1、 主要内容主要内容水的软化水的软化苦咸水淡化与除盐苦咸水淡化与除盐水的冷却水的冷却循环冷却水水质处理循环冷却水水质处理空气进水进水出水出水 软化的目的与方法软化的目的与方法 水的药剂软化法水的药剂软化法 离子交换基本原理离子交换基本原理 离子交换软化方法与系统离子交换软化方法与系统第第7 7章章 水的软化水的软化7.1 软化的目的与方法软化的目的与方法生产用水生产用水锅炉用水锅炉用水硬度：硬度：水中钙、镁离子的总含量。水中钙、镁离子的总含量。碳酸盐硬度碳酸盐硬度暂时硬度；暂时硬度；非碳酸盐硬度非碳酸盐硬度永久硬度。永久硬度。锅炉分类与处理要求：锅炉分类与处理要求：低压锅炉低压锅炉 6.0 MP
2、a除盐处理除盐处理处理方法：药剂软化溶度积原理离子交换软化离子交换反应7.2 水的药剂软化法水的药剂软化法石灰软化石灰软化可去除碳酸盐硬度可去除碳酸盐硬度不能去除非碳酸盐硬度不能去除非碳酸盐硬度石灰石灰-苏打软化苏打软化石灰可降低碳酸盐硬度石灰可降低碳酸盐硬度苏打用以降低非碳酸盐硬度苏打用以降低非碳酸盐硬度石灰石灰-石膏软化石膏软化降低与碳酸盐硬度相应的那部分降低与碳酸盐硬度相应的那部分碱度碱度降低降低钠盐碱度钠盐碱度 石灰软化石灰软化主要降低碳酸盐硬度和碱度主要降低碳酸盐硬度和碱度可去除可去除Fe2+、Si4+出水：出水：剩余硬度为剩余硬度为0.250.5mmol/L 剩余碱度为剩余碱度为0
3、.81.2mmol/L 硅化物去除硅化物去除3035%铁残留量约铁残留量约0.1mg/L有机物去除有机物去除25%21.2 水的药剂软化法GOGO1 石灰石灰-苏打苏打(Na2CO3)软化软化适用于适用于硬度硬度碱度碱度的水的水去除硬度去除硬度去除碱度去除碱度与与Na2CO3有关的反应有关的反应CaSO4+Na2CO3 CaCO3+Na2SO41当量苏打当量苏打MgSO4+Na2CO3 MgCO3+Na2SO4 1 1当量苏打当量苏打MgCO3+Ca(OH)2 Mg(OH)2 +CaCO3 1 1当量石灰当量石灰21.2 水的药剂软化法 石灰石灰-石膏石膏(CaSO4、CaCl2)法法2NaH
4、CO3+CaSO4+Ca(OH)2 2CaCO3+Na2SO4+2H2O 降低与碳酸盐降低与碳酸盐硬度相应的那硬度相应的那部分碱度部分碱度 适用于适用于总碱度总碱度 总硬度总硬度的水的水降低降低钠盐碱度钠盐碱度21.2 水的药剂软化法对已生成的对已生成的水垢水垢(CaCO3)的处理，属的处理，属炉内处理炉内处理。常用常用Na3PO4、NaHPO4等药剂进行炉内处理：等药剂进行炉内处理：3Ca(HCO3)2+6NaOH 3CaCO3+3Na2CO3+6H2O3CaCO3+2Na3PO4 Ca3(PO4)2+3Na2CO321.2 水的药剂软化法调整调整pH值（值（pH9.7)就锅炉水处理而言，以
5、上均为就锅炉水处理而言，以上均为外部软化外部软化。软化处理药剂用量确定软化处理药剂用量确定按化学式计算石灰用量按化学式计算石灰用量按化学当量关系确定药剂用量按化学当量关系确定药剂用量【例题例题】天然水中含游离天然水中含游离CO2 0.5meq/L；总硬度为总硬度为6 meq/L，其中其中 钙硬度为钙硬度为4 meq/L，镁硬度为镁硬度为2 meq/L；总碱度为总碱度为5 meq/L。试确定处理方法和药剂用量。试确定处理方法和药剂用量。21.2 水的药剂软化法水的药剂软化法GO27.3 离子交换基本原理离子交换基本原理离子交换树脂的性质离子交换树脂的性质离子交换平衡离子交换平衡离子交换速度离子交
