离子交换树脂在水处理行业上的应用

离子交换树脂在水处理行业上的应用离子交换树脂最大的市场，目前仍然在水处理的应用上。随着环境的污染，水质越来越呈现恶化的趋势。但同时，各行各业对水的质量要求也越来越高，对树脂的质量要求也越来越严。因此，在提高纯水质量方法上，树脂仍然是最佳选择。现对目前最常用的几种水处理工艺作简要的介绍。一、离子交换床型的分类：工业上的常用床型的大致分类如下：---逆流再生床—单室固定床、双层床、双室固定床对流再生——浮动床——单室浮动床、双室浮动床固定床--——顺流再生——单室固定床——双流再生床单室固定床——双流式单室床床型混合床移动床流动床在上图的分类中，顺流再生单室固定床、逆流再生单室固定床、单室浮动床都是一台交换器使用一种类型树脂，属于单一树脂的除盐工艺；而双层床、双室固定床、双室浮动床、则属于强、弱联合除盐工艺。现对上述主要常用的几种床型作介绍，并且对原水的进水水质和再生剂质量要求特说明如下：1、原水进水水质要求项目数据（GBJ109-87）超标后果浊度固定床顺流再生＜5mg/l固定床逆流再生＜2mg/l增加床体的压差，出力下降活性氯＜0.1mg/l造成阳树脂被氧化、断链，树脂强度急剧下降耗氧量（CODMn）＜2mg/l强阴树脂被污染，正洗时间大幅延长，周期制水量下降含铁量一级除盐系统＜0.3mg/l混床＜0.1mg/l树脂容量下降，出水水质恶化2、再生剂质量指标2.1、再生用工业HCl质量指标项目指标总酸度%≥31铁%≤0.012.2、再生用离子膜NaOH质量指标项目指标NaOH%≥30NaCl%≤0.01Fe2O3%≤0.001Na2CO3%≤0.2二、顺流再生固定床1、顺流再生固定床的优点：由于其运行和再生的方向相同，原水水流和再生液都是从上而下流过树脂层，因此，其操作方便，设备制作也相对简单。2、顺流再生固定床的缺点：由于再生的方向和运行的方向相同，再生后保护层的树脂再生率比逆流再生方式的低很多。而出水水质的好坏，又直接与出水处保护层树脂的再生率有关，所以，这种再生率不高的再生方式决定了出水质量不好。为了使保护层中的失效型树脂的含量尽可能的降低，只有增加再生剂的用量，以保证出水的水质，故运行费用较高。目前，这种床型大多用于软化水的制备或对水质要求不是很严格的生产上。3、顺流再生的操作步骤：操作步骤一般由反洗、再生、置换、正洗、运行五个主要步序组成：3.1、反洗:反洗的目的是为了将树脂运行了一个周期所截留的悬浮物清除干净，并松动树脂层，防止树脂结块，为再生作准备。3.2、再生:再生的目的是将失效的树脂恢复交换容量的过程。再生效率的高低是影响出水质量和周期制水量的关键。3.3、置换：用置换水按再生液的流程继续对树脂进行冲洗，使树脂上部的空间及树脂层中间再生液充分发挥作用，不至于浪费再生剂，并缩短后续的正洗时间。置换用水一般都用本工艺所制的水充当。置换流速与再生流速相同。3.4、正洗：由于置换的流速较慢，时间也较短（一般60min左右），并且大量的再生剂在置换的过程中都得以利用，因此，在置换后都用该床的进水对树脂进行冲洗，直到出水合格，正洗结束。正洗流速与运行流速相同。3.5、运行：完成上述步骤后，床体可以正式投入运行。通常情况下，我们把离子交换器从运行交换过程开始到正洗结束所累加的时间称为交换器的一个工作周期。4、离子交换顺流再生软化和除盐工艺的各树脂参数列表如下：操作步骤项目强酸阳树脂强碱阴树脂弱酸阳树脂弱碱阴树脂反洗水质清水阳床出水或清水清水清水流速m/h15-208-1010-155-8时间min20-3010-2020-3020-30反洗膨胀率%70-10070-10070-10070-100反洗终点出水澄清出水澄清出水澄清出水澄清排水沉降将树脂层面的水位降低到距树脂20cm处再生再生剂HClNaClNaOHHClNaOH稀释用水所制水软化水所制水所制水所制水再生剂用量g/mol70-80100-120100-1204040-50浓度%3-45