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佰源水處理設(shè)備公司為你解說(shuō)關(guān)于離子交換設(shè)備

佰源離子交換有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。在給水處理中，可用于水質(zhì)軟化和脫鹽，制取軟化水、純水和超純水；在廢水處理中，可除去廢水中的某些有害物質(zhì)，回收有價(jià)值化學(xué)品、重金屬和稀有元素；在國(guó)防、化工、生物制藥等方面，能有效地進(jìn)行分離、濃縮、提純等功能。離子交換是靠交換劑自身所帶的能自由移動(dòng)的離子與被處理的溶液中的離子通過(guò)離子擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的。推動(dòng)離子交換的動(dòng)力是離子間的濃度差和交換劑上的功能基對(duì)離子的親合能力，這就是離子交換的基本原理。

（一）離子交換劑的種類(lèi)

佰源離子交換劑是實(shí)現(xiàn)交換功能的基本物質(zhì)。離子交換劑根據(jù)其材料可分為無(wú)機(jī)離子交換劑和有機(jī)離子交換劑，又可分為天然離子交換劑和人工合成離子交換劑等。天然離子劑如粘土、沸石、褐煤等。人工合成離子交換樹(shù)脂有凝膠樹(shù)脂、大孔樹(shù)脂、吸附樹(shù)脂、氧化還原樹(shù)脂、螯合樹(shù)脂等。其交換能力又可分為強(qiáng)堿性、弱堿性、強(qiáng)酸性、弱酸性等多種類(lèi)型。

（二）離子交換樹(shù)脂的基本特性

依其功能用途不同、原料性能不同，所制的樹(shù)脂特性也不相同。常用的凝膠樹(shù)脂的主要特性簡(jiǎn)介如下。

1.樹(shù)脂的外觀與粒度

凝膠型陽(yáng)樹(shù)脂為半透明的棕色或淡黃色的小球，陰樹(shù)脂顏色略深。樹(shù)脂粒度和均一度影響樹(shù)脂的性能，粒度越小表面積就越大；但粒度過(guò)細(xì)不僅增大液體在樹(shù)脂層內(nèi)的阻力，而且也會(huì)影響樹(shù)脂的機(jī)械程度，降低使用壽命。通常樹(shù)脂小球直徑為0.2-0.8mm。

2.樹(shù)脂的密度

樹(shù)脂密度分為干密度和濕密度。干密度是在溫度115℃真空干燥后的密度。濕密度又分濕真密度和濕視密度

（1）濕真密度是樹(shù)脂在水中充分膨脹后的質(zhì)量與自身所占體積（不含樹(shù)脂顆粒之的空隙）之比值(g/cm3)。不同類(lèi)型樹(shù)脂，濕真密度不同。即使同一類(lèi)型的陽(yáng)樹(shù)脂或陰樹(shù)脂，由于所含交換離子種類(lèi)不同，濕真密度大小也不相同。

（2）濕視密度 濕視密度又稱(chēng)堆積密度，是指樹(shù)脂在水中充分溶脹后，單位體積樹(shù)脂所具有的質(zhì)量。濕視密度可用來(lái)計(jì)算離子交換柱內(nèi)填充樹(shù)脂的所需量。

3.樹(shù)脂的交聯(lián)度

樹(shù)脂的骨架是靠交聯(lián)劑連接在一起的。交聯(lián)度是指交聯(lián)劑所占有的份數(shù)，一般用交聯(lián)劑占單體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。例如，聚苯乙烯樹(shù)脂用二乙烯苯作交聯(lián)劑，其用量占單體總料量的8％時(shí)，則這種樹(shù)脂的交聯(lián)度為8％。

交聯(lián)度直接影響樹(shù)脂的性能。交聯(lián)度越高，樹(shù)脂的機(jī)械強(qiáng)度就越大，對(duì)離子的選擇性越強(qiáng)，但離子的交換速度就越慢。這是因?yàn)榻宦?lián)度高，表明樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)緊密，孔隙率低，同時(shí)樹(shù)脂在水中溶脹率也低，因而水中的離子在樹(shù)脂內(nèi)擴(kuò)散速度小，影響了離子間的交換能力。

