水手册-离子交换和水脱矿|苏伊士

历史
离子交换树脂的分类
沸石钠软化
热沸石软化
去矿化作用
脱碱作用
逆流和混合床去离子
其他脱矿过程
冷凝液抛光
常见离子交换系统问题
树脂结垢和降解
树脂测试与分析

所有天然水都含有不同浓度的溶解盐，这些盐在水中解离形成带电离子。带正电的离子称为阳离子;带负电荷的离子称为阴离子。离子杂质会严重影响锅炉或工艺系统的可靠性和运行效率。由这些杂质形成的水垢或沉积物积聚引起的过热可能导致灾难性的管失效、昂贵的生产损失和计划外停机。硬度离子，如钙和镁，必须从供水中去除，才能用作锅炉给水。对于高压锅炉给水系统和许多工艺系统，需要几乎完全去除所有离子，包括二氧化碳和二氧化硅。离子交换系统用于有效地去除水中的溶解离子。

离子交换器将一个离子交换成另一个离子，暂时保持，然后释放到再生溶液中。在离子交换系统中，供水中不需要的离子被更可接受的离子取代。例如，在钠沸石软化剂中，形成结垢的钙和镁离子被钠离子取代。

历史

1905年，德国化学家甘斯在第一个离子交换软水器中使用了被称为沸石的合成铝硅酸盐材料。虽然铝硅酸盐材料今天很少使用，但术语“沸石软化剂”通常用于描述任何阳离子交换过程。

合成的沸石交换材料很快就被一种叫做Greensand的天然材料所取代。绿胶的交换容量比合成材料低，但其更大的物理稳定性使其更适合工业应用。容量定义为单位树脂从溶液中去除的可交换离子的数量。它通常以每立方英尺千粒为单位表示为碳酸钙。

图8 - 1。磺化苯乙烯-二乙烯基苯强酸阳离子交换剂的细胞树脂珠(20-50目)的显微观察。(罗门哈斯公司提供)

磺化煤阳离子交换介质的开发，称为碳质沸石，将离子交换的应用扩展到氢循环操作，允许降低碱度和硬度。不久，阴离子交换树脂(多胺和甲醛的缩合产物)被开发出来。新的阴离子树脂与氢循环阳离子树脂一起使用，试图脱盐(从水中去除所有溶解的盐)。然而，早期的阴离子交换剂是不稳定的，不能去除弱离子化的酸，如硅和碳酸。

20世纪40年代中期，在苯乙烯与二乙烯基苯交联共聚的基础上研制出了离子交换树脂。这些树脂非常稳定，比它们的前身具有更大的交换能力。聚苯乙烯-二乙烯基阴离子交换剂可以去除所有阴离子，包括硅酸和碳酸。这一创新使水的完全脱矿成为可能。

聚苯乙烯-二乙烯基苯树脂仍然用于大多数离子交换应用。虽然树脂的基本成分是相同的，但树脂已经在许多方面进行了改性，以满足特定应用的要求，并提供更长的树脂寿命。最显著的变化之一是大网状或大孔树脂结构的发展。

标准胶状树脂，如图8-1所示，具有透膜结构。这种结构满足大多数应用的化学和物理要求。然而，在某些应用中，树脂结构所要求的物理强度和耐化学性超出了典型凝胶结构的能力。大网状树脂的特点是在高度交联的聚苯乙烯-二乙烯基苯基质中有离散的孔隙。这些树脂具有比凝胶更高的物理强度，以及对热降解和氧化剂的更大的抵抗力。大网状阴离子树脂(图8-2)由于其更多孔的结构，也更能抵抗有机污染。除了…之外聚苯乙烯-二乙烯苯树脂(图8-3)在美国，有较新的丙烯酸树脂结构，这增加了它们对有机污染的抵抗力。

除了塑料基体外，离子交换树脂还含有可电离官能团。这些官能团由带正电的阳离子元素和带负电的阴离子元素组成。然而，只有一种离子是可移动的。另一个离子基附着在头状结构上。图8-4是强酸性阳离子交换树脂珠的示意图，其离子位由不移动的阴离子(SO)组成_3.¯)自由基和可移动的钠离子(Na⁺)。当原水离子扩散到头部结构中并交换官能团的可移动部分时，发生离子交换。离子从头部移出扩散回水溶液中。

离子交换树脂的分类

附着在树脂珠上的可电离基团决定了树脂的功能。工业水处理树脂分为四个基本类别:

强酸阳离子(SAC)
弱酸阳离子(WAC)
强碱阴离子(SBA)
弱碱阴离子(WBA)

SAC树脂可以中和强碱，并将中性盐转化为相应的酸。SBA树脂可以中和强酸，并将中性盐转化为相应的碱。这些树脂用于大多数软化和完全脱矿应用。WAC和WBA树脂分别能中和强碱和强酸。这些树脂用于脱盐、部分脱矿或(与强树脂结合)完全脱矿。

SAC树脂的功能来源于磺酸基(HSO)_3.¯)。当用于脱矿时，SAC树脂几乎可以去除所有原水阳离子，取而代之的是氢离子，如下图所示:

交换反应是可逆的。当其容量耗尽时，树脂可以用过量的无机酸再生。

强酸性阳离子交换剂在所有pH范围内都能很好地发挥作用。这些树脂有广泛的应用。例如，它们在钠循环(钠作为移动离子)中用于软化，在氢循环中用于去离子化。

弱酸阳离子交换树脂的交换活性来源于羧基(-COOH)。当以氢形式操作时，WAC树脂去除与碱度相关的阳离子，产生如图所示的碳酸:

