工业给水处理软化除盐ppt课件 61页

工业给水处理(软化除盐)SofteningandSaltElemination\n第一章前言一、水中杂质的来源二、水中杂质的分类三、工业用水处理对象水中常见的溶解物四、工业用水水质标准\n一、水中杂质的来源:吸收大气中可溶物（CO2、O2、H2S）及不可溶物（尘埃、工业污染物）地表：泥砂、腐殖质、有机物且溶解地壳表面的普通化合物地下：含CO2的雨水遇地层中CaCO3、MgCO3生成Ca2+、Mg2+；再加上地层中易溶的Na盐K盐、氯化物等造成海水的高含盐量\n二、水中杂质的分类：水中杂质按粒径分为三类：1µm——100µm悬浮质用沉淀方法（上浮、下沉）即可去除1nm——1µm胶体（粘土、腐殖质）胶体可以稳定存在，必须加药，使胶体脱稳，混凝沉淀后去除1nm以下溶解物溶解于水，给生活、生产带来不便，是工业水处理的对象（Fe2+可导致高血压病，并可染色；Fˉ使牙变黄；Ca2+、Mg2+给洗衣带来不便，并使锅炉生垢从而造成燃料的浪费和锅炉爆炸；放射性元素则对人体有害）\n三、工业用水处理对象水中常见的溶解物：HCO3ˉClˉSO42ˉSiO32ˉCa2+,Mg2+√√√Na+,K+√√√√Fe2+,Mn2+√\n四、工业用水水质标准工业用水种类繁多，水质要求各不相同食品、酿造、饮料原料用水：高于生活饮用水标准纺织、造纸：水质清澈，对产生斑点的物质控制锅炉补给水：对产生腐蚀、结垢等的物质控制（与锅炉压力有关系）电子工业：高纯水循环冷却水：水温低，无悬浮物、藻类、微生物，对产生腐蚀、结垢等的物质控制\n第二章水的软化2—1软化的目的与方法:目的、基本概念、硬度分类、方法2—2水的药剂软化法:石灰法、石灰石膏法、石灰苏打法2—3离子交换法基本原理:交换剂、树脂、平衡、速度、操作2—4离子交换软化方法与系统:固定床、固定床的改进、连续床、除碱软化、再生附属设备、除二氧化碳器\n2—1软化的目的与方法概述一、软化的目的二、基本概念三、硬度的分类四、软化的方法\n一、软化的目的：1，软化定义：去除水中部分或全部硬度的过程称为水的软化。2，目的：（1）避免锅炉水由于硬度而生垢浪费燃料、烧损部件、爆炸（2）避免Ca2+、Mg2+对工业冷却设备正常运行的影响传热系数低、导热性能差（3）避免影响造纸、纺织等行业产品质量消除不良影响，满足生活和工业用水的要求！中心目的\n二、基本概念1，硬度：水中Ca2+、Mg2+离子的总浓度或总含量。2，硬度单位：（1）国内：meq/L（2）国外：德国度:1°d=10mg/LCaO美、日:1度=1mg/LCaCO3换算关系：1meq/L=2.8°d=50mg/LCaCO3（3）法定计量单位：mol/L或mmol/L3，当量粒子：(X/Z)Z:离子所带电荷数；X：基本单元用当量离子作基本单元时，eq=mol,在水质分析中较方便4，摩尔浓度：CB=nB/V=mB/(MBV);mB=MBnB=MBCBV(P392)5，水中假想化合物：对水加热时，水中阴阳离子便按一定规律以化合物的形式先后析出，根据这一现象，把水中有关离子假想的结合起来，写成化合物的形式。\n水中离子的假想组合(P393图21—1)：1，水中阴阳离子当量浓度总和相等；2，表明水中各离子的组合情况及化合物含量大小。要点：\n三、硬度的分类：硬水中常见的离子：Ca2+、Mg2+、HCO3ˉ、Clˉ、SO42ˉ总硬度（Ht）：水中钙、镁离子的总含量或总浓度。暂时硬度（Hc）：碳酸盐硬度（煮沸时可析出）永久硬度（Hn）：非碳酸盐硬度（煮沸时不可析出）钙硬度（HCa）：镁硬度（HMg）：关系：Ht=Hc+Hn=HCa+HMg暂时硬度加热分解：Mg(HCO3)2→Mg(OH)2↓+2CO2↑Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H2O+CO2↑\n四、软化方法：1，药剂软化法（沉淀软化法）：基于溶度积原理，加入某些药剂，把水中钙、镁离子转变成难溶化合物使之沉淀析出。