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离子交换系统课程设计书
《水污染控制技术课程设计书报告》
时间2008/2009学年第1学期第15—16周
班级
姓名
班内序号
设计题目离子互换系统
指导老师
2008年12月1日
离子互换是以离子互换剂上的可互换离子与液相中离子间发生互换为基础的分别方法。
宽泛采纳人工合成的离子互换树脂作为离子互换剂，它是拥有网状结构和可电离的活性基团
的难溶性高分子电解质。
依据树脂骨架上的活性基团的不一样，可分为阳离子互换树脂、阴离
子互换树脂、两性离子互换树脂、螯合树脂和氧化复原树脂等。
用于离子互换分别的树脂要求拥有不溶性、必定的交联度和溶胀作用，并且互换容量和稳固性要高。
按互换基团性质的
不一样，离子互换树脂可分为阳离子互换树脂和阴离子互换树脂两类。
阳离子互换树脂多数含
有磺酸基（-SO3H）、羧基（-COOH）或苯酚基（-C6H4OH）等酸性基团，此中的氢离子能与溶液中的金属离子或其余阳离子进行互换。
Ionexchangeisbasedonion-exchangeagentontheion
exchange
and
liquid
ion
exchange
tookplace
between
the
separation-based
usedsynthetic
ion-exchange
resinsasion-exchangeagent,Itisanetworkstructureand
ionization
of
the
active
groups
of
insoluble
polymer
electrolyte.Accordingtotheresinskeletononthe
activity
ofthedifferentgroupscanbedividedintocationexchange
resins,
ionexchangeresins,
gender
ion-exchange
resins,
chelating
resin
and
redox
resin,
and
so
the
separation
oftheion-exchange
resins
with
arequest
insoluble,
acertain
degreeof
cross-linked
and
swelling,
but
also
to
the
stability
ofexchangecapacityandhigh.Accordingtotheexchangeof
thedifferentnatureofthegroup,ion-exchangeresinscan
bedivided
into
cation
exchange
resin
and
two
types
of
anion-exchange
of
the
cation
exchange
resin
acid-containing
（-SO3H）,
carboxyl
（-COOH）,
or
phenol-（-C6H4OH）,suchasgroupofacidic,thehydrogenion
insolutionwithmetalionsorothercationexchange.
4
4
4
4
5
5
6
1
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7
8
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22
23
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24
24
一．设计任务
（一）设计目的
1、经过课程设计使学生认识水污染控制技术课程设计的有关规范、内容及标准；