这些反应也是可逆的，并且允许耗尽的WAC树脂返回到再生形式。WAC树脂不能去除大多数水源中的所有阳离子。与SAC树脂相比，其主要优点是再生效率高。这种高效率减少了再生树脂所需的酸量，从而减少了废酸并最大限度地减少了处理问题。

弱酸阳离子树脂主要用于高硬度、高碱度水的软化和脱盐，通常与SAC钠循环抛光系统结合使用。在完全脱矿系统中，WAC和SAC树脂的结合使用提供了更有效的WAC树脂的经济性以及SAC树脂的充分交换能力。

SBA树脂的官能团来源于季铵官能团。使用了两种类型的季铵基团，称为I型和II型。I型位点有三个甲基:

在II型树脂中，一个甲基被乙醇基取代。I型树脂比II型树脂具有更大的稳定性，并且能够去除更多的弱电离酸。II型树脂提供了更高的再生效率和更大的容量为相同数量的再生化学品使用。

当处于氢氧化物形式时，SBA树脂会去除所有常见的阴离子，如下所示:

与阳离子树脂一样，这些反应是可逆的，允许树脂与强碱(如苛性钠)再生，使树脂恢复到氢氧化物形式。

弱碱树脂的官能源自伯胺(R-NH)₂)，二级(R-NHR')或三级(R-NR')₂)胺基。WBA树脂很容易去除硫酸、硝酸和盐酸，如下反应所示:

沸石钠软化

沸石钠软化是离子交换应用最广泛的一种方法。在沸石软化过程中，含有钙和镁等结垢离子的水通过含有钠形式SAC树脂的树脂床。在树脂中，硬度离子与钠交换，钠扩散到散装水溶液中。无硬度水，称为软水，可用于低压至中压锅炉给水，反渗透系统组成，一些化学过程和商业应用，如洗衣店。

沸石软化原理

沸石软化去除水中硬度的过程描述为以下反应:

从正确操作的沸石软化剂中水几乎没有可检测的硬度。然而，一些少量的硬度，被称为泄漏，存在于处理过的水中。硬度泄漏的程度取决于进水的硬度和钠含量以及用于再生的盐的量。

图8-5是沸石软化剂在一个使用周期内流出物硬度的典型曲线。最后冲洗后，软化剂产生一个低，几乎恒定的硬度水平，直到离子交换树脂接近耗尽。在耗尽时，出水硬度急剧增加，需要再生。

如软化反应所示，SAC树脂很容易接受钙和镁离子来交换钠离子。当耗尽的树脂再生时，在树脂上施加高浓度的钠离子以取代钙和镁。树脂用10%氯化钠溶液处理，再生按下式进行:

在再生过程中，使用大量过量的再生剂(大约是树脂中钙和镁含量的3倍)。洗脱后的硬度在废盐水中通过冲洗从软化装置中除去。

再生后，树脂中残留少量的硬度。如果树脂被允许坐在一个停滞的容器的水，一些硬度将扩散到散装水。因此，在开始流动时，沸石软化剂排出的水即使最近才再生，也可能含有硬度。经过几分钟的流动，硬度从软化剂中冲洗出来，处理后的水是柔软的。

维修周期的持续时间取决于软化剂流动的速度、水中的硬度水平和用于再生的盐的量。再生剂水平对胶状强阳离子树脂软化能力的影响如表8-1所示。注意树脂的容量随着再生剂用量的增加而增加，但增加不是成比例的。回血等级越高，回血效率越低。因此，软化剂的运行成本随着再生剂水平的提高而增加。如表8-1所示，再生盐添加量增加150%，运行能力只增加67%。

表8 - 1。再生剂含盐量对强酸性阳离子树脂软化能力的影响。

表8 - 1。再生剂含盐量对强酸性阳离子树脂软化能力的影响。
盐(磅/英尺^3.）	能力(gr /英国《金融时报》^3.）
6	18000年
8	20000年
10	24000年
15	30000年

设备

用于沸石钠软化的设备包括软化剂交换容器，控制阀和管道，以及用于盐水或再生树脂的系统。软化罐通常采用如图8-6所示的碟形封头立式钢制压力容器。软化容器的主要特征包括入口分配系统、自由舱空间、再生剂分配系统、离子交换树脂和保留树脂的下水管收集系统。

入口分配系统通常位于储罐的顶部。进水系统能使进水均匀分布。这可以防止水在树脂床的流动通道中空化，这将降低系统容量和出水质量。进水系统还可以作为反冲洗水的收集器。

进水分配器由一个中央集箱/集线器组成，带有分布的横向/径向或简单的挡板，其引导水流均匀地流过树脂床。如果不阻止水直接流到床上或水箱壁上，就会产生沟槽。

入口分配器与树脂床顶部之间的体积称为自由板空间。自由板允许树脂在再生的反冲洗部分膨胀而不损失树脂。它应至少为树脂体积的50%(首选80%)。

蓄热剂分布器通常是一个顶侧系统，在再生过程中均匀分布蓄热剂盐水。分配器的位置，6英寸。在树脂床的上方，防止再生剂在自由空间被水稀释。它还减少了置换和快速冲洗所需的水和时间。再生剂分配器应固定在罐体结构上，以防止再生剂破裂和随后的窜流。

水被钠形式的强酸阳离子交换树脂软化。所需树脂的数量取决于水流量、总硬度和再生周期之间所需的时间。最小床层深度为24英寸。建议适用于所有系统。

下排水系统位于容器底部，将离子交换树脂保留在罐内，均匀地收集使用流量，并均匀地分配反冲洗流量。使用中水的不均匀收集或反冲洗水的不均匀分布可能导致沟槽、树脂结垢或树脂损失。

