混合离子交换器使用说明书正本.docx
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混合离子交换器使用说明书正本
一、概述
二、主要技术数据
三、离子交换树脂的工作原理
3.1离子交换的基本原理
3.2离子交换树脂的再生原理
四、离子交换树脂的分类及命名
4.1离子交换树脂的分类
4.2离子交换树脂的命名
五、离子交换树脂的性质
5.1离子交换树脂的物理性质
5.2离子交换树脂的化学性质
六、混床的设备构造
七、树脂的装填及预处理
7.1树脂的装填
7.2树脂的预处理
八、混床的运行操作
8.1混床的手动操作
九、混床常见故障与处理
十、维护保养须知
十一、盐酸液碱浓度与比重对照表
1.盐酸浓度与比重对照表
2.氢氧化钠浓度与比重对照表
第三章混合离子交换器使用说明书
一、概述
混合式离子交换床简称混床。
是将阳、阴树脂按一定比例装填在同一交换床中，运行前将它们混合均匀。
此时被处理水在通过混合离子交换床后所产生的H+和OH-立即生成离解度很低的水，很少形成阳离子或阴离子交换时的反离子，可以使交换反应进行很彻底，故出水水质很高。
所以混床常串接在一级复床除盐系统或反渗透装置后面用于纯水或高纯水等的制备上。
二、主要技术数据
名称
规格
出水品质
运行流速（m/h）
出力
（T/h）
交换剂层高（mm）
外型尺寸
直径×高度
净重
电导率（μs/cm）
SiO2（μg/l）
阴树数脂
阳树脂
混合离
子交换器
LHH-2000
＜0.2
＜20
40
45
500
1000
三、离子交换树脂的工作原理
3.1离子交换的基本原理
离子交换是一种特殊的固体吸附过程，它是由离子交换剂在电解质溶液中进行的。
一般的离子交换剂是一种不溶于水的固体颗粒状物质，即离子交换树脂。
它能够从电解质溶液中吸取某种阳离子或者阴离子，而把自身所含的另外一种带相同电荷符号的离子等量地交换出来，并释放到溶液中去，这就是所谓的离子交换。
按照所交换离子的种类离子交换剂可分为阳离子交换剂和阴离子交换剂两大类。
若用R代表离子交换剂的“固体骨架”，其所含可离解基团同电解质溶液中的离子交换过程可用化学反应式表示。
对于阳离子交换过程，例如：
R—SO3H+NaCl====R—SO3Na+HCl
R—（SO3Na）2+Ca（HCO3）2====R—（SO3）2Ca+2NaHCO3
R—（SO3）2Ca+2NaCl====R—（SO3Na）2+CaCl2
R—COOH+NaHCO3====R—COONa+H2CO3
对于阴离子交换过程，例如：
R-NHOH+HCl====R-NHCl+H2O
R-（NCl）2+Na2SO4===R-N2SO4+2NaCl
R-NOH+H2SiO3===R-NHSiO3+H2O
R-NHCl+NaF===R-NHF+NaCl
离子交换反应是可逆的，逆反应称为再生。
因此离子交换剂经再生后可反复使用
电离过程可用下述公式表示：
R—SO3H===R—SO3-+H+
R—COOH===R—COO-+H+
R—OH===R—O-+H+
离子交换剂又是有选择性的，它对某种或某些离子具有更高的亲和性，所以，离子交换过程又与一般的扩散过程不同。
从离子交换剂同溶液接触到建立起离子交换平衡需要一定的时间，只有少数情况下可以瞬时完成，一般需要数分钟，数小时，甚至数天的时间才能达到交换平衡。
离子交换不只在交换剂颗粒表面进行，而且在整个交换剂体内进行。
如图3-1所示可以把离子的交换过程分析为以下各步骤：
图中，①离子从溶液中扩散到交换剂颗粒表面；②透过颗粒表面的边界膜；③离子在交换剂颗粒内部孔隙中扩散到交换点；④离子交换反应；⑤交换后的离子在交换剂孔隙内扩散到颗粒表面；⑥透过颗粒表面的边界膜；⑦向外扩散到溶液中去，完成整个离子交换过程。
