【正文】 羧酸型是弱酸性離子文換樹脂：R—COOOH‘ 季銨型是強(qiáng)堿性離子交換樹脂，伯胺、仲胺和叔胺型是弱堿性離子交換樹脂： 強(qiáng)酸性H型交換財(cái)脂在水中電離出H+的能力較大，所以它很容易和水中其他各種陽離子進(jìn)行交換反應(yīng)；而弱酸性H型交換樹脂在水中電離出H+的能力較小，故當(dāng)水中有一定量的H+時(shí)，就顯示不出交換反應(yīng)。強(qiáng)堿性和弱堿性陰離子交換樹脂的情況與此相似。 離子交換樹脂的中和與水解的性能和通常的電解質(zhì)一樣。H離子交換樹脂和堿溶液會(huì)進(jìn)行中和反應(yīng)，如強(qiáng)酸性H離子交換樹脂和強(qiáng)堿NaOH相遇，則中和反應(yīng)進(jìn)行得很完全，如下式RSO3+NaOH→RSO3 Na+H2O因此,H型離子交換樹脂酸性的強(qiáng)弱，和一種化兮物酸性的強(qiáng)弱一樣。可用測定滴定曲線的辦法來求得。 它的水解反應(yīng)也和通常電解田的水解反應(yīng)一樣，當(dāng)水解產(chǎn)物有弱酸或弱堿時(shí)，水解度就較大．如下反應(yīng)式：RCOONa+ H2O→RCOOH+NaOHRNH3CL+ H2O→RNH3OH+HCL所以，具有弱酸性基團(tuán)和弱堿性基團(tuán)的離子交換樹脂的鹽型，容易水解。 離子交換樹脂吸著各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹脂吸著，但吸著后要把它置換下來就比較困難；而另一些離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子交換的選擇性。選擇性會(huì)影響到離子交換樹脂的交換相再生過程，故在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)很重要的問題。影響離子交換樹脂選擇性的因素很多，例如交換離子的種類、樹脂的本質(zhì)、離子交換樹脂交換容量等等。 離子交換樹脂的交換容量表示其可交換離子量的多少。 在表示交換容量時(shí)，應(yīng)把交換樹脂上可交換離子的形態(tài)闡述清楚，因?yàn)殡x子交換樹脂形態(tài)不同，其質(zhì)量和體積也不相同。為了統(tǒng)一起見，一般是陽離子交換樹脂以Na型為準(zhǔn)(也有以H型為準(zhǔn)的），陰離子交換樹脂以CL型為準(zhǔn)。必要時(shí)，應(yīng)標(biāo)明其離子形態(tài)。 在離子交換水處理的實(shí)際應(yīng)用中，我們常常需要知道在許多離子的混合液中那一種離子易被吸收，那一種離子較難吸取的順序，即所謂選擇性順序。此種性能與它們呈離子交換平衡的相對(duì)量有關(guān)。對(duì)于陽離子交換來說，此種順序的規(guī)律性比較明顯。在稀溶液中，強(qiáng)酸性陽樹脂對(duì)常見的陽離子的選擇性順序如下：Fe3+ ＞ Al3+＞ Ca2+ ＞Mg2+＞ K+ ≈NH4+＞Na+ ＞H+而對(duì)于弱酸性陽樹脂，例如羧酸性型陽樹脂，對(duì)H+有特別的親和力，對(duì)H+的選擇性比Fe3+還強(qiáng)，其選擇性順序?yàn)椋篐+＞Fe3+ ＞ Al3+＞ Ca2+ ＞Mg2+＞ K+ ≈NH4+＞Na+強(qiáng)堿性陰樹脂在稀溶液中，對(duì)常見的陰離子的選擇順序?yàn)椋篠O42＞NO3＞CL＞OH＞HCO3＞HSiO3而弱堿性陰樹脂的選擇順序?yàn)椋篛H＞SO42＞NO3＞CL＞HCO3，對(duì)HCO3的交換能力很差，對(duì)HSiO3甚至不交換在濃溶液中由于離子間的干擾比較大，且水合半徑的大小順序與在稀溶液中有些差別，其結(jié)果使得在濃溶液中各離子間的選擇性差別較小，有時(shí)甚至出現(xiàn)相反的順序。