*節(jié) 離子交換樹脂

    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脂等四類，其中離子交換樹脂在水處理中應(yīng)用得比較廣泛。因此，在討論離子交換法前，先對離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)做一些介紹。

一、樹脂的結(jié)構(gòu) 

離子交換樹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，交換基團中含有能解離的離子，圖13-5是一種離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)示意圖。下面簡單的介紹樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙和交換基團。

圖13-5  H型離子交換樹脂結(jié)構(gòu)示意

    1．樹脂孔隙。樹脂內(nèi)部的網(wǎng)架形成樹脂中許多類似毛細孔狀的溝道，即樹脂的孔隙。實際上這些孔隙非常小，一般常用樹脂的孔隙直徑為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?？紫吨谐錆M著水分子，這些水分子也是樹脂孔隙的一個組成部分。水和交換基團解離下來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行的。

    樹脂孔隙的大小，對離子交換運動有很大影響，孔隙小不利于離子交換運動，以致半徑大的離子不能進入樹脂內(nèi)，也就不能發(fā)生交換作用。

    樹脂網(wǎng)狀骨架部分不溶于水，在交換反應(yīng)時也是不變的，一般用英文樹脂的*個字母R來表示不變的這一部分。

    2．交換基團。交換基團是由能解離的陽離子(或陰離子)和聯(lián)結(jié)在骨架上的陰離子(或陽離子)組成。例如，磺酸基交換基團—，季胺基交換基團—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)+，它們在反應(yīng)中是不變的。

    在書寫某種離子交換樹脂時，一般只寫出樹脂骨架符號R和交換基團中能解離的離子本身符號，如RH或ROH等。

二、 樹脂的分類 

離子交換樹脂的分類，一般按交換基團能解離的離子種類分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。

    1．陽離子交換樹脂。交換基團能解離的離子是陽離子的，叫做陽離子交換樹脂。在使用時通常是游離酸型即RH型，而且各種RH解離出H+能力的大小不同。所以，其中又分為強酸性陽離子交換樹脂和弱酸性陽離子交換樹脂。

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

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

三、物理性質(zhì) 

離子交換樹脂的物理性質(zhì)很多，下面只介紹常見的幾種。

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

    2．比重。樹脂的比重對樹脂的用量計算和混合床使用樹脂的選擇很重要。樹脂比重的表示有以下幾種：

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

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

    (2) 濕真比重。濕真比重是樹脂在水中經(jīng)過充分膨脹后，樹脂顆粒的比重。

    這里的濕樹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。濕真比重決定了樹脂在水中的沉降速度。因此，樹脂的濕真比重對樹脂的反洗強度和混床再生前樹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。濕視比重是指樹脂在水中充分膨脹時的堆積比重。

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

    3．溶脹性。樹脂的溶脹性是指樹脂由干態(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，所發(fā)生的體積變化。前者稱為溶脹，后者稱為體積溶脹。

    4．樹脂溶脹度的大小與合成樹脂用的二乙烯苯的數(shù)量有關(guān)。同一種樹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)把干樹脂開始濕潤時，不宜用純水浸泡，一般飽和和食鹽水浸泡，以防止樹脂因溶脹過大而碎裂。

    樹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。

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

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

    5．機械強度。樹脂的機械強度是指樹脂經(jīng)過球磨或溶脹后，裂球增加的百分數(shù)。

    機械強度好的樹脂，應(yīng)呈均勻的球形，沒有內(nèi)部裂紋，有良好的抗機械壓縮性以及很低的脆性，在失效和再生時具有足夠的抗裂能力。

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

    一般陽樹脂可耐100℃左右，陰樹脂中強堿性樹脂可耐60℃左右，弱堿性樹脂可耐80℃左右。此外，鹽型樹脂比氫型或氫氧型樹脂耐熱性好些。

四、 化學(xué)性質(zhì) 

離子交換樹脂的化學(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)離子交換樹脂遇到水中的離子時，能發(fā)生離子交換反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)果，樹脂的骨架不變，只是樹脂中交換基團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RH樹脂后，出水中的H+濃度增加，Na+濃度減小。這說明食鹽水通過RH樹脂時，樹脂中的H+進入水中，食鹽水中的Na+交換到樹脂上。這一反應(yīng)為：