在这里，步骤④即离子交换反应本身可认为是瞬时完成的。
步骤①和⑦是离子在溶液中的扩散，步骤②和⑥是离子扩散透过边界膜，而步骤③和⑤则是离子在颗粒孔隙内扩散，这三种过程都是离子的扩散，所以离子交换过程的速度实际上决定于离子扩散的速度。
至于哪种类型的步骤会成为决定整个离子交换过程的速度的步骤，需要根据具体条件进行分析。
A①溶液溶交颗粒
②液换③
薄剂④交换点
膜⑤
B⑥
⑦
图3-1离子交换过程原理图
混床的离子交换反应可用下式来表示：
Ca
SO4Mg
2RHCaCl2R2Na2
+Mg（HCO3）2SO4
2ROHNa2（HSiO3）2Cl2+H2O
R2（HCO3）2
（HSiO3）2
3.2离子交换树脂的再生原理
离子交换树脂的最大特点是失效以后可以再生，使树脂能在较长时期内反复使用，体现了离子交换树脂利用率高，成本低的优越性，从化学反应的角度上讲，再生是交换的逆过程，树脂再生的目的是让失效的树脂尽可能恢复或接近原来树脂的工作状态。
3.2.1离子交换树脂的再生方法
树脂失效后的再生方法有多种，大致可分为静态再生和动态再生两类。
静态再生指的是在容器内用再生液浸泡树脂，使之恢复到原来工作状态的再生方法，可分为体内再生和体外再生两种。
动态再生可分为顺流再生、逆流再生、对流再生等。
再生液和处理水的流向一致的称为顺流再生，流向相反的称为逆流再生，再生液从上下两端同时进入，从中排管流出的称为对流再生。
混合离子交换器的再生有两种方法。
一种是分步再生，即阴、阳树脂分层后分别进行酸碱处理；一种是同步再生，即同时把酸碱液引入阴阳树脂层进行再生，这种方法相对操作简便，且节省再生时间，通常采用此种方法进行再生。
3.2.2影响树脂再生的因素
树脂再生的好坏，直接影响着离子交换器的运行周期，它与许多因素有关，如再生剂的浓度、流量、温度、流速、纯度等。
因此采用适当的浓度、流速、再生剂用量可保证得到较好的再生效果。
一般混床再生盐酸浓度控制在3-5%，碱的浓度控制在2.0-4.0%，流速以4米/小时为宜，再生剂用量可根据再生剂耗量和树脂的工作交换容量进行计算得到。
四、离子交换树脂的分类及命名
离子交换树脂是应用最为广泛的离子交换剂，也是重要的离子交换剂。
除此之外，还有一些其它类型的离子交换剂，简单介绍如下。
4.1离子交换树脂的分类
微孔树脂
凝胶型树脂
大孔型树脂等孔树脂
载体型树脂
按物理特性分
鳌形型树脂
两性树脂
热再生树脂
强酸性离子交换树脂
阳离子交换树脂
弱酸性离子交换树脂
按化学功能基团特性分
强碱Ｉ型离子交换树脂
强碱性离子交换树脂
阴离子交换树脂 强碱Ⅱ型离子交换树脂
弱碱性离子交换树脂
4.2离子交换树脂的命名
离子交换树脂的产品型号主要由三位阿拉伯数字构成，如下图所示：
×
交联度数值
联接符号
顺序号
骨架代号
分类代号
图4-1凝胶型树脂的型号表示法
例：
001×7表示为凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，交联度为7%。
D
顺序号
骨架代号
分类代号
大孔型
图4-2大孔型树脂的型号表示法
例：
D111表示为大孔型弱酸性丙乙烯系阳离子交换树脂
五、离子交换树脂的性质
5.1离子交换树脂的物理性质
1.颜色
离子交换树脂一般为乳白色、淡黄色、黄色、褐色、棕褐色、黑色的透明和半透明的胶状球粒。
各种颜色是生产树脂时加入的指示剂颜色。
在水处理中，随着反应的进行颜色将发生变化，用于标志树脂的污染程度。
2．粒度
在通常树脂床使用的树脂，其颗粒半径约0.3-1.2mm。
特殊用途的细磨树脂，其半径可小至0.04mm。
表示粒度的方法有两种：