4、樹(shù)脂的穩(wěn)定性

(1)樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性 樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性與構(gòu)成樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中的各部分成分密切相關(guān)。鹽型樹(shù)脂比酸型、堿型都穩(wěn)定。如鈉型碳化聚苯乙烯樹(shù)脂，能在120℃下使用，而其氫型只能在 100℃以下使用。而強(qiáng)堿性聚苯乙烯樹(shù)脂可在60℃下使用。帶有羥基的酚醛陰樹(shù)脂只允許在30℃下長(zhǎng)期使用。

（2）化學(xué)穩(wěn)定性

①耐酸堿性能 一般無(wú)機(jī)離子交換劑是不耐酸堿的，只能在PH=6～7條件下使用。有機(jī)合成強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性樹(shù)脂可在PH＝l～14中使用。弱酸陽(yáng)樹(shù)脂可在PH＞4時(shí)使用，弱堿陰樹(shù)脂應(yīng)在PH＜9時(shí)使用。一般樹(shù)脂的抗酸仕優(yōu)于抗堿性。無(wú)論是陽(yáng)樹(shù)脂還是陰樹(shù)脂，當(dāng)在堿的濃度超過(guò)1mol／L時(shí)，都會(huì)發(fā)生分解。

②抗氧化性能 各種氧化劑如氯、次氯酸、雙氧水、氧、臭氧等會(huì)對(duì)樹(shù)脂有不同程度的破壞作用，在使用前需要除去。不同類(lèi)型的樹(shù)脂，受到損壞的程度不同。就其抗氧化的能力來(lái)講，交聯(lián)度高的樹(shù)脂優(yōu)于交聯(lián)度低的樹(shù)脂；聚苯乙烯類(lèi)樹(shù)脂優(yōu)于酚醛類(lèi)樹(shù)脂；鈉型樹(shù)脂優(yōu)于氫型樹(shù)脂；氯型樹(shù)脂優(yōu)于氫氧型樹(shù)脂。大孔樹(shù)脂優(yōu)于凝膠樹(shù)脂。

5 樹(shù)脂的選擇性與選擇系數(shù)

樹(shù)脂對(duì)不同的離子具有不同的親和能力，對(duì)親和能力強(qiáng)的離子優(yōu)先選擇，和它結(jié)合力強(qiáng)使之不易泄漏。但由于結(jié)合牢固，再生時(shí)，該離子被置換下來(lái)就很困難。

樹(shù)脂對(duì)離子親和能力的差異，取決于兩個(gè)方面。一是樹(shù)脂自身的性能，尤其是自身的交聯(lián)度。交聯(lián)度越大，對(duì)離子的選擇性就越大，其親和能力就越強(qiáng)。反之，就越弱。二是與溶液中離子的性質(zhì)、組分和濃度有關(guān)。在常溫低濃度的水溶液中，存在如下的規(guī)律性。

(1)強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 這種樹(shù)脂對(duì)溶液中價(jià)數(shù)越高的離子，親和能力越強(qiáng)。在同價(jià)數(shù)離子中，原子序數(shù)越大，親和能力就越強(qiáng)。

（2）弱酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 這種樹(shù)脂對(duì)氫離子選擇能力特別強(qiáng)，對(duì)多價(jià)離子的選擇能力也優(yōu)于低價(jià)離子。

（3）強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂 一般而言，強(qiáng)堿陰樹(shù)脂的選擇性是隨溶液中陰離子的價(jià)數(shù)增加而增大。

（4）弱堿陰離子交換樹(shù)脂 弱堿陰樹(shù)脂對(duì)離子的選擇規(guī)律，取決于溶液中的離子價(jià)態(tài)、水合離子半徑和離子結(jié)構(gòu)。但弱堿陰樹(shù)脂對(duì)OH一離子具有更強(qiáng)的選擇性。弱