2、认识污水的生物接触氧化反响系统的办理工艺，及其设施的工艺设计方法；
3、掌握典型水污染控制单元系统工艺流程、结构、工作原理有关设计与设计计
算；
4、培育我们在水污染治理工程的工艺计算、初设图纸的绘制、工程量的计算、
标准和规范的运用、设计手册与资料的查阅以及计算机的应用等能力，使我们树
立正确的设计思想；
5、培育我们正确、清楚地表达设计内容、书写设计说明书的能力；
6、娴熟运用Auto-CAD和工程制图规范与标准绘制规范性工艺设计图纸的能力
以及计算工程量的能力；
7、增强理论联系实质，培育我们科学谨慎、脚踏实地的工作作风和勇于创新的
敬业精神。
（二）设计题目
设计题目：
离子互换系统。
（三）设计内容
该题目分5个阶段达成设计内容。
1．查阅资料
查阅资料的内容包含：
（1）水污染控制技术课程设计的规范、内容和要求，环境工程设计规范与标准，工程制图标准；
（2）设计任务所及水污染控制单元系统（及其设施与修建物）的工艺流程、结构、工作原理、特色和用途，工艺设计参数，计算公式及设计方法；（3）设计说明等资料的内容与格式，工程量的计算方法；（4）其余资料。
2．工艺设计
工艺设计的内容包含：
（1）设施及修建物布臵（平面和剖面）设计：
（2）管
路布臵设计；（3）标准设施及选材；（4）绘制工艺设计草图并进行计算；（5）编写设计说明。
3．绘图
需绘制的图纸包含：
（1）带控制点工艺流程图；
（2）非标准设施及修建物的工艺结构图；（3）设施布臵图（平、立面）；（4）部件图；（5）高程图；（6）管道布臵图；（7）设施资料一览表。
4．工程量估量
依据图纸进行工程的估量，如土方数、混凝土体体积、钢板重量、钢管重量、防腐面积等。
5．资料汇总
将设计任务、设计说明、工艺设计图纸和工程量估量等内容挨次汇编装订，构成《水污染控制技术课程设计报告》。
二、设计说明
（一）设计介绍
离子互换水办理是经过离子互换剂，除掉水中呈离子态杂质的水办理方法。
一般应用于水办理的离子互换剂的物质是离子互换树脂，它直接影响着离子互换水办理的水质水平易经济性。
为此，需要议论离子互换树脂及其在水办理中的基来源理。
离子互换是靠互换剂自己所带的能自由挪动的离子与被办理的溶液中的离子经过离子扩散来实现的。
推进离子互换的动力是离子间的浓度差和互换剂上的功能基对离子的亲和能力，这就是离子互换的基来源理。
离子互换是可逆反响，其反响式可表达为
RH＋M＋←→RM＋H＋
互换互换饱和
树脂离子树脂
在均衡状态下，树脂中及溶液中的反响物浓度切合以下关系式
（[RM][H+]）/（[RH][M+]）=K
K是均衡常数。
K大于1，表示反响能顺利地向右方进行。
K值越大，越有益于互换反响，而不利于逆反响。
K值的大小能定量地反应在离子互换剂对某两个固定离子互换选择性的大小。
在重金属废水的离子互换法办理过程中，因为工业废水种类众多，水质复杂，故应试虑工业废水水质对离子互换的影响。
（二）基本设计参数与要求
1、废水的水质和水量
33
办理水量550m/d=23m/hSS（200mg/l）
办理前金属离子浓度:
mg/lNi
2+
220Cu
2+
80Co
2+
20Pb
2+
10Zn
2+
20Fe
3+
10Cl
－
－
办理后金属离子浓度
（mg/l）Ni2+1.0Cu2+1.0Co2+1.0Pb2+1.0Zn2+1.0PH=6.5～
废水中各样重金属的回收率
Ni的回收率=（220-1）/220=99.5℅
Cu的回收率=（80-1）/80=98.8℅
2、工艺流程方案
工艺流程图
重生废液
过滤出水缓冲池泵离子互换柱出水
食盐盐池泵
（一）系统工艺流程
离子互换系统的带控制点工艺流程图。
工艺流程介绍以下图重金属废水经过管道进入集水调理池，投加必定的
NaOH溶液以调理PH到中性并进行水量调理，出水经水泵进入连续过滤池以去除
水中固体悬浮物，过滤后，经提高泵导入离子互换柱内，在离子互换柱内，重金
