*節(jié) 離子交換樹(shù)脂

    水中能電離的雜質(zhì)可用離子交換法除掉，這種方法是用離子交換劑進(jìn)行的。離子交換劑包括天然沸石、人造鋁硅酸鈉、磺化煤和離子交換樹(shù)脂等四類(lèi)，其中離子交換樹(shù)脂在水處理中應(yīng)用得比較廣泛。因此，在討論離子交換法前，先對(duì)離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)做一些介紹。

一、樹(shù)脂的結(jié)構(gòu) 

離子交換樹(shù)脂是一種不溶于水的高分子化合物，外觀上是一些直徑為0.3~1.2毫米的淡黃色或咖啡色的小球。微觀上是一種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨架；骨架上聯(lián)結(jié)著交換基團(tuán)，交換基團(tuán)中含有能解離的離子，圖13-5是一種離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)示意圖。下面簡(jiǎn)單的介紹樹(shù)脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙和交換基團(tuán)。

圖13-5  H型離子交換樹(shù)脂結(jié)構(gòu)示意

    1．樹(shù)脂孔隙。樹(shù)脂內(nèi)部的網(wǎng)架形成樹(shù)脂中許多類(lèi)似毛細(xì)孔狀的溝道，即樹(shù)脂的孔隙。實(shí)際上這些孔隙非常小，一般常用樹(shù)脂的孔隙直徑為20~40埃(1埃=10-8厘米)，而且同一顆粒內(nèi)的孔隙也是不均勻的。孔隙中充滿(mǎn)著水分子，這些水分子也是樹(shù)脂孔隙的一個(gè)組成部分。水和交換基團(tuán)解離下來(lái)的離子組成濃度很高的溶液，離子交換作用就是在這樣溶液條件下進(jìn)行的。

    樹(shù)脂孔隙的大小，對(duì)離子交換運(yùn)動(dòng)有很大影響，孔隙小不利于離子交換運(yùn)動(dòng)，以致半徑大的離子不能進(jìn)入樹(shù)脂內(nèi)，也就不能發(fā)生交換作用。

    樹(shù)脂網(wǎng)狀骨架部分不溶于水，在交換反應(yīng)時(shí)也是不變的，一般用英文樹(shù)脂的*個(gè)字母R來(lái)表示不變的這一部分。

    2．交換基團(tuán)。交換基團(tuán)是由能解離的陽(yáng)離子(或陰離子)和聯(lián)結(jié)在骨架上的陰離子(或陽(yáng)離子)組成。例如，磺酸基交換基團(tuán)—，季胺基交換基團(tuán)—等，其中或是能解離的并在反應(yīng)中發(fā)生交換的離子；—或—是聯(lián)結(jié)在骨架上的離子，即R—或R—N(CH3)+，它們?cè)诜磻?yīng)中是不變的。

    在書(shū)寫(xiě)某種離子交換樹(shù)脂時(shí)，一般只寫(xiě)出樹(shù)脂骨架符號(hào)R和交換基團(tuán)中能解離的離子本身符號(hào)，如RH或ROH等。

二、 樹(shù)脂的分類(lèi) 

離子交換樹(shù)脂的分類(lèi)，一般按交換基團(tuán)能解離的離子種類(lèi)分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂。

    1．陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。交換基團(tuán)能解離的離子是陽(yáng)離子的，叫做陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。在使用時(shí)通常是游離酸型即RH型，而且各種RH解離出H+能力的大小不同。所以，其中又分為強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。

    2．陰離子交換樹(shù)脂。交換基團(tuán)能解離的離子是陰離子的，叫做陰離子交換樹(shù)脂。使用時(shí)通常是游離堿型即ROH型，而且各種ROH解離出OH-能力的大小不同。所以，其中又分為強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂和弱堿性陰離子交換樹(shù)脂。

    3．此外，離子交換樹(shù)脂按其孔隙結(jié)構(gòu)上的差異，又有大孔型樹(shù)脂和凝膠型(或微孔型)之分。目前生產(chǎn)一種孔隙直徑為200~1000埃的樹(shù)脂，稱(chēng)為大孔樹(shù)脂；而把一般孔徑在40埃以下的樹(shù)脂，稱(chēng)為凝膠型樹(shù)脂。

三、物理性質(zhì) 

離子交換樹(shù)脂的物理性質(zhì)很多，下面只介紹常見(jiàn)的幾種。

    1．粒度。樹(shù)脂顆粒的大小，對(duì)樹(shù)脂的交換速度、樹(shù)脂層中水流分布的均勻程度、水通過(guò)樹(shù)脂層的壓力降和反洗時(shí)樹(shù)脂的流失等，都有很大影響。樹(shù)脂顆粒大，離子交換速度小；顆粒小，水流阻力大，而且反洗時(shí)容易發(fā)生樹(shù)脂流失。因此，顆粒的大小應(yīng)適當(dāng)，常用的樹(shù)脂顆粒為20~40目，國(guó)產(chǎn)離子交換樹(shù)脂的顆粒為16~50目(粒徑為1.2~0.3毫米)。

