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    • 超純水離子交換除鹽水處理器的失效控制（一）

    • 來(lái)源：何將軍 ​(中國生物技術(shù)集團公司成都生物制品研究所，成都 610000） 發(fā)布日期：2014-09-10 14:21:01 瀏覽次數：1812




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            摘要：介紹以一級復床除鹽系統為基礎的常用固定床離子交換除鹽水處理器的失效檢測和控制方法，并提出改進(jìn)措施。

            關(guān)鍵詞：離子交換 水質(zhì) 吸附 失效 泄漏 控制


      　　離子交換除鹽水處理最簡(jiǎn)單的流程為 陽(yáng)床-陰床 組成的一級復床除鹽系統。有的一級復床除鹽系統采用單元制，即每套一級復床除鹽系統包括 陽(yáng)床、（除碳器）、陰床各一臺，在離子交換除鹽運行過(guò)程中，無(wú)論是陽(yáng)床還是陰床先失效，都是同時(shí)再生；還有的一級復床除鹽系統采用母管制，即陽(yáng)床與陽(yáng)床或陰床與陰床是并聯(lián)運行的，哪一臺交換器失效就再生哪一臺。
      1 檢測和控制原理
      　　強酸性陽(yáng)樹(shù)脂對水中各種陽(yáng)離子的吸附順序為：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ；由此可知，水中金屬離子Na+被吸附的能力最弱，所以當離子交換時(shí)樹(shù)脂層的各種離子吸附層逐漸下移，H+.最后被其他陽(yáng)離子置換下來(lái)，當保護層穿透時(shí)，首先泄漏的是最下層的Na+；因此監督陽(yáng)離子交換器失效是以漏鈉為標準的；其反應方程為（A代表金屬陽(yáng)離子,R為樹(shù)脂基團）：
      An+ +nRH=RnA+n H+
      　HCO3- + H+ =H2O+CO2↑
      　　強堿性陰樹(shù)脂對水中各種陰離子的吸附順序為：SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以當離子交換時(shí)樹(shù)脂層的各種離子吸附層逐漸下移，OH-.被其他陰離子置換下來(lái)，當保護層穿透時(shí)，首先泄漏的是最下層的HSiO3-；因此監督陰離子交換器失效是以漏硅為標準的；其反應方程為（B代表酸根陰離子，R為樹(shù)脂基團）：
      Bm- +mROH=RmB+mOH-
      2 控制點(diǎn)和控制方法
      　　由于母管制系統包含了單元制系統,而且它具有能充分使用樹(shù)脂、提高交換器的出水能力、降低酸堿消耗等優(yōu)點(diǎn)，我們在研究中主要討論以這種結構為基礎的離子交換除鹽水處理系統。
      　　以成都生物制品研究所蛋白分離車(chē)間純水站為例，該系統為母管制水處理系統，系統的結構為：砂濾—活性炭過(guò)濾—粗濾—陽(yáng)床— 一陰—二陰—混床—精濾—純水罐，系統產(chǎn)水能力為5 t/h，在系統的失效控制研究中，我們提出單元失效控制概念，也就是充分利用了母管制制水系統的優(yōu)點(diǎn)對系統進(jìn)行失效控制。
      　　以下是該車(chē)間第一套水處理器的 一陰(即1.1陰) 在一個(gè)運行周期中的部分數據：
      表1 一陰運行周期中的部分數據
      供水離子柱
      電導率(μS/cm)
       
      供水離子柱
      電導率(μS/cm)
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      4.99
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.00
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      4.47
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.05
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.59
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.09
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.30
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      2.57
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.27
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      2.22
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.26
      1.1陽(yáng)-1.1陰(2.1陽(yáng)-1.1陰)
      4.93(4.05)
      1.1陽(yáng)失效 ( 用2.1陽(yáng))
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.15
      2.1陽(yáng)-1.1陰
      3.52
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      2.89
      2.1陽(yáng)-1.1陰
      3.44
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.80
      2.1陽(yáng)-1.1陰
      2.28
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.82
      2.1陽(yáng)-1.1陰
      2.16
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.68
      2.1陽(yáng)-1.1陰
      2.03
      1.1陽(yáng)-1.1陰
      3.13
      2.1陽(yáng)-1.1陰
      5.12
      1.1陰失效
      　　以上數據均為車(chē)間實(shí)際運行記錄數據，1.1陰出水供給1.2陰后出水電導率保證在3μS/cm以下,結合末級混床,最終出水水質(zhì)一直保持在0.1μS/cm - 0.5μS/cm。根據以上數據和該車(chē)間純化水檢測報告，我們進(jìn)行標準化處理（25度，不間斷運行）后，繪制了三種情況下的水質(zhì)曲線(xiàn)圖（分別如下）：

                        