CaCO3→Ca2++CO32-（向水中加CO32-）当Ksp<[Ca2+][CO32-]时反应向右进行实质：向水中投加药剂，在水中直接或间接地取得CO32-、OH-与水中Ca2+、Mg2+形成难溶盐过程：水中离子（加药）→固体→固液分离\n四、软化方法：2，离子交换法：利用某些离子交换剂所具有的阳离子（H+、Na+）与水中Ca2+、Mg2+进行交换反应达到软化的目的或利用固体电解质中可交换离子（H+、Na+）置换水中溶解离子（Ca2+、Mg2+）的方法。离子交换剂（树脂）：包括惰性骨架（固定部分）和活性基团（可交换部分）\n四、软化方法：3，掩蔽剂法：利用络合物的掩蔽性去除水中硬度或利用络合物的掩蔽性使络合物中的离子失去原离子反应性的方法。（并不一定真正去除）\n四、软化方法：4，膜法：基于电渗析原理，利用离子交换膜的选择透过性，在外加直流电场的作用下通过离子的迁移，在进行水的局部除盐的同时达到软化的目的。\n练习题：根据水质分析，Ca2+、Mg2+含量分别为48.8mg/L和48.6mg/L，用各种表达方法(摩尔浓度、当量浓度、德国度、mgCaCO3/L)表示其硬度。\n硬度和碱度的关系（碱度以A表示）HcHn负硬度Ht>AAHt-A0HtAHt=Hc+HnHc有以上反应，而Hn有：MgSO4+Ca(OH)2=CaSO4+Mg(OH)2↓CaCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Ca(OH)2MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2↓产生了等当量的钙硬度。C、A=0Ht=Hn无软化效果。反应过程：CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2OCa(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3↓+2H2OMg(HCO3)2+Ca(OH)2=CaCO3↓+MgCO3+2H2OMgCO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+Mg(OH)2↓由上式可以看出：(A),去除1摩尔Ca(HCO3)2需1摩尔Ca(OH)2，去除1摩尔Mg(HCO3)2需2摩尔Ca(OH)2。(B),熟石灰最易与水中游离CO2反应，而水中存在下列平衡：2HCO3-≒CO2+CO32-+H2O(a)CO32-+Ca2+≒CaCO3(b)当Ca(OH)2首先与CO2反应后，(a)向右进行导致(b)向右进行，使CaCO3析出，为软化创造了条件。\n4、适用条件：（1）Hc占大部分的源水;(2)预处理——钠离子交换5、石灰用量的计算：通过实验确定：以石灰投量（ρmgCaO/L）为横坐标，以水中残留硬度（H）为纵坐标，根据实验数据绘曲线，得出最佳石灰投量。最准确3、特点：只能除Hc，不能除Hn除1摩尔钙离子Hc需1摩尔熟石灰；除1摩尔镁离子的Hc需2摩尔熟石灰可以去除碱度可去除水中部分铁和硅的化合物石灰软化与混凝处理同时进行，可产生共沉效果，混凝剂常用铁盐余硬：Hn+0.25~0.5mmol/L(溶度积及CaO过剩量)含盐量降低（沉淀）经济费用低\nB、HCaHC水中HC仅以Ca(HCO3)2形式出现ρ（CaO）=56[c(CO2)+c(Ca(HCO3)2)+c(Fe2+)+K+α],(mg/L)c(CO2)——源水中游离二氧化碳浓度浓mmol/Lc(Ca(HCO3)2)——源水中Ca(HCO3)2浓度mmol/Lc(Fe2+)——源水中Fe2+浓度mmol/LK——混凝剂投量mmol/Lα——CaO过剩量0.1~0.2mmol/L[CaO]=[CO2]+[Ca(HCO3)2]+[Fe2+]+K+α,(meq/L)[CO2]——源水中游离二氧化碳浓度浓meq/L[Ca(HCO3)2]——源水中Ca(HCO3)2浓度meq/L[Fe2+]——源水中Fe2+浓度meq/LK——混凝剂投量meq/Lα——CaO过剩量0.02~0.04meq/L\nMgSO4+Na2CO3→MgCO3+Na2SO4MgCl2+Na2CO3→MgCO3+2NaClMgCO3+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓（1）适用条件：适用于硬度大于碱度的水。