锅炉软化水设备之树脂篇

浏览数量:2     作者:本站编辑     发布时间: 2010-01-02      来源:本站


离子交换树脂(ionresin)的基体(matrix),制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)两大类,它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反应,形成具有长分子主链及交联横链的网络骨架结构的聚合物。苯乙烯系树脂是先使用的,丙烯酸系树脂则用得较后。

这两类树脂的吸附性能都很好,但有不同特点。丙烯酸系树脂能交换吸附大多数离子型色素,脱色容量大,而且吸附物较易洗脱,便于再生,在糖厂中可用作主要的脱色树脂。苯乙烯系树脂擅长吸附芳香族物质,善于吸附糖汁中的多酚类色素(包括带负电的或不带电的);但在再生时较难洗脱。江苏色可赛思树脂有限公司整理因此,糖液先用丙烯酸树脂进行粗脱色,再用苯乙烯树脂进行精脱色,可充分发挥两者的长处。

树脂的交联度,即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数,对树脂的性质有很大影响。通常,交联度高的树脂聚合得比较紧密,坚牢而耐用,密度较高,内部空隙较少,对离子的选择性较强;而交联度低的树脂孔隙较大,脱色能力较强,反应速度较快,但在工作时的膨胀性较大,机械强度稍低,比较脆而易碎。工业应用的离子树脂的交联度一般不低于4%;用于脱色的树脂的交联度一般不高于8%;单纯用于吸附无机离子的树脂,其交联度可较高

水处理领域离子交换树脂的需求量很大,约占离子交换树脂产量的90%,用于水中的各种阴阳离子的去除。目前,离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上,其次是原子能、半导体、电子工业等。

天然水中含有各种盐类,这些盐类溶解为阳离子和阴离子,主要有 Ca 2+ 、Mg 2+ 、Na + 和HCO3- 、 SO4 2- 、Cl - 等。含有这些盐类的水,在加热蒸发浓缩的过程中(如锅炉用水),水中的Ca 2+ 、Mg 2+ 等离子不断地与水中某些阴离子结合成难溶物质而析出,并生成水垢(俗称水锈),还有其它高价金属离子如铁、铝、锰等(因含量很少,虽然成垢,可略去不计),予以去除。因此就需要进行水的软化处理。软化水设备广泛用于工业及民用软化水制备,如锅炉供水、供热、空调系统补充水、优质生活用水等。

离子交换软化方法是最简单的一种软化方法,该法特点是:不出酸性水,再生剂为工业盐,设备防腐设施简单。


  软化系统主要由多路阀(或手动操作屏)、控制器、树脂罐、盐箱组成,多路阀是在同一阀体中设计有多个通路的阀门。控制器根据预先设定的程序,向多路阀发生指令,多路阀自动完成各个阀门的开关,从而实现运行、反洗、再生、正洗等到各个工艺过程。手动操作屏是利用优质 PVC或UPVC材质管材管件组建的一个操作接口,它需要专人负责各个阀门的开关,所有的工艺过程都需人工操作。

除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以外,离子交换树脂还可由其他有机单体聚合制成。如酚醛系(FP)、环氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等。

离子树脂常分为凝胶型和大孔型两类。

凝胶型树脂的高分子骨架,在干燥的情况下内部没有毛细孔。它在吸水时润胀,在大分子链节间形成很微细的孔隙,通常称为显微孔(micro-pore)(ionresin.com)。湿润树脂的平均孔径为2~4nm(2×10-6 ~4×10-6mm)。

这类树脂较适合用于吸附无机离子,它们的直径较小,一般为0.3~0.6nm。这类树脂不能吸附大分子有机物质,因后者的尺寸较大,如蛋白质分子直径为5~20nm,不能进入这类树脂的显微孔隙中。

大孔型树脂是在聚合反应时加入致孔剂,形成多孔海绵状构造的骨架,内部有大量永久性的微孔,再导入交换基团制成。它并存有微细孔和大网孔(macro-pore),润湿树脂的孔径达100~500nm,其大小和数量都可以在制造时控制。孔道的表面积可以增大到超过1000m2/g。江苏色可赛思树脂有限公司整理这不仅为离子交换提供了良好的接触条件,缩短了离子扩散的路程,还增加了许多链节活性中心,通过分子间的范德华引力(van de Waals force)产生分子吸附作用,能够象活性炭那样吸附各种非离子性物质,扩大它的功能。江苏色可赛思树脂有限公司整理一些不带交换功能团的大孔型树脂也能够吸附、分离多种物质,例如化工厂废水中的酚类物。

大孔树脂内部的孔隙又多又大,表面积很大,活性中心多,离子扩散速度快,离子交换速度也快很多,约比凝胶型树脂快约十倍。使用时的作用快、效率高,所需处理时间缩短。大孔树脂还有多种优点:耐溶胀,不易碎裂,耐氧化,耐磨损,耐热及耐温度变化,以及对有机大分子物质较易吸附和交换,因而抗污染力强,并较容易再生.