      　　　　
      圖1 陽(yáng)床出水水質(zhì)　 　　　　　　　　　　　　　　圖2 陽(yáng)床出水水質(zhì)
      　　從圖2、圖3可見(jiàn)：（1）RO對各有機溶質(zhì)的去除率大于NF膜。（2）不同有機溶質(zhì)的去除率不相同，有的甚至相差很大（例如，RO和NF膜對乙酸的吸光度去除率分別為95.34%、81.45%，而對苯胺的吸光度去除率則分別為61.50%、46.82%）。
      3 出水水質(zhì)
      　　原水經(jīng)一級復床除鹽后，電導率（25℃）低于10μS/cm，水中硅含量低于100μg/L。
      3.1 陽(yáng)床出水水質(zhì)
      　　圖1中b 點(diǎn)以前三條曲線(xiàn)都迅速下降，表明離子交換器中樹(shù)脂再生后，正洗時(shí)出水中各種雜質(zhì)的含量（酸度、鈉離子濃度和硬度）都迅速下降，當出水水質(zhì)達到一定的標準（如b點(diǎn)）時(shí)就可以投入運行。所以，在ba段運行期間，陽(yáng)床出水呈酸性，而且基本呈緩慢變化趨勢。運行至a點(diǎn)時(shí)，陽(yáng)床開(kāi)始有陽(yáng)離子穿透，根據離子交換活性知道，最先泄漏出的是鈉離子；在除鹽系統中，為了除去水中H+ 以外的所有陽(yáng)離子，強酸性離子交換器必須在有鈉泄漏時(shí)停止運行(一般此時(shí)出水的酸度接近中性)，并進(jìn)行再生，如圖1的a點(diǎn)位置，此點(diǎn)為鈉離子穿透點(diǎn)。
      3.2 陰床出水水質(zhì)
      　　由于離子交換除鹽系統中陰床始終是陽(yáng)床的后級，所以陰離子交換器的水質(zhì)變化分兩種情況：
      　?、?陽(yáng)床正常運行時(shí),陰床先失效時(shí)的陰床出水水質(zhì)
      陰床出水水質(zhì)見(jiàn)圖2，b 點(diǎn)以前幾條曲線(xiàn)迅速下降，表明再生后正洗時(shí)，水中雜質(zhì)迅速下降直至達到運行的出水水質(zhì)標準，ba區間為穩定交換運行期，出水水質(zhì)的pH值為7-9，電導率<5μS/cm,含硅量（以SiO2 計）為20-50μg/L。運行至a點(diǎn)后，陰床開(kāi)始失效，但陽(yáng)床仍在正常運行。此時(shí)，陰床由于酸泄漏，故PH值下降；與此同時(shí)，陰床出水中的硅含量和電導率增加。
      　?、?陽(yáng)床先失效時(shí), 陰床出水水質(zhì)
      　　如圖3復床系統運行到a點(diǎn)，陽(yáng)床開(kāi)始失效，但陰床仍在正常運行。此時(shí)陽(yáng)床漏出的Na+ 流經(jīng)陰床，在陰床的出水中含有NaOH,使陰床出水PH值升高，并對強堿性陰樹(shù)脂對HSiO3- 的吸附產(chǎn)生干擾作用，使出水的含硅量增加，其反應為：
      RHSiO3+NaOH=ROH+NaHSiO3 
      圖3：陽(yáng)床先失效時(shí)陰床出水水質(zhì)
      4 結論和改進(jìn)方法
      　　(1)當陽(yáng)床接近失效時(shí)，水中Na+的含量逐漸增加，從而影響陰離子交換器，在對純化水水質(zhì)要求不是很高時(shí)（如醫藥行業(yè)等），可以通過(guò)控制陽(yáng)床出水的酸度（母管制）和陰床的出水電導率（一級復床）來(lái)控制陽(yáng)床的失效。由于陽(yáng)床產(chǎn)水中溶解有CO2 ，未經(jīng)過(guò)排除進(jìn)入陰床，在陰床中與OH-反應，影響陰床處理能力，因此，可以在陽(yáng)床和陰床之間加裝除碳器。
      　　(2) 由于HCO3-一般在陽(yáng)床中已經(jīng)去除，加之電導率對OH-較敏感，因此在對于對將硅作為非檢測項目的行業(yè)（如醫藥行業(yè)等），可以通過(guò)檢測陰床的出水電導來(lái)控制陰床的失效。
      　　(3) 離子交換的硅泄漏是世界性的難題，實(shí)踐證明：采用 雙陰床+混床 的離子交換系統對于控制硅泄漏十分有效。

            參考文獻
            [1] 《中國生物制品規程》2000版
            [2] 中華人民共和國國家標準，GB/T11446.1-1997，《電子級水規格和實(shí)驗方法》
            [3] 聞瑞梅，王在忠編著(zhù)，《高純水的制備及檢驗技術(shù)》，科學(xué)出版社，1999年，北京
            [4] 周本省，《工業(yè)水處理技術(shù)》，化學(xué)工業(yè)出版社

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