给水工程-二十一章-水软化.pptx

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给水处理,第21章水的软化,1,主要内容,第一节水的软化的目的与方法概述第二节水的药剂软化法第三节离子交换软化的基本原理第四节离子交换软化方法与系统,2,第一节水的软化的目的与方法概述,一、水的软化的目的1、硬度硬度是水质的一个重要指标。

硬度盐类包括Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、Fe3+和Al3+等易形成难溶性盐类的金属离子。

硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。

2、硬度的危害长期饮用高硬度的水，会造成胆结石等疾病；锅炉用水中含有硬度盐类，会在受热表面形成水垢，轻则降低锅炉效率，重则会引起爆炸。

3,4,二、水的软化方法：

一是基于溶度积原理，加入某些药剂，把水中的钙、镁离子转化成难溶化合物，这种方法称为水的药剂软化或沉淀软化法。

二是基于离子交换原理，利用某些离子交换剂所具有的阳离子（Na+或H+）与水中的钙、镁离子进行交换，达到软化的目的，这种方法称为离子交换软化法。

三是基于电渗析原理，利用离子交换膜的选择透过性，在外加直流电场的作用下，通过离子迁移，在进行局部除盐的同时，达到软化的目的。

5,第二节水的药剂软化法,基于溶度积原理，加入某些药剂（石灰、苏打），把水中的钙、镁离子反应生成沉淀物CaCO3和Mg（OH）2。

石灰软化法,石灰加入将重碳酸盐碱度转化成碳酸盐碱度，生成的碳酸盐可将Ca2+离子生成CaCO3析出。

6,水的药剂软化法,实际上，石灰软化过程包括：

熟石灰虽然能够将水中的非碳酸盐镁硬度转化成氢氧化镁，但同时产生了等物质量的非碳酸盐钙硬度。

消耗石灰,去除1mol碳酸氢钙消耗1mol石灰,去除1mol碳酸氢镁消耗2mol石灰,7,水的药剂软化法,石灰软化主要是去除水中的碳酸盐硬度和降低水中的碱度。

但是投加过量将造成硬度的上升。

石灰用量的计算,

（1）当钙硬大于碳酸盐硬度，此时水中的碳酸盐硬度仅以Ca（HCO3）2的形式出现,

（2）当钙硬小于碳酸盐硬度，此时水中的碳酸盐硬度以Ca（HCO3）2和Mg（HCO3）2的形式出现,c（CO2）原水中游离的CO2浓度，mmol/L;,c（Fe2+）原水中铁离子浓度，mmol/L;,K铁盐或铝盐混凝剂投加量，mmol/L;,CaO过剩量，一般0.1-0.2mmol/L;,8,水的药剂软化法-石灰苏打软化,在水中同时投加石灰和苏打（Na2CO3），此时，石灰降低水的碳酸盐硬度，苏打降低水的非碳酸盐硬度。

软化水的剩余硬度可降低到0.15-0.20mmol/L。

适用于硬度大于碱度的水进行软化,9,第三节离子交换软化的基本原理,一、概述在给水处理中，离子交换是软化、除盐的主要方法之一。

离子交换的实质是不溶性离子化合物（离子交换剂）上的可交换离子与溶液中其它同样离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆的化学吸附。

反应式可表达为：

RH+M+RM+H+,10,二、离子交换剂,水处理中常用的离子交换剂为磺化煤和离子交换树脂。

离子交换树脂：

有凝胶型、大孔型和等孔型等。

根据交换基团（活性基团）的不同，可分为强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性四种。

前两种有酸性交换基团，为阳离子型交换树脂；后两种带碱性交换基团，为阴离子交换树脂。

磺化煤：

煤研磨后经硫酸处理而得的碳质离子交换剂。

11,离子交换树脂,外观？

颜色？

粒径？

12,13,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,交换基为酸性，H+与阳离子交换,螯合树脂,特殊交换树脂,交换基为碱性，阴离子交换,强酸性,弱酸性,强碱性,弱碱性,SO3H,COOH,OH,N+（CH3）3OH-,N+H3OH-,N+H2ROH-,N+HR2OH-,1、离子交换树脂的分类,依活性基团分,14,凝胶型,大孔型,等孔型,1、离子交换树脂的分类,依结构特征分,15,苯乙烯型,酚醛系,丙烯酸系,1、离子交换树脂的分类,依单体种类分,16,苯乙烯与少量二乙烯基苯共聚，可得到交联聚苯乙烯：

