课程名称：《水质工程学I》第周，第23讲次摘要87-4离子交换软化方法与系统授课题目（章、节）【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内 容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】S7-4离子交换软化方法与系统一、离子交换软化方法原理：目前常用方法：Na交换法。H交换法。H一Na交换法。Mg2+mmol/L（一）Na交换软化法：-Ca(22Ca HCO.)NaHCOsMg (HCO),软化水原水Na:S04CaSoxNaCIMgCl图21-8Na离子交换软化法示意反应：2RNa+Ca(HC03)2R2Ca+NaHC0
课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 23 讲次 摘 要 授课题目（章、节） §7-4 离子交换软化方法与系统 【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。 【重 点】 【难 点】 内 容 【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】 §7-4 离子交换软化方法与系统 一、离子交换 软化方法原理： 目前常用方法：Na+交换法。 H +交换法 。 H +—Na+交换法。 c Ca Mg mmol / L 2 1 2 1 2 2 + + + （一）Na+交换软化法： 反应： 2RNa+Ca(HCO3)2 R2Ca+NaHCO3
2RNa+CaSO4RCa+Na2SO42RNa+MgC12:R2Mg+2NaCl特点：（1）不产生酸性水→设备管道防腐简单。（2）再生剂为食盐。（二）H交换软化法：反应：2RH+Ca (HCO3) 2R2Ca+2C02+2H20RMg+2C02+2H202RH+Mg（HCO3)2一 RCa+2HC12RH+CaC12一 RMg+2HC12RH+MgC12特点：（1）软化过程同时去除碱度（2）产生酸，出水为酸性水→对设备有腐蚀，这种方法少用。（三）H一Na交换脱碱软化法：NaHCONaC1Ca (BCO, )Na2S04原水NaC!SaHaSO图21-9H-Na并联离子交换脱碱软化法示意将H和Na交换柱串联或并联。出水偏酸性（有中和反应）
2RNa+CaSO4 R2Ca+Na2SO4 2RNa+MgCl2 R2Mg+2NaCl 特点： （1）不产生酸性水→设备管道防腐简单。 （2）再生剂为食盐。 （二）H +交换软化法： 反应： 2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2CO2+2H2O 2RH+Mg(HCO3)2 R2Mg+2CO2+2H2O 2RH+CaCl2 R2Ca+2HCl 2RH+MgCl2 R2Mg+2HCl 特点： （1）软化过程同时去除碱度 （2）产生酸，出水为酸性水→对设备有腐蚀，这种方法少用。 （三）H +—Na+交换脱碱软化法: 将 H +和 Na+交换柱串联或并联。出水偏酸性（有中和反应）
NaHCO3+H,SO+Na2SO.+CO2+H2C二、固定床离子交换软化装置：装置分类：单层床阴，一固定床双层床双层床（阳·离子交换装置混合床移动床：短暂间歇，部分交换剂移出柱连续床外再生。水由下向上流。流动床交换剂由上向下流。固定床：交换器中的树脂在交换、冲洗、再生、操作过程中，不移出交换器。顺流再生固定床：原水与再生液按同一方向流动的交换器。按原水与再生液流动方向逆流再生固定床：原水与再生液按相反方向流动的交换器。（一）顺流再生固定床：（用的较少）1、构造：一只离子交换柱（罐）。2、工艺过程：（1）交换（2）反洗：目的是使树脂松动一下，利于树脂再生，并排走树脂上层杂质（3）再生，（4）清洗，目的：用软化水清洗掉再生液（2）～（4）为再生过程