    2．比重。樹(shù)脂的比重對(duì)樹(shù)脂的用量計(jì)算和混合床使用樹(shù)脂的選擇很重要。樹(shù)脂比重的表示有以下幾種：

    (1) 干真比重。干真比重就是樹(shù)脂在干燥狀態(tài)下其本身的比重。

    此處所指的干樹(shù)脂的體積，既不包括顆粒與顆粒之間的空隙，也不包括樹(shù)脂本身的網(wǎng)架孔隙。測(cè)干樹(shù)脂體積時(shí)是將一定重量的干樹(shù)脂，浸入某種不使樹(shù)脂膨脹的液體(如甲苯)中，測(cè)量其排出液體的體積，此體積即為該一定重量干樹(shù)脂的體積。干真比重一般為1.6左右。

    (2) 濕真比重。濕真比重是樹(shù)脂在水中經(jīng)過(guò)充分膨脹后，樹(shù)脂顆粒的比重。

    這里的濕樹(shù)脂體積是指顆粒在濕狀態(tài)下的體積，包括顆粒中的網(wǎng)孔，但不包括顆粒與顆粒之間的空隙。濕真比重決定了樹(shù)脂在水中的沉降速度。因此，樹(shù)脂的濕真比重對(duì)樹(shù)脂的反洗強(qiáng)度和混床再生前樹(shù)脂的分層有很大影響。濕真比重一般為1.04~1.3左右。

    (3) 濕視比重。濕視比重是指樹(shù)脂在水中充分膨脹時(shí)的堆積比重。

    濕視比重用來(lái)計(jì)算交換器內(nèi)裝入一定體積樹(shù)脂時(shí)，所需濕樹(shù)脂的重量。濕視比重一般為0.6~0.85。

    3．溶脹性。樹(shù)脂的溶脹性是指樹(shù)脂由干態(tài)變?yōu)闈駪B(tài)，或者由一種離子型轉(zhuǎn)換成為另一種離子型時(shí)，所發(fā)生的體積變化。前者稱(chēng)為溶脹，后者稱(chēng)為體積溶脹。

    4．樹(shù)脂溶脹度的大小與合成樹(shù)脂用的二乙烯苯的數(shù)量有關(guān)。同一種樹(shù)脂如果浸入不同濃度的電解質(zhì)溶液中，其溶脹度也不同；溶液濃度小，其溶脹度大；溶液濃度大，其溶脹度就小。

    因此，當(dāng)把干樹(shù)脂開(kāi)始濕潤(rùn)時(shí)，不宜用純水浸泡，一般飽和和食鹽水浸泡，以防止樹(shù)脂因溶脹過(guò)大而碎裂。

    樹(shù)脂體積溶脹度的大小與可交換離子的水合離子半徑大小有關(guān)，樹(shù)脂內(nèi)可交換離子的水合離子半徑越大，其溶脹度越大。

    由于樹(shù)脂轉(zhuǎn)型時(shí)其體積發(fā)生變化，所以轉(zhuǎn)型前后兩種樹(shù)脂的濕真比重也隨之發(fā)生變化。當(dāng)轉(zhuǎn)型后的樹(shù)脂體積增大時(shí)，其濕直比重減小；當(dāng)轉(zhuǎn)型后的樹(shù)脂體積縮小時(shí)，其濕真比重增大。這一性質(zhì)在混床樹(shù)脂分層時(shí)作用很大。

    由于樹(shù)脂轉(zhuǎn)型時(shí)發(fā)生體積變化，也能使樹(shù)脂在交換和再生過(guò)程中發(fā)生多次脹、縮，致使樹(shù)脂顆粒破碎。從這種情況來(lái)看，應(yīng)盡量減少樹(shù)脂的再生次數(shù)，延長(zhǎng)使用時(shí)間。

    5．機(jī)械強(qiáng)度。樹(shù)脂的機(jī)械強(qiáng)度是指樹(shù)脂經(jīng)過(guò)球磨或溶脹后，裂球增加的百分?jǐn)?shù)。

    機(jī)械強(qiáng)度好的樹(shù)脂，應(yīng)呈均勻的球形，沒(méi)有內(nèi)部裂紋，有良好的抗機(jī)械壓縮性以及很低的脆性，在失效和再生時(shí)具有足夠的抗裂能力。

    6．耐熱性。各種樹(shù)脂所能承受的溫度有一定的高極限，超過(guò)這個(gè)限度樹(shù)脂就會(huì)發(fā)生迅速降解，交換容量降低，使用壽命減少。

    一般陽(yáng)樹(shù)脂可耐100℃左右，陰樹(shù)脂中強(qiáng)堿性樹(shù)脂可耐60℃左右，弱堿性樹(shù)脂可耐80℃左右。此外，鹽型樹(shù)脂比氫型或氫氧型樹(shù)脂耐熱性好些。

四、 化學(xué)性質(zhì) 

離子交換樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì)有：離子交換、催化、絡(luò)鹽形成等。其中用于電廠水處理的，主要是利用它的離子交換性質(zhì)。所以，這里僅介紹離子交換反應(yīng)的可逆性、選擇性和表示交換能力大小的交換容量。