新樹脂中，常含有過剩的原料．反應(yīng)不完全的低聚合物和其它雜質(zhì)。除這些有機(jī)物外，樹脂中還往往含有鐵、鉛、銅等無機(jī)雜質(zhì)。因此，新樹脂在使用前必須進(jìn)行預(yù)處理，以除去樹脂中的可溶性雜質(zhì)。工業(yè)水處理中樹脂用量都比較大，所以新樹脂的預(yù)處理宜在離子交換器中進(jìn)行。將樹脂裝入交換器中，用清水反沖洗，以除去混在樹脂中的機(jī)械雜質(zhì)、細(xì)碎樹脂粉末，以及溶解于水的物質(zhì)。反沖洗時(shí)控制樹脂層膨脹率50％左右，直至排水不呈黃色為止。陽樹脂和陰樹脂在酸、堿處理前都需先進(jìn)行水洗。將水洗后的陽樹脂用約為樹脂體積兩倍的2%4％NaOH溶液浸泡48h之后排掉，或小流量動(dòng)態(tài)清洗。然后，用清水洗至排出液近中性為止。再通入約為樹脂體積兩情的5%的HCL溶液，浸泡4—bh后排掉，或小流量動(dòng)態(tài)清洗。然后，再用清水洗至近中性。3．陰樹脂的預(yù)處理將水洗后的陰樹脂用約為樹脂體積兩倍的5%HCL溶液，浸泡4—bh之后排掉，或小流量動(dòng)態(tài)清洗。然后，再用清水洗至排出液接近中性。再通入量約為樹脂體積兩倍的2%—4％的NaOH溶液，浸泡4—8h排掉，或小流量動(dòng)態(tài)清洗。然后，再用清水冼至近中性。樹脂經(jīng)上述處理后，陽樹脂轉(zhuǎn)為H型，陰樹脂轉(zhuǎn)為OH型。預(yù)處理后的新樹脂，經(jīng)過一個(gè)同期運(yùn)行失效后，第一次再生時(shí)，酸堿用量應(yīng)為正常再生時(shí)的12倍。工業(yè)上常用的是動(dòng)態(tài)離子交換，即水在流動(dòng)的狀態(tài)下完成離子交換過程。動(dòng)態(tài)離子交換是在離子交換器中進(jìn)行的。用動(dòng)態(tài)離于交換處理水，不但可以連續(xù)制水，而且由于交換反應(yīng)的生成物不斷被排除，因此離子交換反應(yīng)進(jìn)行得較為完全。下面以陽離子交換為例，來討論動(dòng)態(tài)離子交換過程。運(yùn)行制水和交換劑再生是離子交換水處理的兩個(gè)主要階段，運(yùn)行制水是交換劑交換容量的發(fā)揮過程，再生是交換容量的恢復(fù)過程。一、運(yùn)行制水時(shí)樹脂層中的離子交換這里先研究只含有一種Ca2+的水通過只有RNa樹脂交換柱時(shí)的交換。水通過交換柱初期，水中Ca2+首先與表層樹脂中Na+進(jìn)行交換，水中一部分Ca2+轉(zhuǎn)入樹脂中，樹脂中一部分Na+轉(zhuǎn)入水中。當(dāng)水繼續(xù)向下流動(dòng)時(shí)，這種交換繼續(xù)進(jìn)行，因此水中Ca2+不斷減少，Na+不斷增加。在流經(jīng)一定距離后，水中原有的Ca2+全部交換成Na+。之后，繼續(xù)向下流的水及其流過的樹脂組成都不再發(fā)生變化．交換柱出水中全為Na+，而Ca2+含量等于零，如圖（）所示； 動(dòng)態(tài)離子交換過程中樹脂層態(tài)的變化 隨著水不斷地流過，因上部進(jìn)水端的樹脂很快全部轉(zhuǎn)為R2Ca，失去了繼續(xù)交換的能力，交換進(jìn)入下一層。