-82.5-3.52-2.52-3再生流速m/h4-64-64-63-54-6最佳温度℃常温30常温常温置换水质纯水软化水纯水纯水纯水时间min40-50306030-4060流速m/h4-64-64-63-54-6正洗水质原水原水阳床出水原水阳床出水时间min15-2020约20-3020-30约20-30流速m/h2020202015-20终点Na+≤500mg/l硬度≤0.03mmmol/l硅≤100mg/l电导率≤10us/cm用户根据要求不同自定Cl-≤0.01mmmol/l运行流速m/h2020202020温度℃常温常温常温常温失效终点Na+≥500mg/l硬度硬度≥0.03mmmol/l硅≥100mg/l电导率≥10us/cm用户根据要求不同自定Cl-≤0.01mmmol/l注：有关硫酸的再生方法和有关参数，后面有关章节将有专门详细的介绍。5、顺流再生常见的故障：可能由于以下的原因，会导致出水质量不达标和周期制水量减少的情况发生，用户可对照下面的情况，寻找原因：5.1、顺流再生软化水处理：5.1.1、周期制水量逐渐减少：a、食盐用量不足，没有达到70-80g/mol的标准；b、配制食盐的水质太差或盐中的杂质含量太多，应改善盐的质量和水的质量；c、正洗时间过长，损失了树脂的交换容量，严控正洗时间；d、树脂受铁、铝等金属污染中毒，用7%的盐酸溶液浸泡复苏；e、树脂结块，反洗效果不好，产生偏流，导致再生效果差。加强反洗效果，控制合适的反洗膨胀率和反洗时间。5.1.2、出水硬度突然不合格：a、设备里的防腐层脱落，有铁离子带入水中，造成分析上的错觉，应检查防腐层是否正常；b、进、出水阀门串漏，进水漏入出水中，检查阀门的严密性；5.1.3、再生剂耗量过大，超过正常值：a、树脂中毒污染，用7%的盐酸浸泡复苏；b、再生的流速过快，树脂的接触时间不够，交换不彻底，将再生时间调到正常值；5.1.4、正洗长时间不合格：a、正洗流量太小，将流量调至正常范围内；b、检查进出水串联阀是否渗漏；c、树脂有否漏空现象，控制进出水流量的平衡；三、逆流再生固定床逆流再生是对流再生的一种（a,一种是运行自上而下，再生时自下而上，如双室固定床；b,另一种是运行自下而上，再生时则自上而下，如双室浮动床），运行时水流的方向自上而下，再生时，再生液的流向则自下而上，故叫对流再生。再生和置换时离子交换树脂不发生乱层是保证逆流再生的关键。为此，对逆流再生有一定的严格要求，特别是压脂层树脂高度和再生流速。对流交换器其实和顺流交换器大致相同，最主要的不同之处在于其有压脂层，并且设有中间排水装置，中排装置在树脂层和压脂层之间，用于再生废液的排出。中排还是小反洗的进水和小正洗的出水管。1、逆流再生的优点：逆流再生交换器由于所进的再生液的方向与运行的方向相反，故其出水处的保护层树脂的再生率非常高，出水质量优良，其出水Na+含量实际一般都能低于100ug/l,一级除盐水的电导率能小于5us/cm。由于保护层的再生率高，故无需增加额外的再生剂用量，再生剂用量比顺流式的要少，再生废液的排放量也少，运行费用相对较低。对水质的适应性也较强，（顺流再生时，原水NaCl含量大于120mg/l时，出水已不合格，可是若采用逆流再生，原水的NaCl含量达200mg/l时，出水仍然合格）。目前逆流再生固定床分无顶压法、水顶压法、气顶压法、低流速法四种。现在采用无顶压的再生方式相对较多，水顶压和气顶压由于操作相对较繁琐和要求高，也越来越少。低流速法其实就是无中排装置的无顶压法再生方式，操作很难控制，采用的非常少。实际经验表明，只要中排管的开孔面积合适，大多数的水、气顶压法装置均可用无顶压法的操作方式替代。2、逆流再生的缺点：逆流再生交换器由于在再生时，必须保证树脂不能乱层，因此，对再生的流速和压脂层高度要求极严格，常常因为再生流速和压脂层高度没有控制好，而出现再生失败的情况。因此，对操作要求也相对比顺流严格很多。对树脂的高度和压脂层的要求，经验表明，压脂层的高度控制在30-50cm较为合适。