一种是以颗粒半径表示，另一种是以筛子（目数）表示。
标准筛又有两种，即美国筛和英国标准筛（BSS），它们的换算关系参见表5.1。
国产树脂粒度一般为16—50目（1.2—0.3mm）。
表5.1标准筛与颗粒半径
美国筛目数
半径
（mm）
BSS筛目数
半径
（mm）
美国筛目数
半径
（mm）
BSS筛目数
半径
（mm）
8
12
16
20
30
40
50
60
2.38
1.68
1.19
0.84
0.59
0.42
0.297
0.25
10
20
30
40
50
60
70
80
1.500
0.735
0.485
0.360
0.286
0.235
0.200
0.173
70
80
100
200
325
0.21
0.177
0.149
0.074
0.044
90
100
120
140
160
180
200
0.155
0.136
0.125
0.093
0.079
0.069
0.061
3．含水量和密度
商品交换树脂因具有专有亲水性，所以常含有一定的结合水。
结合水的含量与其官能团的性质及交联度有关，并随着空气温度变化而改变。
湿密度可分为湿真密度和湿视密度两类：
湿真密度=
（g/ml）
湿视密度=
（g/ml）
从真密度和视密度可计算树脂床的空隙率ε：
ε=（真密度—视密度）/真密度
不含水分的阴离子交换树脂的真密谋为1.2g/ml，而阳离子交换树脂则为1.4g/ml。
树脂密度随水分含量而改变，通常强酸型阳离子交换树脂的密度为1.3g/ml，而强碱阴离子交换树脂则为1.1g/ml。
在实际上按视密度表示约为0.6—0.8kg/L。
树脂的含水率以每克湿树脂（沥干）所含水分的百分比来表示。
它反映了树脂网架中的孔隙率。
一般树脂交联度越小孔隙率越大，含水率越高。
4．交联度和溶胀性
离子交换树脂的交联度与许多性质（溶解度、交换容量、含水量、膨胀性、选择性、稳定性等）都有关系。
树脂的交联度是按合成时所用单位中含有交联剂的百分重量来表示的。
例如了聚苯乙烯树脂的交联度为8%DVB，它的意义是这种树脂合成时单体聚苯乙烯占92%，二乙烯苯占8%。
通常，商品离子交换树脂的交联度是商品规格之一。
树脂的交联度对树脂的许多性能具有决定性的影响。
它的改变将引起树脂的交换容量、含水率、膨胀度、机械强度等性能的改变。
树脂聚合时若交联剂使用过多，则交联多，聚合物结构紧密，弹性较差；若交联剂用量小，则交联少，弹性好，孔的尺寸大。
交联剂的百分数称为交联度。
一般交联度为4%—8%为好，过大易引起二次交联。
树脂的含水量和交换容量都随着树脂交联度的降低而增大。
对于同类树脂，在纯水制造工艺中应尽量选用低交联度高含水量和高交换容量的树脂。
这样不但交换速度快，而且除盐效果好，再生效率也高。
在纯水制备中，一般选用交联度为4%的阳树脂（即001×4树脂）和交联度为4%的阴树脂（即201×4树脂）为好。
树脂的交联度还与树脂的溶胀性有关。
树脂的溶胀性是指干树脂浸泡在水中时体积胀大，溶胀后树脂的交联网孔增大的现象，树脂的溶胀性又与下列因素有关：
（1）树脂交联度越大溶胀系数越小；
（2）树脂上的交换功能基团越多，交换容量越大，吸水性及溶胀系数亦越大；
（3）可交换离子价数越高，溶胀系数越小，对同价离子，水合能力越强，溶胀越大；
（4）溶液中离子浓度越大，则树脂内部与外围溶液之间的渗透压越小，溶胀越小；
离子交换树脂的溶胀性还取决于所接触的介质（空气、水、溶剂）；树脂本身的结构特征；电荷密度（离子团的性质和浓度）；吸附离子的种类等因素。
溶胀性变化通常按干树脂所吸取的水的百分率来表示。
5．树脂的强度
树脂的强度一般用耐磨率来表示，包括耐机械强度、耐压强度及耐渗透压变化等方面。
