离子交换器的失效控制
更新时间：2014-05-19 14:46
来源：第一论文
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摘要：阐述了离子交换器的原理，水处理的控制和改进 方法 。
关键词：水处理，离子交换，水质
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
离子交换除盐水处理最简单的流程为 阳床-阴床 组成的一级复床除盐系统。有的一级复床除盐系统采用单元制，即每套一级复床除盐系统包括 阳床、(除碳器)、阴床各一台，在离子交换除盐运行过程中，无论是阳床还是阴床先失效，都是同时再生;还有的一级复床除盐系统采用母管制，即阳床与阳床或阴床与阴床是并联运行的，哪一台交换器失效就再生哪一台。
1 检测和控制原理
强酸性阳树脂对水中各种阳离子的吸附顺序为：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ;由此可知，水中金属离子Na+被吸附的能力最弱，所以当离子交换时树脂层的各种离子吸附层逐渐下移，H+.最后被其他阳离子置换下来，当保护层穿透时，首先泄漏的是最下层的Na+;因此监督阳离子交换器失效是以漏钠为标准的;其反应方程为(A代表金属阳离子,R为树脂基团)：
An+ +nRH=RnA+n H+
HCO3- + H+ =H2O+CO2↑
强碱性阴树脂对水中各种阴离子的吸附顺序为：SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以当离子交换时树脂层的各种离子吸附层逐渐下移，OH-.被其他阴离子置换下来，当保护层穿透时，首先泄漏的是最下层的HSiO3-;因此监督阴离子交换器失效是以漏硅为标准的;其反应方程为(B代表酸根阴离子，R为树脂基团)：
Bm- +mROH=RmB+mOH-
2 控制点和控制方法
由于母管制系统包含了单元制系统,而且它具有能充分使用树脂、提高交换器的出水能力、降低酸碱消耗等优点，我们在 研究 中主要讨论以这种结构为基础的离子交换除盐水处理系统。
以成都生物制品研究所蛋白分离车间纯水站为例，该系统为母管制水处理系统，系统的结构为：砂滤-活性炭过滤-粗滤-阳床- 一阴-二阴-混床-精滤-纯水罐，系统产水能力为5 t/h，在系统的失效控制研究中，我们提出单元失效控制概念，也就是充分利用了母管制制水系统的优点对系统进行失效控制。
以下是该车间第一套水处理器的一阴(即1.1阴) 在一个运行周期中的部分数据：
表1 一阴运行周期中的部分数据
供水离子柱 电导率(μS/cm) 供水离子柱 电导率(μS/cm)
以上数据均为车间实际运行记录数据，1.1阴出水供给1.2阴后出水电导率保证在3μS/cm以下,结合末级混床,最终出水水质一直保持在0.1μS/cm - 0.5μS/cm。根据以上数据和该车间纯化水检测报告，我们进行标准化处理(25度，不间断运行)后，绘制了三种情况下的水质曲线图(分别如下)：
(1)RO对各有机溶质的去除率大于NF膜。(2)不同有机溶质的去除率不相同，有的甚至相差很大(例如，RO和NF膜对乙酸的吸光度去除率分别为95.34%、81.45%，而对苯胺的吸光度去除率则分别为61.50%、46.82%)。
3 出水水质
原水经一级复床除盐后，电导率(25℃)低于10μS/cm，水中硅含量低于100μg/L。
3.1 阳床出水水质
图1中b 点以前三条曲线都迅速下降，表明离子交换器中树脂再生后，正洗时出水中各种杂质的含量(酸度、钠离子浓度和硬度)都迅速下降，当出水水质达到一定的标准(如b点)时就可以投入运行。所以，在ba段运行期间，阳床出水呈酸性，而且基本呈缓慢变化趋势。运行至a点时，阳床开始有阳离子穿透，根据离子交换活性知道，最先泄漏出的是钠离子;在除盐系统中，为了除去水中H+ 以外的所有阳离子，强酸性离子交换器必须在有钠泄漏时停止运行(一般此时出水的酸度接近中性)，并进行再生，如图1的a点位置，此点为钠离子穿透点。
3.2 阴床出水水质
由于离子交换除盐系统中阴床始终是阳床的后级，所以阴离子交换器的水质变化分两种情况：
① 阳床正常运行时,阴床先失效时的阴床出水水质