    1．離子交換反應(yīng)的可逆性。當(dāng)離子交換樹(shù)脂遇到水中的離子時(shí)，能發(fā)生離子交換反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)果，樹(shù)脂的骨架不變，只是樹(shù)脂中交換基團(tuán)上能解離的離子與水中帶同種電荷的離子發(fā)生交換。例如，用8%左右的食鹽水，通過(guò)RH樹(shù)脂后，出水中的H+濃度增加，Na+濃度減小。這說(shuō)明食鹽水通過(guò)RH樹(shù)脂時(shí)，樹(shù)脂中的H+進(jìn)入水中，食鹽水中的Na+交換到樹(shù)脂上。這一反應(yīng)為：

RH+NaCl→RNa+HCl

或RH+Na+→RNa+H+

    如果用4%左右的鹽酸通過(guò)已經(jīng)變成RNa的樹(shù)脂后，出水中的Na+濃度增加，H+濃度減小。說(shuō)明樹(shù)脂中的Na+進(jìn)入水中，而鹽酸中的H+交換到樹(shù)脂上。這一反應(yīng)為：

RNa+HCl→RH+NaCl

或RNa+H+→RH+Na+

    對(duì)照兩個(gè)反應(yīng)我們知道：離子交換反應(yīng)是可逆的。這種可逆反應(yīng)，可用可逆反應(yīng)式表示：

RH+NaCl      RNa+HCl

或RH+Na+     RNa+H+

    2．離子交換反應(yīng)的選擇性。這種選擇性是指樹(shù)脂對(duì)水中某種離子所顯示的優(yōu)先交換或吸著的性能。

    同種交換劑對(duì)水中不同離子選擇性的大小，與水中離子的水合半徑以及水中離子所帶電荷大小有關(guān)；不同種的交換劑由于交換換團(tuán)不同，對(duì)同種離子選擇性大小也不一樣。下面介紹四種交換劑對(duì)離子選擇性的順序：

    (1) 強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換劑，對(duì)水中陽(yáng)離子選擇順序：

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>H+>Li+

    (2) 弱酸性陽(yáng)離子交換劑，對(duì)水中陽(yáng)離子的選擇順序：

H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>Li+

    從上述選擇順序來(lái)看，強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換劑對(duì)H+的吸著力不強(qiáng)；而弱酸性陽(yáng)離子交換劑則容易吸著H+。所以，實(shí)際應(yīng)用中，用酸再生弱酸性陽(yáng)離子交換劑比再生強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換劑要容易得多。

    (3) 強(qiáng)堿性陰離子交換劑，對(duì)水中陰離子的選擇順序：

>>Cl>OH->F->>

    (4) 弱堿性陰離子交換劑，對(duì)水中陰離子的選擇順序：

OH->>>Cl->

    從陰離子交換劑的選擇性來(lái)看，用堿再生弱堿性陰離子交換劑比再生強(qiáng)堿性陰離子交換劑容易。但是弱堿性陰離子交換劑吸著很弱，不吸著。因此，弱堿性陰離子交換劑用于除掉水中強(qiáng)酸根離子。

    3．交換劑的交換容量。交換容量是離子交換劑的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。它定量地表示出一種樹(shù)脂能交換離子的多少。交換容量分為全交換容量和工作交換容量。

    (1) 全交換容量。全交換容量是指離子交換劑能交換離子的總數(shù)量。這一指標(biāo)表示交換劑所有交換基團(tuán)上可交換離子的總量。同一種離子交換劑，它的全交換容量是一個(gè)常數(shù)，常用毫克當(dāng)量/克來(lái)表示。

(2) 工作交換容量。工作交換容量就是在實(shí)際運(yùn)行條件下，可利用的交換容量。在實(shí)際離子交換過(guò)程中，可能利用的交換容量比全交換容量小得多，大約只有全交換容量的60~70%。某種樹(shù)脂的工作交換容量大小和樹(shù)脂的具體工作條件有關(guān)，如水的pH值、水中離子濃度、交換終點(diǎn)的控制標(biāo)準(zhǔn)、樹(shù)脂層的高度和水的流速等條件，都影響樹(shù)脂的工作交換容量。工作交換容量常用毫克當(dāng)量/毫升來(lái)表示。

第二節(jié) 離子交換除鹽

    在離子交換法的水處理中，根據(jù)除掉水中離子種類(lèi)不同，分為離子交換法除鹽(化學(xué)除鹽)和離子交換法軟化(化學(xué)軟化)兩種。其中使用比較廣泛的是化學(xué)除鹽，所以我們著重討論化學(xué)除鹽的原理、設(shè)備及運(yùn)行；對(duì)于化學(xué)軟化只作概括介紹。

一、化學(xué)除鹽 

化學(xué)除鹽法就是將RH樹(shù)脂和ROH樹(shù)脂分別(或混合)放在兩處(或一個(gè))離子交換器內(nèi)，用RH樹(shù)脂除掉水中的金屬離子，用ROH除掉水中的酸根，使水成為純水。

    1．原理。化學(xué)除鹽原理主要有兩個(gè)交換反應(yīng)，一個(gè)是除鹽反應(yīng)，一個(gè)是再生反應(yīng)。

    (1) 除鹽。當(dāng)含鹽水流過(guò)RH樹(shù)脂層時(shí)，水中的金屬離子與RH樹(shù)脂中的H+發(fā)生交換反應(yīng)。水中的Na+、Ca2+、Mg2+……等離子擴(kuò)散到樹(shù)脂的網(wǎng)孔內(nèi)并留在其中，而網(wǎng)孔內(nèi)的H+則擴(kuò)散到水中。結(jié)果，水中除了少數(shù)殘余的金屬離子外，陽(yáng)離子換成了H+。這個(gè)過(guò)程用下列反應(yīng)式表示：