属离子与弱酸性Na离子树脂发生离子互换反响，重金属即被固定到离子互换树
脂上，直到离子互换树脂达到饱和为止。
此时排出的一部分水用于淋洗重生后的
树脂，其余水外排。
接着进行树脂的反洗，重生。
树脂重生后的洗脱液浓集了大
量有毒而又实用的重金属离子，将重生洗脱液导入废酸采集槽内，接着进行树脂
的转型，将转型后的废碱液导入废碱采集槽内，再用水泵将废酸和废碱同时导入
中和池内，最后重金属经回收办理。
（三）设计方案与计算
1、集水调理池设计计算
因为工艺流程采纳的是弱酸性阳离子树脂，其互换基团的离解与PH值关系很大。
如羧酸型（—COOH）阳树脂，只有在PH大于4时才显示其互换性，且PH值越大，互换能力越强（当PH=5时，互换容量为0.5mg当量/g树脂，而PH=8～9时，其互换容量可达9mg当量/g树脂）所以第一要进行PH调理，才能发挥其离子互换作用。
针对废水，且含有多种重金属离子，故采纳投药中和法进行PH调理。
考虑到所办理的水量小，且不产生大批沉渣，故将中和剂（NaOH）投加在集水调理池中。
即可不设混淆反响池，但须知足混淆反响时间。
中和反响式：
H++OHˉ→H2O
117
1025×23×1000×4X
X=4848.4g即NaOH的用量=（4848.4×40）/17=11408g
故每个小时的NzOH的用量为11408/4=2852g/h
在均化池内往常要进行混淆，其目的是要保证调理作用，经过混淆与曝气，
防备可沉降的固体物质在池中沉降下来和出现厌氧状况。
还有预曝气的作用。
废
水中的复原性物质能够被氧化，吹脱去除可挥发性物质。
计算公式
WT=tQiTi
Qi—在T时段内废水的均匀流量m3/h
Ti—时段h
3
取Ti==4hWt=23×4=92m
2
调理池尺寸有效水深取2m池面积为46m
池宽取4m池长为12m
2、过滤池设计计算
过滤是经过拥有孔隙的粒状滤料层截留水中悬浮物和胶体而使水获取澄清
的工艺过程。
滤池的形式有多种多样，因双层滤料池属于反粒度过滤，截留杂质能力强，杂质穿透深，产水能力大，适于在给水和废水过滤办理中使用，故采纳双层滤料滤池。
滤速采纳8m/s，滤料采纳了无烟煤和石英沙。
过滤池计算公式
滤池面积公式F=Q/VT
2
Q=设计日废水量m3/d
V=滤速m/h
T=滤池的实质工作时间T=T0-t1-t2
0
T=滤池工作周期时间h
T1=滤池运转后的逗留时间h
T2=滤池反冲刷时间h
3
3
/d此中考虑了水厂自用水量（包含反冲
设计数据Q=1.05×
洗用水）
2
V取流速8m/h冲刷强度q=12～16L/（s·m）冲刷时间6min
滤池面积及尺寸滤池的工作时间为
24h，每次冲刷6min，逗留时间40min,
滤池实质工作时间为
T=T0-t1-t2=24－40/60－
2
采纳滤池三个每个滤池面积为
2
设计滤池长宽比L/B=1则滤池尺寸
较核强迫滤速v=NV/（N－1）=12m/h
滤池总高承托层H1采纳，滤料层高度无烟煤层为400m，石英砂层为250mm，总高H2=650mm，滤料上水深H3为，超高H4为，滤板H5为。
则滤池总高度为
H=H1+H2+H3+H4
滤池反冲刷水头损失
⑴管式大阻力配水系水头损失
h2=（q/（10aμ））2·（1/2g）
设计支管直径d=70mm,b（壁厚）=5mm,孔眼d=9mm,孔口流量系数μ=0.68，配
2
水系统开a=0.25%,q=14L/（s·m）,得h2
⑵经支承层水头损失计算
h31×0.45×14=0.14（m）
⑶滤料层水头损失及充裕水头为
h4=2m
⑷反冲刷水泵扬程Ｈ＝滤池高度＋清水池深度＋管道、滤层水头损失
＋3＋（3.5＋0.14＋
依据冲刷流量和扬程选择反冲刷水泵
各种过滤池的滤料一定按期进行反冲刷，这主假如因为在过滤过程中，原水中的悬浮物被滤料表面吸附其实不停地在滤料层中累积，因为滤层孔隙渐渐被污物拥塞，过滤水头损失不停增添，当达到某一限度时，滤料需要进行冲洗，使滤池