或者说，压脂层的高度是以树脂再生时不动为基本原则的。一般的设计参数将高度定在20-25cm的数值，是不稳妥的参数，只能仅仅作为参考！压脂层就是在树脂层表面上多加30-50cm的树脂，其作用防止再生和置换时向上流动的再生液和水引起树脂的搅动，破坏正常层态分布，同时对进水起一定的过滤作用。有的资料介绍压脂层可以用密度低于树脂的白球（惰性树脂）充当，其实，这是不合理的。因为压脂层白球的密度是比树脂要稍小，它总在树脂层的上面，这样没法将运行中的破碎树脂反洗出去，甚至截留的悬浮物也没有用树脂作压脂层反洗的干净。3、对流再生的操作步骤树脂对流再生的操作步骤分为小反洗、再生、置换、小正洗、大正洗、运行、大反洗七步。其中，大反洗不是每周期都进行，而是当压差升高到一定值（超过0.15MPa），或连续运行1-2个月进行一次，除小反洗和小正洗外，各步骤的目的，与顺流再生一样。3.1、小反洗：就是将中排以上的压脂层进行反洗。由于床体运行一个周期所截留的悬浮物大部分都在压脂层中，因此，只要将它清洗干净而无需进行大反洗，就能起到降低压差的作用。另外，对树脂进行大反洗，彻底打乱了失效时的层态分布，将保护层中的树脂失效率大幅提高，所以大反洗后的再生剂用量是平常的1.5-2倍。3.2、小正洗：就是对压脂层进行清洗，由进水管进水，中排管出水。因为置换的时间有限（一般在60min以内），往往置换结束，树脂中还残存较多的再生液，包括压脂层中。为了使在随后的正洗时压脂层中的再生液不至于回流树脂中，进行的小正洗就起到了这种作用。一般10-15min就能将压脂层清洗干净，大大降低总的正洗时间。4、四种对流再生方法的工艺条件和特点再生方法主要工艺条件优点缺点无压法再生流速3-5m/h，置换流速3-5m/h，小正洗10-15m/h系统简单，操作方便，自用水耗低对压脂层和再生流速要求极严格水顶压法顶压水压0.05Mpa,顶压水流量为再生水流量的1-1.3倍不易乱层，再生成功率高自用水耗高，稳压要求高气顶压法再生流速4-5m/h，空气流量0.2-0.3m3/m2.min，置换相同。水耗低，再生成功率高易发生油污染，对供气设备的除油要求高低流速法再生流速＜2m/h设备简单，操作方便，自用水耗低再生时间太长，流速不易控制5、对流再生的操作步骤和工艺参数操作步骤目的项目阳床阴床注意事项小反洗松动压脂层，清除截留物水质本级进水本级进水每周期一次流速m/h10-155-10时间min15-2010-15终点出水澄清出水澄清再生恢复树脂的交换容量再生剂HClH2SO4NaOH用量g/mol50-55（分步再生，见后续的详细介绍）55-65浓度%3-42.5-3.5流速m/h3-430-40常温3-4时间min30-40温度℃20-30置换充分利用再生剂水质除盐水除盐水确保流速与再生时相同时间min3060流速m/h3-43-4终点酸度≤5mmol/l碱度≤10mmol/l小正洗清除压脂层内的废液水质本级进水本级进水流速15-2015-20时间10-1510-15终点PH基本呈中性基本呈中性正洗除去残留水质本级进水本级进水正洗终点指再生剂和洗脱下来的反离子时间min10-30约20-30标可由各用户自定流速m/h15-2515-25终点Na+≤300ug/l电导率＜10us/cmsio2＜100mg/l运行工作制水流速m/h15-2515-25失效终点标准，用户可自定终点Na+≥300ug/l电导率≥10us/cmsio2≥100mg/l大反洗较彻底清除截留物和碎树脂，松动树脂层水质本级进水本级进水或纯水10-20周期一次或压差超0.15MPa时间min20-3015-20流速m/h10-158-10终点出水澄清出水澄清四、单室浮动床单室浮动床就是运行时水流方向是自下而上，再生时，再生液自上而下的一种运行方式。与逆流再生的正好相反，是对流再生的另一种形式。单室浮动床工艺有树脂充满和不充满两种情况。充满的也就是所谓