软化器概述
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 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)。 |