上述樹(shù)脂的選擇規(guī)律，只適于低濃度的水溶液中。在高濃度水溶液中（一般離子濃度在3mol/L以上），情況就比較復(fù)雜，甚至?xí)霈F(xiàn)相反的選擇順序。樹(shù)脂的再生就是利用高濃度的酸、堿、鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

同一種材料制備的樹(shù)脂，由于交聯(lián)度大小不同，對(duì)同一離子的選擇系數(shù)也不相同，交聯(lián)度越高，其選擇性越強(qiáng)。 　　

6.樹(shù)脂的交換量

樹(shù)脂的交換量又稱(chēng)作交換容量，是指單位質(zhì)量或體積（g或mL）的離子交換樹(shù)脂所能夠交換出離子的物質(zhì)的量（mol）。交換容量是代表樹(shù)脂質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中，交換功能基越多，可交換的離子就越多，交換容量就越大。交換容量在不同條件下具有不同的表達(dá)形式，其數(shù)值也不相同。全交換容量，是指每單位量的樹(shù)脂（g或L，在100℃干燥至質(zhì)量恒定）能夠交換的離子總量。工作交換容量，是指在某一指定的工作條件下，樹(shù)脂實(shí)際上所能表現(xiàn)出來(lái)的離子交換的總量。工作交換容量一般小于全交換容量。穿漏交換容量，是指在使用中的離子交換柱出流液中，一出現(xiàn)要除去的某種離子時(shí)，樹(shù)脂所交換的離子數(shù)量。在純水的制備和廢水處理過(guò)程中，這是一項(xiàng)控制指標(biāo)。

（一）發(fā)生離子交換的可行性

當(dāng)帶有A離子的樹(shù)脂RA，放人含有B離子的溶液之中后，A離子能否與B離子發(fā)生交換反應(yīng)及反應(yīng)程度的指標(biāo)是樹(shù)脂的選擇系數(shù)。

（1）當(dāng)KAB<1時(shí)，說(shuō)明 RA型樹(shù)脂對(duì) B離子選擇性高，離子交換過(guò)程可以進(jìn)行。KAB》l，表明對(duì)B離子選擇性更高，交換過(guò)程進(jìn)行更完全。

（2）當(dāng)KAB＜1時(shí)，表明RA樹(shù)脂對(duì)A離子的選擇性要比對(duì)B離子的選擇性高，RA型樹(shù)脂不適用于對(duì)含有B離子的交換溶液。通常這種反應(yīng)過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。

（3）當(dāng)KAB=1時(shí)，表明RA型樹(shù)脂對(duì)A、B兩種離子的選擇能力相同，因而無(wú)法分開(kāi)這兩種離子。

從上述可以看出，只有在種情況下，離子交換過(guò)程才能夠正常進(jìn)行。

（二）影響離子交換速度的因素

從交換步驟看出，交換與被交換下來(lái)的離子，都要經(jīng)過(guò)穿過(guò)樹(shù)脂表面膜層。在樹(shù)脂空隙內(nèi)擴(kuò)散、在功能基位置上進(jìn)行交換這樣相同的三過(guò)程。實(shí)際上化學(xué)交換在瞬間即可完成，因而影響離子交換速度的因素，只能產(chǎn)生于離子在膜層擴(kuò)散和在樹(shù)脂孔隙內(nèi)擴(kuò)散這兩千過(guò)程之中。

1.提高離子穿過(guò)膜層的速度的措施

（1）加快交換體系攪拌速度或提高溶液的過(guò)流速度，以減低樹(shù)脂表面的膜層厚度。

（2）提高溶液中的離子濃度。

（3）增大交換劑的表面積，即減小樹(shù)脂的粒度。

（4）提高交換體系的溫度，以加快擴(kuò)散速度。

2 加快離子在樹(shù)脂空隙內(nèi)擴(kuò)散速度的措施

（1）降低凝膠樹(shù)脂的交聯(lián)度，增加大孔樹(shù)脂的致孔劑。以此提高樹(shù)脂的孔隙率、孔度和深度，有利于離子的擴(kuò)散。

（2）提高交換體系溫度，以加快擴(kuò)散速度。

（3）離子在孔隙內(nèi)的擴(kuò)散速度還與離子自身性質(zhì)有關(guān)，離子價(jià)數(shù)越低或離子半徑越小，則其擴(kuò)散速度越快。

