【文章內(nèi)容簡介】 這三個(gè)步驟中，交換反應(yīng)進(jìn)行是較快 的，而膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散進(jìn)行較慢，故 整個(gè)交換過程的速度就由膜擴(kuò)散和 顆粒擴(kuò)散的速度所決定 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 對于溶脹了的樹脂，在很稀的外部溶液 中（ ≤），膜擴(kuò)散比顆粒擴(kuò)散更慢， 此時(shí)擴(kuò)散速率決定于膜擴(kuò)散速率， 在溶液較濃時(shí)（ ≥），顆粒擴(kuò)散比 膜擴(kuò)散更慢，此時(shí)擴(kuò)散速率決定于顆粒 擴(kuò)散速率；濃度介于兩者間時(shí)，顆粒擴(kuò)散 和膜擴(kuò)散速度差不多，交換速度由它們一起控制。 此外，膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散的速度與樹脂顆粒 溫度等都有一定關(guān)系，這里就不多加討論了 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 機(jī)械強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。關(guān)系到樹脂的使用壽命。樹脂在運(yùn)行過程中，由于受到?jīng)_擊、碰撞、摩擦等機(jī)械作用和脹縮的影響，會(huì)發(fā)生磨損和破碎現(xiàn)象。樹脂顆粒應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，以保證每年樹脂的損耗不超過 3%7%。 樹脂的機(jī)械強(qiáng)度決定于交聯(lián)度，交聯(lián)度大，機(jī)械強(qiáng)度就高。 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 交換容量是樹脂最重要的性能，它定量地表示樹脂交換能力地大小。交換容量的單位 mg當(dāng)量 /g(干樹脂 )或 meq/L(濕樹脂 )。交換容量分為兩部分，即總交換容量與工作交換容量。 總交換容量是指單位重量或體積樹脂內(nèi)的交換基團(tuán)總量或可交換離子的總數(shù)量。 重量：重量交換容量，毫克當(dāng)量 /克 干樹脂 體積：體積交換容量，毫克當(dāng)量 /mL 濕樹脂 國產(chǎn)：強(qiáng)酸樹脂 4~5 meq/g 弱酸樹脂 9~12meq/ml 實(shí)質(zhì)上，從構(gòu)造上看，單位重量或體積的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)因各苯環(huán)末端所“具有”的活性基團(tuán)總數(shù)。 A、總交換容量是表示單位樹脂所能吸附去除離子的最大量。 B、工作交換容量：指在給定的條件下樹脂實(shí)際交換容量 。 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 有效工作 PH范圍 由于樹脂活性基團(tuán)分為強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)堿和弱堿，水的PH值勢必對它們的交換容量產(chǎn)生影響。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿樹脂的活性基團(tuán)電離能力強(qiáng)，其交換容量基本與 PH值無關(guān)。弱酸樹脂在水 PH值低時(shí)不電離或只部分電離，因而只能在堿性溶液中，才含有較高的交還能力。弱堿性樹脂相反，在 PH值高時(shí)不電離或只部分電離。只是在酸性溶液中才含有較高的交換能力。因此我們得出各種類型樹脂的使用有效 PH值范圍 。 樹 脂 類型 強(qiáng)酸性陽離子樹脂 弱酸性陽離子樹脂 強(qiáng)堿性陽離子樹脂 弱堿性陽離子樹脂 有效 PH值范圍 114 514 112 67 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 5離子交換基本原理 離子交換基本原理說明兩個(gè)方面問題 A、離子交換平衡問題 B、離子交換速度問題 離子交換如同化學(xué)反應(yīng)一樣，服從當(dāng)量定律，且是可逆反應(yīng)，離子交換技術(shù)就是基于等當(dāng)量交換與可逆反應(yīng)來進(jìn)行交換與再生的；離子交換中的等當(dāng)量性、可逆性、選擇性是進(jìn)行水質(zhì)軟化的基本理論依據(jù)。 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 如果讓離子交換樹脂與溶液離子的交換達(dá)到平衡： ?????? ??? RBARAB選擇性系數(shù)： mnnmmnnmA,B ]B[]A[]B[]A[K外相樹脂樹脂外相?????對于強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂 ， 當(dāng)與金屬離子 M+接觸時(shí) : R SO H M R SO M H? