现代水处理技术离子交换法水处理.docx
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现代水处理技术离子交换法水处理
第九章离子交换法水处理
第一节离子交换树脂分类及其性能
一、离子交换树脂的分类
以官能团的性质分为强酸、弱酸、强碱、弱碱七类，如表9-1所示。
表9・1分类衰
分类名称
官能团
强酸性
磺锻基（一SO3H）
弱酸性
披战基（一C（X）H）、咸战基（一PO3H2）
强破性
（CH3）2
季铁基-N（CHJ$—N〈
CH2CH2OH
弱碱性
伯、仲、叔胺基（一NH2、一NHR、一NR2）等
二、强酸性苯乙烯系阳树脂
001X7阳树脂是以苯乙烯和二乙烯苯共聚珠体，经磺化后具有磺酸基的高分子化合物。
它具有良好的理化性能：
较高的交换容量，交换速度快，耐磨性能好.化学性能稳定，使用寿命长。
该品种与美国AmberliteIR-120.法国DuoliteC-20.日本DiaionSK-IB相当。
1.结构式
■■
-CH—CH2-
LSChH-
2.理化性能
001X7阳树脂一般不溶于酸、戚及有机溶剂，对弱氧化剂稳定，可在各种pH值下工作.氢卑町耐1059高温，钠型可耐120〜130°C髙温。
吸水能力强，一般产品含50%〜60%水。
凝胶型为淡黄色透明小球粒，大孔型为乳白色.强度很好，可重复使用数千周期。
001X7阳树脂理化性能见表9・2。
表9・2001X7阳树脂理化性能
项目
指标
实际值!
项目
指标
实际值
水分/%
45~55
52.5
耐■率/%
>93
99.5
全交换容t/（mol/LW脂）
»20
4.541
粒度（0・3〜1.2mm”％
>95
99.4
湿真密度（20X：
）
1.23〜1.28
磨后圆球率/%
92
湿视密度/（g/mL）
0.75〜0.85
0・79|
注：
衣中实际值是用西安电力树脂厂生产的树脂测定的.该榊脂钠型经反洗筛分，自山沉降后，在基准状态F的体积仝交换容嚴为l.Slmol/L树脂.
在量筒中无筛分敲实状态下的体积全交换容量为：
Na型，l・97mol/L树脂；Mg型,1.90mol/L树脂；Ca型，2.06moi/L树脂；円型,1.81mol/L树脂。
此类树脂功能基为磺酸基，pK,=l〜2,交换反应如下。
RSO3HINaCl^=^RS（）3Na-bHC1
功能基的酸性相当于硫酸，可与水中各种离子进行交换。
在稀溶液中交换顺序是C/+>Mg2亠》Na+,故常以树脂所带的Na+交换水中Ca2+.Mg2+。
3・工艺性能
树脂工艺性能主要是指出水水质、工作交换容量和相应的再生比耗。
磺化苯乙烯
对于出水水质，主要指漏钠。
一般在正常运行中均很小。
链节单元的相对分子质量为184.2,按每苯环带一个功能
的理论交换最为5.43mmol/g,工业产品为4・5~5・0,在水中体积交换量约为2mmol/mL0
影响工作交换容量的因素如下。
1再生剂用幫L（mmol/L树脂）再生剂用量是影响再生效果的重要因素。
一般情况
下，工作交换容量随再生剂容量的增大而增大。
2进水阳离子组成因为每种阳离子在失效树脂层中含量是随该离子在进水中的百分率增加而相应增加的，而再生时二价阳离子比一价阳离子难于洗脱，钙又比镁较难洗脱，因此，当硬度与总阳离子含量之比P硬和钙与总硬之比P粉殛高时，工作交换容量便低。
3树脂层离度H（m）在用HC1再生时，H越大，运行失效时树脂层中的残余交换容量占总交换容量百分数越小，则树脂利用率越髙；H越大，失效树脂层所占的比例也越大。
所以,H增大有利于工作交换容量的提高。
在用H2SO4再生时，为了防止产生CaSO4的沉淀，必须降低再生剂浓度和提高再生液流速，但这样会引起工作交换容量下降•因此，层高影响可忽略不计。
此外.进水离子总浓度、强酸阴离子当最分率、运行流速、水温以及失效终点和再生操作条件等对工作交换容量均有一定程度的影响。
4原水成分原水成分也会彫响氢型树脂的工作交换容帚。
5其他影响氢型树脂的因素很多，除了以上之外，采用HC1或H2SO4作再生剂对树脂工作交换容量也有较大的影响。
此外，允许氢离子交换出水的漏钠量的大小，亦是影响工作交换容量的因素之一。
在原水含盐量大致相同的悄况下，当Na+占总阳离子的百分率很大时，Na•在出水中漏泄量相应增大。
所以，对于泄漏最的限制，必然导致树脂工作交换容量的降低。
当原水中HCO3占阴离子总量白分数较髙时，可以得到较高的工作交换容量，因为
RH+NaCl一RNa+HCl
RH-NaHCOj=±RNa+li2CO3
当水中强酸阴离子较多时，由于反应右边产生离解度很大的强酸，反应也容易向左边进行，Na+也容易泄漏，因此工作交换容量减小。
相反的，原水中HCO「大时・反应式右边
生成离解度很小的H2CO3,反应容易向右边进行，Na-不容易泄漏，因此工作交换容量
较大。
表9-3为强酸阳树脂的工作交换容量。
表9・3强酸阳树脂的工作交换容■（用HCI再生）
碱度占阴离子的百分数/%
Na占阳离子的百分数/%
HCI/W脂=32kg/mJ
HC1/树脂-64kg/m3
HC1/W脂=96kg/n?
