软化器概述

　　离子交换是目前国内外制水行业普遍采用的较理想的方法，也是最经济有效的化学法之一，离子交换是一种利用阴阳交换树脂的对离子的选择性及平衡反应原理，去除水中电解质离子的技术。

其特点是利用离子交换树脂在水中和钙镁及钠离子接触交换，从而得到优质软水，水质安全可靠是一套完整成熟的制水工艺，现广泛为广大用户认可。

性能
  采用阳树脂对源水进行软化，主要目的是让阳树脂吸附水中的钙、镁离子(形成水垢的主要成分)，降低源水的硬度。

进水水质：硬度≤6--8 mmol/L

出水水质：硬度≤0.03 mmol/L

I-SF系列软化设备适用范围：

锅炉、交换器、纯净水前置处理、冷凝器、空调、内燃机等系统的补给水软化；宾馆、办公楼、食品、饮料、酿酒、印染、化工、医药等行业的水质软化处理。

水的离子交换处理

第一节离子交换除盐原理、

水的离子交换除盐就是顺序用H型阳离子交换树脂将水中各种阳离子交换成H+,用 OH型阴离子交换树脂将水中各种阴离子交换成OH-，进入水中的H+和OH-离子组成水分子H2O;或者让水经过阳阴混合离子交换树脂层，水中阳、阴离子几乎同时被H+和OH-离子所取代。这样，当水经过离子交换处理后，就可除尽水中各种的无机盐类。该工艺中发生的H离子交换反应和OH离子交换反应以及树脂再生过程中发生的反应如下：

(1)氢离子交换反应式：

                  (HCO3)                     (HCO3)

2RH + Ca(Mg,Na2)  Cl2   →R2Ca(Mg,Na2) + H2    Cl2

                  SO4                        SO4

再生反应式为：

               2HCl                       Cl2

R2Ca(Mg,Na2) +       → 2RH + Ca(Mg,Na2)

               H2SO4                       SO4

(2)氢氧根离子交换反应式为：

           SO4          SO4

           Cl2          Cl2

2ROH + H2   CO3  →R2  (HCO3)2+ 2H2O

           SiO3         (HsiO3)2

再生反应式：

      SO4                            SO4

      Cl2                            Cl2

R2   (HCO3)2   + 2NaOH→ 2ROH + Na2  CO32-

(HSiO3)2                        SiO3

进入离子交换器的水中一般都含有大量的碳酸氢盐。它是天然水中碱度的主要组成部分。当水经H离子交换后，碳酸氢盐转化成了碳酸，连同水中原来含有的碳酸，可用除碳器一起除去。这样可以减轻阴离子交换器的负担降低消耗。

水中碳酸的平衡关系如下式所示：

H＋+ HCO3-≒H2CO3≒CO2+H2O

  水中H＋浓度越大，平衡越易向右移动。当水的pH值低于4.3时，水中的碳酸几乎全部以游离的CO2形式存在。水中游离的CO2可以看作是溶解在水中的气体，它在水中的溶解度符合亨利定律，只要降低水面上CO2的分压就可除去CO2。除碳器就是利用这个原理除去CO2的。

                      第二节    树脂层中的离子交换过程

     一、阳床工作特性

     阳床的作用是除去水中H＋离子以外的所有阳离子。当其运行出水钠离子浓度升高时，树脂失效，须进行再生。

     阳床运行时，水由上而下通过强酸性H型树脂层，因树脂层对各种阳离子的选择性不同，被吸着的离子在树脂层中产生分层，其分布状况如下图5-1所示。在运行过程中，Ca＋、Mg＋、Na＋三层树脂层的高度均会不断向下扩展，直到树脂失效。实际上各层界面并不是很明显的，有程度不同的混层现象发生。

                         (a)                (b)

                  图5-1 逆流再生阳床树脂层态分布示意

（a）运行至失效时；（b）再生后

图5－2所示为阳床经再生投入运行后的出水特性。当阳床再生后冲洗时，出水中各种杂质的含量迅速下降，待出水水质达到一定标准（如含钠量≤100ug/L）时，就可投入运行，此后水质基本保持稳定。当运行一定程度时，如图5－2中b点，漏钠量增大，酸度降低，树脂进入失效状态。

