水的离子交换除盐以及阴、阳、混床的基础知识

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1、离子交换的基本知识为了除去水中离子态杂质，现在采用最普遍的方法是离子交换。这种方法可以将水中离 子态杂质请出得比较彻底，因而能制得很纯的水。所以，在热力发电厂锅炉用水的制备工艺 中，它是一个必要的步骤。离子交换处理，必须用一种称作离子交换剂的物质（简称交换剂）来进行。这种物质遇 水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换，如Na型离子交换剂 遇到含有Ca2+的水时，就发生如式（4-1）的交换反应：2RNa+Ca2+RCa+2Na+（注：R表示离子交换剂机构中不可交换的部分） 反应结果，水中Ca2+被吸着在交换剂上，交换剂转变成Ca型，而交换剂上原有的Na+跑入水 中，这样水中

2、的Ca2+就被除去了。转变成Ca型的交换剂，可以用钠盐溶液通过的办法，使 其再变成 Na 型的交换剂，以便重新使用。离子交换剂的种类很多，有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分，此 外，按结构特征来分，还有大孔型和凝胶型等。现在普遍使用人工合成的离子交换树脂。一、离子交换树脂的结构离子交换树脂属于高分子化合物，结构比较复杂， 离子交换剂的结构可以被区分为两 个部分：一部分具有高分子的结构形式，称为离子交换剂的骨架；另一部分是带有可交换离 子的基团（称为活性基因），它们化合在高分子骨架。所谓“骨架”，是因为它具有庞大的空 间结构，支持着整个化合物，像动物的骨架支持着肌体一样，从化学的

3、观点来说，它是一种 不溶于水的高分子化合物。高分子化合物一般是由许多低分子化合物头尾相结合、连成一大串而形成的。这些低分 子化合物称为单体，此化合过程称为聚合或缩合。离子交换树脂，根据其单体的种类，可分 为苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等。苯乙烯系是现在我国电厂有得最广泛的一种，我公司使 用的也是苯乙烯系离子交换树脂。二、离子交换树脂的性能1 、物理性能（ 1 ）外观1）颜色。离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，依其组成的不同，呈现的颜色也 各异：苯乙烯系呈黄色，其他也有黑及赤褐色的。树脂的颜色和它的性能关系不大。2）形状。离子交换树脂一般均呈球形。树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率，称为 圆球

4、率。对于交换柱水处理工艺来说，圆球率愈大愈好，它一般应达90%以上。（ 2）粒度树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。颗粒大，交换速度就慢；颗粒小， 水通过树脂层的压力损失就大。如果各个颗粒的大小相差很大，则对水处理的工艺过程是不 利的。这首先是因为小颗粒堵塞了大颗粒间的孔隙，水流不匀和阻力增大；其次，在反洗时 流速过大会冲走小颗粒树脂，而流速过小，又不能松动大颗粒。用于水处理的=树脂颗粒粒 径一般为0.31.2mm。（3）密度 离子交换树脂的密度是水处理工艺中的实用数据。例如在估算设备中树脂的装载量，以及在采用混合床、双层床等工艺时，都需要知道它的密度。（4）含水率 离子交换树脂的含

5、水率是指它在潮湿空气中所保持的水量，它可以反映交联度和网眼中的孔隙率。树脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交联度愈小。（5）溶胀性 当将干的离子交换树脂浸入水中时，其体积常常要变大，这种现象称为溶胀。（6）耐磨性 交换树脂颗粒在运行中，由于互相磨轧和胀缩作用，会发生碎裂现象，所以其耐磨性是 一个影响其实用性能的指标。此外离子交换树脂还有溶解性、耐热性、抗冻性、耐辐射性能、导电性等物理性能。 2、化学性能1 ）离子交换反应的可逆性离子交换反应是可逆的，例如当以含有硬度的水通过H型离子交换树脂时，其反应如下 2RH+Ca2+R Ca+2H+2当反应进行实效后，为了恢复离子交换树脂的交换能力，就可