工作交换容*/（rnol/m3）
阳离产泄闭
/%
再生剂用量/（g/mol）
工作交换容屋/（mol/m3）
阳离子泄涮
/%
再生剂用堪/（g/mol）
工作交换容最/（mol/m3）
阳离子泄漏
/%
再生剂用■/（g/mol）
0
0
545
1.5
59
865
0.4
74
1090
0-2
88
25
536
3.0
60
847
2.0
76
1090
1.6
89
50
559
6.5
57
888
3.9
72
1090
3.0
88
75
609
11.5
53
953
5.1
67
1160
5.]
83
100
683
29.0
55
1050
13.1
61
1280
7.9
75
50
0
567
1.0
57
893
0.5
72
1150
0.4
84
25
559
2.5
57
875
1.5
73
1120
0.5
86
50
577
4.0
55
925
1.7
69
1140
1.0
84
75
632
&0
51
995
3.1
64
1230
1.6
78
100
700
20.0
46
1090
5.9
59
1320
2.2
73
100
0
582
0
55
935
0
68
1180
0
87
25
573
0
56
925
0
69
1150
0
89
50
604
0
53
925
0
67
1190
0
86
75
650
0
49
1030
0
68
1260
0
81
100
732
0
44
1130
仃
57
1360
0
75
三、强碱性苯乙烯系阴树脂
以苯乙烯和二乙烯苯共聚珠体，经氯甲基化、后用三甲胺胺化得I型强碱树脂。
国内曾用牌号为717、214、707和强碱性201・它与美国AmberliteIRA-400.美国DowexSBR.日本DiaionSA-10A.前苏联AB-17等产品性能相近。
用二甲基乙醇基胺胺化得II型强碱
树脂。
1.I型和II型强碱树脂性能的差别
1I型碱性比II型强。
I型树脂碱性比u电强，能彻底地交换水中硅酸等弱酸，而II型则除硅能力较差，在原水硅含量高（>25%）时，则不宜使用，而且在阳柱漏钠时硅漏也显著增多。
2【型稳定性比11型高。
氢氧型I型树脂可耐50〜60C,而II型则不能超过40匸,I型耐氧化性能、机械强度.使用寿命都比D型强，二者使用寿命都短于强酸树脂，约可用2〜3个循环，氢氧型稳定性低于氯型，一般都以氯型存放和出售，外观均为淡黄色透明，适用于任何pH值。
3J1型再生效率髙于I型，交换鼠比［型大。
II型树脂再生效率、再生速度都比I型高，而II型树脂对ci-的选择性远低于［型，故交换量不受水中C1-浓度影响，两型树脂的质量交换容量及水中体积交换量各为3〜4mmol/g和0.8-1.4mmol/mL之间，吸水量在40%〜50%之间。
2.结构式
I型强碱树脂的结构式如下。
3.理化性能
表9-4是201X7阴树脂的理化性能。
»9-4201X7阴树脂的理化性能
指标名称
指标
指标名称
指标
-级品
二级品
一级品
一级品
含水＜»/%
40〜50
40〜50
湿视密度/（g/mL）
0.65〜0・75
0.65〜0.75
质St交换容MzZ（nimol/g干CI）
3.0
2.8
耐膳舉/%
95.0
90.0
湿真密度（2（TC）/（g/mL）