阴床出水水质见图2，b 点以前几条曲线迅速下降，表明再生后正洗时，水中杂质迅速下降直至达到运行的出水水质标准，ba区间为稳定交换运行期，出水水质的pH值为7-9，电导率<5μS/cm,含硅量(以SiO2 计)为20-50μg/L。运行至a点后，阴床开始失效，但阳床仍在正常运行。此时，阴床由于酸泄漏，故PH值下降;与此同时，阴床出水中的硅含量和电导率增加。
② 阳床先失效时, 阴床出水水质
如图3复床系统运行到a点，阳床开始失效，但阴床仍在正常运行。此时阳床漏出的Na+ 流经阴床，在阴床的出水中含有NaOH,使阴床出水PH值升高，并对强碱性阴树脂对HSiO3- 的吸附产生干扰作用，使出水的含硅量增加，其反应为：
RHSiO3+NaOH=ROH+NaHSiO3
4 改进 方法
(1)当阳床接近失效时，水中Na+的含量逐渐增加，从而 影响 阴离子交换器，在对纯化水水质要求不是很高时(如医药行业等)，可以通过控制阳床出水的酸度(母管制)和阴床的出水电导率(一级复床)来控制阳床的失效。由于阳床产水中溶解有CO2 ，未经过排除进入阴床，在阴床中与OH-反应，影响阴床处理能力，因此，可以在阳床和阴床之间加装除碳器。
(2) 由于HCO3-一般在阳床中已经去除，加之电导率对OH-较敏感，因此在对于对将硅作为非检测项目的行业(如医药行业等)，可以通过检测阴床的出水电导来控制阴床的失效。
(3) 离子交换的硅泄漏是世界性的难题，实践证明：采用 双阴床+混床 的离子交换系统对于控制硅泄漏十分有效。
5结束语
本文是在大唐甘肃公司蒋平锁主任的悉心指导下完成的。在此，谨向蒋平锁主任致以崇高的敬意和由衷的感谢!
参考 文献
[1] 《 中国 生物制品规程》2000版
[2] 中华人民共和国国家标准，GB/T11446.1-1997，《 电子 级水规格和实验方法》
[3] 闻瑞梅，王在忠编著，《高纯水的制备及检验技术》， 科学 出版社，1999年，北京
[4] 周本省，《 工业 水处理技术》，化学工业出版社
[5] 陈绍炎，施燮钧.水化学.北京:水利电力出版社,1989
[6] 水的净化新概念.张亚杰,顾泽南,王维一等译.北京:中国建筑工业出版社,1982
[7] 华东建筑设计院主编.给水排水设计手册.第4册工业给水处理.北京:中国建筑工业出版社,1986
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关键词：水处理，离子交换，水质
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
离子交换除盐水处理最简单的流程为 阳床-阴床 组成的一级复床除盐系统。有的一级复床除盐系统采用单元制，即每套一级复床除盐系统包括 阳床、(除碳器)、阴床各一台，在离子交换除盐运行过程中，无论是阳床还是阴床先失效，都是同时再生;还有的一级复床除盐系统采用母管制，即阳床与阳床或阴床与阴床是并联运行的，哪一台交换器失效就再生哪一台。
1 检测和控制原理
强酸性阳树脂对水中各种阳离子的吸附顺序为：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ;由此可知，水中金属离子Na+被吸附的能力最弱，所以当离子交换时树脂层的各种离子吸附层逐渐下移，H+.最后被其他阳离子置换下来，当保护层穿透时，首先泄漏的是最下层的Na+;因此监督阳离子交换器失效是以漏钠为标准的;其反应方程为(A代表金属阳离子,R为树脂基团)：
An+ +nRH=RnA+n H+
HCO3- + H+ =H2O+CO2↑
强碱性阴树脂对水中各种阴离子的吸附顺序为：SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以当离子交换时树脂层的各种离子吸附层逐渐下移，OH-.被其他阴离子置换下来，当保护层穿透时，首先泄漏的是最下层的HSiO3-;因此监督阴离子交换器失效是以漏硅为标准的;其反应方程为(B代表酸根阴离子，R为树脂基团)：
Bm- +mROH=RmB+mOH-
2 控制点和控制方法
由于母管制系统包含了单元制系统,而且它具有能充分使用树脂、提高交换器的出水能力、降低酸碱消耗等优点，我们在 研究 中主要讨论以这种结构为基础的离子交换除盐水处理系统。