6、以利用离子交换反应的可逆性， 用硫酸或盐酸溶液通过此失效的离子交换树脂，以恢复其交换能力，其反应式如下R Ca+2H+2RH+Ca2+2离子交换反应的可逆性，是离子交换树脂可以反复使用的重要性质。2）酸、碱性H型阳离子交换树脂和OH型阴离子交换树脂的性能与电解质酸、碱相同，在水中有电 力出H+和OH-的能力。因此，根据此能力的大小可以有强弱之分。强酸性H型交换树脂在水 中电离出H+的能力较大，所以它很容易和水中其他各种阳离子进行交换反应；而弱酸性H 型交换树脂在水中电离出H+的能力较小，故当水中有一定量的H+时，就显示不出交换反应。3）中和与水解离子交换树脂的中和与水解的性能和通常的电解质一样

7、，H型离子交换树脂和碱溶液会 进行中和反应，它的水解反应也和通常电解质的水解反应一样，当水解产物有弱酸或弱碱时， 水解度就较大。4）离子交换树脂的选择性 离子交换树脂吸着各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸着，但吸着后要把它置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。5）交换容量离子交换树脂的交换容量表示其可交换离子量的多少水的阳离子交换处理水经过混凝和过滤等预处理后，虽然可除去其中的悬浮物和胶态物质，但硬度并没有改 变，且碱度一般仍然较高，即使在水的预处理中采用沉淀软化，水中残留的硬度仍比锅炉补 给水对硬度的要求高许多倍，还不能用作

8、锅炉的补给水，必须作进一步软化处理。目前用的 最广的软化方法是离子交换：低压锅炉用水可用钠离子交换处理；中、高压锅炉用水可用二定床离子交换的原理级钠离子交换处理。Afc -M-第一节固定床是动态离子交换的一种形式，它是指运行中离子交换剂层固定在一个交换器中。 固定床的运行方式，通常是使水由上向下不断地通过交换剂层。一、水中阳离子只有Ca2+时和Na离子交换剂的交换当将水由上部通入交换剂时，水中Ca2+首先遇到处于表面层的交换剂，与Na+进行交换。 所以这层交换剂通水后总是很快就失效了。此后水再通过时，其中的Ca2+已不和此表面交换 剂进行交换，交换作用就渗入到处于下一层的交换剂。此后，整个交换

9、剂层可分为三个区域： 上部是已失效的交换剂层，在这一层中由于前期的运行，交换剂均呈Ca型，进水通过它后 水质没有变化，故这一层称为失效层（也叫饱和层）；在它下面的一层为工作层，水经过这 一层时，水中的Ca2+和交换剂中的Na+逐步进行交换反应，直到它们达到平衡；最下部的交 换剂层是未参加工作的一层，因为通过工作层后的水质已达到与这里的离子交换剂呈平衡状 态。由此可知，交换器的运行，实质上是其中交换剂工作层自上而下不断移动的过程。当工 作层还处于离子交换剂层的中间时，出水水质一直是良好的。当工作层的下缘移动到和交换 器中交换剂层的下缘相重合时，如再继续运行，势必交换不完全而使出水中Ca2+的残留

10、量增 加。以后如再运行时，水中Ca2+的残留量就会较快地上升。在实际运行中，为了保证一定的 出水水质，当运行到残留Ca2+量增加的一定时，通常即停止运行。所以在离子交换器的最下 部，有一层不能发挥其全部交换能力的交换剂层，它只起到保护出水水质的作用，这部分交 换剂层称为保护层。在运行中交换剂保护层的厚度是一个对实际运行有影响的数据。如果此厚度大，Ca2+残 留量就会提前增加，交换剂的工作交换容量就小；反之。保护层薄，工作交换容量就大。由 此可知，当增加离子交换剂层高度时，全部离子交换剂交换能力的平均利用率会提高。所以 热力发电厂水处理用的离子交换剂层的高度，一般最低不小于1.0m，有的高达3.