虽然使用了几种地下排水设计，但主要有两种类型-下填和树脂保留。下填料系统由支撑树脂的多层支撑介质(如分级砾石或无烟煤)和包含钻孔管或下填料过滤器的收集系统组成。只要支撑层保持完整，树脂就会保持原位。如果支撑介质受到干扰，通常是由于不适当的反冲洗，树脂可以穿过被破坏的层并离开容器。树脂保留收集器，如屏蔽横向或轮廓线过滤器，比填充系统更昂贵，但可以防止树脂损失。

主阀门和管道系统引导水和再生剂流向适当的位置。阀门系统由阀套或单个多端口阀门组成。阀套包括六个主要阀门:服务入口和出口，反冲洗入口和出口，再生剂入口和再生剂/冲洗排放。这些阀门可以手动操作，也可以由空气、电脉冲或水压自动控制。在某些系统中，使用单个多端口阀门代替阀套。当阀门通过一系列固定位置旋转时，阀门内的端口以与阀套相同的方式引导流体。多端口阀门可以消除由于开启错误阀门而导致的操作错误，但是必须进行适当的维护，以避免通过端口密封泄漏。

盐水系统由盐溶解/盐水测量设备和稀释控制设备组成，以提供所需的再生剂强度。溶解/测量设备旨在为每次再生提供适量的浓盐水(约26% NaCl)，不允许任何未溶解的盐进入树脂。大多数系统使用浮子操作阀来控制补给罐的填充和泄放，从而控制再生过程中盐的用量。通常，浓缩卤水通过导液系统从槽中取出，该系统还将卤水稀释到最佳再生强度(8-10% NaCl)。盐水也可以从浓盐罐中泵出，并与稀释水混合，以提供所需的再生强度。

软水器操作

钠沸石软化剂通过两个基本循环运行:服务循环，产生软水供使用;再生循环，在耗尽时恢复树脂容量。

在使用周期中，水通过进水分配系统进入软化剂，流经床层。硬度离子扩散到树脂中并与钠离子交换，钠离子返回到散装水中。软水被收集到地下排水系统并排放。软化器的供水流量应该尽可能恒定，以防止突然的浪涌和频繁的开关操作。

由于树脂的要求和容器的设计，当服务流量保持在每平方英尺树脂表面积6到12 gpm之间时，软化操作是最有效的。大多数设备都设计在这个范围内运行，但一些特殊设计利用深层树脂床，允许在15-20 gpm/ft²的速度下运行。连续运行超过制造商建议的限制可能导致床层压实、窜槽、硬度过早突破和硬度泄漏。远低于制造商推荐的流量也会对软化剂性能产生负面影响。在低流速下，水分配不充分，不能实现最佳的树脂-水接触。

当软化剂用完后，树脂必须再生。对出水硬度的监测显示出树脂的耗尽。当硬度增加时，机组耗尽。自动监视器比定期操作员取样和测试提供更稳定的软化剂状态指示，但需要经常维护以确保准确性。许多设施根据预先确定的时间周期或处理的加仑数，在耗尽之前再生软化剂。

大多数软化系统由一个以上的软化剂组成。它们通常是这样操作的，一个软化剂处于再生或备用状态，而其他设备在使用中。这确保了软水的不间断流动。在将备用软化剂投入使用之前，应该对设备进行冲洗，以去除在放置期间进入水中的任何硬度。

软化器再生

钠沸石软化剂的再生周期包括四个步骤:反冲洗、再生(盐水)、置换(慢冲洗)和快冲洗。

回流。在使用周期中，向下流动的水导致悬浮物积聚在树脂床上。树脂是一种很好的过滤器，可以捕获通过上游过滤设备的颗粒物质。反冲洗步骤去除堆积的物质并对树脂床进行重新分类。在反冲洗步骤中，水从下漏分布器向上流过树脂床，并流出服务分布器，成为废物。向上流动提升并膨胀树脂，允许去除颗粒材料和树脂细粒并对树脂进行分类。树脂分类将较小的珠粒带到单元的顶部，而较大的珠粒沉降到底部。这加强了再生化学剂和服务水的分布。

反冲洗应至少持续10分钟，或直到反冲洗出口排出的污水澄清。反冲洗流量应足以使树脂床体积扩大50%或更多，具体取决于可用的自由板。反冲洗不足会导致床层结垢和窜槽。过高的反洗流速会导致树脂的损失。反冲洗流量通常在每平方英尺床面积4-8(环境温度)和12-15(热服务)gpm之间变化，但是应该遵循每个制造商的建议。水膨胀树脂的能力受温度影响很大。用冷水膨胀床所需的流量比用温水要少。应定期检查树脂床膨胀，并根据需要调整流速，以保持适当的床膨胀。

通常，反冲洗水是过滤过的原水。离开反冲洗出口的水的化学性质没有变化，但可能含有悬浮固体。为了节约用水，反冲洗出水可以回流到澄清池或过滤器进水中进行处理。

用盐水浸泡再生()。反洗后，应用再生盐水。盐水流通过再生分配器进入装置，并以缓慢的速率(通常在每平方英尺树脂0.5至1gpm之间)流过树脂床。盐水流通过地下排水管收集，并被送往废物处理。缓慢的流速增加了卤水和树脂之间的接触。为了从盐水中获得最佳的效率，在盐水引入时，溶液强度应为10%。

