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水的软化与除盐
日期：2024-11-13 17:49
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摘要：
水的软化与除盐
一、水中主要溶解杂质
离子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+)
HCO3-, SO42-, Cl-
一般Fe2+, SiO32-含量较少。
气体：CO2,O2
总硬度：Ca2+, Mg2+,
碳酸盐硬度（暂时硬度）
非碳酸盐硬度
含盐量：∑阳＋∑阴
软化：降低硬度
除碱：HCO3－（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸）
除盐：降低含盐量
二、硬度单位
mmol/L, meq/L, 度（我国用德国度）
德国度＝10 mg...
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水的软化与除盐
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一、水中主要溶解杂质 离子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+) HCO3-, SO42-, Cl- 一般Fe2+, SiO32-含量较少。 气体：CO2,O2 总硬度：Ca2+, Mg2+, 碳酸盐硬度（暂时硬度） 非碳酸盐硬度 含盐量：∑阳＋∑阴 软化：降低硬度 除碱：HCO3－（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸） 除盐：降低含盐量 二、硬度单位 mmol/L, meq/L, 度（我国用德国度） 德国度＝10 mg CaO/L 美国度＝1mg CaCO3/L 三、水的纯度 以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆 厘米） 淡化水：高含盐量水经局部处理 脱盐水：相当于普通蒸馏水，含盐量1－5mg/L 纯水：亦称去离子水，含盐量<1mg/L 高纯水：含盐量<0.1mg/L 四、软化和除盐基本方法 1.软化 (1)加热 去除暂时硬度 (2)药剂软化：根据溶度积原理 (3)离子交换：离子交换硬度去除比较彻底。 2.除盐 蒸馏法、电渗析法、反渗透法、离子交换法 第2节 药剂软化法 一、石灰软化法： CaO + H2O = Ca(OH)2 CO2 + Ca(OH)2 ---CaCO3↓+ H2O Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 --- 2CaCO3↓ + 2H2O Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 --- 2CaCO3↓+ Mg(OH)2↓+2H2O 若碱度>硬度，还应去除多余的HCO3－ 若水中存在Fe离子，也要消耗Ca(OH)2 所以，石灰投加量： [CaO] = [CO2] + [Ca(HCO3)2] + 2[Mg(HCO3)2] + [Fe] +a 为尽量降低碳酸盐硬度，石灰＋混凝沉淀可以同时进行。 注意：石灰法只能降低碳酸盐硬度以及降低水中的碱度 二、石灰－纯碱法 去除碳酸盐和非碳酸盐硬度 CaSO4 + Na2CO3 ----CaCO3↓+ Na2SO4 MgSO4 + Na2CO3 ---MgCO3 + Na2SO4 MgCO3 + Ca(OH)2 – CaCO3↓+Mg(OH)2↓ 但纯碱太贵，此法一般不用。 三、石灰－石膏法 当原水的碱度大于硬度，即负硬度（有碱度存在时）出现时 2NaHCO3 + CaSO4 + Ca(OH)2----- 2CaCO3↓ + Na2SO4 + 2H2O 第3节 离子交换基本知识 一、离子交换剂： 磺化煤（煤磨碎后经浓硫酸处理得到） 离子交换树脂 二、离子交换树脂 1．结构 * 母体（骨架）：高分子化合物和交联剂经聚合反应而生成的共聚物 根据组成母体的单体材料：苯乙烯（*广泛）、丙烯酸、酚醛系列 * 活性基团：遇水电离，称为固定部分和活动部分 具有交换性（可交换离子） 如聚苯乙烯磺化――磺酸基团（－SO3H） 一种强酸性阳离子树脂 强酸阳离子：RSO3H 弱酸阳离子：RCOOH 强碱阴离子：R≡NOH季胺 弱碱阴离子：R≡NHOH叔胺 R＝NH2OH仲胺 R－NH3OH（伯胺） * 微孔形态：凝胶型、大孔型、等孔型等 2．