（2）石灰用量的计算：三、其他药剂软化法：1.石灰—苏打法：（1）背景：石灰软化不能去除永久硬度，研究发现苏打能去除永久硬度，因此，向水中同时投加石灰和苏打，就能去除全部硬度。软化水的剩余硬度可降低至0.15~0.2mmol/L。（2）实质：向水中补充碳酸根离子（3）原理：暂时硬度用石灰去除，反应与石灰法相同，Hn的去除（与苏打反应）原理如下：CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO4CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCl\nA、HCa>HCCa2+Mg2+Na+HCO3-SO42-Cl-CaO=28([CO2]+HcCa+HnMg+K+α)(g/T)B、HCa0.2mm国产的一般都在0.3~1.2mm。3溶胀性：膨胀体积占全体积的百分率；分两个方面。A惰性骨架内的活性基团亲水，使水涌入骨架内。所以：实际中总是先将树脂溶胀，然后再装。一般来说，高强度的，强性树脂。水合离子半径大的溶胀率大。B转型时，树脂体积发生变化。RH――RNa（为了运输方便）各种离子水合离子半径不同；带电的水也不尽相同。一般，强性树脂转型变化不大，弱性树脂转型变化较大。\n4交联度树脂结构骨架的铰链度取决于制造过程，工业上常用的凝胶型树脂含有2~12%的已二烯苯作为苯乙烯的铰链剂。交联度对树脂的许多性能具有决定性的影响。交联度的改变将引起树脂的交换容量，含水率，溶胀度，机械强度等性能的改变。水处理用的离子交换树脂，交联度以7~10％为宜。此时，树脂网架中的平均孔隙亦即孔道宽度为20~40i。5密度分为湿真密度和湿视密度湿真密度：指树脂在水中充分溶胀后，其重量与真实体积（不包括树脂间的孔隙）之比。（g/ml）(1.04~1.30)湿真密度＝（g/ml）苯乙烯型强酸树脂湿真密度约1.3g/ml，强碱树脂为1.1g/ml。意义：1）决定反洗强度2）混合床水力分级\n湿视密度：树脂充分溶胀后，其重量与堆积体积之比。（g/ml）一般0.6~0.85g/ml。湿视密度＝6总交换容量：交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力地大小。交换容量的单位mg当量/g(干树脂)或meq/L(湿树脂)。交换容量分为两部分，即总交换容量与工作交换容量。总交换容量是指单位重量或体积树脂内的交换基团总量或可交换离子的总数量。重量：重量交换容量，毫克当量/克干树脂体积：体积交换容量，毫克当量/mL湿树脂国产：强酸树脂4~5meq/g弱酸树脂9~12meq/ml实质上，从构造上看，单位重量或体积的空间网状结构因各苯环末端所“具有”的活性基团总数。总交换容量是表示单位树脂所能吸附去除离子的最大量。7工作交换容量：指在给定的条件下树脂实际交换容量。8含水率：树脂中含水的百分比（40~60%）\n9有效工作PH范围此范围与树脂内活性基团的解离常数有关。由于树脂活性基团分为强酸、弱酸、强碱和弱碱，水的PH值势必对它们的交换容量产生影响。强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与PH值无关。弱酸树脂在水PH值低时不电离或只部分电离，因而只能在碱性溶液中，才含有较高的交还能力。弱碱性树脂相反，在PH值高时不电离或只部分电离。只是在酸性溶液中才含有较高的交换能力。因此我们得出各种类型树脂的使用有效PH值范围。树脂类型强酸性阳离子树脂弱酸性阳离子树脂强碱性阳离子树脂弱碱性阳离子树脂有效PH值范围1-145-141-126-7此外，树脂还应只有一定的耐磨性，耐热性及抗氧化能力。以后介绍的有关阳离子交换树脂基本性能，对磺化煤也是适用的。（磺化煤价格较便宜，但交换容量低，机械强度差。性能随着煤质不同而变化，现已逐渐由树脂所替代）。\n\n\n\n\n四、离子交换平衡离子交换如同化学反应一样，服从当量定律，且是可逆反应，离子交换技术就是基于等当量交换与可逆反应来进行交换与再生的；离子交换中的等当量性、可逆性、选择性是我们进行水质软化的基本设计依据。