11、5m以上。 交换剂过高的缺点是水通过交换剂层的压降太大，给运行带来困难。二、水中含Ca2+、Mg2+和Na+时和H离子交换剂的交换 实际上，天然水中不会只含单纯一种阳离子，通常都含有多种阳离子，所以离子交换过 程就很复杂。图5-4画出了水中同时含有Ca2+、Mg2+、 Na+三种阳离子时进行的H离子交换，而且再生和运行 都是从上向下通过交换剂层情况下离子变动的过程。图 5-4 表示再生、清洗后，在交换剂层不同高度 处 Ca、Mg、Na、H 四种离子量的分布情况。当水流由 上向下运行时，也由于上部的交换剂先与进水接触， 交换反应首先在这里进行。因各种阳离子选择性的不 同，经一段时间的运行，交换剂

12、层中各离子型态的分 布,从上向下大致是Ca、Mg、Na所占的比例依次增大。如图5-4 (b)所示。之所以出现这种情形，是因为当交换器不断进水时，Ca2+比Mg2+和Na+ 更容易被交换剂吸着，进水中的Ca2+可和吸着了 Mg2+的交换剂进行交换，使吸着Ca2+的交换 剂量不断扩大；当被交换出来的Mg2+连同水中的Mg2+起向下流遇到Na型交换剂时，Mg2+会 置换Na+，结果使Mg型交换剂量也不断增多，分布位置也下移；同理，Na型交换剂的量也 会不断增多，分布位置也下移。停止运行，进行再生。一 4*第二节定床离子交换当交换器运行到图5-4(c)的状态时，如再运行，出水中将有Na+出现，酸度也开

13、始下 降，在要求严格的场合，交换器应停止运行，进行再生。当只要求除去水的硬度，不要求除 去Na+时，即使交换后的水中出现Na+，交换器仍可运行，直到出水中有Ca2+、Mg2+穿透时再固定床离子交换的运行方式是以离子交换剂为滤料，对水进行过滤。因此， 常用作固定床的离子交换器和压力式过滤器结构相似，只是在离子交换器中设有进行再生液的装置固定床离子交换器按其再生运行方式不同，可分为顺流、对流和分流三种。顺流式就是 指运行时水流的方向和再生时再生液流动的方向是一致的，通常都是由上向下流动。因为用 这种方法的设备和运行都较简单，所以从前用得比较多。现在，只在进水水质较好时才应用。 分流再生是在床层表面

14、下约400600mm处安装排水装置，使再生自上、下部同时进入，废 液自中间排水装置中排出。运行时水流自上而下通过床层，所以在这种交换器中，下部床层 为对流再生，上部床层为顺流再生。逆流再生式aI000cJ6逆流式交换器交换制层中离子变动过程 再生后：(b)运行中；(c)失效时为了克服顺流再生方式有底层交换 剂再生程度低的缺陷，现在广泛采用对 流再生方式，即运行时水流方向和再生 时再生液流动方向相对进行的水处理工 艺。习惯上将运行时水流向下流动、再 生时再生液向上流动的对流水处理工艺称为逆流再生工艺。阳离子交换器实效后离子在交换剂层中的分布如下图所示：上层完全是失效层，被Ca2+、Mg2+、Na

15、+所饱和，下层是部分实效的交换剂层。逆流再生时，下层部分实效的交换剂总是和新鲜的再生液接触，故可得到很高的再生度，越往上交换 剂的再生度越低。这种分布情况对交换很有利。因为运行时，出水接触的是这部分再生对彻 底的交换剂，因此出水水质好。上层交换剂虽然再生不彻底，但运行时它首先与进水相接触， 此时水中反离子浓度很小，故这部分交换剂仍能进行交换，故其交换容量得到充分的发挥 交换器的结构 在用逆流再生工艺时，必定要有液体向上流动的过程，由于这一特点，逆流交换的工艺 过程就要比较复杂一些。因为当液体通过交换剂层上流时，如其流速稍微快了一些，就会发 生和反洗一样的使交换剂层松动的现象。这样，交换剂层的上