离子交换树脂进行离子交换反应的性能,表现在它的“离子交换容量”,即每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数,meq/g(干)或 meq/mL(湿);当离子为一价时,毫克当量数即是毫克分子数(对二价或多价离子,前者为后者乘离子价数)。它又有“总交换容量”、“工作交换容量”和“再生交换容量”等三种表示方式。

1、总交换容量,表示每单位数量(重量或体积)树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。

2、工作交换容量,表示树脂在某一定条件下的离子交换能力,它与树脂种类和总交换容量,以及具体工作条件如溶液的组成、流速、温度等因素有关。

3、再生交换容量,表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量,表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。

通常,再生交换容量为总交换容量的50~90%(一般控制70~80%),而工作交换容量为再生交换容量的30~90%(对再生树脂而言),后一比率亦称为树脂的利用率。

在实际使用中,离子交换树脂的交换容量包括了吸附容量,但后者所占的比例因树脂结构不同而异。现仍未能分别进行计算,在具体设计中,需凭经验数据进行修正,并在实际运行时复核之。

离子树脂交换容量的测定一般以无机离子进行。这些离子尺寸较小,能自由扩散到树脂体内,与它内部的全部交换基团起反应。而在实际应用时,溶液中常含有高分子有机物,它们的尺寸较大,难以进入树脂的显微孔中,因而实际的交换容量会低于用无机离子测出的数值。这种情况与树脂的类型、孔的结构尺寸及所处理的物质有关。


离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力,对它们的吸附有选择性。各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律,但不同的树脂可能略有差异。主要规律如下:

(1) 对阳离子的吸附 。

高价离子通常被优先吸附,而低价离子的吸附较弱。在同价的同类离子中,直径较大的离子的被吸附较强。一些阳离子被吸附江苏色可赛思树脂有限公司整理的顺序如下:

Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > H+

(2) 对阴离子的吸附

强碱性阴离子树脂对无机酸根的吸附的一般顺序为:

SO42-> NO3-> Cl- > HCO3- > OH-

弱碱性阴离子树脂对阴离子的吸附的一般顺序如下:

OH-> 柠檬酸根3- > SO42- > 酒石酸根2- >草酸根2- > PO43- >NO2- > Cl- >醋酸根- > HCO3-

(3) 对有色物的吸附

糖液脱色常使用强碱性阴离子树脂,它对拟黑色素(还原糖与氨基酸反应产物)和还原糖的碱性分解产物的吸附较强,而对焦糖色素的吸附较弱。这被认为是由于前两者通常带负电,而焦糖的电荷很弱。

通常,交联度高的树脂对离子的选择性较强,大孔结构树脂的选择性小于凝胶型树脂。这种选择性在稀溶液中较大,在浓溶液中较小。

离子交换树脂的颗粒尺寸和有关的物理性质对它的工作和性能有很大影响。

(1) 树脂颗粒尺寸

离子交换树脂通常制成珠状的小颗粒,它的尺寸也很重要。树脂颗粒较细者,反应速度较大,但细颗粒对液体通过的阻力较大,需要较高的工作压力;特别是浓糖液粘度高,这种影响更显著。因此,树脂颗粒的大小应选择适当。如果树脂粒径在0.2mm(约为70目)以下,会明显增大流体通过的阻力,降低流量和生产能力。

树脂颗粒大小的测定通常用湿筛法,将树脂在充分吸水膨胀后进行筛分,累计其在20、30、40、50……目筛网上的留存量,以90%粒子可以通过其相对应的筛孔直径,称为树脂的“有效粒径”。多数通用的树脂产品的有效粒径在0.4~0.6mm之间。

