软水器交换效能及水处理方法的研究

二、软水器发展和研究现状
全自动软水器是一种运行和再生操作过程全自动控制的 离子交换软水器，利用钠型阳离子交换树脂去除水中钙镁离 子，降低原水硬度，以达到软化硬水的目的，从而避免碳酸 盐在管道、容器、锅炉产生结垢现象 [5]，大大节省投资成本 的同时又能保证生产顺利进行。目前已被广泛应用于各种蒸 汽锅炉、热水锅炉、热交换器、蒸汽冷凝器、空调、直燃机 等设备及系统的循环补给水中。 此外还用作生活水处理， 食品、 电镀、医药、化工、印染、纺织、电子等工业水处理以及用 作脱盐系统的前置处理。经过单级或多级软水器处理后的水 硬度可大幅度降低 [6]。
收稿日期：2016-08-15 作者简介：ห้องสมุดไป่ตู้颖博（1987-），男，广东汕头人，硕士研究生。研究方向：化学工程。
ＣＨＩＮＥＳＥ ＆ ＦＯＲＥＩＧＮ ＥＮＴＲＥＰＲＥＮＥＵＲＳ
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Technology and Management 【科技与管理】
10 中 2016 年 第 29 期（总第 547 期）
【科技与管理】 Technology and Management
10 中 2016 年 第 29 期（总第 547 期）
软水器交换效能及水处理方法的研究
许颖博
（佛山金万达科技股份有限公司，广东 佛山 528000） 摘 要：水是一种很好的溶剂，能有效去除污物杂质。纯水被称作是“通用溶剂”。当水流过土地和岩石时，它 会溶解少量的矿物质成分，钙和镁就是其中最常见的两种成分，也就是它们使水质变硬。水中含钙、镁等矿物质成分 越多，水的硬度越大。这种水在家庭中使用时，不能使肥皂产生泡沫，还会在所洗涤的衣物上沉淀一层水垢，在烧开 水时会在壶底和热水瓶底部渐渐地结上一层坚硬的白色水垢。如果这种硬水使用在锅炉或蒸汽机车上，会在锅炉底部 和管道壁上形成一层硫酸钙或二氧化硅的“硬垢”，或一层碳酸钙的软垢，从而使管壁过热变形，导致锅炉和管道发 生爆炸的危险。人们逐渐意识到软化水的必要性，软水材料经过多年的发展和改进，目前常用的是离子交换树脂。当 含有硬度的原水通过交换器的树脂层时，水中的钙、镁离子被树脂吸附，同时释放出钠离子，这样交换器内流出的水 就是去掉了硬度离子的软化水。 现有的树脂软水设备或多或少都遇到了交换效能偏低的问题， 其影响因素有树脂用量、 交换路径、树脂填充度、水流速度、原水中硬度的高低等。笔者针对其中几个主要影响因素进行研究，并探索提高离 子交换树脂软化水效能的对策。 关键词：硬度；软化水；离子交换；树脂；交换效能 中图分类号：TK22 文献标志码：A 文章编号：1000-8772（2016）29-0102-03
在过滤层的孔隙中。过滤时，滤料层的作用主要不是筛除而 是吸附。因此，对滤料层的选择至关重要，尤其是滤料的大 小和均匀度要合适。颗粒太大易使悬浮物顺利通过，达不到 过滤目的；颗粒太小会使阻力增大，过滤缓慢；不均匀则会 使微小颗粒在逆流后聚集在过滤层表面，影响过滤效果。常 用的滤料有烟煤、石英砂、木炭等。 3. 凝聚法 固体颗粒粒径小于 0.1mm，或含有带电荷的粘土颗粒和 微生物，它们能够稳定地存在于水中，加上这些粒子本身的 热运动性等，沉淀对它们不起作用。对于这类杂质，只有用 投加混凝剂的方法，通过改变原有颗粒的大小、形状和密度， 使原来细小的颗粒凝结成较大的颗粒，再通过沉淀来去除， 这种方法叫做凝聚法。凝聚法不但可以除去水中的悬浮物， 还可以清除胶体物。 （三）离子交换树脂 早在 1848 年，英国的 Thornpson 博士就开始关注铵离子 与土壤中钙离子的交换现象。1870 年，Lemberg 的实验证明 离子交换过程的可逆性和当量关系 [14]。利用离子交换技术软 化水始于二十世纪初期，德国化学家 Gens 应用天然和合成的 沸石软化水及处理蔗糖浆以除去钙离子 [15]。