阳离子交换树脂,17,将交联聚苯乙烯制成微孔状小球，再在苯环上引入磺酸基、羧基、氨基等，可得到各种阳离子交换树脂：

阳离子交换树脂能够交换阳离子。

例如：

阳离子交换树脂还能代替硫酸作催化剂，产率高，污染少，便于分离。

18,阴离子交换树脂,在交联苯乙烯分子中的苯环上引入季铵碱基，则得到阴离子交换树脂：

阴离子交换树脂能交换阴离子的离子交换树脂。

19,骨架,活性基团,2、离子交换树脂的结构,带有活性基团的网状分子聚合物,酸性基团,SO3H,COOH,NR3OH-,碱性基团,NR2,20,交联剂,树脂的结构,离子交换树脂是人工合成的高分子化合物（小球状、多孔结构），由树脂本体（母体、骨架）和交换基团两大部分组成。

母体：

由高分子化合物与交联剂经聚合反应而成。

树脂中交联剂的重量在树脂重量中所占的百分数成为交联度。

交换基团：

树脂母体并不具有离子交换性能，只能在母体上引入交换基团才成为离子化合物，具有离子交换能力。

21,常用的交换基团有：

经磺化反应引入的-SO3H（阳离子）；经氯甲基化及胺化引入的NOH（强碱性阴离子）、NHOH（叔胺型）、=NH2OH（仲胺型）和NH3OH（伯胺型）等。

交换基团分为固定离子和活动离子。

22,固定离子：

与母体牢固结合，固定在树脂的网状骨架上，不能自由移动。

活动离子：

依靠静电引力与固定离子结合，遇水可离解，并能在一定范围内自由移动，与水中其它同性离子进行交换反应，为可交换离子。

例：

-SO3H中，-SO3固定，H+移动；NHOH中，NH固定，OH-移动。

故：

酸性树脂以RH表示；碱性树脂以ROH表示。

23,交换过程,24,阳离子交换树脂,R-SO3H+M+R-SO3M+H+,阴离子交换树脂,R-N+（CH3）3OH-+HClR-N+（CH3）3Cl-+H2O,R-N+H2OH-+HClR-N+H2Cl-+H2O,螯合树脂,R-L+M（R-L）nM,离子交换树脂的基本性能,25,外观交联度含水率溶胀性密度交换容量有效pH值范围再生,1外观粒径0.31.2mm乳白、淡黄、棕褐色等不透明或半透明球状颗粒,2交联度：

表征骨架性能的参数。

指离子交换树脂中交联剂的质量占树脂干重的百分数。

离子交换树脂的基本性能,26,交联度大，树脂空隙小，交换反应速度慢，选择性高交联度小，树脂空隙大，交换反应速度快，选择性低,3含水率树脂的含水率以每克湿树脂（在水中充分膨胀）所含水分的百分比（约50%）,离子交换树脂的基本性能,4溶胀性干树脂+水湿树脂体积胀大，绝对溶胀度,树脂的含水率相应地反映了树脂网架中的孔隙率,树脂的交联度越小，孔隙率就越大，含水率相应较大。

湿树脂转型时，体积胀大，相对溶胀度,27,5密度,湿真密度：

树脂溶胀后质量与其本身所占体积之比。

湿视密度：

树脂溶胀后与树脂堆积体积之比。

苯乙烯系列强酸树脂湿真密度约为1.3g/ml；强碱树脂约为1.1g/ml。

苯乙烯系列强酸树脂湿视密度约为0.60-0.85g/ml,28,6.交换容量,交换容量是树脂最重要的性能，它定量表示树脂交换能力的大小。

全交换容量：

一定数量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量。

工作交换容量：

给定的工作条件下实际上可利用的交换能力。

全交换容量可以通过滴定法测定，也可根据树脂的单元结构式加以计算。

工作交换容量与树脂再生方式、原水含盐量及其组成、树脂层高度、水流速度、再生剂用量等因素有关。

可通过实验或设计资料确定。

29,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。

7.有效pH值范围,各种类型树脂有效pH值范围,30,交换后的树脂在强酸或强碱中浸泡可恢复交换能力，称为树脂的再生,交换过程,8.树脂的再生,再生过程,31,三、离子交换的基本原理,1、交换过程