树脂颗粒是否均匀以均匀系数表示。它是在测定树脂的“有效粒径”坐标图上取累计留存量为40%粒子,相对应的筛孔直径与有效粒径的比例。江苏色可赛思树脂有限公司整理如一种树脂(IR-120)的有效粒径为0.4~0.6mm,它在20目筛、30目筛及40目筛上留存粒子分别为:18.3%、41.1%、及31.3%,则计算得均匀系数为2.0。

(2) 树脂的密度

树脂在干燥时的密度称为真密度。湿树脂每单位体积(连颗粒间空隙)的重量称为视密度。树脂的密度与它的交联度和交换基团的性质有关。通常,交联度高的树脂的密度较高,强酸性或强碱性树脂的密度高于弱酸或弱碱性者,而大孔型树脂的密度则较低。江苏色可赛思树脂有限公司整理例如,苯乙烯系凝胶型强酸阳离子树脂的真密度为1.26g/mL,视密度为0.85g/mL;而丙烯酸系凝胶型弱酸阳离子树脂的真密度为1.19g/mL,视密度为0.75g/mL。

(3) 树脂的溶解性

离子交换树脂应为不溶性物质。但树脂在合成过程中夹杂的聚合度较低的物质,及树脂分解生成的物质,会在工作运行时溶解出来。交联度较低和含活性基团多的树脂,溶解倾向较大 。

(4) 膨胀度

离子交换树脂含有大量亲水基团,与水接触即吸水膨胀。当树脂中的离子变换时,如阳离子树脂由H+转为Na+,阴树脂由Cl-转为OH-,都因离子直径增大而发生膨胀,增大树脂的体积。通常,交联度低的树脂的膨胀度较大。在设计离子交换装置时,必须考虑树脂的膨胀度,以适应生产运行时树脂中的离子转换发生的树脂体积变化。

(5) 耐用性

树脂颗粒使用时有转移、磨擦、膨胀和收缩等变化,长期使用后会有少量损耗和破碎,故树脂要有较高的机械强度和耐磨性。通常,交联度低的树脂较易碎裂,但树脂的耐用性更主要地决定于交联结构的均匀程度及其强度。如大孔树脂,具有较高的交联度者,结构稳定,能耐反复再生 。

关于离子交换过程的机理很多,其中,最适于水处理工艺的,是将离子交换树脂看作具有胶体型结构的物质,这种上观点认为,在离子交换树脂的高分子表面上有许多和胶体表面相似的双电层。也就是说这里有两层离子,紧邻高分子表面的一层离子称为内层离子,在其外面是一层符号相反的离子层。与胶体的命名法相似,我们常把和内层离子符号相同的离子称作同离子,符号相反的称反离子。所以离子交换就是树脂中原有反离子和溶液中它种反离子相互交换位置。

根据胶体结构的概念,双电层中的反离子按其活动性的大小可划分为固定层和扩散层。那些活动性能差,紧紧地被吸附在高分子表面的离子层,称为固定层,在其外侧,那些活动性较大,向溶液中逐渐扩散的反离子层,称为扩散层,因为这些反离子像地球上的大气一样,笼罩在高分子表面上,故又称为离子氛。

内层离子依靠化学键结合在高分子的骨架上,固定层中的反离子依靠异电荷的吸引力被固定着。而在扩散层中的反离子,由于受到异电荷的吸引力较小,热运动比较显著,所以这些反离子有自高分子表面向溶液中渐渐扩散的现象。

当离子交换剂遇到含有电解质的水溶液时,电解质对其双电层有以下几种作用:

⑴ 交换作用。扩散层中反离子在溶液中的活动较自由,离子交换主要在此种反离子和溶液中其它反离子之间进行,但并不局限于此。因动平衡的关系,溶液中的反离子会先交换至扩散层,然后再与固定层中的反离子互换位置。

在扩散层中处于不同位置离子的能量是不相等的,那些和内层离得最远的反离子能量最大,因此它们最活泼,最易和其他反离子交换;和内层离得较近的反离子能量最小,活动性较差。这和多元酸或多元碱的多级电离情况相似。

⑵ 压缩作用。当溶液中盐类浓度增大时,可以使扩散层压缩,从而使扩散层中部分反离子变成固定层中的反离子,扩散层的活动范围变小。这说明了为什么当再生溶液的浓度太大时,不仅不能提高再生效果,有时反使再生效果降低。

