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环保设备/水处理设备 |
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通过离子交换强化水质脱盐 |
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作者：Sc. Alexander Pororov 来源：荣格 |
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蒸汽发生器，涡轮机和锅炉都需要供应超纯水。俄国BMT公司的一项新研究表明，可以使用离子交换技术来达到该目的而无需抛光混床。Sc. Alexander Pororov、Natalia Kornilova和Konstantin Platonov博士在本文中对此进行了说明。
蒸汽发生器、涡轮机和锅炉都需要超纯水。
在各种不同的热工工作中，电阻率为3-18 MOhm*cm （在20°C时） 的超纯水作为设备补给水而被广泛用于工作在140atm压力下的各类蒸汽发生器，涡轮机和锅炉中。
通常，强化的水质脱盐技术首先需要初脱盐处理（例如，反渗透或者离子交换，而非电渗析或者蒸馏），处理后水质的最大电阻率为2 MOhm*cm。接下来，还有一个附加的强化脱盐级（离子交换），该步骤之后，我们得到电阻率为3-18 MOhm*cm的水。生产超纯水最常用的工艺之一如图1a和1b所示。
图1a.这种强化的水脱盐（20℃时的电阻率为3-18 MOhm*cm）工艺在初脱盐级应用一台氢型阳离子交换剂过滤器（其中包含强酸树脂H，脱碳酸器D）和一台氢氧型阴离子交换剂过滤器（含有强碱树脂）。随后在强化脱盐级应用一台氢型阳离子交换剂过滤器（含有强酸树脂H），一台氢氧型阴离子交换剂过滤器（含有强碱树脂），以及一台抛光混床（BMP）。
图1b.这种强化的水脱盐工艺（20℃时的电阻率为18 MOhm*cm）在初脱盐级应用反渗透膜（RO）、脱碳酸器（D），和一台氢氧型阴离子交换剂过滤器（含有强碱树脂）。随后在强化脱盐级应用一台氢型阳离子交换剂过滤器（含有强酸树脂H），一台氢氧型阴离子交换剂过滤器（含有强碱树脂），以及一台抛光混床（BMP）。
根据传统的离子交换技术，在经过初脱盐级之后，水被依次送入氢型阳离子交换剂过滤器、氢氧型阴离子交换剂过滤器和抛光混床。
但是，将水首先送入氢型阳离子交换剂过滤器存在着一些缺点。当水流经氢型阳离子交换剂过滤器时，水中的阳离子被氢离子置换，导致水的PH值显著下降。在低pH值的环境中，由HCO3- 和CO32- 阴离子产生额外的酸，导致游离碳酸的量增大。通常需要采用专门的设备如脱碳酸器来脱除游离酸，这就增大了建设和运行成本。如果在初脱盐之后，碳酸的含量为5 mg/l，则适合应用脱碳酸器。但是，如果酸含量小于2mg/l，则应用脱碳酸器无效，而且还会导致从空气中吸收碳酸。因此，为了生产高纯度水（电阻率为7 MOhm*cm），需要使水流过另外的抛光混床（MBP），这样也会导致建设和运营成本增大。
第二个缺点是当pH值小于2时，会发生矽酸缩聚反应，并且质子会加速这种反应，导致生成阻碍离子交换的聚硅酸。只有当pH值大于等于7.5时，才生成HSiO3-离子形式的硅酸化合物，进而被阴离子交换树脂吸附。
而当应用了附加的OH-H脱盐工艺之后，超纯脱盐水的生产就没有这些缺点了（如图2所示）。
图2.在附加的强化脱盐级应用一台氢氧型阴离子交换剂过滤器和一台氢型阳离子交换剂过滤器进行水脱盐