恢复工作性能，持续工作。
3、离子互换柱设计计算
离子互换是靠互换剂自己所带的能自由挪动的离子与被办理的溶液中的离子经过离子扩散来实现的，推进离子互换的动力是离子间的浓度差和互换剂上的动能基对离子的亲合能力，这就是离子互换的基来源理。
针对Ni2+,Cu2+,Co2+,Fe3+等离子。
采纳弱酸氢离子互换树脂。
这类树脂对氢离子选择能力特别强，对多价离子的选择能力也忧于廉价离子。
弱酸性阳离子互换树脂指含有羧酸基（—COOH），磷酸基（—PO3H2）等的离子互换树脂，此中以含有羧酸基的弱酸性树脂用途最广，含羧酸基的阳离子互换树脂在水中的解离程度较弱，在10-5～10-7之间，所以显弱酸性，其解离以下：
R－COOH←→R－COO－+H＋
它仅能在靠近中性和碱性介质中才能解离而显示离子互换能力，含羧酸基的弱酸性离子树脂是用甲基丙烯酸或丙烯酸与二乙烯苯进行悬浮共聚尔后水解的方法制得，过去，聚丙烯酸系弱酸性树脂以对链霉素的特别选择互换吸附性能而
主要用于链霉素的分别提炼。
最近几年来，依据它的高达9mg当量/g左右的互换容量，简单重生，以及对二价金属离子拥有较好的选择性的特色，已宽泛用于水办理及工业废水办理等方面。
重生阶段的液流方向和互换时水流方向同样称为顺水重生，反之称为逆流重生。
顺水重生的长处是：
设施简单，操作简单，工作靠谱。
故在本设计中采纳顺水重生固定床工艺。
3.1、采纳弱酸双阳柱全饱和流程
离子互换柱应去除的金属离子的物质的量，考虑到出水中金属离子的含量比较少（Cp≈0）
Ni2+（220mg/L）物质的量浓度为C（1/2Ni2+）
Cu2+（80mg/L）物质的量浓度为C（1/2Cu2+）
Co2+（20mg/L）物质的量浓度为C（1/2Co2+）
Fe3+（10mg/L）物质的量浓度为C（1/3Fe3+）
Pb2+（10mg/L）物质的量浓度为C（1/2Pb2+）
Zn2+（20mg/L）物质的量浓度为C（1/2Zn2+）
共计
计算互换柱办理负荷G=Q（C－Cp）
G—办理负荷mol/h
Q—办理水量m3/h
C—进水浓度mol/m3
Cp—出水浓度mol/m3
每天应去除金属离子负荷为
3
G=Q（C－Cp）=550m/d×（12.435－
3.2、计算Na型阳离子互换树脂互换塔所需树脂的体积，
该弱酸阳树脂工作
3
决定树脂重生周期T=2d,所需树脂的体积
互换容量E0=1500mol/m,
计算所需树脂的整体积▽
＝ＧＴ／ＥＯ
3
＝树脂整体积m
T＝树脂重生周期h
EO＝工作互换容量mol/m3
＝ＧＴ／Ｅ0×2d）/1500mol/m33
（1）设计离子互换柱的直径
D＝（4Q/V
D—离子互换柱直径m
V—办理液在柱内流速m/h
D＝（4Q/V=（423/
（2）计算离子互换柱高度
h=4/（D2π）
h—树脂层高度m
Ｈ—离子互换柱高度m
α—树脂冲洗时膨胀率
可按４０％－５０％考虑
Ｈ＝h（1+α）
计算互换塔尺寸
设互换塔直径
D=1700mm（1.7m）则树脂层厚
度为
h=4
/（D2π）=（9.115m3×4）/（
π×
a—
考虑反冲刷时树脂的膨胀率
α=50℅所以互换塔高
Ｈ＝h（1+α
×（1+50℅）
采纳
2柱串连，则每柱的树脂深度为
（3）离子互换重生液的计算
重生剂的用量
Ｍ＝q0E0▽
M—重生剂的用量g
Q0—重生剂耗量g/mol
3
—饱和树脂的体积m
重生液的体积▽
I=M／Ci
I—在必定浓度下的重生液的体积L
Ci—重生液中所含重生剂的浓度g/l
整个办理过程发生的化学反响（Na型阳离子互换柱）
2++
去除2R－COONa＋M←→（R－COO）2M＋2Na
式中M2=Ni2+,Cu2+,Zn2+,Pb2+,Co2+等
重生（R－COO）2M＋2HCl←→2R－COOH＋MCl2