离子交换反应是可逆的,而且等当量地进行。由实验得知,常温下稀溶液中阳离子交换势随离子电荷的增高,半径的增大而增大;高分子量的有机离子及金属络合阴离子具有很高的交换势。高极化度的离子如Ag+、Tl+等也有高的交换势。离子交换速度随树脂交联度的增大而降低,随颗粒的减小而增大。温度增高,浓度增大,交换反应速率也增快。

由于离子交换作用是可逆的,因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱进行洗涤,可恢复到原状态而重复使用,这一过程称为再生。阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗;阴离子交换树脂可用氢氧化钠等溶液处理,进行再生。

离子交换过程常在离子交换器中进行。离子交换器类似压力滤池,外壳为一钢罐;离子交换通常采用过滤方式,滤床由交换剂构成,底部为附有滤头的管系。

1)水处理

水处理领域离子交换树脂的需求量很大,约占离子交换树脂产量的90%,用于水中的各种阴阳离子的去除。目前,离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上,其次是原子能、半导体、电子工业等。

2)食品工业

离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如:高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后,再经水解反应,产生葡萄糖与果糖,而后经离子交换处理,可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。

3)制药行业

制药工业离子交换树脂对发展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。链霉素的开发成功即是突出的例子。近年还在中药提成等方面有所研究。

4)合成化学和石油化学工业

在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱,同样可进行上述反应,且优点更多。如树脂可反复使用,产品容易分离,反应器不会被腐蚀,不污染环境,反应容易控制等。

甲基叔丁基醚(MTBE)的制备,就是用大孔型离子交换树脂作催化剂,由异丁烯与甲醇反应而成,代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙基铅。

5)环境保护

离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前,许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质,这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子,回收电影制片废液里的有用物质等。

6)湿法冶金及其他

离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。
离子交换树脂的用途很广,主要用于分离和提纯。例如用于硬水软化和制取去离子水、回收工业废水中的金属、分离稀有金属和贵金属、分离和提纯抗生素等。

离子交换技术在水处理领域中有十分广泛的应用。做为水质软化的钠离子交换器,主要用于中、低压锅炉水处理。离子交换脱盐设备,主要用于纯水和高纯水的制备。离子交换设备适用于医药、化工、电子、涂装、饮料及高压锅炉给水等诸多工业部门。它与近年引进的反渗透装置相比较,具有去除离子性杂质彻底;对水的预处理要求低;设备造价便宜等优点。在制备高纯水方面,离子交换技术在当前还没有替代设备。进水总含盐量在400mg/l以下时,根据用户不同要求,出水水质在1.0-0.2us/cm之间。若进水总含盐量在500mg/l以上时,可与电渗析器联合脱盐,出水水质还可提高。

离子交换是一种特殊的固体吸附过程,它是由离子交换剂的电解质溶液中进行的。一般的离子交换剂是一种不溶于水的固体颗粒状物质,即离子交换树脂。它能够从电解质溶液中吸取某种阳离子或者阴离子,而把自身所含的另外一种带相同电荷符号的离子等量地换出来,并释放到溶液中去,这就是所谓的离子交换。按照所交换离子的种类,离子交换剂可分为阳离子交换剂和阴离子交换剂两大类。

复床是用阳、阴两种不同的离子交换的交换器的串联方式,如强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂串联的方式。这种阳床和阴床串联组成的设备称为复床,水先经过阳床除去金属离子,形成酸性水,然后通过阴床除去酸根离子。通过复床的水可除去水中大部分的无机盐。


混合离子交换器,简称混床 ,是将阴阳树脂按一定比例装置填在同一交换器中,运行前将它们混合均匀。此时被处理水在通过混合离子交换床后,所产生的H + 和OH - 离子立即生成溶解度很低的水,很少形成阳离子或阴离子交换时的反离子。可以使交换反应进行很彻底,故水质好,所以混合床串联在反渗透或一级复床除盐系统后面,用于纯水或高纯水的制备主要用于深度去除水中几乎所有的离子(溶解固体)。

离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前,许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质,这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子,回收电影制片废液里的有用物质等。

1)离子交换设备的种类


离子交换设备在水站里的种类有:阴床,阳床,混床等,.每种设备内的树脂种类也不同,故每种设备的工作原理也有区别。

2)离子交换的特点 

水处理系统引入离子交换设备的原因就在于离子交换树脂的优点表现在稳定性好,交换容量高,其最大的特点是失效后可以再生,使树脂能够较长时期的反复使用,利用效率高,成本低,出水水质好等方面。

