離子交換器按結構

A. 離子交換的基本原理

水處理中主要採用離子交換樹脂和磺化煤用於離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。
離子交換樹脂按結構特徵，分為：凝膠型、大孔型和等孔型氏蘆;
按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;
按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強鹼型和弱鹼型。
⑴離子交換樹脂的構造
是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可數孝交換離子。
⑵基本性能
①外觀
呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，
②交聯度
指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯度為7%～10%。
③含水率
指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。
④溶脹性
指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。
在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。
⑤密度
分為干真密度、濕真密度和濕視密度
⑥交換容量
是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。
⑦有效PH范圍
由於樹脂的交換基團分為強酸強鹼和弱酸弱鹼，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱鹼只能在酸性溶液中以及弱酸在鹼性溶液中有較高的交換能力。
⑧選擇性
即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。
⑨離子交換平衡
離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利於交換反應的進行。
⑩離子交換速率
主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。殲畢帶
其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶於水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小於3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸鹼型耐熱好。
⑶樹脂層離子交換過程
以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

B. 鍋爐離子交換器返洗,再生,正洗,時間在機頭上怎樣調節

離子交換器的運行
離子交換器分為固定床和連續床兩種。固定床有順流再生固定床、逆流再生固定床、浮動床、雙層床、混合床等形式；連續床有移動床和流動床。離子交換除鹽系統一般都採用固定床。
離子交換器外形為圓筒形容器，為防止設備腐蝕，對交換器內部及附屬設備都進行了防腐處理。
針對我廠的設備特點，本節主要介紹逆流再生固定床離子交換工藝。
一、逆流再生固定床離子交換工藝
1、交換器的結構
逆流再生離子交換器按其用途的不同，可分為陽離子交換器（包括H型）和陰離子交換器（OH型等）。用於軟化工藝的陽離子交換器稱為鈉離子軟化器和氫離子軟化器。用於除鹽工藝的陽離子交換器和陰離子交換器分別稱為陽床和陰床。這些交換器在結構上沒有多大區別，其結構為交換器內頂部裝有十字支管式進水分配裝置。中上部裝有母支管式再生液分配裝置，稱為中間排水裝置。在其上面有一層厚150～200mm的壓脂層,其作用一是過濾掉水中的懸浮物,二是使水均勻地進入中排裝置。底部裝有穹形多孔板加石英砂墊層式的排水裝置。交換器的外部設有各種管道、閥門、取樣管、監視管、排空氣管、流量和壓力表計以及有機玻璃窺視孔等。
2、交換器的運行
交換器的運行應保證其出水水質、水量和經濟指標，這些指標與運行操作，特別是再生操作有很大的關系。
逆流再生固定床的運行通常分為四個步驟，從床層失效後算起為：反洗、再生、正洗和交換。這四個步驟為交換器的一個運行周期。
（1）小反洗。交換器運行到失效時，停止交換運行，將反洗水從中間排水管引進，對中間排水管上面的壓脂層進行反洗，以沖去運行時積聚在表面層和中間排水裝置上的污物，然後由上部排走。沖洗流速應使壓脂層能充分松動，但又不至將正常的顆粒沖走。反洗一直進行到出水澄清。
（2）放水。小反洗後，待交換劑顆粒下降後，放掉交換器內中間排水裝置上部的水。
（3）進再生液。開進酸（鹼）一次、二次門，啟動自用水泵，開噴射器入口門，維持進水流速5－8m/h，同時開啟並調整中間排水門。開酸（鹼）計量箱出口門，調整進酸濃度為3－4%范圍內。進鹼濃度為2－2.5%范圍內。
（4）逆流沖洗。當再生液進完後，關閉進再生液閥門，停止送入再生液，但噴射器保持原來的流量，在有頂壓的情況下，進行逆流沖洗，直至排出廢液達到一定標准為止［如H型交換器，控制排出廢液中酸度小於10mmol/L（OH-）］。逆流沖洗所需的時間一般為30～40min，逆洗水應採用質量較好的水，不然會影響底部交換劑的再生程度。
（5）正洗。最後，用水由上而下進行正洗至出水合格，即可投入運行。
逆流離子交換器一般在運行10～20個或更多周期後，進行一次大反洗，以除去交換劑層中的污物和破碎的樹脂微粒。通常運行，不進行大反洗。大反洗是從底部進水，廢水由上部反洗排水閥門放掉。由於大反洗時擾亂了整個樹脂層，所以大反洗後第一次再生時，再生劑的用量應加大1倍以上。
為了使逆流再生達到較好的效果，故在逆流再生的操作工藝中需注意以下幾個問題：
1）壓脂層的厚度要符合要求。
2）為使底部樹脂的再生程度高，不致被雜質污染而影響出水水質，故在逆流再生後，應用水質較好的水逆流沖洗，如用經過H離子交換的水來逆流沖洗陰離子交換器。
3）中部排水裝置應進行必要的加固，以防止其上的管子斷裂或彎曲。此外，為了防止在反沖洗的過程中產生過大的應力，在大反洗時的流量應由小到大，以逐漸排除交換器中的空氣和疏鬆樹脂層。進入交換器水中的懸浮物含量要小，以免壓脂層中積聚污物，造成過大的壓降。
4）逆流再生所用的再生劑質量要好，否則，仍不能保證出水水質良好。逆流再生的再生廢液中剩餘的再生劑量較少，故不宜再用。
5）應防止有氣泡混入交換劑層中。