（三）交換過(guò)程的平衡，樹(shù)脂的飽和與再生

離子在交換過(guò)程中，當(dāng)樹(shù)脂功能基上可交換的離子與溶液中的離子大部分或絕大部分進(jìn)行了交換，或者當(dāng)交換柱的出流液中，殘存的離子濃度超過(guò)某一規(guī)定指標(biāo)時(shí)，則可認(rèn)為交換過(guò)程達(dá)到了平衡或樹(shù)脂巳飽和，需要進(jìn)行再生，為下一個(gè)交換過(guò)程創(chuàng)造條件。

1.固定床樹(shù)脂的再生方式

（1）順流再生 在交換柱中，再生液與被處理的溶液流向相同。一般在交換柱的上部進(jìn)液，底部排出。

（2）逆流再生 在交換柱中，再生液與被處理溶液流向相反。一般被處理溶液在交換柱頂進(jìn)底出，而再生液則底進(jìn)頂出。

（3）分流再生 再生液從交換柱的頂部、底部同時(shí)進(jìn)，從交換柱的體側(cè)出。

（4）串聯(lián)再生 當(dāng)兩個(gè)（或幾個(gè)）離子交換柱串聯(lián)使用時(shí)，被處理液由往頂進(jìn)人底部，再由底部串人下一個(gè)往頂，以此串至后，從柱底排出。再生液則由后一個(gè)往頂進(jìn)人底部排出，然后再串人下一個(gè)柱頂，直至交換柱底部排出。

（5）體外再生 在陰陽(yáng)離于混合交換柱中，樹(shù)脂飽和后，兩種樹(shù)脂全部或只有陰樹(shù)脂移出交換柱，去進(jìn)行再生。再生后的樹(shù)脂再移回到混合交換柱中。

2.再生劑的用量

再生劑用量與樹(shù)脂再生效果和運(yùn)行費(fèi)用密切相關(guān)。再生劑用量還同再生方式、樹(shù)脂類(lèi)型和再生劑的種類(lèi)有關(guān)。

3.再生液的濃度

再生液濃度與再生方式、樹(shù)脂類(lèi)型有關(guān)。用硫酸作再生液時(shí)，建議分為三步逐次再生，再生效果較好。

4.再生液溫度

在樹(shù)脂允許的溫度范圍內(nèi)，再生液溫度越高，再生效果就越好。為節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，一般均在常溫下再生。為了除去樹(shù)脂中一些有害物質(zhì)或再生困難的高于，再生液可加熱到35～40。c。

5.再生液的流速

再生液流速涉及到再生液和樹(shù)脂的接觸時(shí)間，直接影響再生效果。在離子交換柱中，再生液的流速一般控制在4～8m/h。

6.樹(shù)脂再生后的清洗

樹(shù)脂再生后，樹(shù)脂層內(nèi)殘存一定量的再生劑，需用產(chǎn)品水（或去離子水）進(jìn)行正洗或反洗，清洗水量可通過(guò)計(jì)算確定，在一般小型軟化或純水系統(tǒng)中，清洗水量約占總產(chǎn)品水量的10％～20％。也有采用清洗至出水pH為中性或接近于中性為止。

一個(gè)完整的離子交換系統(tǒng)，主要包括預(yù)處理單元、離子交換單元、再生單元和電控儀表等。對(duì)離子交換單元裝置簡(jiǎn)介如下。

（一）離子交換單元裝置分類(lèi)