3) 离子交换的基本原理

  

离子交换是一种特殊的固体吸附过程,它是由离子交换剂在电解质溶液中进行的。一般的离子交换剂是一种不溶于水的固体颗粒状物质,既离子交换树脂.它能够从电解质溶液中吸取阳离子或阴离子,而把自身所含的另一种带相同电荷符号的离子等量的交换出来,并释放到溶液中去,这就是离子交换的基本原理。

4) 离子交换树脂的交换过程:  

离子交换的过程与一般的扩散过程不同,这是因为离子交换剂在溶液中与溶液建立起离子交换平衡的过程需要的时间很长,只有少数的离子交换可以在瞬间完成,一般的交换都需要长时间的.这是因为离子交换不只是在离子交换剂的表面进行的,而且在整个离子交换树脂的内部进行,离子交换的过程可分为7个连续的步骤:

①再生剂离子从溶液中扩散到离子交换树脂颗粒的表面,

②再生剂离子透过离子交换树脂颗粒表面的边界膜,

③再生剂离子在离子交换树脂颗粒的内部孔隙中扩散,并扩散到交换点,

④离子交换反应进行,

⑤交换后的离子在离子交换树脂颗粒的内部空隙中扩散,并扩散到离子交换树脂的表面,

⑥交换后的离子透过离子交换树脂颗粒表面的边界膜,

⑦向外扩散到溶液中去,完成整个离子交换的过程。  

在这7个连续的步骤中,① ~ ③是再生剂的离子向离子交换树脂颗粒内部扩散的,⑤ ~ ⑦是再生剂再生后置换出来的离子交换树脂的离子,并且是等价的离子,离子的运动方向相反;①和⑦是离子在溶液中扩散,②和⑥是离子透过交换树脂的边界膜扩散,③和⑤是离子在交换树脂的内部扩散,那么离子交换过程的快慢就决定离子扩散的速度。F、离子交换树脂的再生方法:脂尽可能的恢复或接近原来树脂的工作状态。  

树脂失效后的再生方式有多种,大致可分为静态再生和动态再生两种,静态再生指的是在容器内用再生剂泡树脂,使之恢复到原来的工作状态的方法.动态再生指的是让再生剂不断的流过盛装着树脂的容器内,使之恢复到原来的工作状态的方法,动态再生的方法有:顺流再生;逆流再生;对流再生。

  在纯水系统中水先经过阳床(SC)/阴床(WA/SA),经过阳/阴床的水从下至上注入阳/阴床,当新的水系统开始调试时就要对阳/阴床再生,阳/阴床再生的方式是逆流再生,因为DI水从阴/阳床的下方进入设备内进行交换,那么在设备内的交换树脂失效程度最高和最先的是处于最下层的树脂,失效程度不高的在设备的最上方,那么再生剂就从设备的最上方加入,这样再生剂的利用率较高和滤过水在正常工作时最后接触的是再生程度最高的树脂层,这样就能充分的保证出水稳定的水质,其次解决了逆流再生时再生剂流经树脂层对滤层的扰动;再次就是这样再生的推动力较大.再生后的反洗也可以冲洗掉一部分再生的生成物。

  在纯水系统中的混床(MB)中装着阴/阳两种树脂,这里的再生方法有两种,第一种就是分步处理,先将已失效的混床用水反洗,由于阴离子交换树脂较轻而上浮与阳离子交换树脂分开,在从顶部引入碱(NAOH)再生剂进行阴树脂再生,再生的废液从混床的中部排出,在再生的时候要从混床的下部引入反洗水,通过反洗水和阳树脂来保持碱液不流入下部,以免污染阳树脂,再生完阴树脂后就从混床的下部引入酸(HCL)来再生阳树脂,再生的废液从混床的中部排出,在再生的时候要从混床的顶部引入正洗水,保持一定的压力来防止酸液进入上部对阴树脂污染,再生完后,在正洗一遍,然后就用无油的压缩空气或高纯氮气对树脂进行充分的搅拌.再一种再生的方法就是采用阴/阳树脂同时再生,也就是所谓的对流再生法.在纯水系统中阴/阳床和混床都是前处理也就是脱盐工序.一般混床出口的水质可在10MΩ.CM(23℃~25℃)。