這時(shí)在柱中形成三個(gè)層區(qū)，如上圖（b）所示：上部AB區(qū)為失效層，樹脂全為Ca型，水流經(jīng)這一層時(shí)，Ca2+含量不變，中部BC層區(qū)為工作層(或稱交換帶），在這一層區(qū)中，從B到C，Ca型樹脂逐漸減少至零，Na型樹脂則逐漸增加到100%，交換反應(yīng)在這一層區(qū)中進(jìn)行，水流過工作層以后，其中的Ca2+全部被交換賒去：下部CD層區(qū)為未工作層．樹脂仍全為Na型。隨著流過水量的增加，失效層逐漸加厚，工作層下移，未工作層逐漸縮小至零，即工作層移至最下部出水端時(shí)，如圖（c）所示，出水便開始有Ca2+泄露，這稱為“穿透”。如再繼續(xù)通水，出水中Ca2+迅速增加，直至與進(jìn)水中Ca2+含量相等，此時(shí)樹脂全部呈Ca型，如圖（d）所示。至此，樹脂不再具有與水中Ca2+相交換的能力。 樹脂層態(tài)天然水中通常含有Ca2+ 、Mg2+ 、Na+等多種陽離子及HCO3 、HSiOSO4CL等多種陰離子，因此離子交換過程就不像只含一種離子那么簡單。下面討論同時(shí)含有上述多種離子的水，由上而下通過裝有RH樹脂交換柱的離子交換過程。通水初期，水中各種陽離子都與樹脂中H+進(jìn)行交換，依據(jù)它們被樹指吸著能力的大小，最上層以最易被吸著的Ca2+ 為主，自上而下依次排列的順序大為致Ca2+ 、Mg2+ 、Na+。隨著通過水量酌增加，進(jìn)水中的Ca2+也與生成的Mg型樹脂進(jìn)行交換，使Ca型樹脂層不斷擴(kuò)大；當(dāng)被交換下來的Mg2+連同進(jìn)水中的Mg2+一起邊入Na型樹脂層時(shí)，又會(huì)將Na型樹脂中的Na+交換出來，結(jié)果Mg型樹脂層也會(huì)不斷地?cái)U(kuò)大和下移；同理，Na型樹脂層也會(huì)不斷地?cái)U(kuò)大和下移，逐漸形成R2MgCa、RNaMg、RH—Na的交換區(qū)域。下圖中縱坐標(biāo)代表速度，橫向代表不同離子樹脂的相對(duì)量。當(dāng)RH—Na交換區(qū)域移至最下端再繼續(xù)通水時(shí)，則進(jìn)水選擇性順序居于末位的Na+首先穿透，泄露于水中，但樹脂對(duì)Ca2+ 、Mg2+的交換仍是完全的分布。之后，RH—Mg交換區(qū)域移至最下端，Mg2+泄露于出水中，最后泄露的是Ca2+。通水初期，進(jìn)水中陽離子H+均被交換成，其中一部分H+與進(jìn)水中HCO3反應(yīng)生成CO2和 H2O，其余以強(qiáng)酸度形式存在水中，其值與進(jìn)水中強(qiáng)酸陰離子總濃度相等。運(yùn)行至穿透時(shí)，出水中強(qiáng)酸酸度開始下降，之后隨著Na+泄漏量的增加，出水強(qiáng)酸酸度相應(yīng)等量降低；當(dāng)出水Na+濃度增加到與進(jìn)水中強(qiáng)酸陰離子總濃度相等時(shí)(b點(diǎn))，出水中既無強(qiáng)酸酸度，也無堿度。再之后開始出現(xiàn)堿度；當(dāng)Na+增加到與進(jìn)水陽離子總濃度相等時(shí)(c點(diǎn))，堿度也增加到與進(jìn)水堿度相等，至此，H離子交換結(jié)束．相繼開始進(jìn)行Na離子交換；當(dāng)運(yùn)行至硬度穿透時(shí)(d點(diǎn))，出水Na+濃度又開始下降，最后進(jìn)出水Na+濃度相等(e)點(diǎn)，硬度也相等，樹脂的交換能力消耗殆盡。 RH樹脂與水中Ca2+ 、Mg2+ 、Na+交換時(shí)的出水水質(zhì)變化 ，在H離子交換階段，出水呈酸性；在Na離子交換階段，水中的堿度不變。 這里需指出的是：由于工業(yè)再生劑的不純度如工業(yè)鹽酸中含有的NaCL，況且生產(chǎn)實(shí)際中再生劑用量出不是無限度的，所以樹脂的再生度不可能達(dá)到100%。