RH+Na+→RNa+H+

2RH+Ca2+→R2Ca+2H+

2RH+Mg2+→R2Mg+2H+

     經(jīng)過(guò)RH樹(shù)脂處理后的水，再通過(guò)ROH樹(shù)脂層時(shí)，水中的酸根離子與ROH發(fā)生交換反應(yīng)。水中的Cl–、、……等離子擴(kuò)散到樹(shù)脂網(wǎng)孔內(nèi)并留在其中，而網(wǎng)孔的OH–則擴(kuò)散到水中。結(jié)果，水中除了少數(shù)酸根外，陰離子換成OH–。這個(gè)過(guò)程用下列反應(yīng)式表示：

ROH+Cl–→RCl+OH–

2ROH+→R2SO4+2OH–

ROH+→RHSiO3+OH–

水中的H+與OH-相線路合變成水：

H++OH-→H2O

水經(jīng)過(guò)RH陽(yáng)樹(shù)脂和ROH陰樹(shù)脂處理后，水中的金屬陽(yáng)離子被交換成H+，酸根陰離子被交換成OH-相結(jié)合成水，原水中的鹽類(lèi)被除去。這樣處理后的水叫做除鹽水。

    (2) 再生。RH樹(shù)脂和ROH樹(shù)脂，經(jīng)過(guò)交換后，分別轉(zhuǎn)變?yōu)镽Na、R2Ca、R2Mg……和RCl、R2SO4、RHSiO3……等新型樹(shù)脂。這些新型樹(shù)脂不能再起除鹽作用，這種現(xiàn)象叫做樹(shù)脂的失效。使失效的樹(shù)脂重新恢復(fù)成初類(lèi)型的樹(shù)脂的過(guò)程，叫做再生。再生是根據(jù)離子交換反應(yīng)的可逆性進(jìn)行的。例如：

即反應(yīng)向右進(jìn)行是除鹽，向左進(jìn)行是再生。而反應(yīng)究竟向哪個(gè)方向進(jìn)行與離子的性質(zhì)和溶液中離子濃度有關(guān)。在溶液中反應(yīng)方向主要決定于離子被樹(shù)脂的選擇性，當(dāng)溶液中某種離子濃度增大到一定范圍時(shí)，反應(yīng)就可以按人們的方向進(jìn)行。在上述反應(yīng)中分別增加H+濃度和OH-濃度，反應(yīng)就向再生方向進(jìn)行。這一可逆反應(yīng)，提供了失效樹(shù)脂再生的條件。RH陽(yáng)樹(shù)脂失效后采用一定濃度的酸溶液再生，ROH陰樹(shù)脂失效后采用一定濃度的堿溶液再生。使樹(shù)脂再生的藥劑如酸、堿等，稱(chēng)為再生劑(或還原劑)。

    在生產(chǎn)中，RH的再生液一般用4~5%的鹽酸或1~2%的硫酸；ROH的再生液一般用3~4%的氫氧化鈉溶液。

2．設(shè)備和運(yùn)行

    (1)復(fù)床。水處理使用的離子交換器有多種形式，其運(yùn)行方式也各不相同，常見(jiàn)的有復(fù)床除鹽和混床除鹽。下面先介紹復(fù)床除鹽的設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行步驟。

    復(fù)床就是把RH樹(shù)脂和ROH樹(shù)脂分別裝有兩個(gè)交換器內(nèi)組成的除鹽系統(tǒng)。裝有RH樹(shù)脂的叫做陽(yáng)離子交換器；裝有ROH樹(shù)脂的叫做陰離子交換器。

1) 設(shè)備結(jié)構(gòu)。離子交換器的主體是一個(gè)密閉的圓柱形殼體，體內(nèi)設(shè)有進(jìn)水、排水和再生裝置，如圖13-6。

    進(jìn)水裝置多采用喇叭口形，水沿喇叭口周?chē)芟拢员闶顾植季鶆颉?/span>

    排水裝置，近年來(lái)多采用穹形多孔板加石英砂墊層的方式，也有用排水帽的。

    進(jìn)再生液裝置有輻射型、圓環(huán)形和支管形，如圖13-7所示。

  圖13-6  離子交換器結(jié)構(gòu)                             圖13-7  離子交換器再生裝置

1—放空氣管；2—進(jìn)水漏斗；3—再生裝置；           1—輻射型；2—圓環(huán)型；3—支管型

        4—縫式濾頭；5—混凝土     

2) 運(yùn)行步驟。交換器的運(yùn)行分為四個(gè)階段：交換除鹽、反洗、再生和正洗。

    ① 交換除鹽。在除鹽運(yùn)行階段，被處理的水洗經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換器，再進(jìn)入陰離子交換器，除鹽后的水送入除鹽水箱。陽(yáng)離子交換器內(nèi)裝入一定量的RH樹(shù)脂，在陽(yáng)離子交換器內(nèi)水中的金屬離子與RH樹(shù)脂中的H+交換，金屬被交換在樹(shù)脂上；陰離子交換器內(nèi)裝入一定量的ROH樹(shù)脂，在陰離子交換器內(nèi)，水中的酸根離子與ROH樹(shù)脂中的OH交換，酸根離子被交換在樹(shù)脂上。經(jīng)過(guò)兩種交換處理后的水，送入除鹽水箱。交換器運(yùn)行若干小時(shí)后，出水含鹽量增加，水的導(dǎo)電度增大。當(dāng)運(yùn)行到出水導(dǎo)電度明顯增大并達(dá)到一定值時(shí)，說(shuō)明交換劑已經(jīng)失效，不能生產(chǎn)出合格的水。

