纯水应用中五种脱气装置的比较

纯水应用中五种脱气装置的比较

摘要：在纯水制造过程中，以前常常使用鼓风脱气和真空脱气装置，近年来，膜脱气工艺发展非常迅猛，在高纯水领域已经开始有了广泛应用，同时也有不少纯水工艺采用了树脂催化法除氧。本文分别对五种不同的脱气装置作了介绍和对比。

关键词：脱气器；脱气塔；纯水；溶解氧；树脂

中图分类号：TN305 文献标识码：A

1 引言

在当今信息化时代，微电子的产品周期每两年翻一番，对高纯水的要求也变得越来越高(见表1)，从而促进了纯水处理技术的一次又一次的变革，水处理工艺越来越先进，脱气装置也不例外。

自然界中的水除了含有盐分、胶体、颗粒、微生物外，还溶解有很多气体，比如氧气，二氧化碳、氮气、甲烷等，由于一般水厂采用氯气消毒，从而产生氯仿、三卤甲烷(THM)等卤代烃。有些气体的存在对集成电路的生产有着严重的影响，有些气体影响着其他后续设备的运行周期和产品水质。从而，形形色色的脱气工艺产生了。

在锅炉、电厂等行业,溶解氧的存在是造成热力设备(如汽轮机等)腐蚀的主要原因,导致锅炉在运行或停用期间的氧腐蚀，所以国家对锅炉的补给水溶解氧也作出了相应规定，比如：锅炉额定蒸发量大于6m3／h的锅炉均要除氧,额定蒸发量小于6m3／h的锅炉应尽量除氧，而且16MPa以下的锅炉给水溶解氧含量必须小于lOOppb，1．6-2．5MPa的锅炉和供汽轮机用汽的锅炉给水含氧量必须小于50ppb，而一般高压锅炉的溶解氧含量需要小于7ppb。由此可以看出，锅炉电力行业中，溶解氧含量已接近微电子行业的要求，脱气也成了其补给水处理的一项重要工艺。

2 技术背景

2．1 道尔顿分压定律

混合气体中气体的总压力和每种气体的分压遵循道尔顿分压定律，其具体含义是，气体的总压P总等于组成该混合气体的分压的总和，混合气体中各种组份的分压又与其所占的摩尔分数成正比，所以道尔顿分压定律可以用以下两个方程式来表示：

其中ni为对应气体的摩尔分数

根据该定律，我们可以在混合气体的组份含量(摩尔分数，见表2)与组分分压之间方便地进行互算。

2．2 亨利定律

亨利定律定义了水中气体的溶解度与溶液表面该气体的分压成正比。其表达式为：

其中E为亨利系数，见表4

NA为溶液中气体的摩尔分数

P为溶液上方该气体的分压

根据该定律和表4中的数据，只要知道溶液上方气体的分压，就能计算出水中溶解的气体的含量。

根据该定律，我们也可以按照气体的分压和表3计算出该气体的溶解度。比如从表2可知，空气中的氧气含量或分压为20．99％，则在25℃时空气中1升水中的氧气溶解量为V=0．02831×20．99％=0．00594升。再根据下面的克拉帕龙方程式计算出该1升水中的氧气含量为8．5毫克，即8．5ppm：

式中：P为气体压力[Pa，这里为一个大气压,等于101325Pa]

V为气体的体积[m3]

m为气体的质量[g]

M为气体的摩尔质量[g／mol，氧气为32g／m01]

R为气体常数[8.314J／(K·mol)]

T为开氏温度[K]

2．3 催化原理

化学反应能否进行要根据自由能的变化，但仅仅根据自由能的变化还不能判断反应能否完成，因为化学反应的完成还取决于反应的能垒，即如果反应能垒很高，则必须为其提供一定的能量，越过能垒，完成反应。该能垒被称为活化能。而催化剂的作用就是降低该活化能，使之在相对不苛刻的环境下发生化学反应。

比如氢气和氧气的化学反应:

水中溶解氧的标准电极电位

由此计算出的自由能变化

ΔG=-nFε=-2×96500×1．229=-237kJ

式中F为法拉第常数96500C

n为参与反应的电子数，本式中等于2

由于ΔG＜0，而且很大，所以反应应能非常快地自动进行，但是在常温下反应却始终不可能完成，必须有火花等将之引燃，反应所产生的能量才能将反应继续下去。某种涂钯的树脂能起到催化剂作用，使氢气和氧气在常温下就能够化合生成水。据此原理，通过向溶解有氧气的水中通人适量氢气，在与催化剂的充分接触后，化合生成水，从而起到除氧的目的。3 四种常见的脱气装置

按照脱氧器工艺，我们可以分为大气式、真空式、膜分离式、棚旨催化方式；热力式五大类，大气式又可以分为鼓风式、抽风式、鼓泡式。在以往的工艺过程中，最常用的脱气方式是鼓风式和真空式。

3．1 鼓风脱气

由于二氧化碳在空气中含量只占0．03％，我们可以由方程式(4)算出，常压下二氧化碳在水中的饱和含量在0．5ppm 左右。

二氧化碳在水中主要以C02、HC0-3、C02-3三种形态存在，而一般水中都具有一定的碱度，所以还存在许多由HC0-3、C02-3形式而存在的二氧化碳，三者在水中形成平衡:

当pH值小于4．3时，二氧化碳全部转化为分子状态存在，从而可以从水中逸出。同时我们鼓人新鲜的空气，使二氧化碳转入空气中，从而起到除二氧化碳的目的。

由于该类脱气塔工作时的pH值要求小于4．3，所以一般它与复床联合使用，工艺位置一般处于阳床后面，因为阳床出口水的pH值正好能满足其pH要求，避免了加酸。

在进水的最大碳酸盐硬度不超过7．5mgN／1的系统中，为保证脱气塔的正常工作，首先在塔体内采用瓷环或空心球为填料，将水分散成水滴或水膜，填料高度根据需要为1．6-4．0米；同时将脱气塔淋洗密度控制在60m3／m2·h左右，气水比值控制在20-30m3／m3水，因为过高的淋洗密度不容易使水分散，过低的气水比不能将二氧化碳等带出塔外。正确设计的脱气装置可以使脱气塔出口水二氧化碳浓度控制在5-10ppm。

鼓风脱气虽然能除去水中的二氧化碳，但同时将水中的氧气、氮气含量提到了最高，它的脱气机理决定了它对其它气体无脱除功能，虽然在鼓风机人口都安装了0．3μm高效空气过滤器以净化空气，然而，空气中的颗粒等物质还将被带入水中，在某种程度上将增加对水的污染。

3．2 真空脱气

从上述的两个定律不难看出，在理想状态下，即当溶液表面的气体分压等于零，并且水的表面积足够大，水膜厚度达到分子厚度并能与真空直接接触时，水中的气体将全要逸出，浓度降低到零。图2是一个典型真空脱气装置的工艺图，图中采用了两级联合真空，脱气塔底部是一个与脱气塔连成一体的缓冲水箱。