RH+NaCl→RNa+HCl

或RH+Na+→RNa+H+

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

RNa+HCl→RH+NaCl

或RNa+H+→RH+Na+

    對照兩個反應(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。這種選擇性是指樹脂對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不同，對同種離子選擇性大小也不一樣。下面介紹四種交換劑對離子選擇性的順序：

    (1) 強酸性陽離子交換劑，對水中陽離子選擇順序：

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>H+>Li+

    (2) 弱酸性陽離子交換劑，對水中陽離子的選擇順序：

H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>Li+

    從上述選擇順序來看，強酸性陽離子交換劑對H+的吸著力不強；而弱酸性陽離子交換劑則容易吸著H+。所以，實際應(yīng)用中，用酸再生弱酸性陽離子交換劑比再生強酸性陽離子交換劑要容易得多。

    (3) 強堿性陰離子交換劑，對水中陰離子的選擇順序：

>>Cl>OH->F->>

    (4) 弱堿性陰離子交換劑，對水中陰離子的選擇順序：

OH->>>Cl->

    從陰離子交換劑的選擇性來看，用堿再生弱堿性陰離子交換劑比再生強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重要技術(shù)指標(biāo)。它定量地表示出一種樹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常數(shù)，常用毫克當(dāng)量/克來表示。

(2) 工作交換容量。工作交換容量就是在實際運行條件下，可利用的交換容量。在實際離子交換過程中，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%。某種樹脂的工作交換容量大小和樹脂的具體工作條件有關(guān)，如水的pH值、水中離子濃度、交換終點的控制標(biāo)準(zhǔn)、樹脂層的高度和水的流速等條件，都影響樹脂的工作交換容量。工作交換容量常用毫克當(dāng)量/毫升來表示。

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)備及運行；對于化學(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樹脂和ROH樹脂分別(或混合)放在兩處(或一個)離子交換器內(nèi)，用RH樹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?；瘜W(xué)除鹽原理主要有兩個交換反應(yīng)，一個是除鹽反應(yīng)，一個是再生反應(yīng)。

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

RH+Na+→RNa+H+

2RH+Ca2+→R2Ca+2H+

2RH+Mg2+→R2Mg+2H+

     經(jīng)過RH樹脂處理后的水，再通過ROH樹脂層時，水中的酸根離子與ROH發(fā)生交換反應(yīng)。水中的Cl–、、……等離子擴散到樹脂網(wǎng)孔內(nèi)并留在其中，而網(wǎng)孔的OH–則擴散到水中。結(jié)果，水中除了少數(shù)酸根外，陰離子換成OH–。這個過程用下列反應(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RH陽樹脂和ROH陰樹脂處理后，水中的金屬陽離子被交換成H+，酸根陰離子被交換成OH-相結(jié)合成水，原水中的鹽類被除去。這樣處理后的水叫做除鹽水。

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

即反應(yīng)向右進行是除鹽，向左進行是再生。而反應(yīng)究竟向哪個方向進行與離子的性質(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脂的選擇性，當(dāng)溶液中某種離子濃度增大到一定范圍時，反應(yīng)就可以按人們的方向進行。在上述反應(yīng)中分別增加H+濃度和OH-濃度，反應(yīng)就向再生方向進行。這一可逆反應(yīng)，提供了失效樹脂再生的條件。RH陽樹脂失效后采用一定濃度的酸溶液再生，ROH陰樹脂失效后采用一定濃度的堿溶液再生。使樹脂再生的藥劑如酸、堿等，稱為再生劑(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)備和運行

    (1)復(fù)床。水處理使用的離子交換器有多種形式，其運行方式也各不相同，常見的有復(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)和運行步驟。

    復(fù)床就是把RH樹脂和ROH樹脂分別裝有兩個交換器內(nèi)組成的除鹽系統(tǒng)。裝有RH樹脂的叫做陽離子交換器；裝有ROH樹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密閉的圓柱形殼體，體內(nèi)設(shè)有進水、排水和再生裝置，如圖13-6。

    進水裝置多采用喇叭口形，水沿喇叭口周圍淋下，以便使水分布均勻。

    排水裝置，近年來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) 運行步驟。交換器的運行分為四個階段：交換除鹽、反洗、再生和正洗。