    在生產(chǎn)，為了便于用導(dǎo)電度表監(jiān)視樹(shù)脂是否已經(jīng)失效，一般是讓陽(yáng)樹(shù)脂先失效。樹(shù)脂失效后，停止運(yùn)行進(jìn)行再生。

表13-2 水處理用的主要離子交換樹(shù)脂性能

續(xù)表

   ② 反洗。樹(shù)脂再生前需要反洗。這是因?yàn)樽儞Q是在較大壓力下進(jìn)行的，樹(shù)脂顆粒間壓得很緊，這樣在樹(shù)脂層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一些破碎的樹(shù)脂；此外，在陽(yáng)離子交換樹(shù)脂層表面幾厘米的厚度內(nèi)還會(huì)積累一些水中懸浮物，這些破碎的樹(shù)脂是懸浮物都不利于交換劑的再生。所以，反洗的目的就是用清水松動(dòng)交換劑層，清除樹(shù)脂層內(nèi)的懸浮物、破碎樹(shù)脂和氣泡等。反洗水經(jīng)底部反洗進(jìn)水門(mén)進(jìn)客店交換器內(nèi)，自下而上的流過(guò)樹(shù)脂層，再進(jìn)入上部漏斗由排水門(mén)排入地溝。反洗時(shí)，要求樹(shù)脂層膨脹30~40%，使樹(shù)脂得到充分清洗。反洗一直進(jìn)行到出水澄清為止。為了防止樹(shù)脂被沖走，應(yīng)先慢慢開(kāi)大反洗進(jìn)水門(mén)，然后慢慢開(kāi)大排水門(mén)。使用的反洗水不應(yīng)污染樹(shù)脂。

    ③ 再生。再生是一項(xiàng)重要的操作過(guò)程。再生開(kāi)始前，打開(kāi)空氣門(mén)和排水門(mén)，放掉交換器內(nèi)一部分水，使水位降到樹(shù)脂層上10~20厘米處，關(guān)閉排水門(mén)。然后將一定濃度的再生液送進(jìn)交換器內(nèi)，由再生裝置將再生液均勻分布大整個(gè)樹(shù)脂層上，并將交換器內(nèi)的空氣經(jīng)空氣管排出。當(dāng)交換器內(nèi)的空氣排完再生液充滿(mǎn)筒體后，并閉空氣門(mén)，打開(kāi)排水門(mén)，此時(shí)再生液流過(guò)樹(shù)脂層，并與失效的陽(yáng)離子(或陰離子)樹(shù)脂發(fā)生離子交換反應(yīng)，使失效樹(shù)脂得到再生。再生過(guò)程中的廢液從排水門(mén)排走。

    ④ 正洗。待樹(shù)脂中再生后的廢液基本排完，樹(shù)脂中仍有殘留的再生劑和再生產(chǎn)物，必須把它們洗掉，交換器方能重新投入運(yùn)行。正洗時(shí)，清水沿運(yùn)行路線進(jìn)入交換器，由排水門(mén)排入地溝。正洗開(kāi)始時(shí)，排出的廢液中仍有再生劑和再生產(chǎn)物，隨著正洗的進(jìn)行，出水中的再生劑和再生產(chǎn)物逐漸減少，同時(shí)除鹽的交換反應(yīng)也開(kāi)始發(fā)生，當(dāng)排出的水基本符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可關(guān)閉排水門(mén)，結(jié)束正洗，投入運(yùn)行或備用。

    交換器從除鹽→反洗→再生→正洗的全過(guò)程叫做一個(gè)運(yùn)行周期。

    (2) 混床。經(jīng)過(guò)復(fù)床除鹽的水，僅適用一般高壓鍋爐的補(bǔ)給水，仍不能滿(mǎn)足高參數(shù)鍋爐的給水水質(zhì)要求。為此，可以將復(fù)床除鹽水再通過(guò)混床處理，以提高水質(zhì)的純度。

    混床就是把陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂放在同一個(gè)交換器內(nèi)，并在運(yùn)行前兩種樹(shù)脂充分混合均勻。

    1) 混床的除鹽原理。一般制取高純度的除鹽水，均采用RH與ROH樹(shù)脂，即H-OH型混床。在這種混床內(nèi)可以把樹(shù)脂層內(nèi)的RH與ROH樹(shù)脂顆粒看做為混合交錯(cuò)排列的，這樣的混床就相當(dāng)于許多級(jí)復(fù)床串聯(lián)在一起，有利于下列反應(yīng)：

