果仍不理想⑶ 出水剩余硬度高⑷ 交换器失效早,降低工作效率,工作交换容量降低⑸ 适合于硬度较低的场合2.逆流再生 再生液饱和程度特点:⑴ 再生效果好,耗量可降低20%以上低 ⑵ 出水水质明显提高↓ ⑶ 原水水质适应范围扩大,对硬度较高原水仍能保 证出水水质中 ⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低↓ ⑸ 工作交换容量提高高 ⑹ 操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等,3.移动床:再生液向下流,水流向上流的方式 适用:处理水量稳定,且不间断运行,,12.2 离子交换软化方法与系统12.2.1离子交换软化系统选择1.Na+离子交换软化法,2.H+离子交换软化法,3.H-Na串联及并联: ⑴ 并联:,,12.2.2离子交换树脂的交换容量 1.交换容量:1)全交换容量 (1)定义:一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量 代表交换能力的大小 (2)测定方法:滴定测定与理论上计算,,12.3离子交换软化设备及其计算 12.3.1逆流再生固定床 再生液饱和程度 特点:⑴ 再生效果好,耗量可降低20%以上低 ⑵ 出水水质明显提高↓ ⑶ 原水水质适应范围扩大,对硬度较高原水仍能保证出水水质中 ⑷ 再生废液中再生剂有效浓度低↓ ⑸ 工作交换容量提高高 ⑹ 操作较复杂 从而使底部再生效果好及剂量低等为何能降低出水硬度 (以H型树脂与含钠盐进行交换为例,即能降低钠的泄漏),,,逆流再生操作步骤: ⑴ 小反洗 ⑵ 放水 ⑶ 顶压 → 使床不乱 (为何需顶压,顺流时是否需顶压) ⑷ 进再生液 ⑸ 逆向冲洗 (软化水,流速5~7m/h) ⑹ 正洗 为何需软化水逆向冲洗: 逆流再生要用软化水清洗,否则底层已再生好的树脂在清洗过程中又被消耗,导致出水质量下降,失去了逆流再生的特点。,,逆流再生固定床的再生剂耗量与再生液浓度,钠离子交换器顺流、逆流再生盐耗量和出水水质,12.3.2再生附属设备 1.食盐系统,2.酸系统,3.再生剂用量计算:再生剂用量G表示单位体积树脂所消耗的纯再生剂量(g / L,kg / m3)比耗:n mol / mol (再生剂 / 工作交换容量)再生1mol所需质量:R=n·MB再生剂摩尔质量 G=q·R=q·n·MB (g / L)q:树脂工作交换容量每台离子交换器再生一次所需要再生剂的总量等于: 式中α——工业用酸或盐的浓度或纯度,%,12.3.3除二氧化碳器1 .原理:,CO2具有腐蚀性,并增加强碱树脂负荷,且一般为H床后 :,2.构造和计算:1) 构造:,,2) 填料:常用瓷环 204 m2 / m3 空隙率 74%3) 计算:G=KF△C kg/hG——单位时间能够去除CO2的量(能力)K—— 解吸系数 单位时间、单位接触面积、单位推动力下去除的CO2的数量瓷环面积,单位时间需去除量 :,求F——瓷环面积 (1)求体积V V=F/E,(3)风量 20~30 m3/ m3(水) 瓷环阻力0.3~0.5 KPa/m, 据风量,风压选风机 其它局部阻力0.4 KPa,结论:⑴ K——解析系数,温度高则其值大,CO2溶解度低,冬天鼓热风 ⑵ 水封高度大于风压⑶ 进风口高于水面距离>25cm,伸入内壁,防止水溅入风口⑷ 通风管有一定坡向水面的坡度⑸ 防止出水管不通,使水漫入鼓风机⑹ 设备防腐,12.3.4固定床软化系统的设计计算 物料平衡关系式: Fh·q=QT·HtQ=ηqo = {ηr -(1-ηs)}qo η:树脂实际利用率 ηr :树脂再生程度,再生度 ηs :树脂饱和程度,饱和度,,12.4离子交换除盐方法与系统,12.4.1水的纯度概念 电阻率:1cm×1cm×1cm体积的水所测得的电阻(Ω·cm)1 .淡化水:生活及生产用的淡水2. 脱盐水:含盐量为1~5mg/l,强电解质大部分被去除 (普通蒸馏水) 25 0C 电阻率 0.1~1.0×106Ω·cm3 .纯水:去离子水,含盐量为<0.1mg/L,强电解质绝大部分被去除,弱电解质也去除到一定程度 25 0C,0.1~1.0×106Ω·cm。 4.