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?3 3KHM選擇性系數(shù)值的大小表示樹脂對金屬離子 M+的親和力的大小 ，它與樹脂的類型 、 離子的性質(zhì)以及溶液的組成有關(guān) 。 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 影響離子交換選擇性的因素 ? 水合離子半徑：半徑越小，親和力越大； ? 離子化合價(jià)：高價(jià)離子易于被吸附； ? 溶液 pH：影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量； ? 離子強(qiáng)度：越低越好； ? 有機(jī)溶劑：不利于吸附； ? 交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少； ? 樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力； Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 實(shí)驗(yàn)表明，在常溫下，當(dāng)離子濃度不大時(shí)，離子交換樹脂樹脂親和力大小有如下一些規(guī)律。 ? 金屬離子的價(jià)數(shù)增大，親和力增大。如 Na+ Ca2+ Al3+ Th4+ ? 離子價(jià)數(shù)相同時(shí)，親和力大小隨著水合離子半徑的減少而增大。如 1價(jià)離子： Li+ H+ Na+ NH4+ K+ Rb+ Cs+ Tl+ Ag+； 2價(jià)離子： Mg2+ Zn2+ Co2+ Cu2+ Cd2+ Ni2+ Ca2+ Sr2+ Pb2+ Ba2+。 ? 強(qiáng)堿性陽樹脂對水中各種陰離子的交換選者性也是不同的，一般順序?yàn)椋? PO43— ＞ SO42— ＞ NO3— ＞ Cl— ＞ OH— ＞ F— ＞ HCO3— ＞ HSIO3— Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 離子交換動(dòng)力學(xué) 離子交換是在固相與液相之間完成 ， 交換速度比較慢 。 一般的離子交換過程有五個(gè)步驟： ? 溶液離子向樹脂表面擴(kuò)散 （ 膜擴(kuò)散 ） ； ? 離子通過樹脂表面向內(nèi)部擴(kuò)散 （ 孔道擴(kuò)散 ） ； ? 樹脂內(nèi)進(jìn)行離子交換 （ 交換反應(yīng) ） ； ? 已交換離子從樹脂內(nèi)部向外擴(kuò)散 （ 孔道擴(kuò)散 ） ； ? 已交換離子由樹脂表面向本體溶液擴(kuò)散 （ 膜擴(kuò)散 ） 。 M ④ SO3H M H ① ② ③ ⑤ ④ Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 膜擴(kuò)散和孔道擴(kuò)散何者影響最大？何者為控制步？ 慢者控制離子交換反應(yīng)的速度． (1) 濃度：濃度大于 ，孔道擴(kuò)散為控制步． 濃度小于 ，膜擴(kuò)散成為控制步 介于中間則取決于具體情況． (2) 流速或攪拌速率： 大，則水膜薄．膜擴(kuò)散快． 但孔隙擴(kuò)散基本不受影響． (3) 樹脂粒徑：膜擴(kuò)散，速度與粒徑成反比． 孔道擴(kuò)散，速度與粒徑２次方成反比． (4) 交聯(lián)度： 交聯(lián)度對于孔道擴(kuò)散影響比對膜擴(kuò)散更為顯著． Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 5 .5交換過程分析方法： ? 在離子交換柱中裝填 Na 型樹脂，從上而下通過含有 一定濃度 Ca2+的硬水。交換 反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，停止 運(yùn)行，逐層取出樹脂樣品， 并測定其所吸附的鈣離子含 量，以“飽和程度”表示。 ? 飽和程度：單位體積樹 脂所吸附鈣、鎂離子量與其 全交換容量之比，以百分比 表示。 飽和程度曲線 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 6 交換過程： （ 1）兩個(gè)階段： ?交換帶形成階段：飽和程度曲線形狀不 斷變化隨即形成一定形式的曲線。 ?交換帶推移階段： “交換帶”：在某時(shí)刻正在進(jìn)行交換反應(yīng) 的軟化工作層。 “交換帶厚度”：可理解為處于動(dòng)態(tài)的軟 化工作層厚。沿水流方向，以一定形式每 刻都在推移。 ?當(dāng)硬度開始泄露時(shí)，樹脂層分為兩部分： ? 飽和層：交換容量得到充分利用； ? 保護(hù)層：交換容量得到部分利用，相 當(dāng)于交換帶厚： Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 （ 3）“交換帶厚度”的影響因素： ?流速： ? [Ca2+]：硬度 ?樹脂再生程度 ?“交換帶厚度”對樹脂層的有效利用是有影響的。如原水硬度高、采用流速偏大，則交換帶厚度大，降低樹脂層的利用率。 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 6 離子交換軟化方法與系統(tǒng) Na＋ 離子交換軟化法 ? Na+摩爾質(zhì)量大，蒸發(fā)殘?jiān)杂性黾? ?