1.06-1.11
1・06〜1.11
粒度（0.3〜1.2mm）/%
95
95
4.工艺性能
（1）
强碱1型和II型阴树
工作交换容量与再生剂用星及水中sof、Cl-浓度的关系
脂的工作交换容量见图9-1和图9-2e强碱I型阴树脂的工艺性能见表95。
so「及c「的相对含嚴/%
图9-1I型树脂工作交换容址（等孔型）
SO：
及C「的相对含艮/%
图9-2U型树脂工作交换容董（等孔型）
«9-5强碱I型阴树脂的工艺性能
再生水平/（kg/m'）
工作交换容凰
平均Si（）2泄iS/（mg/L）
圳酸所占阴离子总址的疔分数
SiO2所占阴离子总量的百分数
•
25%
50%
75%
10%
30%
50%
70%
90%
64
300（493）
320（538）
350（574）
0.05
0.19
0.30
0.41
0.53
80
320（534）
350（579）
370（615）
—
—
—
—
—
90
340（556）
370（611）
390（648》
0.02
0.05
0.08
0.12
0.14
128
370（611）
390（648）
410（684）
0.01
0.03
0.05
0.07
0.09
注：
括号内的数据为国外多孔强*I阴树脂的工作交换容最・无括号的数据为国产强破1型阴树脂的工作交换
（2）再生剂纯度对阴树脂工作交换容量的影响见表9-6。
由表9-6可知，用化学纯NaOH再生时.工作交换容量为488.5mol/rn3,树脂再生度为98.7%,而用工业碱再生时，工作交换容童为285.3mol/rn3,再生度仅为化学纯Na°H的40%左右，说明再生剂纯度对工作交换容量影响很大。
-（3）逆流再生时工艺性能浮动床运行阴树脂工艺性能参见表9・7。
表9・6再生剂纯度对阴树脂工作交换容■的影响
NaOH种类
NaOH
/%
Na2CO3
/%
NaCl
/%
Fe2（b
/%
工作交换容量
/（mol/m3）
水耗
/（m3/m3）
化学纯
>95
3.0
0.01
0.0029
488.5
0.85
进口水银法生产
>99.5
<0.45
Cl
MO.004
462.7
0.56
仿制隔膜法生产
>96.1
1.65
2.2
<0.01
434.9
0.73
工业液碱
3G
1.0
5〜9
0.01
285.3
1.05
注：
1.树脂工作交换容橄及水耗数据按黄国ASTM榊脂试验方法进行测定.
2.试验条件：
交换柱直腔044mm,装载树脂"1.21.（717）・树脂层高800mm,再生水平40g/Lo
*9-7浮动床运行阴树脂工艺性能（各厂运行数据统计值〉
电厂名称
阴床入□水水质
再生水平
/（kg/m^）
工作交换容联
/（mol/m3）
比耗
/（g/moi）
出水SiO2
/（Pg/L）
京西电厂
酸度0.664mmol/L
CO213mg/L
13.14
280
47
<20
SiQ9〜14mg/L
16
352
45
<20
古林电厂
酸度0・8mmol/L
CO230mg/L
S1O29〜14mg/1.
13.14
279
47.5
<20
安阳电厂
酸度1・2mmol/L
CO28.8mg/L
SiOi12mg/L
13.86
315
44
辽宁电厂
酸度0.5mmol/L
CO?