C. 離子交換的基本原理和裝置運行方式

離子交換的基本原理和裝置運行方式

藉助於固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進行交換，以達到提取或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬於傳質分離過程的單元操作。離子交換是可逆的等當量交換反應。下面一起來了解一下離子交換的基本原理和裝置運行方式：

1.1離子交換的基本原理

水處理中主要採用離子交換樹脂和磺化煤用於離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。

離子交換樹脂按結構特徵，分為：凝膠型、大孔型和等孔型;

按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強鹼型和弱鹼型。

⑴離子交換樹脂的構造

是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，

②交聯度

指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯度為7%～10%.

③含水率

指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶脹性

指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。

在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。

⑦有效PH范圍

由於樹脂的交換基團分為強酸強鹼和弱酸弱鹼，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱鹼只能在酸性溶液中以及弱酸在鹼性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。

⑨離子交換平衡

離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利於交換反應的進行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。

其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶於水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小於3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸鹼型耐熱好。

⑶樹脂層離子交換過程

以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

1.2離子交換裝置運行方式

離子交換裝置按運行方式不同，分為固定床和連續床

⑴固定床的構造與壓力濾罐相似，是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式，其特點是交換與再生兩個過程均在交換器中進行，根據交換器內裝填樹脂種類及交換時樹脂在交換器中的.位置的不同，可分為單層床、雙層床和混合床。

單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂，如果裝填的是陽樹脂，稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂，稱為陰床。

雙層床是離子交換器內按比例裝填強、弱兩種同性樹脂，由於強、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強型樹脂在下，在交換器內形成上下兩層。

混合床則是在交換器內均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂，由於陰、陽樹脂混雜，因此原水流經樹脂層時，陰、陽兩種離子同時被樹脂所吸附，其產物氫離子和氫氧根離子又因反應生成水而得以降低，有利於交換反應進行的徹底，使得出水水質大大提高。但其缺點是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。於是又發明了三層混床新技術，保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。

根據固定床原水與再生液的流動方向，又分為兩種形式，原水與再生液分別從上而下以同一方向流經離子交換器的，稱為順流再生固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。

順流再生固定床的構造簡單，運行方便，但存在幾個缺點：在通常生產條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍於理論值，再生效果也不太理想;樹脂層上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附，置換出來的反離子隨水流流經底層時，與未再生好的樹脂起逆交換反應，上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子，作為泄漏離子出現在本周期的出水中，所以出水剩餘被去除的離子較大;而到了了工作後期，由於樹脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規定，導致交換器過早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用於設備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。

逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補順流再生的缺點，而且出水質量顯著提高，原水水質適用范圍擴大，對於硬度較高的水，仍能保證出水水質，所以目前採用該法較多。

總起來說，固定床有出水水質好等優點，但固定床離子交換器存在三個缺點：一是樹脂交換容量利用率低，二是在同設備中進行產水和再生工序，生產不連續，三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻，上層的飽和程度高，下層的低。

為克服固定床的缺點，開發出了連續式離子交換設備，即連續床。

⑵連續床又分為移動床和流動床

移動床的特點是樹脂顆粒不是固定在交換器內，而是處於一種連續的循環運動過程中，樹脂用量可減少三分之一至二分之一，設備單位容積的處理水量還可得到提高，如雙塔移動床系統和三塔移動床系統。