这种方法至今仍 为人们所应用。 人们在应用沸石的过程中认识到它有很多缺点，要求使 用其他新材料来代替它，二十世纪三十年代出现了由煤经磺 化而成的磺化煤，目前仍在生产中使用，主要用于水的软化。 离子交换树脂在 1935 年首先由英国人 Adams 和 Holmasn 合成，是以酚醛树脂为骨架的树脂。随后，于 1945 年开始出 现交联聚苯乙烯型的离子交换剂。这些离子交换树脂具有稳 定性好和交换容量大的特点，因而得到广泛的应用 [16]。这类 产品的品种繁多，性能也更加齐全。 目前，离子交换已成为化工过程中的一个环节，作为分 离的手段，其重要性与过滤、蒸馏、萃取、吸附等并列。无 论从废水中回收金属，或者分离稀土元素，从有机反应的催 化作用到核反应堆冷却水的去污染，从实验室的分析和制备 到研究工作中的各种应用等，离子交换都具有特殊意义 [17]。 但是，离子交换最广泛的应用还是处理水。
一、绪论
水是工业的血液，锅炉是工业的心脏，锅炉水处理则是 为“心脏”提供合格血液、保证锅炉安全经济运行的必不可 少的手段 [1]。水处理一旦发生失误，就可能造成不可挽回的 安全事故，不但会造成巨大经济损失，更可能引起伤亡事故。 锅炉又是耗能大户，工业发达国家的锅炉用燃料量一般占第 一位，远高于其他产业，水处理不当就会造成燃料的浪费 [2]。 因此，各工业国对锅炉水处理技术的研究与开发十分重视， 投入了大量的人力、物力和财力。世界水处理中以锅炉水处 理消费额最大 [3]。我国是世界上拥有锅炉台数最多的国家之 一，因此，我国锅炉水处理的任务十分艰巨和重要。 在日常生活中，水更是必不可少的物质。人类的生存与 水密不可分、息息相关。但由于世界上很多地区的生活用水 的钙、镁离子含量，即水的硬度很高，给当地居民的生活造 成了诸多不便，例如用硬度较高的水配合洗发剂洗头容易结 垢等，而长期饮用硬度较高的水会造成器官结石，对人民的 健康造成了危害 [4]。因此，无论在工业还是生活中，都有必 要对水进行一定程度的软化， 降低其带来的诸多不便及危害。
（一）软水设备发展现状概况 在批量生产之初，软水设备的外形、构造、功能等都相 对简单，使用的效果也不尽如人意，尤其是离子再生、交换 效能这两个关键的指标差强人意 [7]。人们迫切需要更加高效的 软水设备，巨大的市场需求促使科研人员和商家不断改进原有 的软水设备。同时，新产品的研发也在进行中。现有的软水设 备的种类十分丰富，技术上也有了很大的提高，如有的公司生 产的软水设备是在软化水前加入前增加除碱系统，即在钠离子 交换器前端增加一套氢型阳离子交换系统。又如，还有一些公 司为了提高软水设备的交换能效，采取了增大水与树脂接触时 间、面积的方法，原理与加长液相色谱类似，这样可以使得软 水的效果、利用率得到显著的提高。而随着软水设备的不断发 展，市场上还出现了一些软水设备可以自动实现树脂等软水核 心元件的再生，无需人工操作，这样大大节省了人力与物力 [8]。 这是未来软水设备的发展趋势和目标，软水器的使用会朝着更 加简便、实用、智能化的方向不断发展和创新 [9]。 （二）水的净化 来自各种水源的水中，都会含有一定浓度的杂质。特别 是地表水，由于受天气及地理环境和人为因素等影响，水质 则更差。 为了达到国家规定的水质标准，锅炉用水在使用前必须 进行净化处理 [12]。净化处理主要是处理水中的悬浮物和胶体 物质。净化处理的方法主要有沉淀澄清、过滤和凝聚三种 [13]。 根据原水所含杂质的多少和用水设备对水质的要求，几种净 化方法可以单独使用，也可以组合使用。 1. 沉淀法 悬浮物依靠重力而从水中分离出来的过程叫做沉淀。沉 淀的速度与悬浮物颗粒的直径、密度及水温有关。颗粒大、 密度大、水温高，悬浮物沉淀就快。这种方法可使混浊的水 得到初步澄清。 2. 过滤法 过滤是让水通过有孔隙的滤料层，使水中的悬浮物阻滞