在火力发电厂生产工艺中,水是热力系统的工作介质或是某些热力设备的冷却介质。热力发电厂用水有严格的质量标准,超高压以上热力设备机组的补给水水质接近于纯水。由于火电厂原水一般取自未经处理的地表水和地下水,因此必须通过严格的预处理和除盐后方可作为锅炉的补给水使用。江苏色可赛思树脂有限公司整理目前世界各国火力发电厂补给水的除盐处理中普遍采用离子交换工艺。但由于工作交换容量的限制,树脂床层必须定期进行再生。常用方法是用一定浓度的强酸、强碱作为再生剂对树脂床层进行处理,该方法存在着再生剂量大,利用率低,大量酸碱废液排放造成环境污染以及劳动强度大,工人工作条件差等弊病。因此,探求一种不用酸碱的再生方法具有重大意义。

近年来,人们依据电渗析法和离子交换法各自的优点,将电渗析与离子交换技术结合起来,创造了一种新的水处理技术——EDI(电去离子)技术。EDI内混合阴、阳离子交换树脂,不用化学药剂再生而是依靠电再生。这种技术取得了良好的经济和环保效益,同时也提示我们,既然EDI内树脂依靠电再生,那能否利用电能直接再生失效的离子交换树脂这一问题。同时,近年来又有人提出将水电离来再生失效的离子交换树脂,这种方法只消耗电能。如果该技术能运用到实践中去,则避免了酸碱再生的弊端,将产生重大意义。正是受二者启发,本文作者进行了有关混床电再生失效离子交换树脂的实验研究。
用初级除盐水将失效的离子交换树脂输送入已改装好的普通电渗析再生室。由于初级除盐水所含盐分不多,它们在极限电流下不能完全承担导电任务,导致有少量水电离产生H+和OH-来承担余下的导电任务,这些盐分的阴阳离子和H+,OH-,在直流电场的作用下,分别向两侧迁移,H+一旦进入失效树脂的外电层中,就可能与Ca2+,Mg2+,Na+等离子发生置换反应,从而使阳树脂得到再生,转变为H型。由于被置换下来的Ca2+,Mg2+,Na+只需移动很短的距离,就到了阳膜边界,它们受阳膜上活性基团的吸引,加速通过阳膜进入浓水室而被除去。因此,使该再生反应得以顺利进行。而该反应的顺利进行又促使弱电解质的水不断电离,使混床内的失效阳离子交换树脂得到充分再生。同样,被HCO3-,Cl-,SO42-饱和的失效阴离子交换树脂也被水电离产生的OH-所代替,从而使阴离子交换树脂也得到了再生。


1>实验装置

电再生装置。采用单级三隔室离子交换树脂再生装置,如图所示,其组成与普通电渗析器相仿,分别为阴、阳极室和再生室。其中再生室尺寸为160mm×160mm×10mm,内填完全失效的阴、阳离子交换树脂(2:1)60mm×160mm×70mm,采用两个300mm×300mm×500mm的水箱,用蠕动泵进行循环,以调整再生室温度。阳极采用150mm×150mm×1.2mm钌钛网,阴极采用150mm×150mm×2mm多孔铁板。采用100V,30A硅整流器,装有电压表,电流表,以测量各工况下的电压和电流,进出水口水质用DDS-11A电导率仪测定。离子交换膜采用上海化工厂生产的3361BW,3362BW异相膜,离子交换树脂采用上海罗门哈斯化工有限公司生产的001×7苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂和201×7苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂。

2> 实验方法

事先在再生室中装入用化学方法完全失效的阴、阳离子交换树脂,极室通入一定浓度硫酸钠溶液,接通电源,调整电压,随时监测电压电流变化,并密切注意再生室温度,控制在50℃以内。再生结束后,用高纯水取出树脂,进行小型水处理实验,以此作为评价再生效果的指标(实验采用美国材料与实验协会ASTM标准实验方法)。

在混床树脂电再生基本趋势是随着通电量的增加,工作交换容量也逐渐增加,并且能够达到现场标准,即300mmol/L以上。但是,随着实验次数增加,出现了几个严重的问题。

(1)再生时间长

在50V电压下进行再生,发现电流增长缓慢,达到预定通电量10A&8226;h时,最大电流仅为1.1A,共计再生时间达10.33h。净水实验显示,树脂工作交换容量为320.8mmol/L,达到了现场标准。但再生时间过长,不利于生产实践。