流動床是運行完全連續的離子交換系統，但其操作管理復雜，廢水處理中較少應用。

D. 離子交換器運行方式及優缺點

離子交換器主要運行方式及優缺點有哪些？
離子交換器根據置換方式不同有以下幾種運行方式；
（1）順流再生、順流軟化方式：原水及還原液均從交換器上部進入，向下流動。該種方式嚎水是自上向下流動，因水流動方向與還原液流動方向一致，使還原液不能很好地與失效的交換劑進行還原反應造成耗鹽量增大，軟化後的水質較差，很少使用該方式。
（2）逆流軟化、順流再生軟化方式：即還原液自上向下流動，而原水從罐的下部向上流動，軟化水自罐體上部流出。該種方式因還原液流動方向與水流動方向相反，提高了還原液的利用率，多用於小型交換器。
（3）順流軟化、逆流再生軟化方式：原水自上向下流動而還原液自下向上流動，軟水從罐體下部流出。這種方式可提高再生效果，因此軟化水的質量好，可節約食鹽量和清洗水量，一般多採用該種運行方式的交換器。

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E. 離子交換器有哪些種類呢

離子交換器分為：鈉離子交換器、陰陽床、混合床等種類，。離子交換柱(器)外殼一般採用硬聚氯乙烯(PVC)、硬聚氯乙烯復合玻璃鋼(PVC-FRP)、有機玻璃(PMMA)、有機玻璃復合透明玻璃鋼(PMMA-FRP)、鋼襯膠(JR)、不銹鋼襯膠等材質。主要用於鍋爐、熱電站、化工、輕工、紡織、醫葯、生物、電子、原子能及純水處理的前道處理，工業生產所需進行硬水軟化、去離子水制備的場合，還可用於食品葯物的脫色提純，貴重金屬、化工原料的回收，電鍍廢水的處理等。

F. 鈉離子交換器的結構示意圖

註：1、機械旋轉式多路閥由國內研製生產，但易磨損，現已生產出改進型，性能尚好。
2、柱塞式、板式與水力驅動多路閥由國外引進技術與產品，離子交換器的其它組件均由國內生產配套。這類產品性能可靠、故障率低、使用壽命較長，是設計使用首選。
3、進口集成閥控制形式在軟化水量較小的系統中使用。當軟化水量>40m3/h，可採用「自動隔膜閥組+控制器」的控制模式，
4、組合式平面集成閥由國內自主生產，可拆卸，性能穩定，當軟化水量>25m3/h，水質硬度>8mmol/L時，建議採用「平面集成多路閥+控制器」的自動控制模式。
固定床鈉離子交換器和浮動床鈉離子交換器廣泛應用於生活水處理、鍋爐水處理、及綜合水處理等用水環境。
鈉離子交換器選型標准主要有：水質硬度、產水量、安裝空間

G. 什麼是離子交換系統

離子交換器是利用陰、陽離子交換樹脂的交換吸附性能，去除水中的各種陰、陽離子，達到脫鹽的目的。離子交換器按單台設備分類有陽床、陰床、混床，在水處理應用中，以多種組合形式組成多種除鹽系統，以達到設計要求。離子交換器是制備高純水的必備設備，廣泛應用於醫葯、化工、電子、電鍍、鍋爐等領域，與反滲透、電滲析組合處理後的水質電阻率可達到1~18M
.CM。電除離子系統(EDI)
EDI(Electrodeionization)技術將電滲析技術和離子交換技術有機地結合在一起，可有效地去除水中微量的電解質離子雜質，連續24小時製取高品質純水，具有安裝簡單、作維護方便、無需酸鹼再生、不污染環境等優點。
工作原理
EDI膜堆是由夾在兩個電極之間一定對數的單元組成。在每個單元內有兩類不同的室:待除鹽的淡水室和收集所除去雜質離子的濃水室。淡水室中用混勻的陽、陰離子交換樹脂填滿，這些樹脂位於兩個膜之間:只允許陽離子透過的陽離子交換膜及只允許陰離子透過的陰離子交換膜。
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H. 離子交換器的工作原理

