离子交换水处理清华大学（水处理课堂讲学）

2016年作为十三五的开局之年，在3月份这全球关注的时刻，环保行业再一次聚焦了众人的目光。

在环保行业中，水是环保行业中不可分割的重要一部分，身处水处理行业的从业者们，对于水，知道的又有多少？

今天，北京康洁之晨水处理技术有限公司总经理王世杰先生便为我们上一堂“水”之课：离子交换软化水处理技术及全自动软水器的现状。

北京康洁之晨水处理技术有限公司总经理王世杰先生为我们讲课

在离子交换之前，我们要先进行水预处理。

水预处理作用

在水处理过程当中，水的预处理有着十分重要的作用，尤其是一些深度处理系统，如膜法系统，因此，对进水往往有一定的水质要求。

为了延长系统的周期和使用期限，防止系统的损坏，大多数水处理过程都会进行水的预处理。

混凝

向水中添加混凝剂使杂质快速沉淀分离的过程。

混凝

1.吸附作用

2.电性中和作用

3.表面接触作用

4.网捕作用

过滤

水中杂质通过滤料层被截流分离的过程。

那么，水的预处理之后，怎样进行离子交换软化水处理呢？

王经理表示，使用离子交换技术，定然少不了离子交换树脂。

北京康洁之晨水处理技术有限公司总经理王世杰先生讲课

那么，什么是离子交换树脂？

离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基因）名称、基本名称组成。孔隙结构分凝胶型和大孔型两种，凡具有物理孔结构的称大孔型树脂，在全名称前加“大孔”。

孔隙结构分凝胶型和大孔型两种

离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。

北京康洁之晨水处理技术有限公司总经理王世杰先生讲课

树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别：

首先区分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类，它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类。

而树脂粒度对水处理有较大影响：粒度大：交换速度慢，交换容量小。粒度小：树脂的交换能力大，但运行阻力较大。

粒度相差较大，小颗粒树脂会塞堵大颗粒树脂间的空隙，造成水流不匀而且还会影响树脂的反洗。流速过小不能松动树脂层，流速过大小颗粒树脂会被冲走流失。一般树脂的粒径为0.3~1.2mm。

离子交换原理

离子交换步骤一般分为5步：

1.边界水膜内的扩散：Na 向树脂表面迁移，并通过树脂表面的边界水膜达到树脂表面。

2.交联网孔内的扩散：Na 在交联网内迁移到交换点

3.离子交换：Na 离子与H 交换

4.交联网孔内的扩散：被交换下来的H 在树脂孔道内的扩散

5.边界水膜内的扩散：被交换下来的H 通过树脂表面的边界水膜层进入水溶液中。

其中，第1、5称为液膜扩散，2、4称为孔道扩散，3为交换反应。

离子交换原理

水中离子浓度对交换的影响:

当水中离子浓度大于0.1mol/l以上时，离子在水膜中的扩散速度很快，整个交换速度受孔道扩散控制，相当于树脂的再生情况。

离子交换再生

当水中离子浓度小于0.003mol/l时，则离子在水膜中的扩散速度很慢，此时整个离子交换速度受液膜扩散控制。这相当于树脂的运行情况。

离子交换的工作过程：

离子交换过程中，树脂层内会形成三个区域：即失效层、工作层和保护层。

而在交换过程中，树脂层发生的变化又分为三个阶段：①、工作层的形成阶段；②、工作层的移动阶段，工作层厚约100-200mm；③、工作层的消失阶段。

前面我们讲了水的预处理和离子交换树脂的特性，接下来我们就讲离子交换软水处理技术。

北京康洁之晨水处理技术有限公司总经理王世杰先生讲课

软化水处理工艺

软化器意即钠离子交换器，而水软化器即是应用离子交换技术，通过树脂上的功能离子与水中的钙离子、镁离子进行交换，从而吸附水中多余的钙、镁离子，达到软化水质、去除水垢的目的。

那么，水是如何软化的呢？又有哪些工艺？

运行工艺：

目前软化水处理常用的工艺有顺流再生固定床工艺、逆流再生固定床工艺、浮动床工艺。这些工艺在实际操作中几乎100%采用全自动控制方法，且采用进口国外全自动控制器的占据了绝大多数。

顺流再生软水工艺

逆流再生软水工艺

浮动床运行工艺

顺流再生软水工艺、逆流再生软水工艺、浮动床运行工艺对比

王经理认为，逆流再生和浮动床工艺比顺流再生省盐30-50%，自耗水量节省30%。相对于逆流再生和浮动床运行工艺，落后的顺流运行工艺既影响了运行的经济指标又影响了出水水质的指标。