当水流过附加的强化脱盐级时，第一个优点便是使氢氧阴离子交换环境中的pH值增大。这促使弱碳酸和硅酸发生分解，转变成离子状态（碳酸分解成HCO3–和CO32-离子；硅酸分解成HSiO3- 离子），如此一来，它们就能够参与使用强碱阴离子交换剂的离子交换反应[2]。
ROH + H+ + HCO3- <-> RHCO3 + H2O(1)
ROH + H+ + HSiO3- <-> RHSiO3 + H2O(2)
当pH值在8.3到8.4之间时，几乎所有的碳酸都具有HCO3-碳酸氢根离子，但是当pH值超过12时，则只有CO32- 离子 [1]：
碳酸根形式的阴离子交换剂能够促进碳酸吸附，其对碳酸的吸附能力可达3毫摩尔CO2/每克干燥阴离子交换剂。发生下列反应：
R2CO3 2- + H2O + CO2 <-> 2RHCO3-(3)
上述反应中所形成的碳酸氢根阴离子交换剂能够参与强酸阴离子交换，并且其在析出之前的交换容量达到平衡吸附容量的90%。通过这种方式，能够彻底脱除几乎所有阴离子，包括二氧化硅和碳酸盐。
OH – H电离的第二个优点是在氢氧根阴离子电离级几乎能脱除全部残余强酸，这有利于阳离子析出，并且使残余水的硬度在流经氢型阳离子过滤器之后增大，反应公式如下。
HHf = FH*C*A2(4)
其中，HHf ——氢型阳离子交换剂滤出液的残余硬度；
FH ——交换常数；
C——再生完整性常数；
A——软化水中硫酸盐和氯化物的含量之和。
OH-H离子交换中残留的所有阴离子几乎全部被氢氧型强碱阴离子交换剂过滤器留存，接着，当水流经氢型强酸阳离子交换剂过滤器时，几乎所有阳离子都留存在其中。该技术只用到了强酸阳离子交换剂和强碱阴离子交换剂。
于是，通过引入附加的OH-H强化脱盐级，能够生成电阻率为18 mOhm*cm (20°C时)的超纯脱盐水，而无需采用混床树脂过滤器，显著减小了超纯水的生产成本。
但是，除了这些优点之外，还必须考虑到在布置OH-H脱盐级的同时，可能会对离子交换的工艺流程造成一定干扰。对含盐量、硬度以及碱度很高的水进行脱盐可能会导致碳酸盐、硅酸钙和氢氧化镁沉淀在阴离子交换柱内，使得pH值增大。沉淀物造成电阻增大，并沉积在阴离子交换剂过滤器内。为了确定对某种水是否能够应用OH-H脱盐工艺，需要用到碳酸盐指数 – CI。CI表示低温碳酸盐回淤强度。Carbonate Index是水的总碱度与钙硬度的乘积。碳酸盐指数增大形成了利于碳酸钙沉淀的条件，从而导致氢氧型阴离子交换剂过滤器中的树脂过滤层附着有沉淀物。碳酸盐指数减小不会引起沉淀，所有钙、镁化合物保持溶解状态。
图3显示了阴离子交换柱内的压降与碳酸盐指数之间的关系。在俄罗斯弗拉基米尔州的Sudogda取水口进行全部实验。水质分析如表1所示。
在实验过程中，将具有不同碳酸盐指数值的水按照下游压滤方式以30 m/小时的速度送入串联的两个交换柱内，它们分别是装有强碱树脂Purolite A400MBOH的氢氧型阴离子交换柱和装有强酸树脂C100EH的氢型阳离子交换柱。交换柱床塔高度约为1200mm。在实验过程中，持续监测交换柱内的压降及脱盐水质。输入交换柱内的具有不同碳酸盐指数值的水是通过混合自来水和蒸馏水的方式而得到的。