RH+Na+→RNa+H+

ROH+→RHSiO3+OH

H++OH→H2O

    由于RH與ROH樹(shù)脂顆粒交錯(cuò)排列，生成的H+和OH很快能結(jié)事成難解離的水，使除鹽反應(yīng)進(jìn)行得比較*。因此，HOH型混床的出水水質(zhì)純度很高。

    2) 設(shè)備結(jié)構(gòu)。一般采用的混床有固定式體內(nèi)再生混床和固定式體外再生混床。這里介紹內(nèi)再生混床設(shè)備，如圖13-8。

    這種離子交換器是一個(gè)圓柱形密閉容器，交換器上部設(shè)有進(jìn)水裝置，下部有配水裝置，中間裝有陽(yáng)、陰樹(shù)脂再生用的排液裝置，中間排液裝置的上方設(shè)有進(jìn)堿裝置。

    3) 再生。混床是把陽(yáng)、陰樹(shù)脂混合裝在同一個(gè)交換器內(nèi)運(yùn)行的，所以運(yùn)行操作與一般固定床不同，特別是混床的再生操作差別很大。當(dāng)混床樹(shù)脂失效再生時(shí)，首先應(yīng)把混合的陽(yáng)、陰樹(shù)脂分層，然后才能分別通過(guò)酸、堿再生液進(jìn)行再生，這是混床操作的特點(diǎn)。

    再生方法分為體內(nèi)再生法和體外再生法。本節(jié)介紹體內(nèi)再生法，其步驟為：反洗分層、再生和正洗。

    ① 反洗分層。混床內(nèi)陽(yáng)、陰樹(shù)脂間的比重差是混床樹(shù)脂分層的重要條件。陽(yáng)樹(shù)脂的濕真比重為1.23~1.27，而陰樹(shù)脂的濕真比重為1.06~1.11。由于陽(yáng)、陰樹(shù)脂比重的不同，當(dāng)混床樹(shù)脂反洗時(shí)，在水流作用下樹(shù)脂會(huì)自動(dòng)會(huì)層，上層是比重較小的陰樹(shù)脂，下層是比重較大的陽(yáng)樹(shù)脂。陽(yáng)、陰樹(shù)脂的比重差越大，分層越迅速、*；比重差小，分層比較困難。樹(shù)脂的比重與失效樹(shù)脂轉(zhuǎn)型有關(guān)，失效樹(shù)脂轉(zhuǎn)型不同，其比重也各不相同，不同型式的陽(yáng)樹(shù)脂，它們的比重順序?yàn)椋?/span>

    不同型式陰樹(shù)脂的比重順序?yàn)椋?/span>

    ——表示比重，右下角的符號(hào)表示樹(shù)脂的類(lèi)型。

    為了提高樹(shù)脂分層效果，有時(shí)在分層前向混床內(nèi)通入NaOH，使陽(yáng)樹(shù)脂轉(zhuǎn)換為比重較大的RNa樹(shù)脂，使陰樹(shù)脂轉(zhuǎn)換為比重較小的ROH樹(shù)脂。這樣可以增大陽(yáng)、陰樹(shù)脂間的比重差，以達(dá)到提高分層效果的目的。

    此外，反洗流速，也影響分層效果。一般反洗流速，應(yīng)控制在使整個(gè)樹(shù)脂層的膨脹率在50%以上。

    ② 再生。混床中陽(yáng)、陰樹(shù)脂分層后，就可以對(duì)上層的陰樹(shù)脂和下層的陽(yáng)樹(shù)脂分別進(jìn)行再生，亦可同時(shí)進(jìn)行再生。以分別再生為例，說(shuō)明再生操作：

    再生陰樹(shù)脂時(shí)，堿液從上部的進(jìn)堿管進(jìn)入，通過(guò)失效的陰樹(shù)脂層，使失效樹(shù)脂再生，其廢液由混床中部排液裝置排出。此時(shí)應(yīng)特別注意防止堿液浸潤(rùn)陽(yáng)樹(shù)脂層。為此，在再生陰樹(shù)脂的同時(shí)將清水按酸再生液的途徑，從底部不斷送入。當(dāng)陰樹(shù)脂再生完畢后，繼續(xù)向陰樹(shù)脂層進(jìn)清水，清洗陰樹(shù)脂層中的再生廢液，清洗至排水的氫氧堿度為0.5毫克當(dāng)量/升時(shí)為止。

    再生陽(yáng)樹(shù)脂時(shí)，酸液從下面通過(guò)底部配水裝置進(jìn)入失效樹(shù)脂層，使失效的陽(yáng)樹(shù)脂再生，其廢液從混床中部的排液裝置排出。此時(shí)應(yīng)注意防止酸液浸潤(rùn)陰樹(shù)脂層。為此，在再生陽(yáng)樹(shù)脂同時(shí)將清水按堿再生液的途徑從上部進(jìn)入。當(dāng)陽(yáng)樹(shù)脂再生完畢后，繼續(xù)向陽(yáng)樹(shù)脂層進(jìn)清水，清洗陽(yáng)樹(shù)脂中的再生廢液，清洗至排水的酸度為0.5毫克當(dāng)量/升時(shí)為止。