图5-2阳床出水特性

     阳床失效的监督最好采用钠度计（pNa计），当阳床出水含钠量大于500ug/L时，说明阳床已经失效。

     二、阴床工作特性

     阴床中强碱性OH型交换树脂可以和水中除OH-离子外的各种阴离子进行交换，把它们从水中除去。由于树脂对离子的选择性不同，阴床运行中被吸着的离子也会发生分层，其分布状况如图5－3所示。                                             

                          (a)          (b)

                      图5-3逆流再生阴床树脂层态分布示意

                     (a)运行至失效时；（b）再生后

阴床运行时，一般出水pH值为7～9之间，SiO2含量小于100ug/L，电导率小于10uS/cm。因为阴床设在阳床的后面，所以阴床的出水水质受阳床出水水质的影响很大。阳床未失效时，阴床的出水特性如图5－4（a）所示。当运行通过水量到b点时，SiO2含量上升，pH值下降，电导率先微降后再上升。电导率的变化是因为H＋和OH-要比其它离子易导电，当出水中这两种离子的总含量很小时，有一电导率最低点。在b点前由于OH－含量较大使水的电导率较大；在b点之后由于H＋含量增加而使水的电导率增大。

图5-4  阴床出水特性

(a)阳床未失效时(b)阳床失效时

     阳床失效时，阴床的出水特性如图5－4（b）所示。阳床失效时漏钠量增大，这些钠离子通过阴床后转化成氢氧化钠，使阴床出水pH值迅速上升，连续测定阴床出水pH值，可以区分是阳床还是阴床失效。

     阴床失效的监督最好用SiO2含量和电导率来判断，当然用出水pH值也可以进行分析判断。

                   第三节    树脂的再生原理

     树脂再生是离子交换水处理中很重要的一环。影响再生效果的因素很多，如再生方式，再生剂的种类、纯度、用量，再生液的浓度、流速、温度等。要取得好的再生效果，必须进行调整试验，确定最优的再生条件。

      1、再生方式

     再生方式按再生液流向与运行时水流方向分为顺流、对流和分流三种。

     顺流再生是指再生液流向与运行时水流方向一致的再生方式，通常是自上而下流动。

     对流再生指再生液流向与运行时水流方向是相对的。习惯上将运行时水流向下流动，再生液向上流动的水处理工艺称逆流再生工艺。将运行时水向上流，床层浮动；再生时再生液向下流的水处理工艺称浮动床工艺。对流再生可使出水端树脂层再生度最高，出水水质好。

     分流再生是指再生液自交换器的上端和下端同时进入，由树脂层中间的排水装置排出，运行时水自上而下流过床层。这种交换器上部床层采用顺流再生工艺，下部床层采用对流再生工艺。

      2、再生剂的品种与纯度

     一般认为盐酸的再生效果优于硫酸，硫酸再生成本低于盐酸。再生剂的纯度高，杂质含量少，树脂的再生程度就高，特别是对阴树脂影响更大。

      3、再生剂用量

     再生剂用量是影响再生的重要因素，其概念是单位体积树脂所用的再生剂的量，单位为kg/m3(树脂)或g/L（树脂）。另外常用的一个指标是再生剂比耗，它是指投入的再生剂的量与所获得树脂的工作交换容量的比值。还有一种表示法即再生剂耗量，是预计取得单位工作交换容量所需纯再生剂量，单位g/mol。

     从理论上讲1mol的再生剂应使交换树脂恢复1mol的交换容量，但实际上再生反应最多只能进行到离子交换化学反应的平衡状态，只用理论量的再生剂再生树脂，并不能完全恢复其交容量，所以用量必须超过理论量。

     提高再生剂的用量，可以提高树脂的再生程度，但再生剂比耗增加到一定程度之后，再生程度的提高则不明显。再生剂用量与离子交换树脂的性质有关，一般强型树脂所需再生剂用量高于弱型树脂。不同的再生方式，再生剂用量也有所不同，一般顺流再生的再生剂用量要高于逆流再生的。

     再生方式采用顺流时，由于再生液首先接触到的是上部完全失效的树脂，所以这一部分树脂得到了很好的再生。当再生液再往下流与交换器底部树脂接触时，再生液中已经积累了大量被置换出来的离子，严重影响了交换树脂的再生程度，使这部分树脂没有得到充分的再生，影响了出水水质。如果要提高这部分树脂的再生程度，就要增加再生剂的用量。