16、下次序完全打乱，通常称为乱 层。为此，在采用逆流再生工艺时，设备的结构和运行 操作的特点都要注意防止液体上流时发生乱层的现象。逆流再生式离子交换器的机构如图所示。为了防止 再生液和清洗水上流时发生乱层，逆流再生式离子交换 器在交换剂层的表面部分设有排水系统，使向上流动的 再生液或冲洗水能均匀地从此排水装置中排走，不会因 为有水流流向交换剂层上面的空间，而将交换剂层松 动。逆流交换器中间排水装置的结构，主要是要求不漏 交换剂颗粒，分布均匀。它在交换器中应安装牢固，防 止运行中被水流冲坏。目前中排装置常用的形式是母管 支管式。母管置于树脂层上面，阻力较小，也不至于造 成中部死区。支管是以短管与母管

17、连接，用不锈钢螺栓固定。在中间排水装置之上，交换剂层上加一层厚约150200mm的粒状物质作为压脂层，这 是为了使液体上流时不乱层。水的离子交换除盐第一节 阴离子交换树脂的工艺性能阴离子交换和阳离子交换作用相同，是同符号离子间的相互交换，也有可逆性，是按等 物质的量进行的。但阴离子交换剂的交换能力、选择性和化学稳定性等方面和阳离子交换有 差别，而且水中需要用它除去的某些阴离子也有特殊性，所以它的使用条件就和阳离子交换 剂有些不同。一、强碱性阴树脂的工艺性能强碱性OH型交换剂可以用来和水中各种阴离子进行交换，在稀释液中它对各种阴离子 的选择性为 SO 2- N0 -Cl-OH-F-HCO -HS

18、iO -。4 3 3 3由此可知，它对于强酸阴离子的系着能力很强，对于弱酸阴离子则吸着能力较小。对于 很弱的硅酸，虽然能吸着其HSiO-，但吸着能力很差。如果它和水中硅酸盐NaHSiO反应， 生成物中有强碱 NaOH：ROH + NaHSiO RHSiO + NaOH33此时，由于出水中有大量反离子OH-，交换反应就不能彻底，除硅的作用往往不完全， 难以满足高参数锅炉的要求。所以在水处理工艺中，必须设法排除OH-的干扰，创造有利于 吸着HSiO3-的条件。现在普遍采用的办法是先将水通过强酸性H型交换剂，使水中各种盐类 都转变为相应的酸。这样，在用强碱性OH型交换剂处理时，由于交换产物中有电离度

19、非常 小的HO，故可防止水中OH-的干扰，反应式：ROH + HSiO RHSiO + OH2332二、弱碱性阴树脂的工艺性能弱碱性阴树脂只能吸着SO 2-、Cl-、NO-等强酸根，对弱酸根HCO-的吸着能力很弱，对433于更弱的酸根HSiO3-不能吸着。不仅如此，而且弱碱性OH型树脂对于这些酸根的吸着是有 条件的，那就是吸着过程只能在酸性溶液中进行，或者说只有当这些酸根成酸的型态时才能 被吸着，如反应式所示：R（NHOH） +HSiOR（NH）SO +2OH； RNHOH+HClRNHCl+OH32233242332至于在中性溶液中，弱酸性OH型树脂就不能和它们进行交换。这是弱碱性树脂不同于

20、 强碱性树脂的地方。强碱性OH型树脂能和中性盐反应，将它们转变成碱。阴树脂的碱性越 强，将中性盐转变成氢氧化物的能力也越大，这种性能称为分解中性盐的能力。而弱碱性 OH型树脂没有这种能力。用弱碱性阴树脂处理水时，对水的pH值有一定的限制。当水的pH值过大时，可以看作 由于水中OH-浓度大，它抑制了树脂的电离。不再具有可交换性能；也可看作由于弱碱性阴 树脂对OH-的选择性较强，优先吸着OH-，所以当水中OH-较多时，别的离子无法取代它。虽然弱碱性OH型树脂的交换性能不如强碱性的好，但它极易用碱再生。在离子交换除盐系统中，弱碱性OH型树脂常常是和强碱性OH型树脂联合使用的，所以 它还可以利用再生强