置换(缓慢冲洗)。在注入回热剂盐水后，缓慢的水流继续流经回热剂分配系统。这种水流以所需的流速取代通过床层的再生剂。置换步骤通过确保再生剂与树脂床底部的适当接触来完成树脂的再生。驱替水的流速通常与稀释浓盐水的流速相同。置换步骤的持续时间应足以允许大约一个树脂床体积的水通过该装置。这提供了一个驱替水的“堵塞”，使盐水逐渐完全通过床层。

快速冲洗。置换漂洗完成后，水以高流速通过入口分配器引入。这种漂洗水去除残留的盐水以及树脂床上的任何残留硬度。快速冲洗流速通常在每平方英尺树脂1.5至2 gpm之间。有时是由软化剂的使用率决定的。

最初，漂洗废水含有大量的硬度和氯化钠。通常，硬度是在过量氯化钠之前从软化剂中冲洗出来的。在许多操作中，只要硬度达到预定的水平，软化剂就可以恢复使用，但有些用途需要冲洗，直到流出的氯化物或电导率接近流入的水平。在服务运行期间，有效的快速冲洗对于确保高出水质量非常重要。如果软化剂在再生后一直处于备用状态，则可以使用第二次快速冲洗，即服务冲洗，以去除在备用期间进入水中的任何硬度。

热沸石软化

沸石软化剂可用于去除热处理石灰或石灰-苏打软化剂出水中的残余硬度。热工艺流出物流经过滤器，然后通过钠形式的强酸阳离子树脂床(图8-7)。。热沸石软化剂的设备和操作与环境温度软化剂相同，只是阀门、管道、控制器和仪表必须适合高温(220-250°F)。标准强阳离子树脂可在高达270°F的温度下使用，但为了更长的使用寿命，建议使用优质凝胶或大孔树脂。当沸石系统在热过程软化剂之后运行时，重要的是设计系统以消除热石灰单元中的流量波动。常见的设计包括在热石灰装置中使用反冲洗储水箱，并延长沸石的缓慢冲洗时间，以代替标准的快速冲洗。

应用与优势

锅炉中的水垢和沉积物的积累以及洗涤过程中不溶性皂凝块的形成对软化水产生了很大的需求。由于沸石钠软化剂能够经济地满足这一需求，因此被广泛应用于中低压锅炉、洗衣房和化工过程的制水。沸石钠软化与其他软化方法相比，还具有以下优点:

处理后的水具有非常低的结垢倾向，因为沸石软化使大多数供水的硬度水平降低到低于2ppm
操作简单可靠;自动和半自动再生控制可在合理的成本
盐既便宜又容易处理
不产生废污泥;通常，废物处理不是问题
在一定范围内，流量的变化对处理后的水质影响不大
因为在几乎任何尺寸的装置中都可以获得高效的操作，所以沸石钠软化剂适用于大型和小型装置

限制

虽然沸石钠软化剂有效地减少了水中溶解的硬度，但水中的总固体含量、碱度和二氧化硅不受影响。沸石钠软化剂不能直接替代热石灰-苏打软化剂。用沸石软化剂取代热过程软化剂的工厂在锅炉中遇到了二氧化硅和碱度水平的问题。

因为树脂是如此有效的过滤器，钠沸石软化剂不能有效地对浑浊的水起作用。在进水浊度超过1.0 JTU的情况下继续运行，会导致床层污染、服务运行时间短和出水质量差。大多数城市和井水都是合适的，但许多地表水在使用前必须澄清和过滤。

树脂可能被重金属污染物污染，如铁和铝，这些污染物在正常再生过程中不会被去除。如果供水中存在过量的铁或锰，则必须定期清洗树脂。当在沸石软化剂之前使用铝混凝剂时，正确的设备操作和严格控制澄清池pH值对于良好的软化剂性能至关重要。

原水中的强氧化剂侵蚀和降解树脂。氯存在于大多数市政用品中，是一种强氧化剂，应在沸石软化之前通过活性炭过滤或与亚硫酸钠反应去除。

去矿化作用

对于大多数高压锅炉给水和许多工艺流，特别是电子设备制造中使用的工艺流，仅软化是不够的。除了去除硬度外，这些工艺还需要去除所有溶解的固体，如钠、二氧化硅、碱度和矿物阴离子(Cl¯，SO)₄²¯,没有_3.¯)。

水的脱矿是通过离子交换去除所有无机盐。在这个过程中，氢形态的强酸阳离子树脂将溶解的盐转化成相应的酸，氢氧化物形态的强碱阴离子树脂将这些酸去除。对大多数淡水来说，脱矿产生的水质量与蒸馏相似，成本较低。

脱矿原理

脱盐系统由一个或多个离子交换树脂柱组成，其中包括强酸阳离子单元和强碱阴离子单元。阳离子树脂将氢交换为原水阳离子，反应如下:

阳离子废水中强酸总浓度的量度是游离矿物质酸度(FMA)。典型业务运行情况下，FMA内容在大多数情况下是稳定的，如图8-8所示。如果阳离子交换100%有效，则交换器的FMA将等于水的理论矿物酸度(TMA)。FMA通常略低于TMA，因为有少量的钠通过阳离子交换器泄漏。钠的泄漏量取决于再生剂的水平、流速和原水中钠与其他阳离子的比例。一般来说，钠泄漏随着钠与总阳离子的比例增加而增加。

当阳离子交换装置接近耗尽时，出水中的FMA急剧下降，表明该交换器应停止使用。此时，树脂应该用酸溶液再生，使交换位点恢复为氢形式。通常使用硫酸，因为它的价格可承受和可获得性。但是，使用不当的硫酸会引起树脂与硫酸钙的不可逆结垢。