     再生方式采用逆流时，由于交换器底部树脂总是和新鲜的再生剂相接触，所以可以达到很高的再生程度，运行时水最后和这部分再生程度高的树脂接触，保证了出水水质。采用逆流再生时，交换器上部树脂再生程度差，虽然它首先与进水接触，但由于水中从树脂交换下来离子含量少，所以还是可以进行离子交换的，这部分树脂的交换容量仍可以得到充分的发挥。因此这种再生方式比较优越，使用得也比较广泛。

       4、再生液的浓度

      再生液的浓度与再生方式有关，一般顺流再生的再生液浓度应高于逆流再生的。通常HCl以3%～5%为宜，NaOH以2%～4%为宜。

       5、再生液的温度与流速

      提高再生液的温度能提高树脂的再生程度，但再生温度不能超过树脂允许的最高使用温度，一般强酸性阳树脂用盐酸再生时不需加热。强碱性Ⅰ型阴树脂的再生液温度为35～50℃。强碱性Ⅱ型阴树脂适宜的再生液温度为35±3℃。

      再生液流速影响着再生液与树脂的接触时间，一般以4～8m/h为宜。逆流再生的再生液流速应保证不使树脂乱层。再生液的温度很低时，不宜提高流速。

                        第四节   离子交换器的运行

     离子交换器分为固定床和连续床两种。固定床有顺流再生固定床、逆流再生固定床、浮动床、双层床、混合床等形式；连续床有移动床和流动床。离子交换除盐系统一般都采用固定床。

离子交换器外形为圆筒形容器，为防止设备腐蚀，对交换器内部及附属设备都进行了防腐处理。

     针对我厂的设备特点，本节主要介绍逆流再生固定床离子交换工艺。

一、逆流再生固定床离子交换工艺    

1、交换器的结构

     逆流再生离子交换器按其用途的不同，可分为阳离子交换器（包括H型）和阴离子交换器（OH型等）。用于软化工艺的阳离子交换器称为钠离子软化器和氢离子软化器。用于除盐工艺的阳离子交换器和阴离子交换器分别称为阳床和阴床。这些交换器在结构上没有多大区别，其结构为交换器内顶部装有十字支管式进水分配装置。中上部装有母支管式再生液分配装置，称为中间排水装置。在其上面有一层厚150～200mm的压脂层,其作用一是过滤掉水中的悬浮物,二是使水均匀地进入中排装置。底部装有穹形多孔板加石英砂垫层式的排水装置。交换器的外部设有各种管道、阀门、取样管、监视管、排空气管、流量和压力表计以及有机玻璃窥视孔等。

2、交换器的运行

     交换器的运行应保证其出水水质、水量和经济指标，这些指标与运行操作，特别是再生操作有很大的关系。

     逆流再生固定床的运行通常分为四个步骤，从床层失效后算起为：反洗、再生、正洗和交换。这四个步骤为交换器的一个运行周期。

   （1）小反洗。交换器运行到失效时，停止交换运行，将反洗水从中间排水管引进，对中间排水管上面的压脂层进行反洗，以冲去运行时积聚在表面层和中间排水装置上的污物，然后由上部排走。冲洗流速应使压脂层能充分松动，但又不至将正常的颗粒冲走。反洗一直进行到出水澄清。

   （2）放水。小反洗后，待交换剂颗粒下降后，放掉交换器内中间排水装置上部的水。

   （3）进再生液。开进酸（碱）一次、二次门，启动自用水泵，开喷射器入口门，维持进水流速5－8m/h，同时开启并调整中间排水门。开酸（碱）计量箱出口门，调整进酸浓度为3－4%范围内。进碱浓度为2－2.5%范围内。

   （4）逆流冲洗。当再生液进完后，关闭进再生液阀门，停止送入再生液，但喷射器保持原来的流量，在有顶压的情况下，进行逆流冲洗，直至排出废液达到一定标准为止［如H型交换器，控制排出废液中酸度小于10mmol/L（OH-）］。逆流冲洗所需的时间一般为30～40min，逆洗水应采用质量较好的水，不然会影响底部交换剂的再生程度。