6、换速度树脂层离子交换过程树脂层离子交换过程凝胶型凝胶型大孔型大孔型 等孔型等孔型离子交换作用离子交换作用 水通过水通过一类物质一类物质,该物质结合水中的某种离子该物质结合水中的某种离子,而释放而释放 出另一种离子到水中的过程。出另一种离子到水中的过程。离子交换剂离子交换剂 具有离子交换作用的物质。具有离子交换作用的物质。磺化煤磺化煤 天然的、化学稳定性和机械强度差，天然的、化学稳定性和机械强度差，常用常用 交换能力低。交换能力低。离子交换树脂离子交换树脂 人工合成人工合成分类分类 按结构特征按结构特征 按单体种类按单体种类 按活性基团按活性基团*苯乙烯系苯乙烯系酚醛系酚醛系丙烯酸系丙烯酸系强酸
7、、弱酸型阳离子交换树脂强酸、弱酸型阳离子交换树脂强碱、弱碱型阴离子交换树脂强碱、弱碱型阴离子交换树脂21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理-COOH-SO3H用途用途 强酸、弱酸型阳离子交换树脂强酸、弱酸型阳离子交换树脂软化、脱碱软化软化、脱碱软化 强碱、弱碱型阴离子交换树脂与阳树脂配合强碱、弱碱型阴离子交换树脂与阳树脂配合除盐除盐组成组成 空间网状结构骨架空间网状结构骨架母体母体 附属于其上的活性基团附属于其上的活性基团 固定部分固定部分固定离子固定离子 活动部分活动部分可交换离子可交换离子表示法表示法R SO3Na R NaR NH3OHR OH21.3 离子交换基本原理离子交换基本原
8、理离子交换的实质离子交换的实质 不溶性的电解质与溶液中的另一种电解质所进行的化学不溶性的电解质与溶液中的另一种电解质所进行的化学反应。反应。21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理 离子交换树脂的性质离子交换树脂的性质物理性质物理性质 外观外观 粒度粒度 交联度交联度 含水率含水率 溶胀性溶胀性 湿视密度：指树脂溶胀湿视密度：指树脂溶胀后的质量与其堆积体积后的质量与其堆积体积之比。湿视密度湿树之比。湿视密度湿树脂的质量脂的质量/树脂堆积体树脂堆积体积积(g/mL)耐磨性耐磨性21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理化学性质化学性质酸碱性酸碱性(有效有效pH值范围值范围)选择性选择性交换容量
9、交换容量:交换容量能定量的表示交换容量能定量的表示树脂交换能力的大小，它又可以分为全交换树脂交换能力的大小，它又可以分为全交换容量和工作交换容量。前者指一定量树脂所容量和工作交换容量。前者指一定量树脂所具有的活性基团或可交换离子的总量，后者具有的活性基团或可交换离子的总量，后者指树脂在给定的条件下，实际上可利用的交指树脂在给定的条件下，实际上可利用的交换能力。换能力。热稳定性热稳定性 离子交换平衡离子交换平衡21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理离子交换反应离子交换反应 服从当量定律服从当量定律等当量进行交换反应等当量进行交换反应 服从质量作用定律服从质量作用定律可逆反应可逆反应 2RNa
10、+CaCl2 R2Ca+2NaCl 软化 再生水的软化水的软化 若反应为静态，很快达到平衡若反应为静态，很快达到平衡，只有部分水软化；，只有部分水软化；若反应为动态，生成的若反应为动态，生成的NaCl及时排走，反应向右进行及时排走，反应向右进行 到底。到底。树脂再生树脂再生 树脂失效后，进行还原，将树脂上的树脂失效后，进行还原，将树脂上的Ca2+、Mg2+置置 换下来，代之以新的反离子。换下来，代之以新的反离子。由质量作用定律，由质量作用定律，离子交换选择系数离子交换选择系数K值值表达式为：表达式为：一般，溶液中在一般，溶液中在Ca2+/Na+2 不大的情况下：不大的情况下：当当K1时时 R2