6mg/L
SO29.8mg/L
16
337〜399
47.9—40.3
<10
大连电厂
酸度3.3~3・6mmol/L
C（»十SiOj—0.3mmol/L
16
330
48.5
—
由表9-7可知，当入口水水质不同，再生水平相同时，其交换容量大体相同。
即再生水平为13kg/rn3,工作交换容駐为300mol/m3.比耗为40g/mol左右。
再生水平为16kg/m3,工作交换容量为330〜350mol/m3,比耗为49g/mol左右。
因此，逆流再生时，工作交换容.量与进水水质关系不大。
固定床逆流再生时的比耗和工作交换容B：
与浮动床接近。
5・国内外强碱阴树脂性能对比
目前我国生产的201X7和717强碱阴树脂在我国使用近40年，从其性能来看，除交换容最比国外树脂低以外，其他性能良好。
二者性能对比见表9・8。
*9-8国内外强碱阴树脂性能对比
性能
牌号
质最交换容績
/（mmol/g）
含水率
/%
湿密度
/（g/mL）
视密度
/（g/mL）
耐磨率
/%
压碎强度
/g
DuoliteAlolD
4.07
1.06
0.68
—
605
DowexSBR
3.86
4：
.1
1.04
0.71
96.5
940
AmberLiteIRA400
3.70
42〜48
1
1.11
0.71
一
—
西安产201X7
3.26
46
1.10
0.72
99.1
858
四、弱酸性阳树脂
1.制造
弱酸阳树脂由甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸甲酯与二乙烯苯等共聚后水解或直接由丙烯酸类单体交联共聚制得。
2.性能
（1）交换容量大
弱酸阳树脂链节单元分子量小，故交换量大，丙烯酸类及甲基丙烯酸
类分别约为10.0〜ll.Ommol/g及&0〜10.Ommol/g,丙烯酸类略大于甲基丙烯酸类，适用
于碱度较高（pH值5以上）的水处理，不能与中性盐作用，即只能与碳酸盐作用，不能与cl、sor作用。
（2）再生效率高功能基相当丁•竣酸.离解度小，为弱酸性，再生效率高，只需稍为过
«（120%）即可完成再生。
（3）交换速度慢、稳定性低于强酸树脂竣酸基（一COOH）的特性决定了它的交换速
度较慢，耐热比强酸树脂差（比强酸约低20〜30£）,最高使用温度约为80匸。
（4）外观为乳白色球粒，略带弹性，吸水量随交联度变化很大，H+-Na+膨胀系数80%〜150%,比H+-<2泌+（10%〜20%）大得多，而且在新树脂使用中约有10%不可逆
膨胀.含水量为40%~60%°
五、弱碱性阴树脂
1.制备
弱碱树脂一般包括第一胺（伯胺，一NH2八第二胺（仲胺，一NRH）和第三胺（叔胺，一NR?
）三种，制法和强碱相似，只是所用的胺碱性（级别）比较低。
也有些是由坏氧氯丙烷和多乙烯多胺通过逐步共聚合及苯酚、甲醉和各种胺通过缩聚制得。
2.性能
此类树脂碱性较弱，pK】=6〜9,只能在酸性条件（pH=O〜9）下使用。
（1）交换容量交换量大于强碱阴树脂・质量及体积交换容鼠分别在5〜7mmol/g及
2.0〜3・0mmol/mL之间♦缩聚类町达8〜9mmol/g。
（2）选择性在稀溶液中此类树脂的选择性顺序如下。
SO3
OH->]>Cit3-Cr<）r>SC）J>Ta“2一>Oxa2->P（）J->ASOJ>MoO?
~>NO；>I~>
B广>SCN>C1->F->HCOf>ACO->HCOf
其中：
Cit为柠檬酸，Tart为酒石酸，0x3为草酸。
在碱性条件下，R=NHOH几乎不离解，对OH-吸附能力最强，故再生效率很高，只要过暈120%即可完全再生，对CO、HC（）「BOr等弱酸交换能力很差，XjH2SiO3几乎不能作用。
对于要求不高的净化水应用上很为经济，可以与强碱树脂配合使用。
（3）抗有机污染能力强强碱阴树脂再生效率高・在吸附有机物后易于再生解吸，表现为抗污染能力强，可用于双层床，既充分利用强碱阴树脂剩余再生剂，乂可保护强减阴树脂。
第二节各种离子交换工艺和设备
一、概述
实现离子交换水处理工艺的关键在于：
①恰当地选择离子交换剂；②合理地组合工艺系统；③选择适合的离子交换设备；④遵循最佳的运行再生操作制度；⑤采取必要的防止树脂
污染措施。
工业水处理中应用的离子交换工艺见表9-9,其中的主要化学反应见表9-10.
«9-9工业水处理中应用的藹子交换工艺
工艺类型
离子交换种类
使用的离子交换剂
软化
Na十交换
磺化煤①、强酸型阳离子交换树脂
除砸（软化）
H十（Na+）交换
磺化煤、强酸（或弱酸〉阳树脂
部分除盐（不除硅）
H+和OH-交换
HCOj*和H+交换
soj-交换
强酸（或加弱酸）阳树脂和弱破阴树脂
弱碱阴树脂和弱酸（或强酸）阳树脂
强酸阴树脂
完全除盐（除硅）
H+和OH■交换
强酸（或加弱酸》阳树脂和强緘（或加场碱）阴树脂
除硅（不除盐）
Na*和CL交换
强酸阳樹脂和强碱阴树脂
除有机物
专用大孔阴离子交换树脂
1鉴于磺化煤工厂交换容量低・稳定性差・目前较少采用.