高纯水:超纯水,导电介质几乎已全部被去除,水中胶粒,微生物,溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。 含盐量<0.1mg/L, 250C ,>10×106Ω·cm,12.4.2阴离子交换树脂的特性 1. 强碱性阴树脂的工业特性(ROH ) ROH+H2SO4→RHSO4+H2O ① 2ROH+ H2SO4→R2SO4+2 H2O ② ROH+HCl→RCl+ H2O ROH +H2CO3→RHCO3+ H2O ROH+H2SiO3→RHSiO3+ H2O 式①和式②一般同时进行,但当[H2SO4]>[ROH]中OH-浓度时,①占优势,低浓度时②占优势。R2SO4+H2SO4→2RHSO4-可以进行,树脂由R2SO4变成RHSO4型。1) 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换选者性也是不同的,一般顺序为: PO43—>SO42—>NO3—>Cl—>OH—>F—>HCO3—>HSIO3— (1)电荷愈多,选择性愈好 (2)相同电荷时,原子序数愈高,水合半径愈小,则选者性愈好 (3)还与离子交换基团的性质有关 (4)强酸性选择性好,,2) 强碱性阳树脂对水中各种阴离子的交换顺序如上,从而可得: ROH+NaSiO3→RHSiO3+NaOH (几乎不能进行)除盐系统相应通过强酸性阳树脂,而不应通过Na床,且通过H型树脂应减少漏钠量 ROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O H2O电离度极小3) 阴树脂的化学稳定性一般要比阳树脂差,(600C~800C),易受氧化剂的影响而变质如水中存在氧化剂时,则会使:,4)强碱性树脂抗有机物的能力较差,特别是凝胶型强碱性阴树脂,由于孔道分布强碱性树脂被有机物污染后,交换容量下降,正洗水量增加,出水导电率增加。树脂孔道大小不一,水中的一些有机物(如腐殖酸等)在树脂颗粒内交联紧密部位会被卡住,时间一长,把该部分交换基团遮盖住,从而该部分基团不能进行反应。同时卡住有机酸后,相当于在树脂的骨架上引入了弱酸基团(-COOH)。用碱再生时: R-COOH+NaOH→ RCOONa+H2O正洗和反应时: R-COONa+H2O→ RCOOH+NaOH从而正洗水量大大增加,同时由于正洗时阴离子与ROH发生交换,从而使运行时交换容量低。,5)强碱性阴树脂的运行过程,①.当清洗水排水溶解固体等于进水总溶解固体时,将清洗水循环回收。 ②.清洗水回收,刚洗好,就是因为树脂受到污染 RCOONa+ H2O→RCOOH+NaOH (刚开始出水时,电导率会增加,所以需连续清洗,知道出水达到要求,这就是清洗水回收阶段) 6)除Si求:①出水呈酸性; ②进水漏钠量低; ③再生条件高,提高温度至(40-500C)有利于再生的进行。,2.弱.碱树脂的工艺特性:R=NH2-OH R-NH3OH仲胺型 伯胺型1).交换能力差,不能吸附弱酸阴离子。 只能吸附强酸阴离子:2R-NH3OH+H2SO4→(R-NH3)2SO4+2H2O PH值(0~ 7) R-NH3OH+HCI→R-NH3Cl+H2O PH值(0~ 7) 2R-NH3-OH+Na2SO4→2(R-NH3)2SO4+2NaOH (不能进行)因为PO43->SO42->NO3->Cl->F->HCO3->HSiO3-2).生容易:NaOH,NaHCO3,Na2CO3,NH4OH都可,实际值是理论值的1.2~1.4倍。,3).交换容量大 可做强碱阴床前的预处理 4).抗有机污染强,吸附后容易洗脱 可做强碱阴床前的预处理 5).出水呈碱性,NaHCO3,Na HSiO3存在,漏SO42-、Cl-后出水呈酸性. Cl- ,首先泄漏。,12.4.3离子交换除盐方法与系统,,1.复床除盐:(复床系指阴、阳离子交换器串联使用,达到水的除盐目的)1)一级复床除盐 强酸——脱气——强碱系统,,一级复床出水的特点:①.呈弱碱性 PH= 8 ~9.5 (阳床微量Na泄漏)②. 出水电阻率 0.1 ~1.0×106 Ω*CM脱盐水(普通蒸馏水)③. 如果阳床泄漏Na过量的话,电导率会升高。 因而关键是控制阳床的Na泄露,另外除硅时,可采用热碱液再生。 