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2019環(huán)保工程師專業(yè)知識考點:離子交換

發(fā)表時間:2018/11/19 16:17:28 來源:互聯網 點擊關注微信:關注中大網校微信
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1.1離子交換的基本原理

水處理中主要采用離子交換樹脂和磺化煤用于離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛,種類多,而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。

離子交換樹脂按結構特征,分為:凝膠型、大孔型和等孔型;

按樹脂母體種類,分為:苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

按其交換基團性質,分為:強酸型、弱酸型、強堿型和弱堿型。

⑴離子交換樹脂的構造

是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物?;钚曰鶊F遇水電離,分成兩部分:固定部分,仍與骨架牢固結合,不能自由移動,構成所謂固定離子,活動部分,能在一定范圍內自由移動,并與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應,稱為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形,顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等,

②交聯度

指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響,一般水處理中樹脂的交聯度為7%~10%.

③含水率

指每克濕樹脂所含水分的百分率,一般為50%,交聯度越大,孔隙越小,含水率越少。

④溶脹性

指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說,交聯度越小,活性基團越容易電離,可交換離子的水合離子半徑越大,則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高,樹脂溶脹率就越小。

在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期,減少再生次數,以延長樹脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹脂最重要的性能,是設計離子交換過程裝置時所必須的數據,定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。

⑦有效ph范圍

由于樹脂的交換基團分為強酸強堿和弱酸弱堿,所以水的ph值對其電離會產生影響,影響其工作交換容量。弱堿只能在酸性溶液中以及弱酸在堿性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能。除與樹脂類型有關外,還與水中濕度和離子濃度有關。

⑨離子交換平衡

離子交換反應是可逆反應,服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間,離子交換體系中固態(tài)的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡,其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利于交換反應的進行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。

其他性能:如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶于水,機械強度用年損耗百分數表示,一般要求小于3%~7%/年。另外,溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降,陽離子比陰離子耐熱性能好,鹽型比酸堿型耐熱好。

⑶樹脂層離子交換過程

以離子交換柱中裝填鈉型樹脂,從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例,以交換柱的深度為橫坐標,以樹脂的飽和度為縱坐標,可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言,樹脂層的變化可分為三個階段。

1.2離子交換裝置運行方式

離子交換裝置按運行方式不同,分為固定床和連續(xù)床

⑴固定床的構造與壓力濾罐相似,是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式,其特點是交換與再生兩個過程均在交換器中進行,根據交換器內裝填樹脂種類及交換時樹脂在交換器中的位置的不同,可分為單層床、雙層床和混合床。

單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂,如果裝填的是陽樹脂,稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂,稱為陰床。

雙層床是離子交換器內按比例裝填強、弱兩種同性樹脂,由于強、弱兩種樹脂密度的不同,密度小的弱型樹脂在上,密度大的強型樹脂在下,在交換器內形成上下兩層。

混合床則是在交換器內均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂,由于陰、陽樹脂混雜,因此原水流經樹脂層時,陰、陽兩種離子同時被樹脂所吸附,其產物氫離子和氫氧根離子又因反應生成水而得以降低,有利于交換反應進行的徹底,使得出水水質大大提高。但其缺點是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。于是又發(fā)明了三層混床新技術,保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。

根據固定床原水與再生液的流動方向,又分為兩種形式,原水與再生液分別從上而下以同一方向流經離子交換器的,稱為順流再生固定床,原水與再生液流向相反的,稱為逆流再生固定床。

順流再生固定床的構造簡單,運行方便,但存在幾個缺點:在通常生產條件下,即使再生劑單位耗量二至三倍于理論值,再生效果也不太理想;樹脂層上部再生程度高,而下部再生程度差;工作期間,原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附,置換出來的反離子隨水流流經底層時,與未再生好的樹脂起逆交換反應,上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子,作為泄漏離子出現在本周期的出水中,所以出水剩余被去除的離子較大;而到了了工作后期,由于樹脂層下半部原先再生不好,交換能力低,難以吸附原水中所有被去除的離子,出水提前超出規(guī)定,導致交換器過早地失效,降低了工作效率。因此,順流再生固定床只選用于設備出水較小,原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。

逆流再固定床的再生有兩種操作方式:一是水流向下流的方式,一是水流向上流的方式,逆流再生可以彌補順流再生的缺點,而且出水質量顯著提高,原水水質適用范圍擴大,對于硬度較高的水,仍能保證出水水質,所以目前采用該法較多。

總起來說,固定床有出水水質好等優(yōu)點,但固定床離子交換器存在三個缺點:一是樹脂交換容量利用率低,二是在同設備中進行產水和再生工序,生產不連續(xù),三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻,上層的飽和程度高,下層的低。

為克服固定床的缺點,開發(fā)出了連續(xù)式離子交換設備,即連續(xù)床。

⑵連續(xù)床又分為移動床和流動床

移動床的特點是樹脂顆粒不是固定在交換器內,而是處于一種連續(xù)的循環(huán)運動過程中,樹脂用量可減少三分之一至二分之一,設備單位容積的處理水量還可得到提高,如雙塔移動床系統和三塔移動床系統。

流動床是運行完全連續(xù)的離子交換系統,但其操作管理復雜,廢水處理中較少應用。

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