NaHCO3+H2SO4→Na2SO4+CO2+H2O 二、固定床离子交换软化装置： 装置分类： 单层床 阴 固定床 双层床 双层床 离子交换装置 混合床 阳 移动床：短暂间歇，部分交换剂移出柱 连续床 外再生。 水由下向上流。 流动床 交换剂由上向下流。 固定床：交换器中的树脂在交换、冲洗、再生、操作过程中，不移出 交换器。 顺流再生固定床：原水与再生液按同一方向流动 按原水与再生 的交换器。 液流动方向 逆流再生固定床：原水与再生液按相反方向流动 的交换器。 （一）顺流再生固定床：（用的较少） 1、构造：一只离子交换柱（罐）。 2、工艺过程：（1）交换（2）反洗：目的是使树脂松动一下，利于树 脂再生，并排走树脂上层杂质 （3）再生，（4）清洗，目的：用软 化水清洗掉再生液 （2）～（4）为再生过程
3、优缺点：（1）再生剂用量多。（2）出水剩余硬度高。（3）交换器失效早。（4）构造简单。（5）运行方便。4、适用条件：原水硬度较低，水量也较小的场合。（二）逆流再生固定床：（用的最多）常见的是：软化水流向下，再生液水流向上（反向较少）1、构造：2、工艺过程：（1）交换。（2）再生：图21-10型定床逆洗再生声子交美群i水流上向流交换工作，再生液向下流（浮一然，建常，上火量，#香教路口，5H新层：中间待#7一时胎起：8一规搅：9-下起水装点：动床法，少见）10一出水客：11一店水顶压法。i水流下向流工作，再生液向上流一气顶压法。为什么顶压：防止再生时树脂乱层。（可节省再生剂）方法：水压在交换器中间设置排水装置，在顶部加压
3、优缺点：（1）再生剂用量多。 （2）出水剩余硬度高。 （3）交换器失效早。 （4）构造简单。 （5）运行方便。 4、适用条件：原水硬度较低，水量也较小的场合。 （二）逆流再生固定床：（用的最多）常见的是：软化水流向下，再 生液水流向上（反向较少） 1、构造： 2、工艺过程： （1）交换。 （2）再生： ⅰ水流上向流交换工作，再生液向下流（浮 动床法，少见） 水顶压法。 ⅱ水流下向流工作，再生液向上流 气顶压法。 为什么顶压：防止再生时树脂乱层。（可节省再生剂） 方法： 水压 在交换器中间设置排水装置，在顶部加压
气压再生工艺过程：进压缩空气（1）小反洗：冲洗压脂层。X流速：5~10m/h，反洗废水反洗进时间：10~15min排皮液中间排水装置进水，支「软水逆向清洗(1)顶部排水，去杂质。(5)进宏气（2）放水：把中间排水装置上部的水放掉。进乐缩空气放术XX(2)（3）顶压：从交换器顶部进压缩空气，维持30～50KPa。进压缩空气文（4）进再生液：由交换器底部进(3)再生液，柱中上升流速5m/h。进压缩空气排发液[进再生液(4)（5）逆向清洗：洗去再生排废减液，用软化水清洗，升速5～7m/h，排出水达出水要求为止。软水逆向清洗(5)（注：不是达到运行指标）进水2（6）正洗：用软化水顺向清洗，出水水质符合运排水(6)
气压 再生工艺过程： （1）小反洗：冲洗压脂层。 流速：5～10m/h， 时间：10～15min 中间排水装置进水， 顶部排水，去杂质。 （2）放水：把中间排水装置 上部的水放掉。 （3）顶压：从交换器顶部进压 缩空气，维持 30～50KPa。 （4）进再生液：由交换器底部进 再生液，柱中上升流速 5m/h。 （5） 逆向清洗：洗去再生 液，用软化水清洗，升速 5～ 7m/h，排出水达出水要求为止。 （注：不是达到运行指标） （6）正洗：用软化水顺向清洗，出水水质符合运
行指标止。流速控制1015m/h注：为了除树脂中的污物及碎粒，运行若干周期后要进行一次下反洗（可以乱层，但第一次再生要加大再生剂量）3、优点：（与顺流再生相比）（1）再生剂耗量可低20%以上（2）出水水质显著提高。（3）原水水质适用范围扩大，对硬度较高的水，仍可保证出水水质。（4）再生废液中再生剂有效浓度明显降低，一般不超1%。（5）树脂工作交换容量有所提高。4、新技术：（1）无顶压法再生工艺：增加中间排水装置的开孔面积，小孔流速小于0.1～0.2m/s，压脂层厚20cm，再生流速小于7m/h，可不需顶压。(2)浮动床技术：交换工作时：上升水流以30～40m/h流速，将树脂处于悬浮状态。再生时：再生液由顶部向下流经树脂层。特点：同样具有逆流再生的特点。但工作一定时间后，需将树脂移出体外擦洗，原因是浮动床内树脂填充较满，难以在交换器内清洗。适用情况：不宜用于水量不稳定和需经常间歇的情况。原因：保持层床不乱才具有逆流再生的特点。水量不稳和经常间歇易乱层