因此a點(diǎn)前的比水中還含有微量的Na+，出水強(qiáng)酸酸度小于強(qiáng)酸陰離子總濃度，其差值與出水Na+濃度相等。二、工作層 工作層是指進(jìn)行目的交換的樹脂層區(qū)：如前所述，交換柱運(yùn)行過程中，工作層不斷向水流方向推移。當(dāng)它移至出水端時(shí)，欲除去的離子便開始泄漏干出水中，為了保證出水水質(zhì)，此時(shí)交換柱應(yīng)停止運(yùn)行。因此，出水端總有一部分樹脂層的交換容量未能完全發(fā)揮。工作層越厚，穿透點(diǎn)出現(xiàn)越早，交換柱內(nèi)樹脂的交換容量利用率就越低。由此可知，生產(chǎn)中交換柱停止運(yùn)行時(shí)，樹脂并沒有徹底失效。影響工作層厚度的因素很多，這些因素大致可分為兩個(gè)方面：一是影響離子交換速度的因素，若能使此速度加快，則離子交換越易達(dá)到平衡，工作層便越薄；另一方面是影響水流沿交換柱過水?dāng)嗝婢鶆蚍植嫉囊蛩兀裟苁顾骶鶆?，則可降低工作層厚度。歸納起來，這些因素有：樹脂種類、樹脂顆粒大小、空隙率、進(jìn)水離子濃度。出水水質(zhì)的控制標(biāo)準(zhǔn)、水通過樹脂層時(shí)的流速以及水溫等。三、失效樹脂的再生樹脂失去繼續(xù)交換水中欲除去離子的能力時(shí)稱為失效。通常交換柱運(yùn)行至欲除去離子開姑泄漏，即認(rèn)為失效。失效樹脂需經(jīng)再生，可能恢復(fù)其交換能力，恢復(fù)樹脂交換能力的過程稱再生。再生所用的化學(xué)藥稱為再生劑，根據(jù)離子變換樹脂種類和離子變換目的不同．再生劑有NaCL、HCL（或H2SO4）、和NaOH。 再生方式可分為順流式、對(duì)流式、分流式和復(fù)床串聯(lián)再生，在這四種再生方式中，被處理水和再生溶液流動(dòng)方向如圖（） 再生方式示意（a）順流式；（b）、（c）對(duì)流式；（d）分流式；（e）復(fù)床串聯(lián)式 樹脂的再生是離子交換水處理工藝過程中最重要的環(huán)節(jié)，再生效果的好壞不僅對(duì)其工作變換容量和交換柱出水水質(zhì)有直接的影響，而且在很大程度上決定著交換柱運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 復(fù)床除鹽 除去水中各種溶解鹽類的處理工藝稱除鹽。原水只一次相繼通過強(qiáng)酸H離子變換器和強(qiáng)堿OH離子交換器進(jìn)行除鹽稱一級(jí)復(fù)床除鹽。為統(tǒng)一起見，本設(shè)計(jì)中將裝有強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，進(jìn)行H離子交換的裝置稱強(qiáng)酸H交換器；將裝有強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂，進(jìn)行OH離子交換的裝置稱強(qiáng)堿0H交換器：將裝有弱酸性陽離子交換樹脂、進(jìn)行H離子交換的裝置稱弱酸H交換器；將裝有弱堿性陰離子交換樹脂、進(jìn)行OH離子交換的裝置稱弱堿OH交換器；將裝有強(qiáng)酸陽離子交換樹脂和強(qiáng)堿陰離子交換樹脂，同時(shí)進(jìn)行H離子交換和OH離子交換的裝置稱混合離子交換器或簡稱混合床。，它由一個(gè)強(qiáng)酸H交換器．一個(gè)除碳器和一個(gè)強(qiáng)堿OH交換器串聯(lián)而成。