離子交換器的失效控制
更新時間：2014-05-19 14:46
來源：第一論文
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摘要：闡述了離子交換器的原理，水處理的控制和改進 方法 。
關鍵詞：水處理，離子交換，水質
Abstract:It is said that the Principle of Lonic exchange Equipment ,the control of Water treatment and Improvied Water treatment.
Key words: Water treatment, Lonic exchange , Water quality
前言
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采用單元制，即每套一級復床除鹽系統包括 陽床、(除碳器)、陰床各一臺，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采用母管制，即陽床與陽床或陰床與陰床是并聯運行的，哪一臺交換器失效就再生哪一臺。
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+.最后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↑
強堿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
由于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、降低酸堿消耗等優點，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。
以成都生物制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。
以下是該車間第一套水處理器的一陰(即1.1陰) 在一個運行周期中的部分數據：
表1 一陰運行周期中的部分數據
供水離子柱 電導率(μS/cm) 供水離子柱 電導率(μS/cm)
以上數據均為車間實際運行記錄數據，1.1陰出水供給1.2陰后出水電導率保證在3μS/cm以下,結合末級混床,最終出水水質一直保持在0.1μS/cm - 0.5μS/cm。根據以上數據和該車間純化水檢測報告，我們進行標準化處理(25度，不間斷運行)后，繪制了三種情況下的水質曲線圖(分別如下)：
(1)RO對各有機溶質的去除率大于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后，電導率(25℃)低于10μS/cm，水中硅含量低于100μg/L。
3.1 陽床出水水質
圖1中b 點以前三條曲線都迅速下降，表明離子交換器中樹脂再生后，正洗時出水中各種雜質的含量(酸度、鈉離子濃度和硬度)都迅速下降，當出水水質達到一定的標準(如b點)時就可以投入運行。所以，在ba段運行期間，陽床出水呈酸性，而且基本呈緩慢變化趨勢。運行至a點時，陽床開始有陽離子穿透，根據離子交換活性知道，最先泄漏出的是鈉離子;在除鹽系統中，為了除去水中H+ 以外的所有陽離子，強酸性離子交換器必須在有鈉泄漏時停止運行(一般此時出水的酸度接近中性)，并進行再生，如圖1的a點位置，此點為鈉離子穿透點。
3.2 陰床出水水質
由于離子交換除鹽系統中陰床始終是陽床的后級，所以陰離子交換器的水質變化分兩種情況：
① 陽床正常運行時,陰床先失效時的陰床出水水質
陰床出水水質見圖2，b 點以前幾條曲線迅速下降，表明再生后正洗時，水中雜質迅速下降直至達到運行的出水水質標準，ba區間為穩定交換運行期，出水水質的pH值為7-9，電導率<5μS/cm,含硅量(以SiO2 計)為20-50μg/L。運行至a點后，陰床開始失效，但陽床仍在正常運行。此時，陰床由于酸泄漏，故PH值下降;與此同時，陰床出水中的硅含量和電導率增加。
② 陽床先失效時, 陰床出水水質
如圖3復床系統運行到a點，陽床開始失效，但陰床仍在正常運行。此時陽床漏出的Na+ 流經陰床，在陰床的出水中含有NaOH,使陰床出水PH值升高，并對強堿性陰樹脂對HSiO3- 的吸附產生干擾作用，使出水的含硅量增加，其反應為：
RHSiO3+NaOH=ROH+NaHSiO3
4 改進 方法
(1)當陽床接近失效時，水中Na+的含量逐漸增加，從而 影響 陰離子交換器，在對純化水水質要求不是很高時(如醫藥行業等)，可以通過控制陽床出水的酸度(母管制)和陰床的出水電導率(一級復床)來控制陽床的失效。由于陽床產水中溶解有CO2 ，未經過排除進入陰床，在陰床中與OH-反應，影響陰床處理能力，因此，可以在陽床和陰床之間加裝除碳器。
(2) 由于HCO3-一般在陽床中已經去除，加之電導率對OH-較敏感，因此在對于對將硅作為非檢測項目的行業(如醫藥行業等)，可以通過檢測陰床的出水電導來控制陰床的失效。
(3) 離子交換的硅泄漏是世界性的難題，實踐證明：采用 雙陰床+混床 的離子交換系統對于控制硅泄漏十分有效。
5結束語
本文是在大唐甘肅公司蔣平鎖主任的悉心指導下完成的。在此，謹向蔣平鎖主任致以崇高的敬意和由衷的感謝!
參考 文獻
[1] 《 中國 生物制品規程》2000版
[2] 中華人民共和國國家標準，GB/T11446.1-1997，《 電子 級水規格和實驗方法》
[3] 聞瑞梅，王在忠編著，《高純水的制備及檢驗技術》， 科學 出版社，1999年，北京
[4] 周本省，《 工業 水處理技術》，化學工業出版社
[5] 陳紹炎，施燮鈞.水化學.北京:水利電力出版社,1989
[6] 水的凈化新概念.張亞杰,顧澤南,王維一等譯.北京:中國建筑工業出版社,1982
[7] 華東建筑設計院主編.給水排水設計手冊.第4冊工業給水處理.北京:中國建筑工業出版社,1986
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關鍵詞：水處理，離子交換，水質
Abstract:It is said that the Principle of Lonic exchange Equipment ,the control of Water treatment and Improvied Water treatment.