(2)重现性差

通过实验发现,在相同的实验条件下,再生效果重现性较差。为了避免离子交换膜渗漏对电再生的影响,每次实验均采用新的离子交换膜,在电压50V,通电量10A&8226;h条件下再生树脂,重复6次实验,所测得的树脂工作交换容量分别为:287.5,320.8,162.5,179.2,204.2,195.8mmol/L。可见,树脂工作交换容量的变化并没有明确的趋势,忽高忽低。在163.5和320.8mmol/L之间波动,最大值与最小值之间相差近2倍。重现性不好,是电再生中存在的一个严重问题。

(3)树脂理化性能严重下降

在实验中发现,随着实验次数的增多,树脂破碎程度逐渐明显,这将影响到树脂的再生效果。树脂的全交换容量和耐磨率大幅度下降。使用过的树脂在进行耐磨率实验时,基本没有完整的圆形颗粒,绝大部分已成粉末。而树脂理化性能的大幅度降低,必然导致再生效果不稳定,重现性不好。

(4)阴、阳树脂再生不平衡

阴、阳混合树脂(阴阳比为2:1)在电再生过程中,再生程度不平衡。树脂再生完成后,分开净水,结果表明阴树脂再生比较彻底,达到了火电厂现场标准300mmol/L,而阳树脂的再生程度则非常低,远远低于现场要求。
EDI中树脂是用电来再生的,它可以连续运行很长时间。本实验中却发现了诸多严重问题,下面通过对比混床再生与EDI中树脂电再生来分析原因。

(1)EDI中填充的是H型和OH型离子交换树脂,在EDI中制取纯水和超纯水时,电渗析可以忽略。只考虑离子交换作用。投运不久,淡水室即可出现离子交换层谱。

当欲处理水从失效层流到工作层底部时,由于失效树脂已饱和,不可能再参与离子交换,故欲处理水中的离子,在通过失效树脂层时不被吸收,而是受直流电场的作用横向迁移,待到达工作层底部时,全部离子已经迁移出淡水室。由于在保护层中,电解质离子极少,易发生浓差极化,使水解离成H+和OH-,从而使保护层中的树脂保持为H型和OH型。而在失效层和工作层中,由于离子浓度相对较高,不易发生浓差极化,水解离现象基本不发生。

在混床电再生中,填充的树脂为完全失效的盐型树脂,树脂处于乱层状态,无法形成保护层,故其再生是发生在整个再生室内。只有水解离产生h+和OH-的量足够多时,树脂才能达到充分的再生,而水解离本身是比较困难的。故要使所有树脂均再生好,需要足够的时间及较大的水解离速度。

(2)混床再生过程中,水解离产生的h+和OH-与失效的阴、阳树脂发生置换反应使其再生。由于h+和OH-相对于其它阳离子和阴离子而言,其迁移速度较快,这必然导致一部分H+和OH-未再生失效的离子交换树脂,就已经迁移出再生室;另外,被置换下来的阴阳离子如不能及时迁移走,则可能再次进入离子交换树脂母体骨架活性集团的电势范围,又把H+和OH-置换出来。因此,树脂颗粒发生了再生----失效----再生的循环过程,导致树脂颗粒无数次的膨胀-收缩,从而使树脂易破裂,理化性能下降,再生效果不稳定。且H+是所有离子中迁移速度最快的,直接迁移出再生室的H+大大多于OH-,从而导致阳离子再生效果低于阴离子。而在EDI中,由于被再生的树脂仅为工作室中一小部分,故树脂理化性能所受影响非常小,能保证EDI的持续稳定运行

离子交换技术有相当长的历史,某些天然物质如泡沸石和用煤经过磺化制得的磺化煤都可用作离子交换剂。但是,随着现代有机合成工业技术的迅速发展,研究制成了许多种性能优良的离子交换树脂,并开发了多种新的应用方法,离子交换技术迅速发展,在许多行业特别是高新科技产业和科研领域中广泛应用。近年国内外生产的树脂品种达数百种,年产量数十万吨。

在工业应用中,离子交换树脂的优点主要是处理能力大,脱色范围广,脱色容量高,能除去各种不同的离子,可以反复再生使用,工作寿命长,运行费用较低(虽然一次投入费用较大)。以离子交换树脂为基础的多种新技术,如色谱分离法、离子排斥法、电渗析法等,各具独特的功能,可以进行各种特殊的工作,是其他方法难以做到的。江苏色可赛思树脂有限公司整理离子交换技术的开发和应用还在迅速发展之中。

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