根據(jù)離子交換柱的構(gòu)造、用途和運(yùn)行方式，離子交換單元裝置可按下圖分類(lèi)。

（二）離子交換固定床體系

所謂固定床體系是指樹(shù)脂的交換和再生過(guò)程是在同一設(shè)備內(nèi)，在不同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。因此再生時(shí)，交換程序就要停止運(yùn)行固定床依據(jù)不同使用要求和水力流向，又分為以下幾種形式。

（1）單床和多床形式 是指在交換柱內(nèi)，只裝填一種樹(shù)脂。如用于水質(zhì)軟化只填充陽(yáng)樹(shù)脂。只需一個(gè)交換柱為單床，多個(gè)這樣的交換柱串聯(lián)或并聯(lián)在一起稱(chēng)為多床。

（2）復(fù)床形式 有的交換柱要填充陽(yáng)樹(shù)脂，有的交換柱要填充陰樹(shù)脂，將兩種交換柱串聯(lián)在一起使用稱(chēng)為復(fù)床。

（3）浮動(dòng)床形式 被處理水自下而上，依靠水流的作用力將樹(shù)脂層托浮起來(lái)，成為懸浮狀態(tài)，故稱(chēng)浮動(dòng)床。浮動(dòng)床的工藝操作程序如圖所示。

（4）雙層床形式 在逆流再生固定床內(nèi)，依據(jù)一定配比裝填強(qiáng)、弱兩種樹(shù)脂，使密度小、粒度細(xì)的弱型樹(shù)脂在上層，密度大、顆粒粗的強(qiáng)型樹(shù)脂在下層。這種形式組成的裝置稱(chēng)為雙層床。有陽(yáng)雙層床，也有陰雙層床。其工作狀況見(jiàn)圖。

（三）連續(xù)式離子交換體系

連續(xù)式離子交換體系，是把交換與再生過(guò)程在不同設(shè)備內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，因而制水過(guò)程基本上是不間斷的，故稱(chēng)作連續(xù)式交換體系。

連續(xù)式離子交換體系可分為流動(dòng)床和移動(dòng)床。流動(dòng)床內(nèi)的交換樹(shù)脂在裝置內(nèi)連續(xù)循環(huán)流動(dòng)，失效樹(shù)脂在流動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)再生、清洗設(shè)備后恢復(fù)交換能力，連續(xù)定量補(bǔ)充到交換柱的出水端，以達(dá)到不間斷地制水。移動(dòng)床則是裝置內(nèi)的樹(shù)脂呈周期性移動(dòng)，失效樹(shù)脂在移動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)再生、清洗設(shè)備后恢復(fù)交換能力，定期定量補(bǔ)充到交換柱出水端。除在補(bǔ)人樹(shù)脂時(shí)有短暫停水外，基本上連續(xù)供水。

連續(xù)式離子交換體系中，常見(jiàn)的多為移動(dòng)床，如兩塔式移動(dòng)床和三塔式移動(dòng)床。

（1）兩塔式移動(dòng)床工藝流程圖

（2）三塔式移動(dòng)床工藝流程圖

（四）混合床離子交換體系

陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂按一定比例混合裝填到同一交換柱內(nèi)，稱(chēng)為混合床。它一般用在含鹽量較低的場(chǎng)合?；旌洗灿址譃轶w內(nèi)再生混合床、陰樹(shù)脂移外再生混合床、體外再生混合床以及其他形式的混合床。

1.體內(nèi)再生式混合床

這種形式的混合床是運(yùn)行、再生同在一個(gè)交換柱內(nèi)。操作比較方便。再生方式有三種：一種是堿液由柱頂進(jìn)；流經(jīng)陰、陽(yáng)樹(shù)脂層后由底部排出，酸液由陽(yáng)樹(shù)脂層頂部進(jìn)，底部排出的兩步再生法；另一種是酸液流經(jīng)陽(yáng)樹(shù)脂、堿液流經(jīng)陰樹(shù)脂，分別再生的兩步法；第三種是酸液、堿液同步分別流人陽(yáng)、陰樹(shù)脂層進(jìn)行再生的方法。三種再生方式的工藝程序，分別見(jiàn)圖。