行指标止。流速控制 10～15m/h 注：为了除树脂中的污物及碎粒，运行若干周期后要进行一次下反洗 （可以乱层，但第一次再生要加大再生剂量） 3、优点：（与顺流再生相比） （1）再生剂耗量可低 20%以上。 （2）出水水质显著提高。 （3）原水水质适用范围扩大，对硬度较高的水，仍可保证出水水质。 （4）再生废液中再生剂有效浓度明显降低，一般不超 1%。 （5）树脂工作交换容量有所提高。 4、新技术： （1）无顶压法再生工艺： 增加中间排水装置的开孔面积，小孔流速小于 0.1～0.2m/s，压脂 层厚 20cm，再生流速小于 7m/h，可不需顶压。 (2)浮动床技术： 交换工作时：上升水流以 30～40m/h 流速，将树脂处于悬浮状态。 再生时：再生液由顶部向下流经树脂层。 特点：同样具有逆流再生的特点。 但工作一定时间后，需将树脂移出体外擦洗，原因是浮动床内树 脂填充较满，难以在交换器内清洗。 适用情况：不宜用于水量不稳定和需经常间歇的情况。 原因：保持层床不乱才具有逆流再生的特点。水量不稳和经常间歇易 乱层
（三）固定床软化设备计算：FhEop=QTH，（物料平衡方程）计算基本公式：F一离子交换器截面积，m。h一树脂层高度，m。Ep一树脂工作交换容量，mmol/L。Q一软化水的水量，㎡/h。T一软化工作时间，h。Cα 2 +1表示，mmol/L。H一原水硬度，以CMg2+(22计算步骤：m)（1）交换器直径d（m）（F=140据圆面积公式为：(m)VQ一给定流量。v一所选水流流速，强酸树脂v取15~20m/h。TvH, (m)h=3（2）树脂层高度h：Eop（3）树脂装量V：（湿树脂）Vg=Fh（m）相应于湿树脂重量W（Kg）：Wm=VR·D。（Kg）Da一树脂湿视密度或堆密度，一般为600～850Kg/m实际工程中：固定软化设备台数2台以上，便于再生和检修
（三）固定床软化设备计算： 计算基本公式： （物料平衡方程） F—离子交换器截面积，㎡。 h—树脂层高度，m。 Eop—树脂工作交换容量，mmol/L。 Q—软化水的水量，m 3 /h。 T—软化工作时间，h。 Ht—原水硬度，以 + 2+ 2+ 2 1 2 1 C Ca Mg 表示，mmol/L。 计算步骤： （1）交换器直径 d （m）（ v Q F = ㎡） 据圆面积公式为： v Q d 4 = （m） Q—给定流量。 v—所选水流流速，强酸树脂 v 取 15～20m/h 。 （2）树脂层高度 h： op t E TvH h = （m） （3）树脂装量 VR ：（湿树脂） VR = Fh （m 3） 相应于湿树脂重量 Wm（Kg）： Wm VR Da = （Kg） Da—树脂湿视密度或堆密度，一般为 600～850Kg/m3 实际工程中：固定软化设备台数 2 台以上，便于再生和检修。 FhEop = QTHt
（4）树脂工作交换容量Ep：原水硬度由漏出曲线来分析：o图中：面积abedca为具体工作条件下交换出水硬度6器总的交换能力，称为饱和出水量交换容量：与再生度有关，与具体工作图21-12漏出曲线条件有关。面积abdca称为工作交换容量，与再生度有关。工作条件：流速v，温度t，树脂粒径d，硬度HtE一总交换容量，交换基团总数。可用式表示为：E。=nE,图21-13硬度开始漏滋时树器n一利用系数。层饱和程度情况示意利用硬度开始泄漏时树脂层饱和程度示意图。（1）面积表示再生后，未能再生的部分。（2）面积表示交换剂工作部分。（3）面积表示泄漏时，树脂中未被交换的可工作部分。(2)实际利用率：n=(0(2(3)(2)-(3)再生度：n,=0(23)(0)+(2)(3)树脂饱和度（交换后饱和程度)：ns=02)ns =1 - (242)