本設(shè)計(jì)以此為例，介紹一級(jí)復(fù)床除鹽原理、離子交換反應(yīng)、水質(zhì)變化、運(yùn)行監(jiān)督、失效樹脂的再生以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng) 1強(qiáng)酸H交換器 2除碳器 3中間水箱 4中間水泵 5強(qiáng)堿OH交換器一、除鹽原理 原水在強(qiáng)酸H交換器中經(jīng)H離子交換后，除去水中所有的陽離子。被交換下來的H+與水中的陰離子結(jié)合成相應(yīng)的酸，其中與HCO3結(jié)合生成的CO2連同水中原有的CO2在除碳器中被脫除。水進(jìn)入強(qiáng)堿OH交換器后，以酸根形式存在的陰離子與強(qiáng)堿陰樹脂進(jìn)行交換反應(yīng)，除去水中所有的陰離子，從而將水中溶解鹽類全部除去制得除鹽水。二、運(yùn)行中的交換反應(yīng)及水質(zhì)變化除去水中陽離子的交換反應(yīng) 在復(fù)床除鹽系統(tǒng)中，強(qiáng)酸H交換器總是放在最前面，用以除去H+之外的所有陽離子。由以上所述的H離子交換反應(yīng)可知，對(duì)于由Ca2+ 、Mg2+ 、Na+等陽離子和HCO3 、SO4CL等陰離子組成的水，其交換反應(yīng)既有離子交換，也有中和反應(yīng)，顯然水中堿度的存在有利于H離子交換反應(yīng)的進(jìn)行。 含有多種離子的水通過強(qiáng)酸性H型陽樹脂層時(shí)，盡管通水初期水中陽離子部都參與交換，但之后由于水中Ca2+ 、Mg2+ 、Na+等高價(jià)離子巳在水流的上游處被交換，并等量轉(zhuǎn)換為Na+，所以沿水流方向最前沿離子交換仍是H型樹脂與水中Na+的交換，即 經(jīng)H離子交換后，水中各種陽離子都被交換成H+，其中的碳酸鹽轉(zhuǎn)變成H+ ，其中的碳酸鹽轉(zhuǎn)變成H2CO3,中性鹽轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的強(qiáng)酸； 離子交換前后的水質(zhì)組成在生產(chǎn)實(shí)踐中，樹脂并未完全被再生成H型，因此運(yùn)行時(shí)出水中總還殘留少量陽離子。由于樹脂對(duì)Na+的選擇性最小，所以出水中殘留的重要是Na+。 。在穩(wěn)定工況下，制水階段（ab）出水水質(zhì)穩(wěn)定，Na+穿透（b）點(diǎn)后，隨出水Na+濃度升高，強(qiáng)酸酸度相應(yīng)降低，電導(dǎo)率先略下降之后又上升。上述電導(dǎo)率的這種變化是因?yàn)楸M管隨Na+的升高，H+等量下降，但由于Na+的導(dǎo)電能力低于H+，所以共同作用的結(jié)果是水的電導(dǎo)率下降；當(dāng)H+降至與進(jìn)水中HCO3等量時(shí)，出水電導(dǎo)率最低。之后，由于交換產(chǎn)生的H+不足以中和水中的H2CO3，所以隨Na+和HCO3的升高，電導(dǎo)率又升高。因此，為了要除去水中H+以外的所有陽離子，除鹽系統(tǒng)中強(qiáng)酸H型交換器必須在Na+穿透時(shí)，即停止運(yùn)行，然后用酸溶液進(jìn)行再生。水經(jīng)H離子變換后，陰離子轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的酸。其中的HCO3轉(zhuǎn)變成了游離CO2連同水中原有的游離CO2，可容易地由除碳其除掉，以減輕OH交換器的負(fù)擔(dān)，這就是在除鹽系統(tǒng)中設(shè)置除碳器的目的。經(jīng)脫碳處理后水中游離CO2的含量—般郎可降到5mg/L左右。在原水堿度很低時(shí)．，除鹽系統(tǒng)中也可不設(shè)除碳器，