树脂的强度随其交联度的提高而增大，当然也和合成的原料及工艺条件有关，长期使用后树脂强度会明显降低，出现破碎，影响出水流量、增加阻力，还易造成混床中交叉污染，使水质下降。
一般采用高度与直径比值太大的交换柱则会加速树脂的破裂。
高交联度的树脂强度高，但弹性差，特别是在采用高浓度的再生剂处理树脂时，很易使树脂破碎，当然树脂污染或被氧化均会造成破碎。
5.2离子交换树脂的化学性质
1．交换容量
交换容量是离子交换树脂的重要性能之一，是设计离子交换过程和装置时所必须的数据。
它说明树脂的交换能力，通常按每克干树脂所能交换的离子的毫摩尔数来表示。
在工业上，常按单位体积树脂所能交换的摩尔数表示。
在水处理的计算中交换容量是以CaCO3或CaO来表示的。
离子交换容量有三种。
（1）总离子交换容量或称全离子交换容量：
指某种离子交换剂内全部可交换活性基团的数量。
此值决定于离子交换剂内部组成，与外界溶液条件无关，是一个固定常数。
（2）平衡交换容量：
指在一定的外界溶液条件下达到平衡状态时，交换剂所吸取的某种交换离子的数量。
这是一个变数，但在其它条件不变时，此值也固定。
（3）工作交换容量：
指离子交换塔对某种离子进行交换的工作过程中，当滤过液中开始出现交换离子时所达到的交换容量。
这是实际工程运转中所利用的交换容量。
离子交换容量的单位可以用单位容积湿离子交换剂所拥有的交换离子数量（毫摩尔/升）来表示，也可以用在标准状态下（烘干洗净的氢型或氯型）单位重量的离子交换剂所拥有的交换容量（毫摩尔/克）来表示。
树脂交换容量的测试方法将在5.6节介绍。
2．选择性
选择性[81-83]是树脂对溶液中不同离子亲合力的表征。
树脂的吸附作用有选择性，在常温下，用强酸型阳树脂处理低浓度水溶液时，高价离子的吸附选择性强：
Th4+＞Al3+＞Ca2+＞Na+
同价离子中，原子序数越大，离子的水合半径越小，选择性越高。
即
Cs+＞Rb+＞Na+＞Li+
Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+
但是，由此产生的差异受离子价的影响不大。
上述规律适用于稀溶液，若溶液的离子浓度增大，则各种离子的选择性降低，有时甚至相反。
总之，一般规律是：
（1）强酸型阳树脂对各种离子的选择次序为
Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Pb2+＞Sr2+＞Ca2+＞Ni2+＞Cd2+＞Cu2+＞Co2+＞Zn2+＞Ag+＞Cs+＞Rb+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+
强酸型阳树脂对H+的选择性在Na+与Li+之间。
（2）弱酸型阳树脂的选择次序为
H+＞Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+
由于弱酸型阳树脂对H+的亲合力特别大，所以再生时用酸进行处理很容易再生。
（3）在常温下，用强碱型阴树脂处理含低浓度酸根的水溶液时，各离子的选择次序为
柠檬酸根C6H5O73-＞SO42-＞C2O42-＞I-＞NO3-＞CrO42-＞Br-＞SCN-＞Cl-＞HCOO-＞CH3COOH-＞OH-＞F-
（4）弱碱型阴树脂的选择性次序为
OH-＞HSO4-＞Cl-＞HCO3-＞HsiO3-
（5）H+与OH-的选择性随着活性基团性质的不同而相应变化，这取决于活性基团与H+或OH-所形成的酸或碱的强弱。
酸性或碱性越强，对H+或OH-的选择性越小。
如：
弱酸型树脂（R—COOH）中H+离解能力很差，故对H+的选择性很强。
同理，弱碱性阴树脂对OH-也有很强的选择性，而强酸或强碱型树脂对H+或OH-的选择性就很小。