命名 全名称：（微孔型态）（骨架名称）（基本名称） 如凝胶型苯乙烯系强酸型阳离子交换树脂 为了区别同一类树脂的产品，有时在前面加上一些数字。 3．主要性能 1）密度：湿真密度：1.1-1.3 g/ml 溶胀后的质量与本身所占体积之比（不包括树脂颗粒之间的孔隙），用于确定反冲洗强度，混合床的分层 湿视密度（堆积体积）：0.6-0.85 g/ml 计算树脂用量 2）交换容量：是树脂*重要的性能，表示树脂交换能力的大小。 以体积和重量两种表示方式。 全交换容量：可用滴定法测定或从理论上计算 工作交换容量：实际工作条件下的，全的60－70％ 3）离子交换树脂的选择性 与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关系，同时也受离子浓度和温度的影响。 在常温和低浓度时： * 离子电荷愈多，愈易被交换 * 原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换： Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+= NH4+ >Na+>Li+ SO42->NO3->Cl->HCO3->HSiO3- * H＋和OH－的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。 对于强酸阳树脂：H+>Li+ 而对于弱酸阳树脂：H+>Fe3+ 三、离子交换平衡 离子交换也是一种化学反应，存在交换平衡。 RA + B- --- RB +A+ 离子交换选择系数为： KAB= [RB][A+]/[RA][B+] 该值>1，有利于交换反应的进行。 第4节 离子交换软化 一、阳离子交换树脂特性 分强酸和弱酸。强酸主要有RNa 和RH。 1．RNa 2RNa + Ca2 +--- R2Ca + 2Na+ 2RNa + Mg2+ --- R2Mg + 2Na+ 特点：去除碳酸盐和非碳酸盐硬度，总含盐量（阳离子总重量）有所变化，但碱度不变。 2．RH 碳酸盐硬度， 生成CO2、H2O―――同时碱度也去除了。 非碳酸盐硬度，生成H2SO4，HCl ――出水酸性 对于Na+, RH + NaCl ---RNa +HCl --- 产生钠型树脂，但不起软化作用 出水水质变化见图21－14。 ※开始时出水呈酸性。 ※Na＋开始泄漏时，出水酸度急剧下降。 ※之后，RH交换转变为RNa型运行模式，对Ca和Mg仍有交换能力。出水Na离子逐渐超过原水中的浓度，呈碱性。 ※然后硬度离子开始泄漏 出水中离子泄漏的顺序为：H＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋ 失效点控制：脱碱，以Na泄漏为准 软化，以硬度离子泄漏为准。 3．弱酸型RCOOH（目前应用广的主要是丙烯酸型） 由于电离较弱，只能去除碳酸盐硬度 2RCOOH + Ca(HCO3)2 ----- (RCOO)2Ca + 2H2O +CO2↑ 但交换容量大（活性基团多），比强酸型高一倍。 再生容易。 二、离子交换软化系统 1．RNa 系统 原水碱度低（因为RNa不能去除碱度），不要求降低碱度的情况。 可采用**或二级串联。 2．脱碱软化系统 1〕H－Na 并联 QN QH Q RNa RH 混合 CO2去除 A原：进水碱度 A混：混合水中的残留碱度 S：进水中SO42－、Cl－含量之和, 当量浓度 QH：进RH水量， QN：进RNa水量 ※**种情况：RH以Na＋泄漏为准 经RH产生的强酸量 S QH 经RNa后的碱度 A原QN =A原 (Q-QH) 混合水中的剩余碱度 Q A混 物料平衡: A原 (Q-QH) – S QH ＝A混Q QH ＝ (A原－A混)/（A原＋S）×Q QN＝（A混＋S）/（A原＋S）×Q ※**种情况：RH以硬度离子的泄漏为准。此时，RH只是用来去除水中的硬度，因此，在一个运行周期的出水中Na+的平均含量和原水中的Na+含量相同，RH出水酸度的平均值和原水中的非碳酸盐硬度相当，而不是和原水中的强酸根含量相当。 则RH产生的酸度＝非碳酸盐硬度HF 同样推出： QH＝（A原－A混）/（A原＋HF）×Q QN＝（A混＋HF）/（A原＋HF）×Q 但应注意RH出水在一个周期内是不均匀的？在任何时间都保证不出现酸性水很难。 2）H－Na 串联系统 Q-QH QH Q RNa RNH 混合 CO2去除 水量分配公式与并联时的相同。 这种型式可以降低RNa的负荷。 H-Na并列:适用于碱度高的原水。因为只有一部分水过RNa。投资省 H-Na串联适用于硬度高的原水，出水水质能保证。运行**可靠。 