以成都生物制品研究所蛋白分离车间纯水站为例，该系统为母管制水处理系统，系统的结构为：砂滤-活性炭过滤-粗滤-阳床- 一阴-二阴-混床-精滤-纯水罐，系统产水能力为5 t/h，在系统的失效控制研究中，我们提出单元失效控制概念，也就是充分利用了母管制制水系统的优点对系统进行失效控制。
以下是该车间第一套水处理器的一阴(即1.1阴) 在一个运行周期中的部分数据：
表1 一阴运行周期中的部分数据
供水离子柱 电导率(μS/cm) 供水离子柱 电导率(μS/cm)
| 1.1阳-1.1阴 | 2.1阳-1.1阴 |
| 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阳床失效 | 1.1阴床失效 |
(1)RO对各有机溶质的去除率大于NF膜。(2)不同有机溶质的去除率不相同，有的甚至相差很大(例如，RO和NF膜对乙酸的吸光度去除率分别为95.34%、81.45%，而对苯胺的吸光度去除率则分别为61.50%、46.82%)。
3 出水水质
原水经一级复床除盐后，电导率(25℃)低于10μS/cm，水中硅含量低于100μg/L。
3.1 阳床出水水质
图1中b 点以前三条曲线都迅速下降，表明离子交换器中树脂再生后，正洗时出水中各种杂质的含量(酸度、钠离子浓度和硬度)都迅速下降，当出水水质达到一定的标准(如b点)时就可以投入运行。所以，在ba段运行期间，阳床出水呈酸性，而且基本呈缓慢变化趋势。运行至a点时，阳床开始有阳离子穿透，根据离子交换活性知道，最先泄漏出的是钠离子;在除盐系统中，为了除去水中H+ 以外的所有阳离子，强酸性离子交换器必须在有钠泄漏时停止运行(一般此时出水的酸度接近中性)，并进行再生，如图1的a点位置，此点为钠离子穿透点。
3.2 阴床出水水质
由于离子交换除盐系统中阴床始终是阳床的后级，所以阴离子交换器的水质变化分两种情况：
① 阳床正常运行时,阴床先失效时的阴床出水水质
阴床出水水质见图2，b 点以前几条曲线迅速下降，表明再生后正洗时，水中杂质迅速下降直至达到运行的出水水质标准，ba区间为稳定交换运行期，出水水质的pH值为7-9，电导率<5μS/cm,含硅量(以SiO2 计)为20-50μg/L。运行至a点后，阴床开始失效，但阳床仍在正常运行。此时，阴床由于酸泄漏，故PH值下降;与此同时，阴床出水中的硅含量和电导率增加。
② 阳床先失效时, 阴床出水水质
如图3复床系统运行到a点，阳床开始失效，但阴床仍在正常运行。此时阳床漏出的Na+ 流经阴床，在阴床的出水中含有NaOH,使阴床出水PH值升高，并对强碱性阴树脂对HSiO3- 的吸附产生干扰作用，使出水的含硅量增加，其反应为：
RHSiO3+NaOH=ROH+NaHSiO3
4 改进 方法
(1)当阳床接近失效时，水中Na+的含量逐渐增加，从而 影响 阴离子交换器，在对纯化水水质要求不是很高时(如医药行业等)，可以通过控制阳床出水的酸度(母管制)和阴床的出水电导率(一级复床)来控制阳床的失效。由于阳床产水中溶解有CO2 ，未经过排除进入阴床，在阴床中与OH-反应，影响阴床处理能力，因此，可以在阳床和阴床之间加装除碳器。
(2) 由于HCO3-一般在阳床中已经去除，加之电导率对OH-较敏感，因此在对于对将硅作为非检测项目的行业(如医药行业等)，可以通过检测阴床的出水电导来控制阴床的失效。
(3) 离子交换的硅泄漏是世界性的难题，实践证明：采用 双阴床+混床 的离子交换系统对于控制硅泄漏十分有效。
5结束语
本文是在大唐甘肃公司蒋平锁主任的悉心指导下完成的。在此，谨向蒋平锁主任致以崇高的敬意和由衷的感谢!
参考 文献
[1] 《 中国 生物制品规程》2000版
[2] 中华人民共和国国家标准，GB/T11446.1-1997，《 电子 级水规格和实验方法》
[3] 闻瑞梅，王在忠编著，《高纯水的制备及检验技术》， 科学 出版社，1999年，北京
[4] 周本省，《 工业 水处理技术》，化学工业出版社
[5] 陈绍炎，施燮钧.水化学.北京:水利电力出版社,1989
[6] 水的净化新概念.张亚杰,顾泽南,王维一等译.北京:中国建筑工业出版社,1982
[7] 华东建筑设计院主编.给水排水设计手册.第4册工业给水处理.北京:中国建筑工业出版社,1986
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