在高浓度溶液中，树脂对不同离子的选择性的差异几乎消失。
因而溶液浓度对树脂的选择性产生了决定性的影响。
除了树脂上活性基团这一因素外，树脂的交联度对选择性次序也有影响，如果改变树脂的交联度，有时也可以加强或改变其选择性次序。
3．化学稳定性
离子交换树脂对一般的酸碱液都比较稳定，但阴树脂对浓碱液不太稳定，低交联度的阴树脂在浓碱液中易裂解。
各种离子交换树脂的基本性质示于表5.2
表5.2各种离子交换树脂基本性能
类型
强酸型阳树脂
弱酸型阳树脂
强碱型阴树脂
强碱型阴树脂
母体
苯乙烯-
二乙烯苯
甲基丙烯酸-
二乙烯苯
苯乙烯-
二乙烯苯
苯乙烯-二乙烯苯，环氧氯丙烷-四乙烯五胺
活性基因
—SO3-
—COO-
—N（CH3）3+
—NH2=NH≡N
常用离子型式
Na+
H+
Cl-
OH-，Cl-
外观
透明黄色球状
乳白色球状
透明黄色球状
透明黄色球状
总交换容量
（mmoi/g）
4.5
9.0—10.0
3.0—4.0
5—9
工作交换容量
（mmol/ml）
1.5—2.0
2.0—3.5
1.0—1.2
1.0—2.0
有效粒径
（mm）
0.3—1.2
0.3—0.8
0.3—1.2
0.3—1.2
真密度
（g/ml）
1.2—1.3
1.1—1.2
1.0—1.1
1.0—1.1
视密度
（g/ml）
0.75—0.85
0.7—0.8
0.65—0.75
0.65—0.75
含水量（%）
40—50
40—60
40—50
40—60
允许PH值
0—14
5—14
0—12
0—9
允许温度（1℃）
120
120
60—100
80—100
商品牌号举例
上海树脂厂
732742（巨孔）
724
717
701,704
其它工厂
天津南开大学
化工厂强酸
丹东化工三厂111×10
宜宾化工厂
214
天津南开大学化工厂弱碱302（巨孔）
Amberlite（美）
IR—120
200（MR）
IRC—50
XE—89（MR）
IRA—400IRA—900（MR）
IRA—45
IRA—43（MR）
DIAION（日）
SKIB（巨孔）
WK10
SA10A
WA20（巨孔）
六、混床的设备构造
按再生方式的不同，混床可分为体内再生式混床和体外再生式混床两种。
（1）进水装置
进水装置设在交换床上部，在交换床运行时，使进入交换床的被处理水水流分布均匀，并有使水流不直接冲击床层表面的作用；在交换床反洗时，作为反洗排水使用，将积蓄在树脂层中的悬浮物和破碎树脂排出交换床外。
常用的进水装置有漏斗式，十字管式、大喷头式及多孔板式等。
（2）进碱装置
进碱装置的要求是使碱液在交换床截面上分布均匀，常用的碱液装置有支管型和辐射型等。
（3）进酸装置
一般都采用从底部排水装置进入的方式。
（4）压缩空气装置
压缩空气进入混床有两种方式：
对于通常的排水装置可采用空气管直接接入底部，通过底部排水装置混合分配。
对于采用石英多垫层的排水装置，应单独配置压缩空气装置，分配支管装在底部排水装置上面。
压缩空气压力按0.1~0.5Mpa，气量按2.3m3/m2.min，混合时间3~5min。
压缩空气要经除油、除水、除灰尘等净化过程。
（5）中间排水装置
混床中排装置主要用于阳、阴树脂再生液的排出和清洗水的排出，大多采用鱼刺型母管支管式。
支管的中心位置位于床内阳、阴树脂分层处，其最大流量应保证阳、阴树脂能同时清洗（清洗流速为5m/h）。
（6）树脂的选择
1）阳、阴树脂的混合比例
合理的树脂比例对于混床的出水水质、周期制水量和经济成本都有较大影响。
而且不同型号的树脂工作交换容量不同，不同的进水水质条件和出水水质要求，也要有不同的树脂混合比例，应根据具体条件确定树脂混合比例。
确定混床阳、阴树脂混合比例的原则上是使阳、阴树脂同时失效，以获得最大的树脂利用率和较低的制水成本。