2.陰樹(shù)脂外移再生式混合床

這種混合床再生時(shí)，依靠進(jìn)水壓力將陰樹(shù)脂移到體外的再生往內(nèi)，用堿液再生。陽(yáng)樹(shù)脂留在混合床內(nèi)用酸再生。再生工藝程序見(jiàn)圖。

3.體外再生式混合床

混合床的陽(yáng)、陰樹(shù)脂均移到再生柱內(nèi)進(jìn)行再生，優(yōu)點(diǎn)是再生效果好，同時(shí)又避免再生劑對(duì)交換柱的污染。再生柱可以是一個(gè)，再生工序類(lèi)似于體內(nèi)再生；再生柱為兩個(gè)時(shí)，一十再生陽(yáng)樹(shù)脂，另一個(gè)再生陰樹(shù)脂。兩柱再生工序詳見(jiàn)圖。

（五）離子交換設(shè)備

1.離子交換軟化設(shè)備

該設(shè)備主要是除去水中的鈣、鎂離子。交換柱內(nèi)裝填鈉離子型陽(yáng)樹(shù)脂，稱(chēng)為鈉離子交換器?，F(xiàn)在市場(chǎng)上供有處理不同規(guī)模的系列產(chǎn)品。還有一種全自動(dòng)的鈉離子交換設(shè)備，見(jiàn)圖。

2.離子交換除鹽設(shè)備

離子交換除鹽設(shè)備由陽(yáng)離子交換柱和陰離子交換柱組成，根據(jù)處理水量和處理后出水水質(zhì)的要求，可由多個(gè)陽(yáng)柱和陰柱進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)。

3 離子交換精制純水設(shè)備

為了制取高純水和超純水，除采用復(fù)床預(yù)脫鹽外，還必須增加混床。混合離子交換設(shè)備的大小與數(shù)量，與制取純水量和出水的比電阻要求有關(guān)，根據(jù)設(shè)計(jì)選取產(chǎn)品。下圖為混合床設(shè)備構(gòu)造圖。

4.離子交換廢水處理設(shè)備　

離子交換廢水處理設(shè)備，主要用于處理電鍍廢水.如鍍鉻廢水、鍍鎳廢水、含氰廢水以及含銅廢水等，回收廢水中的金屬、化工原料和水資源重復(fù)利用。在影片洗印廢水中回收銀、CD－2、CD－3等貴重化學(xué)藥品。

確定離子交換設(shè)計(jì)N參數(shù)

1.確定進(jìn)水和處理后出水的水質(zhì)與水量

根據(jù)離子交換不同的處理目標(biāo)，應(yīng)確定相應(yīng)的進(jìn)水和出水水質(zhì)指標(biāo)。如用于軟化時(shí)，應(yīng)確定進(jìn)、出水的硬度指標(biāo)；用于脫鹽時(shí)，應(yīng)確定進(jìn)出水的陽(yáng)離子和陰離子濃度指標(biāo)；對(duì)廢水而言，出水指標(biāo)常常為國(guó)家或地方的排放標(biāo)準(zhǔn)。在制水工程中，處理水量應(yīng)考慮到樹(shù)脂再生時(shí)附加的清洗水量。

2.確定離子交換柱在工況條件下的設(shè)計(jì)參數(shù)

確定工況條件的設(shè)計(jì)參數(shù)是十分復(fù)雜的，往往要通過(guò)試驗(yàn)和參照相似的實(shí)際運(yùn)行裝置作為參考。這些設(shè)計(jì)參數(shù)包括樹(shù)脂的工作交換容量、液體在往內(nèi)的流速、再生劑耗量等有關(guān)參數(shù)。在無(wú)確切資料的情況下，離子交換脫鹽可利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)行各種設(shè)計(jì)規(guī)范提供的推薦數(shù)據(jù)。

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