然而，这样落后的工艺却是中国目前绝大部分软化水处理的选择。

让我们一起分析一下这三种工艺的一些数据：

A.盐耗：每再生1mol吸附杂质所用再生剂Nacl的用量。

顺流再生固定床工艺为100-150g

逆流再生固定床工艺为80-100g

浮动床工艺为70-90g

B.工作交换容量：在正常工作状态下每立方米树脂可吸附杂质的mol数。

顺流再生固定床为900-1000mol/m³

逆流再生固定床为1000-1200mol/m³

浮动床为1000-1200mol/m³

C.再生剂利用率：再生过程中使用的Nacl发挥作用的百分比

顺流再生固定床为37%

逆流再生固定床为75-85%

浮动床为85-90%

D.自耗水率：软化器再生过程中使用水量（变成废水）和生产出合格水量之比

顺流再生固定床6-8%

逆流再生固定床4-6%

浮动床3%

如果把上述数据换算成非专业人员能看得懂的数值如下：

以生产一千吨合格水为例：

原水硬度为 2mmol/L 4mmol/L 6mmol/L 废水量

顺流用Nacl量： 300公斤 600公斤 900公斤 80吨

逆流用Nacl量： 200公斤 400公斤 600公斤 60吨

浮动床用Nacl量： 180公斤 360公斤 540公斤 30吨

一目了然我们清楚的知道了那种工艺好坏。每生产1000吨水如果设备选择错误就会造成几十吨水的浪费。几百公斤盐的浪费。而这些浪费带来了更大的水污染。

软水器阀门形式有：柱塞式多路阀，板式多路阀，旋转多孔多路阀，多阀常规隔膜阀。

王经理表示，集成多路阀多数于50、60年前开始设计生产。其落后的工艺和粗糙的控制造成严重的水和盐的浪费，中国巨大的市场需求及20年前整体低的运行管理水平，对这些集成多路阀的渴求掩盖了这种落后工艺的弱点。

王经理认为，现今，水资源缺乏，在如此环境下，顺流再生工艺和集成多路阀已然对于现在的中国来说，是并不合适的，继续使用必将造成我国大量的水资源及盐的浪费。

全自动软水器

全自动软水器是一种运行和再生操作过程全自动控制的离子交换软水器，利用钠型阳离子交换树脂去除水中钙镁离子，降低原水硬度，以达到软化硬水的目的，从而避免碳酸盐在管道、容器、锅炉产生结垢现象，大大节省投资成本的同时又能保证生产顺利进行。

目前已广泛应用于各种蒸汽锅炉、热水锅炉、热交换器、蒸汽冷凝器、空调、直燃机等设备及系统的循环补给水中。

全自动软水器工作原理

全自动软水器的主要特征有：

1.自动化程度高，供水工况稳定，使用寿命长，全程自动，只需定期加盐，不需人工干预。

2.高效率、低能耗、运行费用经济。

3.设备结构紧凑合理，操作维修方便，占地面积小，节省投资。

4.使用简便，安装、调试、操作简单易行，控制部件性能稳定，可使用户解决后顾之忧。

JK多阀控制系统

JK多阀控制系统

JK多阀自动控制系统的设计思路：把阀门和控制器分离，使阀门回归其简单的开闭功能。先进的控制器指挥各个阀门灵活的开闭，实现各种需要的工艺。

JK多阀控制系统

JK多阀控制系统的特点

1.可以实现时间，流量多种终点判断方式。

2.可以实现过滤、顺流再生，逆流再生，浮动床多种工艺。

3.可以实现单床、多床运行控制。

4.可以非常容易的进行旧设备改造，变手动设备为自动设备。

5.设备成套不需要专业技术人员，一般水暖技工即可完成，设备维护简单方便。

6.有效的避免了集成阀，一个阀门损坏，整个集成阀报废的问题。

7.所有规格只是阀门大小和管路连接方式的区别，控制器完全一样，便于推广使用。

8.系统外观与集成阀比较相对复杂。

中国人多、专家也多。最近尤其突出的出现了非常多的“水专家”，本人不是专家，更不敢以水专家的身份谈论水。本人只是以水处理前辈真正的专家他们得出的大量的事实数据为基础，探讨一下软化水处理和“水十条”的关系。

水十条中非常重要的六个字“节水”、“减排”、“治污”。

软化水处理：自耗水量大小，直接影响“节水”、“减排”，再生剂消耗大小，直接影响“治污”。

康洁之晨王世杰总经理结论：

1.仅以全国约50万台工业锅炉所需配置的软化水处理设备而言，其造成的水和盐的节约或浪费，不容小视。据本人从事20年软化水处理的经验，非常遗憾的是绝大多数使用的是落后的高废盐，废水的工艺。而在纺织、印染、造纸、冶金等各行业均需大量的软化水设备。

2.选用软水器一定要选择逆流再生软水器或浮动床。

3.进口全自动控制器极少数有逆流再生，更没有浮动床。特别提醒防止那些“西服领带专家”的忽悠！

4.“节水”、“减排”、“治污”软水器不容忽视。

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