21、碱性OH型树脂后的废液来再生。第二节 一级复床除盐将H型阳床和OH型阴床组成的系统称为复床，原水只一次相继地经过H型和OH型交换 器称作一级。一、原理进入除盐系统的原水中，常含有Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子和SO 2-、Cl-、HCO-等阴43离子，以及弱酸HCO和HSiO。当此水通2323过强酸性H型树脂层是，水中的各种阳离子均被树脂吸着，树脂上的H+被置换到水中。所以，此H型交换器的出水呈酸性，其中含有 和进水中阴离子相应的HSO和HCl等强酸，以及H CO和HSi 0等弱酸。这种含有CO和其2 4 2 3 2 3 2他无机酸的水，先经除碳器除去CO,之后，通过强碱性0H型树脂时，水

22、中的各种阴离子均2被树脂吸着，树脂上的0H-被置换到水中，与水中的H+结合成水。通过一级复床除盐的出水水质：硅酸达O.lmg/L以下，电导率达5/J S/cm以下。二、运行1、强酸性H型交换器在除盐系统中，为了要除去水中的H+以外的所有阳离子，必须在有漏Na+现象时，即停 止运行，进行再生。当强酸性H型树脂交换器经再生后冲洗时，出水中各种杂质的含量便迅 速下降，但出水水质达到一定标准时就可投入运行，以后，水质就保持平稳。当出水中开始 漏Na+现象时，即停止运行。2、强碱性 OH 型交换器因为强碱性0H型交换器常设在强酸性H型交换器的后面，所以它的进水中各种阴离子 都以酸的形态存在。在强碱性0H

23、型交换器正常运行中，出水的pH大都在79之间，电导 率为25“ S/cm,含硅量以SiO2计为1020“ g/L。当强碱性0H型树脂实效时，由于有酸 漏过， pH 值下降；与此同时，集中在交换剂层下部的硅漏出，致使出水中硅含量上升。至 于电导率，则常常出现先略微下降，而后上升的情况。第三节 混合床除盐经一级离子交换除盐系统处理过的水质虽已较高，但还不能满足许多工业部门对水质的 要求。为了得到更好的水质，人们曾采用过二级复床除盐系统（即在一级复床除盐后面又加 一级复床）。近年来，随着生产技术的发展，有些工业部门对水质的要求更高了，以至二级 复床除盐也不能满足要求，再增加除盐设备的级数，会使除盐系

24、统越来越复杂。为此，现在 常采用一种在同一交换器中，完成许多级阴、阳离子交换过程，以制出更纯的水的方法，这 就是常称的混合床除盐。一、原理混合床离子交换法，就是把阴、阳离子交换树脂放在同一个交换器中，并且在运行前将 它们混合均匀。所以，混合床可以看作是由许多阴、阳树脂交错排列而组成的多级式复床， 如以阴、阳混匀的情况推算，其级数约可达10002000级。正讹排水反枕排水 从城空气阴阳桂奇 层6的 交界页在混合床中，由于阴、阳树脂是相互混匀的，所以其阴、阳离子 交换反应几乎是同时进行的。或者说，水的阳离子交换和阴离子交换 是多次交错进行的。所以经H型交换器所产生的OH-都不能累积起来， 基本上消

25、除了反离子的影响，交换反应进行得十分彻底，出水水质很 高。混合床中树脂实效后，应先将两种树脂分离，然后分别进行再生 和清洗。分离的方法一般是用水力筛选法，即用水反洗，利用阳树脂 的湿真密度比阴树脂大的特点，使阳树脂处于下层，阴树脂处于上层。昭6-7翘合床离f交换器的结构再生清洗后，再将两种树脂混合均匀，又可投入运行。一般地，混合床主要做成固定床式的。 二、固定床式混合床1、设备结构 固定床式混合床离子交换设备的壳体和压力式过滤器的相同，是圆柱形密闭容器。壳体 中常装置有上部进水装置，下部配水装置；为了将其中阴、阳树脂分开再生，在其中部还设 有配水装置。为了便于阴、阳树脂分层，混合床用的阳树脂和