    ① 交換除鹽。在除鹽運行階段，被處理的水洗經(jīng)過陽離子交換器，再進入陰離子交換器，除鹽后的水送入除鹽水箱。陽離子交換器內(nèi)裝入一定量的RH樹脂，在陽離子交換器內(nèi)水中的金屬離子與RH樹脂中的H+交換，金屬被交換在樹脂上；陰離子交換器內(nèi)裝入一定量的ROH樹脂，在陰離子交換器內(nèi)，水中的酸根離子與ROH樹脂中的OH交換，酸根離子被交換在樹脂上。經(jīng)過兩種交換處理后的水，送入除鹽水箱。交換器運行若干小時后，出水含鹽量增加，水的導(dǎo)電度增大。當(dāng)運行到出水導(dǎo)電度明顯增大并達到一定值時，說明交換劑已經(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)視樹脂是否已經(jīng)失效，一般是讓陽樹脂先失效。樹脂失效后，停止運行進行再生。

表13-2 水處理用的主要離子交換樹脂性能

續(xù)表

   ② 反洗。樹脂再生前需要反洗。這是因為變換是在較大壓力下進行的，樹脂顆粒間壓得很緊，這樣在樹脂層內(nèi)會產(chǎn)生一些破碎的樹脂；此外，在陽離子交換樹脂層表面幾厘米的厚度內(nèi)還會積累一些水中懸浮物，這些破碎的樹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交換劑層，清除樹脂層內(nèi)的懸浮物、破碎樹脂和氣泡等。反洗水經(jīng)底部反洗進水門進客店交換器內(nèi)，自下而上的流過樹脂層，再進入上部漏斗由排水門排入地溝。反洗時，要求樹脂層膨脹30~40%，使樹脂得到充分清洗。反洗一直進行到出水澄清為止。為了防止樹脂被沖走，應(yīng)先慢慢開大反洗進水門，然后慢慢開大排水門。使用的反洗水不應(yīng)污染樹脂。

    ③ 再生。再生是一項重要的操作過程。再生開始前，打開空氣門和排水門，放掉交換器內(nèi)一部分水，使水位降到樹脂層上10~20厘米處，關(guān)閉排水門。然后將一定濃度的再生液送進交換器內(nèi)，由再生裝置將再生液均勻分布大整個樹脂層上，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筒體后，并閉空氣門，打開排水門，此時再生液流過樹脂層，并與失效的陽離子(或陰離子)樹脂發(fā)生離子交換反應(yīng)，使失效樹脂得到再生。再生過程中的廢液從排水門排走。

    ④ 正洗。待樹脂中再生后的廢液基本排完，樹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行。正洗時，清水沿運行路線進入交換器，由排水門排入地溝。正洗開始時，排出的廢液中仍有再生劑和再生產(chǎn)物，隨著正洗的進行，出水中的再生劑和再生產(chǎn)物逐漸減少，同時除鹽的交換反應(yīng)也開始發(fā)生，當(dāng)排出的水基本符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，即可關(guān)閉排水門，結(jié)束正洗，投入運行或備用。

    交換器從除鹽→反洗→再生→正洗的全過程叫做一個運行周期。

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

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

    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樹脂，即H-OH型混床。在這種混床內(nèi)可以把樹脂層內(nèi)的RH與ROH樹脂顆?？醋鰹榛旌辖诲e排列的，這樣的混床就相當(dāng)于許多級復(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樹脂顆粒交錯排列，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圓柱形密閉容器，交換器上部設(shè)有進水裝置，下部有配水裝置，中間裝有陽、陰樹脂再生用的排液裝置，中間排液裝置的上方設(shè)有進堿裝置。

    3) 再生?；齑彩前殃枴㈥帢渲旌涎b在同一個交換器內(nèi)運行的，所以運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)混床樹脂失效再生時，首先應(yīng)把混合的陽、陰樹脂分層，然后才能分別通過酸、堿再生液進行再生，這是混床操作的特點。

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

    不同型式陰樹脂的比重順序為：

    ——表示比重，右下角的符號表示樹脂的類型。

    為了提高樹脂分層效果，有時在分層前向混床內(nèi)通入NaOH，使陽樹脂轉(zhuǎn)換為比重較大的RNa樹脂，使陰樹脂轉(zhuǎn)換為比重較小的ROH樹脂。這樣可以增大陽、陰樹脂間的比重差，以達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)控制在使整個樹脂層的膨脹率在50%以上。