阴床设在阳床之后(为什么?):,2)强碱——弱碱——脱气系统,事实上脱气放在后面是因为采用NaCO3,NaHCO3再生时会产生CO2气体,否则采用NaOH再生时可放在前面后面都行。①.出水呈酸性 6~6.8②. 不能除Si③. 电阻率 5×104达不到脱盐的标准,3)强酸——脱气——弱碱——强碱系统,适合于原水强酸阴离子含量较大 H2SO4弱碱用于去除强酸阴离子 HCl强碱用于去除Si SiO32-采用串联再生法,用NaOH再生,可适当提高温度。,2.混合床除盐1)原理与特点:阴阳离子装在一个床内,使用时均匀混合,构成无数微型复床,反复脱盐,故其出水电率可达5~10×106Ω·Cm。RH + ROH + NaCl → RNa + RCL +H2O,混合床的特点: ①. 阴、阳离子交换反应几乎同时进行②. 出水呈中性,出水水质稳定,纯度高(用于制纯水,超纯水)③.不存在反离子(强碱出水呈碱性,强酸出水呈酸性)④.失效终点分明⑤. 设备小缺点: ①. 再生时,难以彻底分层 。 ②. 混合床对有机物敏感,阴树脂变质后,出水水质恶化,下降③. 一般常需进行预处理(混凝、沉淀 、活性炭吸附)④. 再生操作复杂交叉污染:部分阳树脂混合在阴树脂层时,经碱液再生,这部分阳树脂转为Na型,造成运行后Na+泄漏。 三层混合床:(为了有利于分层)中间另装10~15cm惰性树脂使其分层彻底。 2) 混合床离子交换器装置及再生方式a. 装置b. 再生再生方法有体内再生和体外再生体内再生又分为酸、碱同时再生和酸、碱分别再生,现以酸、碱分别再生为例。,步骤:1、反洗分层2、阴树脂再生3、阴树脂正洗4、阳树脂再生5、阳树脂清洗6、混合7、最后正洗至PH≈7,电阻率大于5×105Ω·cm,即可运行。,3). 高纯水制备与终端处理:强酸——脱气——强碱——混合床系统使用前终端处理有:紫外线,精制混床,超滤。 3.氢型精处理器: 强酸——脱气——强碱——强酸 能彻底去除Na,出水水质好, 流速高 100m/h 不能除Si,因而只有复床出水水质达到规定要求时,取代混合床提纯水质。 4.离子交换双层床: 阳离子交换双层床 阴离子交换双层床1) 阳离子交换双层床,采用逆流再生,耗酸量相当于全部是阳树脂来说从3倍降到1.1倍理论值。,适应于:原水硬度=碱度的水,或硬度略大于碱度的水。2) 阴离子交换双层床,(1). 逆流再生,碱耗量低,理论值的1.1倍。强碱是理论值的3~4倍 (2). 交换容量提高,出水量增加。 (3).适应的含盐量范围可提高。 (4).出水水质好。,缺点:要求再生条件严格,否则会出现如下现象,大量胶体硅(甚至胶冻)聚积在弱碱树脂上,使出水水质严重恶化。原因:再生时:下层强碱树脂:在NaOH存在的情况下,以Na2SiO3,Na2CO3存在。2R-NH3Cl + Na2SiO3 →2R-NH3OH+2NaCl+H2SiO32R-NH3Cl + Na2CO3 →2R-NH3OH+2NaCl+H2CO3从而使PH值下降,出现大量H2SiO3, 从而析出胶体硅,粘附在弱碱树脂上,故对再生条件要求严格. 立即再生, 否则强碱性树脂硅酸发生聚合,会污染强碱性树脂 加热再生,400碱液 (避免产生胶体硅,降低出水硅含量) 先低浓度后高浓度 1%~3%碱液或(2% 快——慢),思考题 1、与顺流再生相比,逆流再生为何能使离子交换出水水质显著提高?2、实现逆流再生的关键是什么?3、为什么说在HtHc的条件下,经H离子交换(到硬度开始泄漏)的周期出水平均强酸酸度在数值上与原水Hn相当?此时H—Na离子交换系统的QH和QNa表达式为何?若原水碱度大于硬度,情况又是如何?4、在离子交换除盐系统中,阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前后位置的布置应如何考虑?试说明理由。,3、在固定床逆流再生中,用工业盐酸再生强酸阳离子交换树脂。若工业盐酸中HCl含量为31%,而HCl含量为3%,试估算强酸树脂的极限再生度,4、试说明离子交换混合床工作原理,其除盐效果好的原因何在?,习 题:1、如下图所示,当氢离子交换出水强酸酸度为零,与其相应,出水Na+含量应是多少?2、在固定床逆流再生条件下,树脂工作交换容量能否由下式表示,试阐明其理由。,
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