图3表明，当碳酸盐指数小于2 (mg当量/dm3)2的水流过布置在OH-H工艺序列中的离子交换柱时，未发现压降增大，这意味着硬性盐没有沉淀。但是，当供给水的碳酸盐指数超过2 (mg当量/dm3)2时，在阴离子交换剂过滤器中出现压降显著增大的现象。强化硬性盐，本质上是碳酸钙，它们结晶在阴离子交换树脂细粒上，观察发现树脂细粒之间形成晶粒。部分阴离子交换剂过滤器开始像颗粒机械过滤器一样工作。图3表明OH-H工艺能够用于对碳酸盐指数小于2 (mg当量/dm3)2的水进行强化脱盐。就工业规模而言，这样的工艺可应用于具有附加强化脱盐级的系统中，那时大部分阳离子和阴离子已经被留存在初脱盐级中（离子交换、反渗透、电渗析或者蒸馏）。当按照这种方式进行预处理时，水流过氢氧型阴离子交换剂过滤器，不存在形成不溶钙镁化合物的危险，并且过滤层上不会出现沉淀物。
为了证明该技术的有效性，在两个超纯水生产车间进行对比实验。两个车间都采用反渗透工艺进行初脱盐，但是第一个车间应用了OH-H离子交换强化脱盐级，而第二个车间则应用传统的H-OH强化脱盐工艺（但是没有像第一个车间那样使用脱碳酸器和抛光混床）。
在实验期间，反渗透脱盐水按照下游压滤方式以30 m/小时的速度被输入到串联的氢氧型阴离子交换柱和氢型阳离子交换柱内，或者串联的氢型阳离子和氢氧型阴离子交换柱内。该研究中使用了强酸树脂Purolite C100EH 和强碱树脂Purolite A400MBOH。交换柱床塔高度约为1200mm。在实验过程中，持续监测脱盐水的导电率。原水水质的基本特性如表1所示，水温为20℃。线性速度为30m/小时，初脱盐之后水的导电率为20microSm/cm。两个车间的对比研究结果如图4所示。
图4.应用OH-H电离（曲线1）和传统的H-OH电离（曲线2）技术时，各自的电阻率与脱盐水过滤时间之间的关系
图4表明，应用强化OH-H脱盐级可以生产电阻率为18 MOhm*cm (20°C)的水，而应用H-OH强化脱盐工艺的2号车间的产水电阻率最大为3 MOhm*cm (20°C)。此外，即使当1号车间生产电阻率为18 MOhm*cm (20°C)的水时，其离子交换树脂的工作寿命仍比2号车间长35-50%。
成功地在实验室内完成试验之后，建造了一套生产超纯水的中试装置，产水能力为1.5 m3/小时，它包括一套用于初脱盐的反渗透膜装置和一套用于强化脱盐的OH-H离子交换设备。该中试装置在Novgorod（俄罗斯）的一家热电厂中顺利通过了使用寿命测试，全部试验结果都得到了认证。使用寿命试验持续了75天， 2个再生周期。水在离子交换级进行预处理。由‘全俄热工程研究所’颁发了一张去离子水样本的试验记录单，它可以证明水符合国家标准要求CTO 70238424.27.100.013-2009（热电厂的水处理装置和给水的化学特性。工作条件、标准及要求）。
经过首个脱盐级和中试装置之后的水质，以及高压锅炉给水要求如表2所示。
结论
根据试验和中试装置使用寿命测试结果，能够得到以下结论：
* 应用OH-H电离技术而非传统的H-OH-MBP工艺能够生产电阻率为18 MOhm*cm (在 20°C时)的脱盐水。
* 当使用以OH-H电离工艺为核心的附加脱盐级之后，生产1m3 超纯水所需要的基本建设费用减少了1.7-2.3倍。
* 当使用以OH-H电离工艺为核心的附加脱盐级之后，生产1m3 超纯水的工作成本减少了将近3倍。
* 不采用MBP的超纯水生产离子交换技术能被广泛用于高压锅炉给水和冷凝回水后处理。
该技术获得了专利——RF专利水的强化脱盐方法。(end)
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(9/11/2012) |
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