    ② 再生。混床中陽、陰樹脂分層后，就可以對上層的陰樹脂和下層的陽樹脂分別進行再生，亦可同時進行再生。以分別再生為例，說明再生操作：

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

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

    ③ 正洗。正洗就是用清洗水從上部進入，通過再生后的樹脂層由底部排出。

    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，停止混合前正洗，然后從混床交換器底部進入壓縮空氣，把兩種樹脂混合均勻，進行混合后的大流量正洗(流速約為20米/時左右)至出水合格，投入運行或備用。

    混床的出水純度雖然很高，但樹脂交換容量的利用低、樹脂磨損大、再生操作復(fù)雜。因此，它適用處理含有微量鹽的水，如經(jīng)過一級復(fù)床處理的除鹽水和凝結(jié)水等。這樣可以延長混床的運行周期，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，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RH樹脂層時，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)生類似反應(yīng)，致使水中重碳酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓?。除CO2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RH樹脂處理后，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，溶于水中的CO2就會從水中逸出。根據(jù)它的這個性質(zhì)，可以采用真空法或鼓風(fēng)法來除去水中的CO2。

    2．鼓風(fēng)除CO2器。鼓風(fēng)除CO2器是一個圓柱形設(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器運行時，水從圓柱體上部進入，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)空氣鼓進柱體并與水接觸時，水里的CO2就會擴散到空氣中去，當(dāng)水從上往下流動遇到從下向上的空氣時，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，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

    在對給水進行化學(xué)除鹽的過程中，費用大的是樹脂再生用的酸或堿。降低再生用的、堿耗，是提高化學(xué)除鹽經(jīng)濟運行的主要途徑。

一 酸、堿耗的計算方法

    在計算化學(xué)除鹽的酸、堿耗時，常用單耗和比耗來表示。

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

式中  總陽離子量=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 

運行中酸、堿耗的大小，與原水中鹽的種類和數(shù)量、再生工藝。設(shè)備形式和樹脂性能等因素有關(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行時水的流向相反。這種再生方式，能使保護層樹脂(指運行時水流量后經(jīng)過的那一部分樹脂)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)備在運行時，被處理的水后與再生*的保護層接觸，有利于提高出水水質(zhì)。另外，水在進入交換器時，首先接觸的是再生程度較差的樹脂，由于水中H+、OH(或軟化處理時的Na+)濃度小，反應(yīng)按除鹽(或軟化)方向進行，這就使再生程度較差的樹脂也能充分發(fā)揮作用。

    目前，我國使用的逆流離子交換器有：逆流再生固定床和浮動床等。

圖13-10  浮動床工作原理示意

(1) 運行狀態(tài)；(2) 再生狀態(tài)

    逆流再生固定床在運行時，待處理的水由交換器上部進入，經(jīng)過樹脂層后由下部流出。樹脂再生時，再生液由交換器下部進入，經(jīng)過樹脂導(dǎo)的再生廢液，由上部排出。

    浮動床在運行時，要處理的水上交換器底部進入，利用水流的動能使村脂以密實狀態(tài)向上托起稱為成床，水流過床層由頂部排出。樹脂再生時，樹脂層下落，稱為落床。落床后再生液由交換器上部進入，經(jīng)過樹脂層的再生廢液由底部排出，如圖13-10。

    表13-6內(nèi)列出我國某些電廠采用逆流交換器運行的經(jīng)濟指標(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。將一個強酸性(或強堿性)離子交換器設(shè)計成兩個，前后安裝。運行時，原水先通過前者，再通過后者。再生時，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。雙層床是將強酸性與弱酸性(或強堿性與弱堿性)離子交換樹脂，分層裝在固定床交換器中。弱酸性(或弱堿性)樹脂裝在上層，強酸性(或強堿性)樹脂裝在下層。運行時，水從上部流入由下部排出；再生時，再生液從下部進入失效樹脂層，由上部排出。由于弱酸(或弱堿)樹脂失效后很容易再生，所以再生液從底部經(jīng)過強酸(強堿)樹脂后的稀溶液對弱酸(弱堿)樹脂還能起再生作用。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，再生強酸性或強堿性樹脂的廢液，其酸、堿濃度在2%左右，應(yīng)將這種廢液回收到專設(shè)的容器內(nèi)，供下次初步再生使用。注意，開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)物含量高峰過后，廢液方可回收備用。

第五節(jié) 鍋爐補給水的處理系統(tǒng)

    前面已經(jīng)討論了除掉水中各類雜質(zhì)的原理、設(shè)備和方法；了解到把天然水凈化為鍋爐補給水的過程，這個過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  鍋爐補給水處理系統(tǒng)