*9-10蔑子交换法的主要化学反应
工艺
类型
工
作过程
再
生过程
钠离
子交换
R（-SO3Na）2-l-Ca2+.
一R（—SOj）2Ca+2Na*
R（-SO3）2Ca-b2NaCl=
=R（—SChNa^+CaCH
弱酸
R（一COOH）+NaHCO3R（—COO）Na+H2CO3
R（—CO（））Na+HCl^^R（—COOH）+NaC【
里氢离
R（-COOH）24-Ca（HCOa）2C（X））2Ca
R（—COO〉2Ca+2HCl==2R（—COOH）+CaCb
子交换
+2H2CO3
R（—SO3NHJ2fM一R（-SO』2Ca+2NH；
R（—S（）3）2Ca-l2NH^=2R（—SOjNHJz+CaCb
子交换
R（—SOsNHJ+Na*
=^R（—SO3〉Na*NH：
RC—SOjNa+NUCr
=^R（—SO3NH4）-1NaCI
强酸
R（—SO3H）+Nr+—=
=R（—SO3）Na+H+
R（-SO3）Na+HCI~u
R（—SO3H）4-NaCI
子交换
R（—SC）3H）2十Ca2+^
xR（—SO3“Ca*2H・
R（-SO3）2Ca+2HCl=^2R（—SO3H"+CaCb
强緘
战阴离
子交换
R（=NOH）21S（）；「
R（^NOH）2卜HCO,
R（mNOH”+HSiO$
==；R（sN）2SO4+2OH-
=R（wN）HCO3+OH、
5=^R（^N）HSiO34-OH
R（三NkSO。
4-2NaOH▼R（mN）HC（”+NaOH，R（-N）HSiO34-NaOHR（-N）HSO3-t-2NaOH^
—2R（=NOH）4-Na2S（X
—R（三NOH）4-NaHCO3
—R（=NOH）+NaHSiO$
—R（壬NOH）十NatSOj+H2O
（以伯胺基团为例）
型阴离
R（—nh3oh）2-fscX
-5=^R（—NH3）2SCh+2OH-
R（-NHJ2SO4+2NaOH^=^2R（—NHjOH）4-Na2SO<
子交换
R（—NH3OH）+C1・w
=^R（—NH3）Cl+OH・
R（—NI【3）C1卜NaOH^=^R（—NH3OH）-NaCI
强碱
R（mNC1”+SO广K
=±R（=N）2SO44-2C1-
R（=N〉2SO4+2NaCI--
士R（三NCm+NazSO。
型氯离
R（=NC1）+N（）7=
土R（=N）NO3+Cl
R（mN）NCh+NaCl=
^R（sNCI）4-NaNO3
子交换
R（=NCI）4-HSiO；（曰N）HSia+CL
R（f-N）2HSiO3十NaCI（三NCI）4-NaHSiOj
续表
工艺
类型
工作过程
再生过程
弱型树脂除盐工艺
緘化
（R—NFDHCXA+CI^=^（R—NH〉C1+HCO3除at
R—COOH+Na+畀R—COONa+H30f
H3O++HCOf+H2O
碳化（自再生）
R—N+H?
COjNH）HCO3
（R—NH）Cl+NHs=R-N+NHdC】
2R—COONa+H2SO.^=^2R—COOH+NapSOq
实现离子交换工艺的主要设备是离子交换器。
此外还有除碳器、再生溶液制备设备等。
离子交换设备床型分类见表9-11.
*9-11离子交换设备床型分类
类SI
断续式离子交换工艺（固定床工艺〉
连续式离子交换工艺（锻化床工艺）
名称
嶼流离子交换器；无頂压逆漁再生离子交抉器&浮动逆流再生离于交换器（浮床卄双室逆流再生离子交换器；双室浮动逆流再生离子交换器；体外再生顺流离子交换器；双流混合离子交换器；氨化阴离子交换树脂再生器；流动阴离子交换树脂再生器
移动或逆流离子交换器；派动趕逆流离子交换器
为保证离子交换器的正常工作，对离子交换器进水质量的要求如表9-12所列。
S9-12离子交换器的进水质■要求
项目|
浊度/（mg/L）
COD/（mg/L）
游离氯/（mg/L）
铁/（mg/L）
要求
顺流V5•对流V2
凝胶型树脂V3
大孔型树脂不限
<0.1
二、顺流离子交换
1.工艺原理和适用范
（1）工艺原理顺流离子交换于19世纪初最先应用于水的软化处理。
至今在国内外软化除盐工艺中仍占有相当的比重。
顺流离子交换器工作时，水流自上而下
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