为了防止这种情况的发生，通常使用高流速(每平方英尺树脂1gpm)的硫酸，初始浓度为2%或更低。酸浓度逐渐提高到6-8%，以完成再生。

有些装置使用盐酸进行再生。这就需要在再生系统中使用特殊的建筑材料。与钠沸石装置一样，需要超过理论剂量三倍的再生剂(硫酸或盐酸)。

为了完成脱矿过程，来自阳离子单元的水以氢氧化物形式通过强碱阴离子交换树脂。树脂将氢离子交换为高度电离的矿物离子和较弱电离的碳酸和硅酸，如下图所示:

上述反应表明，脱矿可以完全去除水中的阳离子和阴离子。实际上，由于离子交换反应是平衡反应，所以会发生一些泄漏。从阳离子单元泄漏的大部分是钠。漏出的钠在阴离子单元中转化为氢氧化钠。因此，两床阳离子-阴离子脱盐系统的出水pH值为微碱性。阴离子中产生的苛性碱会导致少量二氧化硅泄漏。阴离子泄漏的程度取决于所处理的水的化学性质和使用的再生剂剂量。

使用强阴离子树脂去除二氧化硅和其他溶解的固体。出水二氧化硅和电导率是除盐器运行过程中需要监测的重要参数。在快速冲洗结束时，二氧化硅和电导率都很低，如图8-9所示。

当在运行结束时发生二氧化硅突破时，处理过的水的二氧化硅水平急剧上升。通常，水的电导率会暂时下降，然后迅速上升。这种电导率的暂时下降很容易解释。在正常运行过程中，大部分出水电导率归因于阴离子交换器中产生的少量氢氧化钠。当二氧化硅发生突破时，氢氧化钠不再可用，来自阳离子交换器的钠转化为水玻璃，其导电性远不如氢氧化钠。随着阴离子树脂耗竭的进行，更多的导电矿物离子突破，导致随后的电导率增加。

当检测到脱盐剂运行结束时，必须立即将设备从服务中移除。如果允许脱盐剂在超过断点后继续使用，则由于在运行过程中阴离子树脂中发生了二氧化硅的浓缩，处理水中的二氧化硅含量可能会高于进水的二氧化硅含量。

用4%氢氧化钠溶液再生强碱阴离子交换剂。与阳离子再生一样，较高浓度的氢氧化物驱动再生反应。为了提高树脂床中二氧化硅的去除率，通常将再生剂烧碱加热到120°F或树脂制造商指定的温度。在引入温苛性碱之前，树脂床预热步骤也增强了二氧化硅的去除。

设备及操作

阳离子-阴离子脱矿所用设备与沸石软化所用设备相似。主要区别在于容器、阀门和管道必须由(或内衬)耐腐蚀材料制成。橡胶和聚氯乙烯(PVC)通常用于离子交换容器衬里。脱矿器的控制和再生系统更为复杂，以允许诸如逐步酸和温苛性碱再生等增强功能。

脱矿器在操作上与沸石软化剂相似。脱盐剂的服务流速指南范围为每平方英尺树脂6至10 gpm。每平方英尺树脂的流速超过10 gpm会导致钠和硅在某些水中的泄漏增加。阴离子树脂比阳离子树脂轻得多。因此，阴离子交换树脂的反洗流速远低于阳离子树脂，阴离子树脂的膨胀受水温度的影响大于阳离子树脂的膨胀。阴离子树脂再生每一步所用的水应无硬度，防止硬度盐在碱性阴离子树脂床中析出。

连续电导率仪器和二氧化硅分析仪通常用于监测阴离子出水水质和检测再生的需要。在某些情况下，电导率探头被放置在下泄收集器上方的树脂床中，以在二氧化硅进入处理水之前检测树脂耗尽。

优势与局限

脱盐剂可以生产出几乎所有用途的高纯度水。脱盐水广泛用于高压锅炉给水和许多工艺用水。生产出来的水的质量与蒸馏水相当，通常成本只是蒸馏水的一小部分。脱盐剂有各种各样的尺寸。系统范围从每小时仅产生几加仑的实验室柱到每分钟产生数千加仑的系统。

像其他离子交换系统一样，脱盐器需要过滤水才能有效地工作。树脂杂质和降解剂，如铁和氯，在脱矿前应避免或去除。阴离子树脂非常容易受到存在于许多地表水供应中的有机物质的污染和攻击。某些形式的二氧化硅，被称为胶体或非反应性，不能被脱盐剂去除。热的碱性锅炉水溶解了胶体物质，形成简单的硅酸盐，类似于以可溶性形式进入锅炉的硅酸盐。因此，它们可以在管道表面形成沉积物并挥发到蒸汽中。

脱碱作用

通常，锅炉或工艺操作条件要求去除硬度和降低碱度，但不要求去除其他固体。沸石软化不降低碱度，脱矿成本太高。对于这些情况，使用dealkalization过程。钠沸石/氢沸石(分流)脱钾、氯离子-阴离子脱钾和弱酸性阳离子脱钾是最常用的脱钾工艺。

钠沸石/氢沸石(分流)脱钾

在分流脱碱器中，一部分原水流经沸石钠软化剂。其余的通过氢形式的强酸阳离子单元(氢沸石)。钠沸石出水与氢沸石出水合用。氢沸石装置的流出物含有由原水碱度产生的碳酸和游离无机酸。当两股水流合并时，氢沸石排出液中的游离矿物质酸度将钠沸石排出液中的碳酸钠和碳酸氢盐碱度转化为碳酸，如下图所示:

碳酸在水中不稳定。它形成二氧化碳气体和水。混合后的废水被送到脱碳器或脱气器，在那里，一股逆流的气流将二氧化碳从水中剥离。图8-10展示了一个典型的分割流dealkalization系统。

通过控制钠沸石和氢沸石水在混合物中的百分比，可以保持所需的混合水碱度水平。钠沸石水的比例越高，碱度越高，氢沸石水的比例越高，碱度就越低。

除了降低碱度，分流脱碱器还减少了水中的总溶解固体。这在高碱度水中很重要，因为这些水的导电性会影响过程，并可能限制锅炉的浓度循环。

沸石钠/氯阴离子脱钾

氯化物形式的强碱阴离子树脂可用于降低水的碱度。水流经沸石软化剂，然后是阴离子单元，用氯离子取代碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐和硝酸盐离子，如下反应所示:

氯离子脱碱剂降低碱度约90%，但不减少总固体。当树脂接近耗尽时，处理过的水的碱度迅速增加，表明需要再生。

沸石软化剂再生如前所述。此外，阴离子树脂也可以用氯化钠盐水再生，使树脂恢复到氯化物形式。通常，在再生盐水中加入少量苛性钠来增强碱度的去除。

弱酸阳离子脱钾

另一种脱钾方法是使用弱酸性阳离子树脂。弱酸树脂在操作上与强酸阳离子树脂相似，但只交换与碱性相关的阳离子，如下反应所示:

其中Z代表树脂。碳酸(H₂有限公司_3.)由脱碳器或脱气器除去，如在分流系统中。

弱酸阳离子体系的理想进水硬度等于碱度(均以ppm表示为CaCO)_3.)。在碱度高于硬度的水中，碱度不会被去除到最低水平。在硬度大于碱度的水中，处理后仍有一定的硬度。通常，这些水必须用钠沸石软化剂抛光以去除硬度。在弱酸阳离子处理的初始阶段(前40-60%)，一些阳离子与矿物阴离子交换有关，在出水中产生少量矿物酸。随着使用周期的进行，出水出现碱性。当出水碱度超过进水碱度的10%时，装置停止使用，用0.5%硫酸溶液再生。再生酸的浓度应保持在0.5-0.7%以下，防止硫酸钙在树脂中沉淀。弱酸性阳离子树脂交换效率很高。因此，所需的酸的数量实际上等于(化学上)在使用周期中去除阳离子的数量。

如果下游设备的结构材料或整个过程不能忍受在使用周期的初始部分存在的矿物质酸度，则在最后冲洗之前，将盐水溶液通过再生的弱酸树脂。该溶液可以去除矿物酸度，而不会对后续作业的质量或长度产生重大影响。

除树脂外，弱酸阳离子脱碱器所用的设备与强酸阳离子交换器所用的设备相似。标准设计的一种变体是在强酸阳离子树脂上面加一层弱酸树脂。因为它更轻，弱酸树脂仍然在上面。层状树脂体系先用硫酸再用氯化钠盐水再生。盐水溶液将强酸树脂转化为钠的形式。这种树脂可以作为抛光软化剂。

直接注酸

在直接注酸脱碳过程中，用酸将碱度转化为碳酸。碳酸解离形成二氧化碳和水，二氧化碳在脱碳机中被除去。注酸系统的使用应谨慎，因为酸过量或pH控制系统故障会产生酸性给水，腐蚀给水系统和锅炉的铁表面。需要适当的pH监测和脱碳后的苛性进料控制。

Dealkalization系统的优点和局限性

离子交换脱盐系统以合理的成本生产无硬度、低碱度的水，并且具有高度的可靠性。它们非常适合处理中压锅炉的给水，以及饮料工业的工艺用水。分流和弱酸性阳离子体系也减少了总溶解固体。除了这些优点之外，还必须考虑以下缺点:

脱碱器不会去除所有的碱度，也不会影响水中的二氧化硅含量
脱碱器要求与其他离子交换工艺相同的进水纯度;必须使用潜在污染物含量低的过滤水
使用强制通风脱氧机的脱盐系统产生的水会被氧气饱和，因此具有潜在的腐蚀性

逆流和混合床去离子

由于锅炉运行压力的增加和对无污染水的生产要求，人们对水质的要求越来越高，而阳离子-阴离子脱盐剂所能产生的水质却远远不够。因此，有必要对标准脱矿工艺进行修改，以提高处理水的纯度。逆流阳离子交换剂和混合床交换剂对脱盐水纯度的改善最为显著。

逆流阳离子交换器

在传统的脱矿剂系统中，再生剂的流动方向与服务流动方向相同，沿着树脂床向下流动。这种方案被称为共电流操作，是大多数离子交换系统设计的基础。在共流装置的再生过程中，污染物在再生过程中通过树脂床被置换。在再生结束时，一些离子，主要是钠离子，留在树脂床的底部。由于床层的上部已经暴露在新鲜的再生剂中，所以再生能力很强。当水在使用过程中流过树脂时，阳离子首先在床的上部交换，然后在床耗尽时通过树脂向下移动。在再生过程中留在床上的钠离子在去离子水离开容器之前扩散到去离子水中。这种钠泄漏进入阴离子单元，阴离子交换产生苛性碱，提高pH值和脱盐水的电导率。

在逆流再生阳离子交换器中，再生剂以与业务流相反的方向流动。例如，如果业务流向下流过床层，则再生酸流向上流过床层。因此，再生程度最高的树脂位于服务水离开容器的地方。高度再生的树脂可以去除床顶未被去除的低水平污染物。这就产生了比共流设计更高的水纯度。为了使酸与树脂之间的接触最大化，并防止再生率最高的树脂与床层的其余部分混合，在注入再生剂期间，树脂床必须保持压缩状态。这种压缩通常通过以下两种方式之一实现:

使用阻断水或空气的流动
酸流被劈开，在树脂床的顶部和底部同时引入酸(图8-11)

混合床换热器

混合床交换器将阳离子和阴离子树脂混合在一个容器中。当水流经树脂床时，离子交换过程重复多次，将水“抛光”到非常高的纯度。在再生过程中，树脂被分离成不同的阳离子和阴离子组分，如图8-12所示。树脂通过反冲洗分离，较轻的阴离子树脂沉淀在阳离子树脂之上。再生酸通过底部分布器引入，苛性碱通过树脂床上方分布器引入。再生剂流在阳离子和阴离子树脂之间的边界相遇，并通过位于树脂界面的收集器排出。在引入再生剂和置换漂洗之后，用空气和水混合树脂。然后将树脂冲洗干净，机组就可以投入使用了。

逆流和混合床系统比传统的阳离子-阴离子脱矿器产生更纯净的水，但需要更复杂的设备，并且初始成本更高。与标准系统相比，更复杂的再生序列需要操作员更密切的关注。对于混合床单元来说尤其如此。

其他脱矿过程

在许多系统中，为了减少昂贵的再生剂的使用和废物的产生，已经对标准的阳离子-阴离子过程进行了修改。改造包括使用脱碳和脱气剂、弱酸和弱碱树脂、强碱阴离子烧碱废物(再生弱碱阴离子交换剂)，以及回收部分废烧碱用于随后的再生循环。使用这些过程的几种不同的脱矿方法如图8-13所示。

脱碳和脱气

脱碳器和脱气器对许多脱矿系统具有经济效益，因为它们减少了再生所需的苛性碱量。来自阳离子交换器的水通过喷雾和托盘或包装在脱碳器中分解成小液滴。然后水流过一股相反方向的气流。在阳离子废水中存在的碳酸解离成二氧化碳和水。二氧化碳被空气从水中剥离，减少了阴离子交换器的负荷。典型的强制通风脱碳机能够去除10-15 ppm的二氧化碳。然而，脱碳机排出的水是饱和氧的。

在真空脱气器中，水滴被引入在真空下操作的填充柱中。由于水中的分压在真空中降低，二氧化碳被从水中除去。真空脱气器通常将二氧化碳减少到低于2ppm，并从水中去除大部分氧气。然而，真空脱气器比强制通风脱碳器购买和操作更昂贵。

弱酸和弱碱树脂

弱功能性树脂比强功能性树脂具有更高的再生效率。弱酸性阳离子树脂，如脱碱部分所述，与碱性相关的阳离子交换。弱碱树脂与无机酸性阴离子(SO)交换₄²¯，Cl¯，NO_3.¯)在强酸溶液中。弱树脂的再生效率几乎是化学计量的，去除1千克离子(如CaCO)_3.)只需要略多于1kg的再生离子(如CaCO)_3.)。强树脂需要三到四倍的再生剂来去除同样的污染物。

弱碱树脂是如此有效，所以通常的做法是用强碱阴离子树脂再生的一部分“废”碱来再生弱碱交换剂。来自强碱单元的第一部分苛性碱被送去废物，以防止弱碱树脂的硅污染。剩余的苛性碱用于再生弱碱性树脂。弱基树脂的另一个特点是它们能够保持天然有机物质，这些物质会污染强基树脂，并在再生周期中释放它们。由于这种能力，弱基树脂通常用于保护强基树脂免受有害的有机污染。

再生剂重用

由于烧碱的高成本和越来越多的废物处理问题，现在许多脱矿系统都配备了烧碱回收功能。回收系统在下一个再生周期开始时使用之前再生的部分废碱。再利用的烧碱之后是新的烧碱，完成再生。然后，新的苛性碱被回收用于下一次再生。通常，硫酸是不回收的，因为它的成本较低，硫酸钙沉淀是一个潜在的问题。

冷凝液抛光

离子交换的用途不仅限于工艺和锅炉给水。离子交换可用于净化或抛光返回的冷凝水，去除可能导致锅炉中有害沉积物的腐蚀产物。

通常，冷凝系统中的污染物是颗粒铁和铜。低水平的其他污染物可能通过冷凝器和泵密封泄漏或锅炉水进入蒸汽进入系统。冷凝抛光机过滤掉微粒，并通过离子交换去除可溶性污染物。

大多数造纸厂冷凝水抛光机在接近200°F的温度下运行，这就排除了阴离子树脂的使用。阳离子树脂在270°F以上的温度下保持稳定，在这些应用中用于深床冷凝抛光。树脂用氯化钠盐水再生，如在沸石软化剂中。在抛光机钠泄漏对锅炉水内部化学程序或蒸汽减温水纯度产生不利影响的情况下，可以用电离胺溶液再生树脂以防止这些问题。

与传统软化剂相比，深床抛光机的服务流量(每平方英尺树脂表面积20-50 gpm)非常高。高流速是允许的，因为冷凝液中可溶离子的含量通常很低。颗粒铁和铜通过过滤去除，而溶解的污染物通过交换树脂中的钠或胺而减少。

深床阳离子树脂凝聚抛光剂的再生使用每立方英尺树脂15磅氯化钠，与传统的钠沸石再生方法类似。通常使用增溶剂或还原剂来帮助去除铁。有时，在树脂床表面的正下方安装一个补充反冲洗集管。这种地下分配器在反冲洗之前使用，在两次再生之间引入水来分解树脂表面形成的结壳。