   （5）正洗。最后，用水由上而下进行正洗至出水合格，即可投入运行。

    逆流离子交换器一般在运行10～20个或更多周期后，进行一次大反洗，以除去交换剂层中的污物和破碎的树脂微粒。通常运行，不进行大反洗。大反洗是从底部进水，废水由上部反洗排水阀门放掉。由于大反洗时扰乱了整个树脂层，所以大反洗后第一次再生时，再生剂的用量应加大1倍以上。

     为了使逆流再生达到较好的效果，故在逆流再生的操作工艺中需注意以下几个问题：

     1）压脂层的厚度要符合要求。

     2）为使底部树脂的再生程度高，不致被杂质污染而影响出水水质，故在逆流再生后，应用水质较好的水逆流冲洗，如用经过H离子交换的水来逆流冲洗阴离子交换器。

     3）中部排水装置应进行必要的加固，以防止其上的管子断裂或弯曲。此外，为了防止在反冲洗的过程中产生过大的应力，在大反洗时的流量应由小到大，以逐渐排除交换器中的空气和疏松树脂层。进入交换器水中的悬浮物含量要小，以免压脂层中积聚污物，造成过大的压降。

     4）逆流再生所用的再生剂质量要好，否则，仍不能保证出水水质良好。逆流再生的再生废液中剩余的再生剂量较少，故不宜再用。

     5）应防止有气泡混入交换剂层中。

第五节   一级复床除盐

     水只一次顺序通过H型和OH型离子交换树脂进行除盐，称为一级复床除盐，典型的一级复床除盐系统，它包括强酸性H离子交换器（阳床），除碳器和强碱性OH-离子交换器（阴床）。交换器一般采用固定床，再生方式可选用顺流式或对流式。系统多为单元式，也有母管式的。如图5-5所示.

图5-5 一级复床除盐系统

      1 强酸性H型交换器  2   除碳器 3   强碱性OH型交换器

     一、原理

     进入除盐系统的原水中，常含有Ca2＋、Mg2＋、Na2＋等阳离子和SO42-、Cl-、HCO3-等阴离子，以及弱酸H2CO3和H2SiO3。当此水通过强酸H型树脂层时，水中各种阳离子均被树脂吸着，树脂上的H＋被置换到水中。其反应可用下式综合表示，

                Mg     （HCO3）2            Ca        (HCO3)2

      R(SO3H)2+ Ca      SO4     → R(SO3)2    Mg + H2   SO4

                Na2      Cl2                 Na2        Cl2

 所以，此H型交换器的出水呈酸性，其中含有和进水中阴离子相应的H2SO4和HCl等强酸，以及H2CO3和HSiO4等弱酸。这种含有CO2和其他无机酸的水，先经除碳器除去CO2（其残留量可达5mg/L以下），之后，通过强碱性OH型树脂时，水中各种阴离子均被树脂吸着，树脂上的OH-被置换到水中，与水中的H＋结合成水。

      通过一级复床除盐的出水水质：硅酸达0.1mg/L SiO2以下，电导率达5uS/cm以下。

     二、除碳器的运行

     除碳器有鼓风式和真空式两种。前者只能除去二氧化碳；后者不仅能除去二氧化碳，还可以除去氧气等各种溶解气体。目前采用比较广泛的是鼓风式除碳器。

     鼓风式除碳器的结构为圆柱型塔式结构，由配水装置、填料层（拉希环、多面空心塑料球、波纹板等）和鼓风装置（脱碳风机）所组成。水从上部进入塔体，由配水装置均匀地喷淋在填料表面形成水膜，经填料层与空气接触后，流入下部集水箱（中间水箱）。空气由鼓风机从塔底鼓入，与水中析出的二氧化碳一起从顶部排出。

     水通过鼓风机除碳，一般可将CO2含量降至5mg/L以下。

      2、真空式除碳器

     真空式除碳器是利用真空泵或喷射器从除碳器的上部抽真空，使水在常温下呈沸腾状态以除去气体。

     水由上部进入塔体，经喷水装置后，在整个截面上喷成雾状，再经填料层后呈水膜状向下流动；所释放的气体则通过顶部真空管路抽出塔外。真空式除碳器的淋洗密度一般为40～60m3/(m3·h)。