工作原理就是離子的交換。
運行時：陽樹脂(H-R)+(M+)-->：(M-R)+(H+)
陰樹脂(OH-R)+(X-)-->：(X-R)+(OH-)
其中M+為金屬離子，X-為陰離子。
再生過程為其逆過程。
離子交換器的失效控制
離子交換除鹽水處理最簡單的流程為 陽床-陰床 組成的一級復床除鹽系統。有的一級復床除鹽系統採用單元制，即每套一級復床除鹽系統包括 陽床、（除碳器）、陰床各一台，在離子交換除鹽運行過程中，無論是陽床還是陰床先失效，都是同時再生；還有的一級復床除鹽系統採用母管制，即陽床與陽床或陰床與陰床是並聯運行的，哪一台交換器失效就再生哪一台。
1 檢測和控制原理
強酸性陽樹脂對水中各種陽離子的吸附順序為：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ；由此可知，水中金屬離子Na+被吸附的能力最弱，所以當離子交換時樹脂層的各種離子吸附層逐漸下移，H+.最後被其他陽離子置換下來，當保護層穿透時，首先泄漏的是最下層的Na+；因此監督陽離子交換器失效是以漏鈉為標準的；其反應方程為（A代表金屬陽離子,R為樹脂基團）：
An+ +nRH=RnA+n H+
HCO3- + H+ =H2O+CO2↑
強鹼性陰樹脂對水中各種陰離子的吸附順序為：SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以當離子交換時樹脂層的各種離子吸附層逐漸下移，OH-.被其他陰離子置換下來，當保護層穿透時，首先泄漏的是最下層的HSiO3-；因此監督陰離子交換器失效是以漏硅為標準的；其反應方程為（B代表酸根陰離子，R為樹脂基團）：
Bm- +mROH=RmB+mOH-
2 控制點和控制方法
由於母管制系統包含了單元制系統,而且它具有能充分使用樹脂、提高交換器的出水能力、降低酸鹼消耗等優點，我們在研究中主要討論以這種結構為基礎的離子交換除鹽水處理系統。
以成都生物製品研究所蛋白分離車間純水站為例，該系統為母管制水處理系統，系統的結構為：砂濾-活性炭過濾-粗濾-陽床- 一陰-二陰-混床-精濾-純水罐，系統產水能力為5 t/h，在系統的失效控制研究中，我們提出單元失效控制概念，也就是充分利用了母管制制水系統的優點對系統進行失效控制。
（1）RO對各有機溶質的去除率大於NF膜。（2）不同有機溶質的去除率不相同，有的甚至相差很大（例如，RO和NF膜對乙酸的吸光度去除率分別為95.34%、81.45%，而對苯胺的吸光度去除率則分別為61.50%、46.82%）。
3 出水水質
原水經一級復床除鹽後，電導率（25℃）低於10μS/cm，水中硅含量低於100μg/L。

I. 混合離子交換器的結構簡述

一再生裝置 陰離子交換樹脂再生鹼液在高於陰離子交換樹脂面300毫米處母管進液(Φ400、500、600採用單母管進液，Φ800、2500採用雙母管進液)，管上小孔布液，管外採用塑料窗紗60目尼龍網布包覆。 陽離子交換樹脂再生酸性由底部排水裝置的多孔板上排水帽進入。
二中排裝置 中排裝置設置在陰、陽樹脂的分界面上，用於再生排泄酸、鹼還原液和沖洗型，型式分為雙母管或支母管式，管子小孔外包覆塑料窗紗及60目尼龍網各一層。
三排水裝置 採用多孔板上裝設PB2-500型疊片式排水帽,或寶塔式ABS型排水帽,多孔板材質按設備規格不同而異。（Φ400、500、600型採用硬聚氯乙烯多孔，Φ800、2500型採用鋼襯膠多孔板）。
四進水、出水管徑按管道內工質流速為1.5米/秒。
五樹脂的反洗膨脹率： 由於陰離子交換樹脂的反洗膨脹率各不相同，結合實際運行的經驗，採用反洗膨脹率為100%，在陰陽樹脂分界面處，樹脂表面層及最大反洗膨脹高度處各設視鏡一個，用以觀察樹脂表面以及反洗樹脂的情況。
六樹脂的輸送： 樹脂的輸入和卸出均考慮採用水力輸送，筒體上部設樹脂輸入口，在簡體下部近多孔板處設樹脂卸出口。

J. 無頂壓逆流再生鈉離子交換器的結構簡述

1. 進水裝置
在設備的抄上部襲設有進水裝置，能使水均勻的分布在交換劑層上。
2. 中排裝置 ： 中排裝置設置在離子交換樹脂層和壓脂層的分界面上，用於排泄再生食鹽廢液和進小反洗水，型式為：DN500桪N600型為雙母管式，DN800桪N3200型為支管母管式，管上開小孔布液，管外包覆塑料窗紗及60目尼龍網各一層，材質均為20號鋼。
3. 排水裝置： DN1200及以下的設備採用多孔板上裝設濾水帽，DN1500及以上設備有兩種形式，及多孔板上裝設濾水帽或用石英砂墊層。多孔板材質按設備規格不同而異，DN500?00型用硬聚氯乙烯製作,DN800桪N3200型採用鋼制多孔板，砂墊層配比按要求裝填。 另外,在交換器下部排水帽處、樹脂面處及最大反洗膨脹高度處各設視鏡一個,用以觀察體內工況。考慮到樹脂的水力裝卸，筒體上部設樹脂輸入口，在筒體下部近多孔板處設樹脂卸出口。