11、Ca RNa2 即树脂对即树脂对Ca2+的亲和力的亲和力对对Na+的亲和力的亲和力 反应向右进行反应向右进行2222CaRNaNaCaRK 2222/NaCaRNaCaRKK值意义值意义21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理1、K K值表明树脂对溶液中不同离值表明树脂对溶液中不同离 子的交换能力的差别；子的交换能力的差别；2 2、K K值越大，越有利于交换反应；值越大，越有利于交换反应；3 3、K K值能定量地反映出树脂对某值能定量地反映出树脂对某 个离子的优先选择性。个离子的优先选择性。离子交换选择系数离子交换选择系数K一般，原子价高，选择性高；一般，原子价高，选择性高；同价离子，原子序
12、数大、水合半径小的，优先。同价离子，原子序数大、水合半径小的，优先。强酸阳离子：强酸阳离子：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+H+Li+弱酸阳离子：弱酸阳离子：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+Li+常温、低浓度下，树脂对常见离子的选择顺序为：常温、低浓度下，树脂对常见离子的选择顺序为：化学平衡式化学平衡式与与K值的值的应用应用1 1、估计某种条件下离子交换树脂的极限工、估计某种条件下离子交换树脂的极限工 作交换容量；作交换容量；2 2、估计某种已知再生剂再生树脂时，所能、估计某种已知再生剂再生树脂时，所能达到的最大再生度；达到的最大再生度；3 3、估计在再生度已知条件下，
13、出水中某种、估计在再生度已知条件下，出水中某种离子的泄漏量。离子的泄漏量。21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理 若高浓度时，浓度大小树脂选择的主要因素：若高浓度时，浓度大小树脂选择的主要因素：1、离子浓度不大，但离子的、离子浓度不大，但离子的K值排在反离子之前。值排在反离子之前。软化软化2、离子浓度大，虽树脂对其亲和力小，但大量离子可扩、离子浓度大，虽树脂对其亲和力小，但大量离子可扩散迁移到树脂交联网中，将反离子置换下来。散迁移到树脂交联网中，将反离子置换下来。再生再生3、离子浓度大，树脂对其亲和力也大。、离子浓度大，树脂对其亲和力也大。转型转型如：如：RH+NaCl RNa+HCl4、
14、离子浓度小，树脂对其亲和力也小。离子浓度小，树脂对其亲和力也小。交换难以进行交换难以进行如：用低浓度如：用低浓度NaCl 再生饱和的再生饱和的R2Ca树脂，再生不好。树脂，再生不好。21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理 离子交换速度离子交换速度离子交换速度离子交换速度交换动力学问题。离子交换过程：交换动力学问题。离子交换过程：21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理离子从溶液中扩散到颗粒表面离子从溶液中扩散到颗粒表面通过水膜通过水膜离子在孔隙中移动到达交换点离子在孔隙中移动到达交换点离子交换反应离子交换反应交换后的离子在孔隙内移动到颗粒表面交换后的离子在孔隙内移动到颗粒表面通过水膜通过
15、水膜向外扩散到溶液中向外扩散到溶液中瞬间完成瞬间完成溶液中，水不断在树脂颗粒间流动，扩散作用很快，不影响交换速度；溶液中，水不断在树脂颗粒间流动，扩散作用很快，不影响交换速度；膜扩散膜扩散 离子交换速度取决于扩散速度离子交换速度取决于扩散速度孔道扩散孔道扩散 水膜和交联结构对离子扩散产生影响水膜和交联结构对离子扩散产生影响离子交换反应速度由膜扩散或孔道扩散控制的主要区别：离子交换反应速度由膜扩散或孔道扩散控制的主要区别：溶液浓度溶液浓度扩散的推动力扩散的推动力浓度梯度浓度梯度 离子浓度离子浓度0.1M 膜扩散速度快，孔道扩散为控制因素；膜扩散速度快，孔道扩散为控制因素；再生再生 离子浓度离子浓