（1）水中Ca2+离子扩散至树脂表面水膜（膜扩散）

（2）Ca2+经在树脂孔道里移动，至某一交换基团位置上（内扩散）（3）Ca2+与H+（Na+）交换（4）交换下的H+（Na+）经空隙向树脂表面扩散（内扩散）（5）H+（Na+）经水膜向水中扩散（膜扩散）其中第（3）步速度快，其余步骤速度慢，离子交换速度指全过程的速度。

32,33,（3）树脂粒径：

膜扩散，速度与粒径成反比孔道扩散，速度与粒径次方成反比,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，孔道扩散为控制步骤浓度小于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,（4）交联度：

交联度对于孔道扩散影响比对膜扩散更为显著,34,2、树脂层离子交换过程,1段树脂已全部饱和2段正在进行交换，其饱和程度顺着流向逐渐减小3段表示树脂尚未进行交换的区段如把整个树脂层各点饱和程度连成曲线，即得图所示的饱和程度曲线,35,交换带是指在某一时刻正在进行交换反应的软化工作层。

其随着时间的推移而缓慢地推移。

交换带厚度可以理解为处于动态的软化工作层的厚度。

硬度还是泄漏时，树脂层可分为两部分：

交换容量得到充分利用的部分为饱和层，树脂交换容量只是部分利用的部分称为保护层。

交换带厚度=保护层厚度。

交换带厚度与进水流速及总硬度有关。

36,

（1）交联度

（2）水中离子浓度（3）水的流速（4）树脂颗粒大小（5）水温,3、影响交换速度的因素,37,一、阳离子交换树脂的交换特性1、钠型树脂的交换特性2、强酸性H型树脂交换特性3、弱酸性H型树脂交换特性,第四节离子交换软化方法与系统,38,1、钠型树脂的交换特性,39,2、强酸性H型树脂交换特性,40,3、弱酸性H型树脂交换特性,弱酸性H型树脂常用的有丙烯酸型，交换基团是COOH，交换时只能去除碳酸盐硬度，而不能去除非碳酸盐硬度。

41,二、离子交换软化系统,1、Na离子交换软化系统只去除硬度，不能去除碱度,42,2、离子交换脱碱软化系统,在过滤给水中，有时需要同时去除硬度和碱度。

为达到去除硬度，降低碱度又不增加水中溶解性固体的目的，常采用H-Na离子交换法来处理。

（1）H-Na并联离子交换系统

（2）H-Na串联离子交换系统,43,44,H-Na串联离子交换脱碱软化系统,45,三、离子交换软化装置,离子交换装置，按照运行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类：

46,1、固定床离子交换设备,固定床离子交换装置根据原水与再生液的流动方向，可分为两种形式：

原水与再生液分别从上而下以同一方向流经离子交换器的，称为顺流再生固定床。

原水与再生液流向相反的，称为逆流再生固定床。

47,顺流再生与逆流再生,逆流再生,顺流再生,48,顺流再生的操作过程,

（1）软化,

（2）反洗,

（2）正洗,（3）再生,49,50,顺流再生的缺点,上部再生程度高，下部差，越是下部越差,再生剂耗量大，23倍理论值时，效果仍不理想,出水剩余硬度高,交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低,适合于硬度较低的场合,51,逆流再生的优点,再生效果好，耗量可降低20%以上,出水水质明显提高,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,再生废液中再生剂有效浓度低,工作交换容量提高,操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等,52,逆流再生是原水和再生流向相反，故逆流再生形式有两种形式：

1）下向流交换，上向流再生2）上向流交换，下向流再生,逆流再生的实现,53,54,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。

气顶压逆流再生操作步骤,小反洗,放水,顶压使床不乱（为何需顶压，顺流时是否需顶压）,进再生液,逆向冲洗（软化水，流速57m/h）,正洗,逆流再生固定床运行若干周期后要进行一次大反洗，以便取出树脂层中的污物与碎粒。

55,Return,冲洗压脂层,流速5-10m/h,历时10-15min,流速5m/h,流速5-7m/h,流速10-15m/h,维持空气压力30-50kPa,56,逆流再生固定床的再生剂耗量与再生液浓度,逆流再生固定床运行流速为15-20m/h，再生流速为5m/h。

57,钠离子