    ③ 正洗。正洗就是用清洗水從上部進(jìn)入，通過(guò)再生后的樹(shù)脂層由底部排出。

    首行混合前正洗，當(dāng)正洗到排水的導(dǎo)電度在1.5微姆/厘米以下時(shí)，停止混合前正洗，然后從混床交換器底部進(jìn)入壓縮空氣，把兩種樹(shù)脂混合均勻，進(jìn)行混合后的大流量正洗(流速約為20米/時(shí)左右)至出水合格，投入運(yùn)行或備用。

    混床的出水純度雖然很高，但樹(shù)脂交換容量的利用低、樹(shù)脂磨損大、再生操作復(fù)雜。因此，它適用處理含有微量鹽的水，如經(jīng)過(guò)一級(jí)復(fù)床處理的除鹽水和凝結(jié)水等。這樣可以延長(zhǎng)混床的運(yùn)行周期，減少再生次數(shù)。

二、化學(xué)軟化

含有較多Ca2+和Mg2+的水，叫做硬水。降低水中Ca2+和Mg2+的含量或把水中Ca2+和Mg2+基本全部除掉的工作叫做軟化。經(jīng)過(guò)軟化后的水叫做軟水。

    化學(xué)軟化的反應(yīng)原理、設(shè)備及其運(yùn)行步驟基本上與復(fù)床除鹽相似，不同的是軟化只是除掉水中的Ca2+和Mg2+，軟化所用的交換劑是RNa或RH。如果交換劑為RNa時(shí)，再生液為5~10%的食鹽水。軟化和再生反應(yīng)式如下：軟化水的含鹽量比除鹽水中的含鹽量高，所以軟化水只能做中、低壓鍋爐或蒸發(fā)器的補(bǔ)給水。

第三節(jié) 除CO2器

    河水和井水一般均含有重碳酸鹽，這種水經(jīng)過(guò)RH樹(shù)脂層時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)：

2RH+Ca(HCO3)2→R2Ca+2H2CO3

2RH+Mg(HCO3)2→R2Mg+2H2CO3

    水中其它重碳酸鹽也發(fā)生類(lèi)似反應(yīng)，致使水中重碳酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓帷３鼵O2器主要用于除去水中的這部分碳酸。

    1．除CO2的原理。含有重碳酸鹽的水經(jīng)過(guò)RH樹(shù)脂處理后，它的pH值一般在4.3以下。在這種情況下水中H2CO3能分解為水和二氧化碳：

    這種CO2可以看作是溶于水的氣體。當(dāng)水面上的CO2壓力降低或向水中鼓風(fēng)時(shí)，溶于水中的CO2就會(huì)從水中逸出。根據(jù)它的這個(gè)性質(zhì)，可以采用真空法或鼓風(fēng)法來(lái)除去水中的CO2。

    2．鼓風(fēng)除CO2器。鼓風(fēng)除CO2器是一個(gè)圓柱形設(shè)備，如圖13-9所示。

    除CO2器的圓柱體可用金屬、塑料或木料制成。如果用金屬制造，圓柱體的內(nèi)表面應(yīng)采取適當(dāng)防腐措施。柱體內(nèi)一般裝在瓷環(huán)，瓷環(huán)的作用是使水與空氣能充分接觸。

除CO2器運(yùn)行時(shí)，水從圓柱體上部進(jìn)入，經(jīng)配水管和瓷環(huán)填料后，從下部流入貯水箱。空氣則由鼓風(fēng)機(jī)從柱體底部送入，經(jīng)瓷環(huán)并與水充分接觸，然后由上部排出。由于空氣中CO2含量很少，它的壓力只占大氣壓力的0.03%左右。所以當(dāng)空氣鼓進(jìn)柱體并與水接觸時(shí)，水里的CO2就會(huì)擴(kuò)散到空氣中去，當(dāng)水從上往下流動(dòng)遇到從下向上的空氣時(shí)，水中絕大部分CO2即隨空氣帶走。水越往下流其中CO2越少，當(dāng)水流到柱體底部時(shí)，殘余的CO2一般只有5~10毫克/升。

第四節(jié) 降低酸、堿耗的措施

    在對(duì)給水進(jìn)行化學(xué)除鹽的過(guò)程中，費(fèi)用大的是樹(shù)脂再生用的酸或堿。降低再生用的、堿耗，是提高化學(xué)除鹽經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要途徑。

一 酸、堿耗的計(jì)算方法

    在計(jì)算化學(xué)除鹽的酸、堿耗時(shí)，常用單耗和比耗來(lái)表示。

    1．單耗。再生劑的單耗是指除去水中1克當(dāng)量的離子，實(shí)際消耗再生劑的克數(shù)：

式中  總陽(yáng)離子量=入口水堿度+出口水酸度；

      總陰離子量=入口水酸度+；

這里  CO2——陰離子交換器入口水中CO2的含量，毫克/升；

      SiO2——陰離子交換器入口水中SiO2的含量，毫克/升。

    2．比耗。再生劑的比耗是指實(shí)際用的再生劑單耗與再生劑理論消耗量的比值：

    再生劑理論耗量，是指交換按等當(dāng)量進(jìn)行反應(yīng)所消耗的再生劑量。例如，要除去水中1克當(dāng)量的陽(yáng)離子，消耗鹽酸的理論量應(yīng)為36.5克。如果它的單耗為54.75克，則其比耗為