水的软化过程中，离子交换反应就是阳离子交换树脂上的可交换离子（H+、Na+）与水中的钙、镁离子之间的交换反应。2RNa+Ca2+=R2Ca+2Na+当树脂饱和后，用高浓度的NaCl处理：R2Ca+2Na+=2RNa+Ca2+\n四、离子交换平衡1.量的关系:服从质量作用定律，属可逆反应，这就要求实际操作采用动态交换方式。2.离子交换选择系数：总的离子交换通式：2RA+B2+R2B+2A+反应向哪个方向进行取决于特定条件下树脂对A+、B2+的亲和力大小，而亲和力的大小又通过离子交换选择系数来比较。\n四、离子交换平衡[R2B]、[RA]——树脂中B2+、A+的离子浓度[A+]、[B2+]——溶液中A+、B2+的离子浓度对RA+B+RB+A+（1）用离子浓度表示：\n四、离子交换平衡K值称平衡常数，但并非严格的常数；亲和力大小的比较：（水溶液中不大时）一般选择系数为树脂中B＋与A＋浓度的比率与溶液中B＋与A＋浓度的比率之比。选择系数大于1，说明该树脂对B＋的亲和力大于对A＋的亲和力，亦即有利于进行离子交换反应。即：K>1B>AK=1B=AK<1BCa2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>H+>Li+Ca2+置换Na+的理论依据。高价大于低价，同价原子序数大亲和力大；高浓度时上述次序不在适用。（再生时，提高Na+浓度，从而使Na+置换Ca2+）。\n五、离子交换速度离子交换过程受离子浓度和树脂对各种离子亲和力的影响外，还受离子扩散过程的影响。1，离子扩散过程五步骤：外部溶液中待交换的Ca2+向树脂颗粒表面迁移并通过树脂表面的边界水膜；待交换的Ca2+在树脂孔道里移动，直到到达某有效交换位置上；Ca2+与树脂上可交换Na+进行交换反应；被交换下来的Na+从有效交换位置上通过孔道向外面移动；Na+通过树脂表面的边界水膜进入外部的溶液中。\n五、离子交换速度离子交换指上述五步骤全过程；1、2、4、5属离子扩散，速度较慢且受外界条件影响较大；3属化学反应，瞬间完成；1—5每一步都影响了离子交换的速度，其中1、5步膜扩散和第2、4步的孔道扩散有可能成为控制步骤。\n五、离子交换速度\n五、离子交换速度2，外界条件对离子交换速度的影响：溶液浓度（C）：浓度梯度理论：C是扩散的推动力，C大，扩散快C>0.1mol/L时，VM大，孔道扩散成为控制因素，树脂再生时即为这种情况；C<0.003mol/L时，VM小，膜扩散成为控制因素，交换时即为这种情况。流速（V）：边界水膜厚度反比于V，而孔道扩散不受V影响。树脂粒径（d）：膜扩散过程：离子交换速度反比于d；孔道扩散过程：离子交换速度反比于d2。交联度（DVB）：DVB对孔道扩散影响大，对膜扩散影响小。\n六、离子交换过程1，交换过程分析方法：在离子交换柱中装填Na型树脂，从上而下通过含有一定浓度Ca2+的硬水。交换反应进行一段时间后，停止运行，逐层取出树脂样品，并测定其所吸附的钙离子含量，以“饱和程度”表示。饱和程度：单位体积树脂所吸附钙、镁离子量与其全交换容量之比，以百分比表示。饱和程度曲线\n六、离子交换过程2，交换过程：（1）两个阶段：交换带形成阶段：饱和程度曲线形状不断变化随即形成一定形式的曲线。交换带推移阶段：“交换带”：在某时刻正在进行交换反应的软化工作层。“交换带厚度”：可理解为处于动态的软化工作层厚。沿水流方向，以一定形式每刻都在推移。当硬度开始泄露时，树脂层分为两部分：•饱和层：交换容量得到充分利用；•保护层：交换容量得到部分利用，相当于交换带厚：\n六、离子交换过程2，交换过程：（2）“交换带厚度”的影响因素：流速：正比于V0.5~0.8[Ca2+]：硬度树脂再生程度“交换带厚度”对树脂层的有效利用是有影响的。如原水硬度高、采用流速偏大，则交换带厚度大，降低树脂层的利用率。\n六、离子交换过程3，交换操作步骤：软化——反洗——再生——正洗4，交换软化过程实例：P403～404自学\n树脂的鉴别方法\n\n练习题：装填Na型强酸树脂的离子交换柱采用逆流再生操作工艺。层底部再生度为96%，进水钙离子硬度为8meq/L。试计算运行初期出水的剩余硬度。（树脂全交换容量为3mol/L，选择系数。）\n返回