26、阴树脂的湿真密度差应大于15%20%。 关于阴、阳树脂的配比，应从影响出水水质和一个周期中交换器的出水量两个方面来考虑决 定。目前，国内采用的树脂体积比通常为阴：阳=2 : 1。2、运行 由于混合床是将阴阳树脂装在同一个交换器中运行的，因此在运行上有许多与普通固定 床不同的地方。（1）反洗分层。混合床除盐装置运行操作中的关键问题之一，就是如何将失效的阴、 阳树脂分开，以便分别通入再生液进行再生。在热力发电厂中，目前都是用水力筛选法，对 阴、阳树脂进行分层。这种方法就是借反洗的水力将树脂悬浮起来，使树脂层达到一定的膨 胀率，在利用阴、阳树脂的密度差达到分层的目的。一般阴树脂的密度较阳树脂的小，分

27、层 后阴树脂在上，阳树脂在下。只要控制适当，可以做到两层树脂间有一明显的分界面。反洗开始时，流速宜小，待树脂层松动后，逐渐加大流速至10m/h左右，使整个树脂层 的膨胀率在 50%以上。如反洗流速过大，虽然可以增加树脂的膨胀率，有利于分离，但需要 用较高级的设备，这就要增加投资。一般反洗需1015min。为了容易分层，可在分层前通入NaOH溶液，将阴树脂再生成OH型，将阳树脂再生成 Na 型，使两者间的密度差加大，从而加快其分层。（2）再生。混合床的再生通常有三种方法：体内再生、体外再生和阴树脂外移再生。 在热力发电厂中一般不用第三种方法，下面仅介绍前两种方法。1）体内再生。就是树脂在交换器内

28、部进行再生的方法。根据进酸、进碱和冲洗步骤的 不同，它又可分为两步法和同时处理法两种。所谓两步法是指酸、碱再生液不是同时而是先后进入交换器，两步法又可分为碱液流经 阴、阳树脂的两步法和酸、碱分别通过阳、阴树脂的两步法。在大型装置中，一般都使用酸、碱分别单独通过阳、阴树脂层的两步法。这种方法，实 在反洗分层完毕后，将交换器中的水放至树脂表面上约10cm处，从上部送入NaOH溶液再生 阴树脂，废液从阴、阳树脂分界处的排液管排出，并按同样的流程进行阴树脂的清洗，清洗 至排出水的OH-碱度至0.5mmol/L以下。在再生和清洗时，可用水自下部通入阳树脂层，以 减轻碱液污染阳树脂。然后，再生阳树脂时酸由

29、底部通入，废液也由阴，阳树脂分界处的排 液管中排出。此时，为了防止酸液进入阴树脂层，需继续自上部通以小流量的水清洗阴树脂。 阳树脂的清洗流程也和再生时相同，清洗至排出水的酸度降到0.5mmol/L以下为止。最后进 行整体正洗，即从上部进水，底部排水，一直洗至排出水电导率至2 M S/cm以下。体内再生的另一种方法就是同时处理法。此法实际上与碱、酸分别通过阴、阳树脂的两 步法相似。2）体外再生。这种方法只是把失效的树脂全部转移到专用的再生器中进行再生，其再 生过程与体内再生相同。（3）阴、阳树脂的混合。树脂经再生和洗涤后，在投入运行前必须将分层的树脂重新 混合均匀。热力发电厂通常用从底部通入压缩

30、空气的办法搅拌混合。（4）正洗。混合后的树脂层，还要用除盐水以3040m/h的流速进行正洗，直至出水 合格。（5）交换。混合床的离子交换与普通固定床的相同，只是它可以采用跟高的流速，通 常取 4060m/h。3、特点（ 1 ）优点：1）出水水质高。用强酸性H型树脂和强碱性OH型树脂组成的混合床，制得除盐水的残 留含盐量在1.0mg/L以下，电导率在0.2M S/cm以下，残留硅酸含量（以SiO2）在0.02mg/L 以下。2）出水水质稳定。工作条件的变化一般对混合床出水水质影响不大。3）间断运行对出水水质影响较小。4）交换终点明显。（ 2 ）缺点： 1）树脂交换容量的利用率低；2）树脂损耗率大；3）再生操作复杂。