二 降低酸、堿耗的措施 

運(yùn)行中酸、堿耗的大小，與原水中鹽的種類(lèi)和數(shù)量、再生工藝。設(shè)備形式和樹(shù)脂性能等因素有關(guān)。目前，在降低酸、堿耗方面主要采取以下幾種措施：

    1．逆流再生。逆流再生是再生液的流向運(yùn)行時(shí)水的流向相反。這種再生方式，能使保護(hù)層樹(shù)脂(指運(yùn)行時(shí)水流量后經(jīng)過(guò)的那一部分樹(shù)脂)再生*，再生液也得到了充分利用。這樣，可以降低酸和堿的消耗量，提高出水水質(zhì)。

    逆流設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，被處理的水后與再生*的保護(hù)層接觸，有利于提高出水水質(zhì)。另外，水在進(jìn)入交換器時(shí)，首先接觸的是再生程度較差的樹(shù)脂，由于水中H+、OH(或軟化處理時(shí)的Na+)濃度小，反應(yīng)按除鹽(或軟化)方向進(jìn)行，這就使再生程度較差的樹(shù)脂也能充分發(fā)揮作用。

    目前，我國(guó)使用的逆流離子交換器有：逆流再生固定床和浮動(dòng)床等。

圖13-10  浮動(dòng)床工作原理示意

(1) 運(yùn)行狀態(tài)；(2) 再生狀態(tài)

    逆流再生固定床在運(yùn)行時(shí)，待處理的水由交換器上部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)樹(shù)脂層后由下部流出。樹(shù)脂再生時(shí)，再生液由交換器下部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)樹(shù)脂導(dǎo)的再生廢液，由上部排出。

    浮動(dòng)床在運(yùn)行時(shí)，要處理的水上交換器底部進(jìn)入，利用水流的動(dòng)能使村脂以密實(shí)狀態(tài)向上托起稱(chēng)為成床，水流過(guò)床層由頂部排出。樹(shù)脂再生時(shí)，樹(shù)脂層下落，稱(chēng)為落床。落床后再生液由交換器上部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)樹(shù)脂層的再生廢液由底部排出，如圖13-10。

    表13-6內(nèi)列出我國(guó)某些電廠采用逆流交換器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和出水水質(zhì)。

表13-6  逆流與順流再生的酸、堿耗和出水水質(zhì)

    注：再生液采用的酸為鹽酸(HCl)，堿為氫氧化鈉(NaOH)。

    2．設(shè)置前置式交換器。將一個(gè)強(qiáng)酸性(或強(qiáng)堿性)離子交換器設(shè)計(jì)成兩個(gè)，前后安裝。運(yùn)行時(shí)，原水先通過(guò)前者，再通過(guò)后者。再生時(shí)，再生液先流經(jīng)后者，再流經(jīng)前者。這種水處理方式，由于采用了類(lèi)似逆流再生的辦法，使酸、堿耗降低。

    3．雙層床離子交換器。雙層床是將強(qiáng)酸性與弱酸性(或強(qiáng)堿性與弱堿性)離子交換樹(shù)脂，分層裝在固定床交換器中。弱酸性(或弱堿性)樹(shù)脂裝在上層，強(qiáng)酸性(或強(qiáng)堿性)樹(shù)脂裝在下層。運(yùn)行時(shí)，水從上部流入由下部排出；再生時(shí)，再生液從下部進(jìn)入失效樹(shù)脂層，由上部排出。由于弱酸(或弱堿)樹(shù)脂失效后很容易再生，所以再生液從底部經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸(強(qiáng)堿)樹(shù)脂后的稀溶液對(duì)弱酸(弱堿)樹(shù)脂還能起再生作用。這樣，再生劑得到了充分的利用，降低了酸、堿耗。例如，某廠的陽(yáng)雙層床的HCl酸耗平均為43.7克/克當(dāng)量，出水漏Na+為40~80微克/升，硬度為0；另一電廠的陰雙層床的NaOH堿耗約為45克/克當(dāng)量，出水導(dǎo)電度為3~4微姆/厘米，SiO2為10微克/升左右。從這些數(shù)據(jù)可以看出，雙層床酸、堿耗比順流再生單層床的酸、堿耗低得多，出水水質(zhì)也有所提高。

4．廢再生液回收。當(dāng)使用順流固定床交換器時(shí)，再生強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性樹(shù)脂的廢液，其酸、堿濃度在2%左右，應(yīng)將這種廢液回收到專(zhuān)設(shè)的容器內(nèi)，供下次初步再生使用。注意，開(kāi)始排出的廢液中因再生產(chǎn)物較多，不宜利用；當(dāng)再生產(chǎn)物含量高峰過(guò)后，廢液方可回收備用。

第五節(jié) 鍋爐補(bǔ)給水的處理系統(tǒng)

    前面已經(jīng)討論了除掉水中各類(lèi)雜質(zhì)的原理、設(shè)備和方法；了解到把天然水凈化為鍋爐補(bǔ)給水的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是由各種水處理方法和設(shè)備聯(lián)合組成的水處理系統(tǒng)。某電廠應(yīng)采用何種水處理系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)本廠對(duì)給水水質(zhì)要求和原水水質(zhì)情況等具體條件決定。電廠常用的幾種基本水處理系統(tǒng)及其適用范圍列于表13-5中。

表13-5  鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)