阴床混入阳树脂对出水水质的影响和解决方案

逆流再生阴离子交换器混入阳性树脂时对出水水质的影响和解决方案

摘要：本文从理论结合实际的角度出发，从热力学和动力学方面研究探讨逆流再生离子交换器阳离子交换器正常制水出水水质规律，从而对逆流再生双室双层浮动阴离子交换器混入阳性树脂时对出水水质的影响进行分析，阐明了对水质影响的现象和机理，并提出解决方案。本文对水处理存在此类问题的装置的具有一定的指导意义。

关键词；固定离子交换器、离子交换热力学、离子交换动力学

1、原始状况：U期工业水水处理采用双室双层浮动床工艺，是当今世界上比较先进的一种水处理工艺，该系统于1997年7月份投入运行，在设计原水（工业水）水质下，系统的各项指标均达到和超过设计值，其出水电导率为0.3 —0.6us/cm、出水的钠离子为30—60ug/l、二氧化硅为30—50ug/l。

2 、现在状况：二期水处理双室双层浮动床制水时，首先要进行“循环”清洗，等到电导率清洗到8.0us/cm时，才能投运制水。自2001年5月后，U期循环清洗时间逐渐延长，到2001年底循环时间延长到平均2.5小时左右，最长时循环时间为4小时。而且出水水质明显变差，其出水电导率为3.0 —8.0us/cm、出水的钠离子为300-600ug/l、二氧化硅为30—50ug/l。

3、分析原因：下图为U期一级除盐系统的简单工艺流程图:

因为K ；a

. =2.0,所以上式可以化简为：y *

*

2 x

*

1 x

经过分析造成阴床正洗时间延长，出水的钠离子高、电导率高的原因是由于阳床上室 树脂设计时选型不对，强度低，造成树脂破碎严重，再由于阳床的树脂捕捉器形同虚设不 起作用，因此阳树脂的碎小碎片就进入了阴床。当阳床的碎小树脂和树脂被氧化降解含有 交换基团的碎片随水流进入阴床后，阴床的出水水质将变差，正洗时间将延长。现将造成

这种现象的原因和机理讨论如下。要明白造成这种现象的原因和机理，首先要明白阳床阳 离子交换树脂的热力学和动力学特性。

(一)、阳床阳离子交换树脂正常运行的热力学平衡曲线：

我们以H 型强酸性阳树脂和3.0mol/m 3的NaCI 水溶液进行交换来说明问题，根据反 应式：RH + Na + —RNa + H +得出离子选择系数公式如下:

才a+ = [RNa]"H+]

[RH]x[Na+]

将选择系数表达式中的各种浓度转变为摩尔分率，则令树脂相中的各种离子的摩尔分 率表达为:

那么溶液中Na ■和H 两种离子的摩尔分率表达式为:

(1)

X Na

[RNa]

[RNa] [RH]

[RH] [RNa] [RH ]

(2

Na

[Na ]

[Na ] [H ]

[H ] [Na ] [H ]

(3)

令[RH+[ RNa=q °(mol/m 3),[ N 旬+[ H]=C °(mol/m 3)，y *=[RN*

([RH+[ RNa )，那么[RH/ ([RH+[ RNa )= 1-y *，x *=[ Nea]/([ N6]+[ H +])，那么[H +]/([ N6]+[ H]) = 1-x *，这样将

(1) 式可以简化为:

* * 亠 1

x_

* *

1-y x

知道平衡曲线方程，如果我们要求阳床的出水水质的钠离子小于

100ug/l （4.348 X

10-6mol/l ）,那么我们可以知道树脂必须达到的最低再生度。例如阳床运行时出口酸度 SD=3.0mmol/l ，(即[H +]=3.0 X 10-3mol/l )，那么要保证阳床出水的

N6浓度W 100ug/l

（即＜ 4.348 X 10-6mol/l ），可以确定树脂的再生程度。因为:

亠 _6

[Na ] 4.348 106 [Na ] [H ] 3.0 10_3 4.348 10_6

所以将上述结果代入（4）式（式中K H +N3+=2.0 ）可以得出：y * = 0.003，即当阳床出水

SD=3.0mmol/l 时，只要保证阳床底部保护层的树脂其中

RNa 型树脂小于0.3%,就能保证

阳床出水Na ■浓度小于100ug/l

阳床的RH 型树脂随着时间的推移逐渐减少时，当阳床底部保护层的树脂其中 RNa 型

树脂大于0.3%时，此时阳床的出水钠离子浓度将大于

100ug/l （正常制水我们规定钠离子

浓度将大于100ug/l 为阳床的运行终点），而且阳床出水的钠离子浓度将随时间逐渐增 大。那么其增大的规律如何?

-0.0015

* 1 —X

[H ] [Na ] [H ]

3

3.0 10-

3

3.0 10-

4.348 10

-6

二 0.9985

根据上面的（4）式我们可以得知RH + Na +反应的平衡曲线：

（二）、阳床阳离子交换树脂失效时的穿透曲线：

1、饱和区、工作区和未用区：

固定床离子交换器是在圆筒内填装离子交换树脂的交换柱。在工作时固相离子交换树脂时固定不动的，因此其操作过程是较复杂的非稳态传质过程。其交换传质过程大致可以分为三个不同的时期。

（1）、在离子交换树脂的顶部形成传质区（工作区）的时期

含有钠离子浓度为c o的工业水，自上而下连续不断的流经高度为H的离子交换树脂

时。开始树脂中不含钠离子，床层最上端的交换速度很快。由于交换速度并非无穷大，并非瞬间接触即可达到平衡，在顶端入口处树脂形成一个钠型浓度由大到小的变化区域，相应的在该区的水相中钠离子浓度也有一个由大到小的分布。当H足够高时，出口将不含钠

离子。

在交换器的工业水入口处离子间换树脂未饱和之前，由于该区中RH型树脂还有一定

的数量，这样随着工业水的不断流入，该区的任意一点的RH型树脂将不断减少，RNa型

树脂将不断增大，直到入口处的树脂中RNa型树脂达到饱和时，此时树脂层中形成一个从入口处向下RNa型浓度由饱和到零的分布区域，我们称这一区域为传质交换区。传质交换区所占整个交换树脂层的高度为传质区高度。从此时开始，随着工业水的不断加入，传质区将不断下移，其高度基本上维持不变。很明显在传质区形成期间，如果离子交换树脂的高度足够，床内的离子交换树脂可以分为两个区域，传质区和未用区，通过讨论我们可以

知道，离子交换传质只发生在传质区内。

（2）、传质区在床内的移动时期

传质区形成之后，随着工业水的不断加入，传质区将不断下移，这样离子交换树脂的最上端将形成饱和区，此时整个交换树脂层可以分为饱和区、传质区和未用区。传质区的移动速度要比工业水流过床层的线速度小得多。在传质区的移动期间离子交换传质只发在