（4）树脂工作交换容量 Eop： 由漏出曲线来分析: 图中：面积 abedca 为具体工作 条件下交换 器总的交换能力，称为饱和 交换容量： 与再生度有关，与具体工作 条件有关。 面积 abdca 称为工作交换容量，与再生度有 关。 工作条件：流速 v，温度 t，树脂粒径 di，硬度 Ht Et—总交换容量，交换基团总数。 可用式表示为： Eop =Et η—利用系数。 利用硬度开始泄漏时树脂层饱和程度示意图。 （1）面积表示再生后，未能再生的部分。 （2）面积表示交换剂工作部分。 （3）面积表示泄漏时，树脂中未被交换的可工作部分。 实际利用率： ( ) (1) (2) (3) 2 = + + 再生度： ( ) ( ) (1) (2) (3) 2 3 + + + r = 树脂饱和度（交换后饱和程度）： ( ) ( ) (1) (2) (3) 1 2 + + + S = ( ) (1) (2) (3) 3 1 S = − + +
(3)再生前树脂层剩余交换能力的比率：1-ns=0)Eop = nE, = ( E,(3) (2)+(3)E((1)+(2)+(3)(1)+(2)+(3)Eop = E,[n, -(1- n, )]三、离子交换系统的选择：选择依据：原水水质及出水水质要求。（一）Na离子交换软化系统：1、软化过程：将水中的Ca和Mg*交换成Na2、处理后水质：碱度不变，去除了硬度。不产生酸性水，出水硬度也高，可达0.05mmo1/L（1/2Ca2）3、适用条件：原水碱度低，对软化后的硬度要求不高。如要求硬度严格也可串联形式。（二）强酸H离子交换树脂的工艺特性：1、软化过程：用H交换水中的Ca2、Mg2、特点：（1）与碳酸盐硬度反应，产生CO,气体2RH+Ca (HCO3) 2R2Ca+2H2C02C02+2H20
再生前树脂层剩余交换能力的比率： ( ) (1) (2) (3) 3 1 + + −S = ( ) Eop Et (1) (2) (3) Et 2 = = + + + + − + + + = (1) (2) (3) (3) (1) (2) (3) (2) (3) Et ( ) Eop = Et r − 1−s 三、离子交换系统的选择： 选择依据：原水水质及出水水质要求。 （一）Na 离子交换软化系统： 1、软化过程：将水中的 Ca2+和 Mg2+交换成 Na+ 2、处理后水质：碱度不变，去除了硬度。 不产生酸性水，出水硬度也高， 可达 0.05mmol/L（1/2Ca2+） 3、适用条件：原水碱度低，对软化后的硬度要求不高。 如要求硬度严格也可串联形式。 （二）强酸 H +离子交换树脂的工艺特性： 1、软化过程：用 H +交换水中的 Ca2+、Mg2+ 2、特点： （1）与碳酸盐硬度反应，产生 CO2气体 2RH+Ca(HCO3)2 R2Ca+2H2CO3 2CO2+2H2O
2RH+Mg(HCO3)2R2Mg+2H2CO32C02+2H20（2）与非碳酸盐反应生成酸：2RH+CaC122Ca+2HC1（3）与Na盐反应生成酸RH+NaC1 RNa+HC1一般不单独使用，因为产生了酸性，常与Na离子交换器一起使用。3、出水水质变化过程：窗I-RNANRK强酸树脂对水中离子的单水c-选择性顺序为：原水C轮Ca**>Mg**>Na超行时间（）尚水能改s immoi/l所以出水中出现离子顺序为图21-14氢高子交换出水水质变化的全过程H'-Na'-Mg**-→ Ca2*(三)H一Na并联离子交换系统：（1）原理：通过Na*交换器出水呈碱性：（出水含：NaHCO3；Na2SO4；NaC1）图21-15H-N并联离子交换系统1-H离于交换器：2-Na离于交换器通过H交换器出水呈酸性：3一除CO器：4一水箱；5一混合器（出水含：CO2；H2SO4；HC1）混和，酸碱中和。CO2脱气
2RH+Mg(HCO3)2 R2 Mg +2H2CO3 2CO2+2H2O （2）与非碳酸盐反应生成酸: 2RH+CaCl2 2Ca+2HCl （3）与 Na 盐反应生成酸 RH+NaCl RNa+HCl 一般不单独使用，因为产生了酸性，常与 Na 离子交换器一起使用。 3、出水水质变化过程： 强酸树脂对水中离子的 选择性顺序为： Ca2+>Mg2+>Na+ 所以出水中出现离子顺序为 H +→Na+→Mg2+→ Ca2+ (三)H—Na 并联离子交换系统： （1）原理： 通过 Na+交换器出水呈碱性： （出水含：NaHCO3； Na2SO4；NaCl） 通过 H +交换器出水呈酸性： （出水含：CO2；H2SO4；HCl） 混和，酸碱中和。 CO2脱气