转型R－COOH＋NaOH←→R－COONa＋H2O
3.3、计算互换塔阳树脂重生时的耗酸量，查表得HCL的重生剂耗量为
q0=50g/mol
重生一次所需的酸量（M）为：
Ｍ＝q0E0=50g/mol×1500mol/m3×3=683625g
如配成5％浓度的盐酸，查表得每升含盐酸质量51.2g，即浓度Chcl
故所需5％的盐酸重生液体积：
▽HCL=M/CHCL=683625g/（51.2g/l）=13352L
重生周期为12h。
3.4、计算转型液用量
转型液用量为树脂体积的1.5倍即9.115×3
取转型液（NaOH）浓度（4℅）转型即为1mol/L（NaOH的密度约等于水的密
度）
转型周期为12h
3.5、新树脂的预办理
弱酸阳树脂重生淋洗宜用低纯水，水量约为树脂体积的6倍，淋洗流速先用再（）,后逐渐增大到互换流速（10m/h）.、
预办理用水量=9.115×3
转型淋洗要用低纯水，大批约为树脂体积的6倍，淋洗到出水PH=8—9，淋洗开始用重生流速，而后用互换滤速淋洗。
淋洗用水量×3
3.6、离子互换柱尺寸设计
离子互换柱简图如右图所示重生液进口管离子互换柱管径确实定依据公式
d=18.8（Q/v）1/2
d—管内径（mm）
3
Q—介质容积流量（m/h）
v—介质均匀流速（m/s）
因废水中含有重金属离子和氯离子，硫酸根离子
查表得盐水的滤速往常为1.0～
取则出入水管直径视镜滤速表见标明2
依据经验排气口管直径比进水管小1～2号即排气管的直径为90mm.
因重生需要12个小时，且在12个小时的总流量为
3
3
3
考
3
虑到多用的水量取V总=75m
d=18.8（Q/v）1/2查表得盐酸的常用流速v2=1.5m/s
3
Q总=75/12=6.25m/h
2
取40mm
d=18.8（6.25/1.5）1/2=39mm
转型所需时间为12小时，且在12个小时的总流量为
333考虑到多用的水量取
3
V总=70m
d=18.8（Q/v）1/2
查表得
NaOH的常用流速
v3
Q总3/h
d3=18.8（5.8/2）1/.2=27mm
取
30mm
3.7、离子互换柱壳体壁厚设计计算
壳体的空间高度除互换树脂层，压脂层据有的高度，还应能知足树脂层所必
需的反洗膨胀高度，此高度一般应为树脂层于压脂层高度的50-60℅。
壳体资料应知足互换柱强度及耐柱内工作液腐化的要求。
在本设计中，采纳碳素钢及低合金钢。
壳体的附件有，长进水管，下出水管，排气管，视镜等，视镜的位臵应能察看树脂下部动向及颜色变化，树脂层面能否颠簸和树脂层反洗膨胀后的层面等，故视镜该采纳2个。
视镜往常为耐腐化的资料作成，常用有机玻璃制成。
在本设计中，采纳凸缘构成的视镜，它结构简单，不易粘料，有比较广阔的
视察范围。
标准视镜的公称直径有50～100mm五种，考虑到筒体直径为1700mm,故视镜直径为100mm较为适合，分别设臵在互换柱上布水系统下部和支承层上
部。
因容器处于常温常压下，采纳公式δmin=2Di/1000mm
δmin=（2×考虑到钢板被腐化应加上1mm的厚度附带量，
即壳体厚度为
3.8、离子互换柱封头设计
采纳标准椭圆形封头,封头用碳素钢资料制成
标准椭圆形封头壁厚计算公式
δ=PDi/（2[σ]tφ-0.5P）+C1+C2
已知P=1MPaDi=1700mmσ[]t=180MPaφ=1（整体冲压）Ci=0.6mm（钢板负偏
差）
C2=1mm（单向腐化）
δ=（1×1700）/（2×180×1－0.5×1）+1=5mm
当碳素钢封头厚度在4～8mm,封头直边h高度取25mm
3.9、离子互换柱的支座设计采纳支承式支座
用钢板组焊接的支承式支座已经标准化，经过查表得
Di=1700mm时，支座的主
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