16、度1有交换带形成有交换带形成 软化软化 K1无交换带形成无交换带形成 再生再生 交换带下移交换带下移交换带宽度影响因素交换带宽度影响因素 Ca2+泄漏泄漏树脂层交换过程树脂层交换过程21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理小树脂性能、交换器结构和树脂性能、交换器结构和运行操作条件运行操作条件等。等。K K值越大，交换带宽度越值越大，交换带宽度越？d d 越小，交换带宽度越越小，交换带宽度越？树脂性能与交换器结构树脂性能与交换器结构交联度越大，交换带宽度越交联度越大，交换带宽度越？流速流速 离子供给速度离子供给速度 取决于处理水的离子浓度取决于处理水的离子浓度离子交换速度离子交换速度 由孔道扩
17、散或膜扩散决定由孔道扩散或膜扩散决定交换带宽度交换带宽度 V V0.50.50.80.8离子浓度离子浓度 离子浓度大离子浓度大 离子供给速度快离子供给速度快交换带交换带宽宽 造成膜两面浓度差大，膜扩散快造成膜两面浓度差大，膜扩散快交换带交换带窄窄再生程度再生程度与剩余硬度有关。与剩余硬度有关。影响交换带宽度的因素影响交换带宽度的因素小大21.3 离子交换基本原理离子交换基本原理7.4 离子交换软化方法与系统离子交换软化方法与系统离子交换软化方法离子交换软化方法离子交换软化装置离子交换软化装置离子交换软化系统的选择离子交换软化系统的选择再生附属设备再生附属设备除除CO2器器 离子交换软化方法离子
18、交换软化方法钠离子交换法钠离子交换法氢离子交换法氢离子交换法氢氢-钠离子交换法钠离子交换法 钠离子交换软化法钠离子交换软化法 水中的水中的Ca2+、Mg2+交换到树脂上，钠离子交换到树脂上，钠离子进入水中，而钠盐的溶进入水中，而钠盐的溶解度很大，不会沉淀析解度很大，不会沉淀析出，达到软化目的。出，达到软化目的。阴离子成分不发生变化，阴离子成分不发生变化，软化后水中碱度不变软化后水中碱度不变.再生再生经软化过程后，树脂为经软化过程后，树脂为Ca2+、Mg2+型树脂，需再生，恢复能力：型树脂，需再生，恢复能力：RNa不能满足软化同时不能满足软化同时碱度也降低的要求碱度也降低的要求8-10%NaCl
19、溶液再生溶液再生 在锅炉给水中，往往在软化的同时，要求碱度也降低，否则，在锅炉给水中，往往在软化的同时，要求碱度也降低，否则，软化中生成的软化中生成的NaHCO3在加热时有如下反应：在加热时有如下反应：腐蚀金属腐蚀金属引起金属引起金属苛性脆化苛性脆化 氢离子交换脱碱软化法氢离子交换脱碱软化法交换下来的交换下来的H+与水中原有的阴离子结合成酸与水中原有的阴离子结合成酸不单独使用不单独使用碳酸盐硬度产生的碳酸盐硬度产生的H2CO3分解被去除分解被去除脱碱脱碱两种连接方法：并联和串联两种连接方法：并联和串联 氢氢-钠离子交换法钠离子交换法设置除设置除CO2器器脱碱、软化脱碱、软化：RNa树脂出水除硬
20、度，不脱碱；RH树脂出水，除硬度，脱碱度，产酸。RH树脂出水含有大量CO2，腐蚀金属设备与管道，所以需要设置除二氧化碳器。串联时要在RNa树脂后，RH树脂前设置除二氧化碳器好。H-Na串联软化系统中，大量游离碳酸经过RNa树脂，会发生RNa+H2CO3=RH+NaHCO3的反应，使碱度再现；水的H值低时，水中的H2CO3不稳定，H+HCO3-=H2CO3=CO3+H2O,若平衡向右进行，有利于H2CO3分解。RH出水呈酸性，为上述反应向右进行创造了条件，因此串联时要在RNa树脂后，RH树脂前设置除二氧化碳器好。三塔式（软化、再生、清洗）双塔式（软化、再生清洗）树脂不外输（软化、再生）离子交换软
21、化装置离子交换软化装置单层床单层床固定床固定床双层床双层床离子交换装置离子交换装置混合床混合床连续床连续床移动床移动床流动床流动床树脂外输（软化、再生）按原水与再生液流动方向流向一致顺流再生固定床流向相反逆流再生固定床构造：构造：上部配水管系上部配水管系树脂层树脂层下部配水管系下部配水管系运行：运行：交换软化交换软化反洗、再生、清洗反洗、再生、清洗缺点：缺点：下部再生程度低，再生剂耗量大；下部再生程度低，再生剂耗量大；出水剩余硬度高；出水剩余硬度高；工作效率低。工作效率低。适用：适用：原水硬度较低、规模设备较小的场合。原水硬度较低、规模设备较小的场合。顺流再生固定床顺流再生固定床再生液首先接触