一般强酸性阳离子交换树脂与强碱性阴离子交换树脂装填的混床常用混合比为1：
2。
2）阳、阴树脂的分层率
混床再生前阳、阴树脂的分层率，对混床出水水质、周期制水量等都有很重要的影响。
树脂分层不好，再生易产生“交叉污染”，会影响树脂层的再生效果和出水质量。
为提高阳、阴树脂分层率应注意：
①选择合适的树脂：
A：
阳树脂与阴树脂的湿真密度差大于0.15~0.20。
B：
阳、阴树脂的粒度要均匀，一般要求其粒度为0.3~0.5mm，均一筛分＞90%（即90%的树脂粒度变化范围在100μm之间），树脂粒度不均匀也会影响分层。
C：
树脂粒度强度高，不易破碎。
D：
选择抗污染能力高的树脂（例如大孔型树脂），最好选用混床专用树脂（通用型号后加MB），也可用凝胶型阴阳树脂。
（7）水垫层高度
水垫层高度是指树脂层面到排水口的垂直高度。
水垫层高度至少应为树脂高度的80%~100%。
七、树脂的装填及预处理
7.1树脂的装填
（1）混床经试压合格后，向床内通入一定量的水，水位约为0.5米;
（2）打开上部树脂装填孔，用人工或水力装填的方法将树脂按规定量加入混床中。
（3）打开反洗进排水阀进行反洗，将树脂中的碎末及杂质排出，即可进行下一步的预处理。
7.2树脂的预处理
新树脂常含有溶剂、未参加聚合反应的物质和少量低聚物。
当新的离子交换树脂与水、酸、碱等溶液接触时，这些杂质就会转入溶液中，影响被处理水的质量。
此外，由于包装、运输等原因，离子交换树脂中还会含有少量的无机杂质（如铁、铝、铜等金属离子）。
所以在水质要求较高的化学除盐工艺中，新离子交换树脂在使用前应进行必要的预处理。
同时，对新离子交换树脂的处理，还会提高它的“活化性”和化学稳定性。
1）处理步骤
新树脂的处理步骤见图6-1：
树脂
阳树脂阴树脂
备用备用
图6-1新树脂的处理步骤
2）新树脂在处理时应注意的问题
新树脂处理时应注意如下四点：
（1）对于小型交换床用树脂，上述处理可以在外部防腐容器中进行；如交换床较大则应在交换床内进行。
（2）浸泡液体积一般应是树脂体积的2倍，以求将树脂充分浸泡。
（3）在进行上述处理时，配制浸泡液（如NaCl溶液，HCl溶液，NaOH溶液等）的水和清洁水应洁净，其中应不含被除去的离子。
应选用除盐水（或H+水），以免污染树脂。
特别是对强碱性阴离子交换树脂，如果在上述处理中使用了生水，会在以后运行的相当长时间内，使出水带有硬度。
（4）对于小型制水设备，新树脂也可以不经上述处理而直接用于制水，但此时应用2倍的再生剂用量（酸、碱或盐）再生树脂，并用除盐水（或H+水）充分清洗树脂后，再投入使用。
八、混床的运行操作
8.1混床的手动操作
图8-1混合离子交换器管系阀门
8.1.1混床的投运
打开进水阀1（见图8-1），排气阀7，当排气阀有水溢出时，关闭排气阀，打开正洗排水阀5进行正洗，正洗流速为15-30m/h，当出水电导≤0.2μs/cm时，SiO2≤20μg/L时，关闭排水阀5，打开出水阀4，流速控制在40-60m/h向系统供水。
8.1.2混床的停运
停运：
当出水电导＞0.2μs/cm，SiO2＞20μg/l时，关闭进水阀1，出水阀4停止运行。
8.1.3混床的再生
1）反洗分层：
打开反洗进水阀3，反洗出水阀2，流速控制在10m/h进行反洗，时间约为15分钟。
2）沉降：
关闭反洗进水阀3，反洗排水阀2，进行沉降，时间5-10分钟。
3）静置排水：
打开正排阀5，排气阀7进行排水，水排至树脂层以上50~100mm处，关闭排气阀7，排水阀5。
4）预喷射：
打开进碱阀6，进
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