Key words: Water treatment, Lonic exchange , Water quality
前言
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采用單元制，即每套一級復床除鹽系統包括 陽床、(除碳器)、陰床各一臺，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采用母管制，即陽床與陽床或陰床與陰床是并聯運行的，哪一臺交換器失效就再生哪一臺。
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+.最后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↑
強堿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
由于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、降低酸堿消耗等優點，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。
以成都生物制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。
以下是該車間第一套水處理器的一陰(即1.1陰) 在一個運行周期中的部分數據：
表1 一陰運行周期中的部分數據
供水離子柱 電導率(μS/cm) 供水離子柱 電導率(μS/cm)
| 1.1陽-1.1陰 | 2.1陽-1.1陰 |
| 4.99 | 4.93(4.05) |
| 3.00 | 3.15 |
| 4.47 | 3.52 |
| 3.05 | 2.89 |
| 3.59 | 3.44 |
| 3.09 | 3.80 |
| 3.30 | 2.28 |
| 2.57 | 3.82 |
| 3.27 | 2.16 |
| 3.30 | 3.68 |
| 2.57 | 2.03 |
| 3.27 | 3.13 |
| 2.22 | 5.12 |
| 3.26 | |
| 1.1陽床失效 | 1.1陰床失效 |
(1)RO對各有機溶質的去除率大于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后，電導率(25℃)低于10μS/cm，水中硅含量低于100μg/L。
3.1 陽床出水水質
圖1中b 點以前三條曲線都迅速下降，表明離子交換器中樹脂再生后，正洗時出水中各種雜質的含量(酸度、鈉離子濃度和硬度)都迅速下降，當出水水質達到一定的標準(如b點)時就可以投入運行。所以，在ba段運行期間，陽床出水呈酸性，而且基本呈緩慢變化趨勢。運行至a點時，陽床開始有陽離子穿透，根據離子交換活性知道，最先泄漏出的是鈉離子;在除鹽系統中，為了除去水中H+ 以外的所有陽離子，強酸性離子交換器必須在有鈉泄漏時停止運行(一般此時出水的酸度接近中性)，并進行再生，如圖1的a點位置，此點為鈉離子穿透點。
3.2 陰床出水水質
由于離子交換除鹽系統中陰床始終是陽床的后級，所以陰離子交換器的水質變化分兩種情況：
① 陽床正常運行時,陰床先失效時的陰床出水水質
陰床出水水質見圖2，b 點以前幾條曲線迅速下降，表明再生后正洗時，水中雜質迅速下降直至達到運行的出水水質標準，ba區間為穩定交換運行期，出水水質的pH值為7-9，電導率<5μS/cm,含硅量(以SiO2 計)為20-50μg/L。運行至a點后，陰床開始失效，但陽床仍在正常運行。此時，陰床由于酸泄漏，故PH值下降;與此同時，陰床出水中的硅含量和電導率增加。
② 陽床先失效時, 陰床出水水質
如圖3復床系統運行到a點，陽床開始失效，但陰床仍在正常運行。此時陽床漏出的Na+ 流經陰床，在陰床的出水中含有NaOH,使陰床出水PH值升高，并對強堿性陰樹脂對HSiO3- 的吸附產生干擾作用，使出水的含硅量增加，其反應為：
RHSiO3+NaOH=ROH+NaHSiO3
4 改進 方法
(1)當陽床接近失效時，水中Na+的含量逐漸增加，從而 影響 陰離子交換器，在對純化水水質要求不是很高時(如醫藥行業等)，可以通過控制陽床出水的酸度(母管制)和陰床的出水電導率(一級復床)來控制陽床的失效。由于陽床產水中溶解有CO2 ，未經過排除進入陰床，在陰床中與OH-反應，影響陰床處理能力，因此，可以在陽床和陰床之間加裝除碳器。
(2) 由于HCO3-一般在陽床中已經去除，加之電導率對OH-較敏感，因此在對于對將硅作為非檢測項目的行業(如醫藥行業等)，可以通過檢測陰床的出水電導來控制陰床的失效。
(3) 離子交換的硅泄漏是世界性的難題，實踐證明：采用 雙陰床+混床 的離子交換系統對于控制硅泄漏十分有效。
5結束語
本文是在大唐甘肅公司蔣平鎖主任的悉心指導下完成的。在此，謹向蔣平鎖主任致以崇高的敬意和由衷的感謝!
參考 文獻
[1] 《 中國 生物制品規程》2000版
[2] 中華人民共和國國家標準，GB/T11446.1-1997，《 電子 級水規格和實驗方法》
[3] 聞瑞梅，王在忠編著，《高純水的制備及檢驗技術》， 科學 出版社，1999年，北京
[4] 周本省，《 工業 水處理技術》，化學工業出版社
[5] 陳紹炎，施燮鈞.水化學.北京:水利電力出版社,1989
[6] 水的凈化新概念.張亞杰,顧澤南,王維一等譯.北京:中國建筑工業出版社,1982
[7] 華東建筑設計院主編.給水排水設計手冊.第4冊工業給水處理.北京:中國建筑工業出版社,1986
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