CO2产生量：1mmol/L的HCO3- 产生44mg CO2/L 三、固定床离子交换软化设备 1．离子交换装置的分类 固定床：单床、双层床、混合床 连续床：移动床和流动床 2．固定床的工作过程 饱和曲线 任意时刻树脂层存在三个区 ※饱和区（失效区） ※交换区（交换带）：工作层 ※未交换区 从交换带来讲，要经历两个阶段：1）首先是形成阶段，2〕下移阶段 为保证一定的水质： 应有一个保护层≥交换带高度 交换带的影响因素：水流速度、树脂大小、原水水质 3．工作交换容量 在给定工作条件下的实际交换能力。 P1：再生完毕，软化开始前树脂层中残存的硬度离子所占的百分数 P3：软化结束时，树脂层中交换不到的部分所占的百分数。 P2：工作交换容量 P1＋P2＋P3＝100 影响因素：再生程度、软化时的流速、原水水质 4． 树脂再生 固定床再分为顺流再生和逆流再生两种。 逆流再生：降低再生剂用量；出水质量提高、工作交换容量提高。 RNa型：用NaCl再生 RH型：用HCl 或H2SO4 再生。 第5节 离子交换除盐 需求：高温高压锅炉的补给水、某些电子工业用水等 一、阴离子树脂特性 阴树脂是在粒状高分子化合物母体的*后处理阶段导入各种胺基而成的。 1．强碱性阴离子树脂 ※可以交换经H离子交换出来的各种阴离子。 SO42－、Cl－、HCO3－、HSiO3- ※为彻底除硅：阴离子树脂进水的pH必须较低 ROH + H2SiO3---- RHSiO3 + H2O 若进水酸性降低，则 ROH + NaHSiO3---- RHSiO3 + NaOH 生成的NaOH阻碍反应向右进行。 ※化学稳定性比阳树脂差。 l 易受氧化剂的氧化而变质。特别是其中的氮氧化后，碱性逐渐变弱。交换容量逐渐较少。 l 抗有机物污染能力较差――交换能力逐渐降低。原因尚不清楚。但一般认为阴树脂的交联程度不均，有机物易被交联紧密部分卡住。 2．弱碱性阴树脂 ※只能与强酸阴离子交换反应（以酸形式存在时）。 如：R-NH3OH +HCl = R-NH3Cl + H2O ※极易再生 ※与强碱阴树脂一快用 弱碱――去除强酸阴离子 强碱――去除其他阴离子 同时，强碱阴树脂的再生废碱液――再生弱碱性阴树脂 ※树脂内部孔隙较大，抗有机污染能力较强，交换容量较大。 二、复床除盐 1）强酸－脱气－强碱：*基本 2）强酸－脱气－弱碱－强碱 适用于有机物含量高，强酸阴离子多的情况 三、混合床 阳、阴树脂按比例混合装在同一反应器内。 再生时分层再生，使用时均匀混合。 相当于许多阳、阴树脂交错排列而成的多级复床。 一般交换反应为： RH＋ROH＋NaCl ---- RNa＋RCl＋H2O 平衡常数（选择性系数）K=KHNa KOHCl 1/KH2O>>1 交换反应远比复床彻底得多，出水纯度高。 体内再生：见图。 特点（与复床比较）：出水水质好而稳定，交换终点明显，设备也比较少。 缺点：是树脂交换容量的利用率比较低，损耗率大。再生操作复杂。 应用：在除盐系统的*后，起精加工作用。 四、双层床 1．阳离子 弱酸型：去除碳酸盐硬度 强酸型：去除非碳酸盐硬度 应用：硬度和碱度接近或硬度略大于碱度，Na＋含量不大的水质条件。 2．阴树脂双层床 弱碱：去除强酸阴离子 强碱：去除弱酸阴离子 注意再生条件：防止胶体硅胶聚集在弱碱树脂上 第6节离子交换法处理工业废水 一、离子交换处理工业废水的特点 1．工业废水水质复杂：含各种悬浮物和油类、溶解盐类 适当预处理 2．pH的影响：影响某些离子在废水中的形态，影响树脂交换基团的离解。 3．温度影响：温度高，有利于交换速度的增加，但对树脂有损害，适当降温。 4．高价金属离子：引起中毒，用高浓度酸再生 5．氧化剂：尽量采用抗氧化性好的树脂 6．有机污染：可采用大孔型树脂 7．再生：再生剂的选择要考虑回收有用物，不能回收时，要进行妥善处置。 二、应用 重金属废水，回收重金属 例如：处理含铬废水 六价铬：铬酸根CrO42-和重铬酸根Cr2O72-，两种的比例与pH有关。酸性条件下，主要是Cr2O72- 三价铬：Cr3+ 阳树脂去除三价铬： 3RH + Cr3+ ---R3Cr + 3H 阴树脂去除六价铬： 2ROH + CrO42- --R2CrO4 + 2OH- 2ROH + Cr2O72- -- R2Cr2O7 +2OH- 失效后再生： R3Cr + 3HCl ----3RH + CrCl3 R2CrO4 + 2NaOH ----2ROH +Na2CrO4 R2Cr2O7 + 4NaOH----2ROH + 2Na2CrO4 + H2O 阴树脂的洗脱液再经**RH回收铬酸。 4RH + 2Na2CrO4 ---4RNa + H2Cr2O7 + H2O 脱钠柱失效后再用HCl再生： RNa+HCl---RH+NaCl |