22、饱和程度低的再生液首先接触饱和程度低的底层树脂，再流经中、上层，使底层树脂，再流经中、上层，使再生液充分利用，再生剂浓度低再生液充分利用，再生剂浓度低（1%）、用量降低（）、用量降低（20%以以上），并保证底部得到充分再生。上），并保证底部得到充分再生。工作交换容量提高。工作交换容量提高。软化时，有底部树脂层的充分软化时，有底部树脂层的充分交换，出水水质提高。交换，出水水质提高。适合处理高硬度水。适合处理高硬度水。逆流再生固定床逆流再生固定床逆流降低泄漏的解释优点以以RHRH交换交换NaNa+为例：为例：NaRHHRNaKNaHRNaRHKCNa10再生后最大水中阳离子总浓度再生后最小在特定情
23、况下，在特定情况下，C C0 0和和K K为定值，故为定值，故NaNa+最小。最小。构造特点构造特点原水原水向下流、再生液向上流；向下流、再生液向上流；气顶压法：气顶压法：顶部送顶部送30-50kPa压缩空气，压缩空气，再生流速再生流速5m/h，不乱层；不乱层；水顶压法：水顶压法：顶部进顶部进50kPa压力水；压力水；中间排水装置：排出再生废液和清洗中间排水装置：排出再生废液和清洗水；水；压脂层：压脂层：15cm厚，比重轻于树脂重于厚，比重轻于树脂重于水，使压缩空气均匀排出，并有一定水，使压缩空气均匀排出，并有一定的过滤作用。的过滤作用。无顶压无顶压：增加中间排水装置的开孔面增加中间排水装置的
24、开孔面积，使孔流速小于积，使孔流速小于0.1-0.2m/s，压脂，压脂层层20 cm，流速为流速为7m/h。构造简单构造简单。图逆流再生操作逆流再生操作冲洗压脂层顶压正洗多个周期运行后进行一次大反洗单位体积树脂所消耗的纯再生剂量与Eop之比(mol/mol)固定床软化设备的计算固定床软化设备的计算GO3 离子交换软化系统的选择离子交换软化系统的选择 Na离子交换软化离子交换软化适用于适用于原水硬度低、只须软原水硬度低、只须软化化的低压锅炉的水处理。的低压锅炉的水处理。处理后水质：除硬度，但碱处理后水质：除硬度，但碱度不变。蒸发时，有度不变。蒸发时，有Na盐残盐残渣渣。H离子交换离子交换不单独使
25、用，原因是出水产酸。不单独使用，原因是出水产酸。H离子交换出水出水水质变化：离子交换出水出水水质变化：强酸树脂对水中离子选择顺序：强酸树脂对水中离子选择顺序：Ca2+Mg2+Na+H+水流经水流经RH后，出水中离子出现顺序为：后，出水中离子出现顺序为：H+、Na+、Mg2+、Ca2+原水中全部阳离子与H交换Na+泄漏，H+量下降。b点后为RNa 树脂的软化过程，树脂中Na+被Ca2+、Mg2+交换下来。水中Na+含量与水中Cl-、SO4 2-相当时,出水酸度=0.随后,出水呈碱性。c点后，水中Ca 2+泄漏。除盐以除盐以Na泄漏为失效点泄漏为失效点软化以软化以Ca泄漏为失效点泄漏为失效点H离子
26、交换出水水质变化：离子交换出水水质变化：当Na+含量达到最高时，出水碱度=原水碱度。H-Na离子交换脱碱软化离子交换脱碱软化 适用于原水硬度高、碱度大的情况。适用于原水硬度高、碱度大的情况。1、H-Na并联并联H罐出水呈酸性罐出水呈酸性Na罐出水呈碱性罐出水呈碱性混合后，经除混合后，经除CO2器。器。原水流量分配：原水流量分配：GO42、H-Na串联串联适用于原水硬适用于原水硬度较高的场合度较高的场合.部分水经部分水经H罐后，罐后，硬度已降低，硬度已降低，再流入再流入Na罐，罐，可减轻可减轻Na罐负罐负荷，提高出水荷，提高出水质量。质量。弱酸树脂的工艺特性及其应用弱酸树脂的工艺特性及其应用 GO5