堿度不變 ?適用于堿度低，只須軟化的場合，硬度高，堿度高，難以滿足要求。 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 進(jìn)水初期，進(jìn)水中所用陽離子均交換出 H+，生成相當(dāng)量的無機(jī)酸，出水酸度保持定值。運(yùn)行至 a點(diǎn)時(shí)， Na+首先穿透，且迅速增加，同時(shí)酸度降低，當(dāng) Na+泄漏量增大到與進(jìn)水中強(qiáng)酸陰離子含量總和相當(dāng)時(shí) ,出水開始呈現(xiàn)堿性；當(dāng) Na+增加到與進(jìn)水陽離子含量總和相等時(shí)，出水堿度也增加到與進(jìn)水堿度相等。至此， H離子交換結(jié)束，交換器開始進(jìn)行 Na+交換，穩(wěn)定運(yùn)行至 b點(diǎn)之后，硬度離子開始穿透，出水 Na+含量開始下降，最后出水硬度接近進(jìn)水硬度，出水 Na+接近進(jìn)水 Na+，樹脂層全部飽和。 (f) H型樹脂與水中 Ca2+、 Mg2+、 Na+交換時(shí)水質(zhì)變化 水中陽離子全部被H+交換 Na+開始泄露，[H+]下降 硬度泄露，[Na+]下降 為水中全 部陽離子 交換能 力耗竭 [Na+]=c(1/2Ca2++1/2Mg2+)堿 度開始泄漏 ,全部變?yōu)殁c交換 Ca2+Mg2+已置換樹 脂中原吸附的 Na+ Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 H－ Na串聯(lián)及并聯(lián)： Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 陽柱塔除氣 陰柱混合柱去離子水原水原水純水 返洗 酸堿排出液空氣混合樹脂陰陽陰陽排出液懸浮混合圖61 復(fù)合床 式離子交換處理水流程示意圖圖62 混合床 式處理水示意圖 據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%到 90 %的離子 交換樹脂用于水的凈化處理， 其 中兩種常見的脫鹽如下圖所示。Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 除碳器 除碳器原理 由上式可知，水中 H＋濃度越大，水中碳酸越不穩(wěn)定，平衡向右移動(dòng)。根據(jù) 亨利定律 ，在一定溫度下氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的分壓成正比，當(dāng)液體中該氣體溶解量超過它溶解度時(shí)，它會(huì)從水中逸出。工業(yè)條件下， 水中 CO2逸出速度與下列條件有關(guān) ：（ 1）水與空氣的接觸面積越大，逸出速度越快；（ 2）水溫與其逸出條件下的沸點(diǎn)越接近，逸出速度越快；（ 3）水中 pH越低，逸出速度越快。 CO2具有腐蝕性，并增加強(qiáng)堿樹脂負(fù)荷 .(一般為 H床后 ) Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 除碳器有鼓風(fēng)式和真空式兩種。前者只能除去二氧化碳；后者不僅能除去二氧化碳，還可以除去氧氣等各種溶解氣體。目前采用比較廣泛的是鼓風(fēng)式除碳器。 A、鼓風(fēng)式除碳器的結(jié)構(gòu)為圓柱型塔式結(jié)構(gòu)，由配水裝置、填料層（拉希環(huán)、多面空心塑料球、波紋板等）和鼓風(fēng)裝置（脫碳風(fēng)機(jī)）所組成。水從上部進(jìn)入塔體，由配水裝置均勻地噴淋在填料表面形成水膜，經(jīng)填料層與空氣接觸后，流入下部集水箱（中間水箱）?？諝庥晒娘L(fēng)機(jī)從塔底鼓入，與水中析出的二氧化碳一起從頂部排出。 水通過鼓風(fēng)機(jī)除碳，一般可將 CO2含量降至 5mg/L以下。 B、真空式除碳器 真空式除碳器是利用真空泵或噴射器從除碳器的上部抽真空，使水在常溫下呈沸騰狀態(tài)以除去氣體。 水由上部進(jìn)入塔體，經(jīng)噴水裝置后，在整個(gè)截面上噴成霧狀，再經(jīng)填料層后呈水膜狀向下流動(dòng)；所釋放的氣體則通過頂部真空管路抽出塔外。真空式除碳器的淋洗密度一般為 40～60m3/(m3h)。 Dragon Aromatics 騰龍芳烴（廈門）有限公司 7 陰離子交換樹脂的特性 強(qiáng)堿性陰樹脂的工業(yè)特性（ ROH ） ROH+H2SO4→RHSO4+H2O ① 2ROH+ H2SO4→R2SO4+2 H2O ② ROH+HCl→RCl+ H2O ROH +H2CO3→RHCO3+ H2O ROH+H2SiO3→RHSiO3+ H2O 式①和式②一般同時(shí)進(jìn)行 ,但當(dāng)［ H2SO4］＞［ ROH］中 OH濃度時(shí)，①占優(yōu)勢，低濃度時(shí)②占優(yōu)勢。 R2SO4+H2SO4→2RHSO4可以進(jìn)行，樹脂由 R2SO4變成RHSO4型。 1） 強(qiáng)堿性陽樹脂對水中各種陰離子的交換選者性也是不同的，一般順序?yàn)椋? PO43— ＞ SO42— ＞ N