一个重要的考虑因素是用于冷凝抛光的树脂的选择。由于高流量和颗粒负载会产生高压降，并且许多系统在高温下工作，因此树脂结构会受到相当大的应力。在深层凝析抛光应用中应使用高级凝胶或大网状树脂。

在需要去除全部溶解固体和颗粒的系统中，可以使用混合床冷凝水抛光机。凝结水的温度应低于140°F，这是阴离子树脂的最高连续工作温度。此外，通过该装置的流量通常减少到约20 gpm/ft²。

离子交换树脂也被用作涂层前过滤系统的一部分，如图8-14所示，用于抛光冷凝物。将树脂压碎并混合成浆液，浆液用于覆盖过滤容器中的单个隔膜。粉末状树脂是一种非常精细的过滤介质，可以捕获颗粒物质，并通过离子交换去除一些可溶性污染物。当过滤介质堵塞时，处理预涂材料，并用新鲜的粉末树脂浆涂覆隔膜。

常见离子交换系统问题

正如在任何包含电气、机械设备和化学操作的动态操作系统中一样，离子交换系统确实会出现问题。这些问题通常会导致出水质量差、服务运行时间缩短或再生剂消耗增加。为了使离子交换系统高效可靠地运行，无论何时发现问题，都应考虑水质、运行长度或再生剂消耗的变化。

短期运行的因果关系图(图8-15)和污水水质差(图8-16)表明导致脱矿系统性能下降的可能原因有很多。下面将讨论一些更常见的问题。

运营问题
原水质量的变化对离子交换装置产生的运行长度和出水质量都有重大影响。虽然大多数井水具有稳定的质量，但大多数地表水的成分随时间变化很大。沸石钠软化剂的水硬度每增加10%，使用时间就会减少10%。钠与总阳离子比例的增加会导致脱盐剂系统中钠泄漏的增加。应定期对离子交换器的进水进行化学分析，以揭示这种变化。

离子交换操作问题的其他原因包括:

再生不当，由不正确的再生剂流动、时间或浓度引起。再生离子交换树脂时应遵循制造商的建议。
由高流速或低流速引起的窜流，增加了悬浮固体载荷或反洗不良。这会导致过早的衰竭，即使床的大部分处于再生状态。
树脂结垢或降解，由劣质再生剂引起。
不能从树脂中去除二氧化硅，这可能是由于再生剂腐蚀温度过低造成的。这可能导致硅泄漏增加和服务运行时间缩短。
由于以前的操作过去的耗尽负荷，树脂中有过量的污染物。由于树脂所含的污染物比常规再生技术所能去除的污染物要多，因此在长时间使用后，需要进行二次再生。

机械问题

与离子交换系统相关的典型机械问题包括:

阀门泄漏，导致出水质量差，冲洗时间长。
分配器损坏或堵塞，导致窜流。
树脂损失，由于过度反冲洗或漏筛或支撑介质失效。
阳离子树脂在阴离子单元中，造成漂洗时间延长和钠泄漏到脱盐水中。
仪表问题，如累加器或电导率计的故障，可能在不存在的情况下表明存在问题，或者可能引入劣质水。应定期检查除盐区域的仪器仪表。

树脂结垢和降解

树脂会被污染物污染，阻碍交换过程。树脂沾铁效果如图8-17所示。这种树脂也会被化学物质侵蚀，造成不可逆的破坏。有些材料，如天然有机物(图8-18)，会先污染树脂，然后随着时间的推移降解树脂。这是离子交换系统中最常见的污垢和降解的原因，并在本章后面的“有机污垢”中讨论。

树脂结垢的原因

铁和锰。铁可以作为亚铁或铁的无机盐或作为隔离的有机络合物存在于水中。亚铁在树脂中交换，但三铁不溶，不能交换。三铁包覆阳离子树脂，防止交换。必须使用酸或强还原剂来去除这种铁。有机结合的铁通过阳离子单元并污染阴离子树脂。它必须与有机物质一起去除。锰，存在于一些井水中，以与铁相同的方式污染树脂。

铝。铝通常以氢氧化铝的形式存在，由明矾或铝酸钠用于澄清或沉淀软化而产生。铝絮凝剂，如果通过过滤器，将树脂包裹在钠沸石软化剂中。用酸或苛性碱清洗可以去除它。通常，铝在脱盐系统中不是杂质，因为它在正常再生过程中从树脂中除去。

硬度沉淀。硬度沉淀从沉淀软化器中通过过滤器，或经过后沉淀过滤后形成。这些沉淀的恶臭树脂用于沸石钠软化。它们用酸除去。

硫酸沉淀。硫酸钙沉淀可发生在氢循环操作的强酸阳离子单元中。在一个使用周期结束时，树脂床的顶部富含钙。如果使用硫酸作为再生剂，并且以过高的浓度或过低的流速引入，则会发生硫酸钙的沉淀，污染树脂。硫酸钙形成后，很难再溶解;因此，被硫酸钙污染的树脂通常被丢弃。轻微的硫酸钙污垢可以通过在盐酸中长时间浸泡来逆转。

硫酸钡甚至比硫酸钙更难溶解。如果水源含有可测量量的钡，则应考虑盐酸再生。

石油污染。油包覆树脂，阻挡离子进出交换位点。表面活性剂可用来除油。必须谨慎选择不污染树脂的表面活性剂。受油污污染的阴离子树脂只能用非离子表面活性剂清洗。

微生物污染。微生物污染可能发生在树脂床上，特别是允许在没有服务流的情况下放置的床上。微生物污染会导致树脂床严重堵塞，甚至由于污染树脂的压降过大而造成机械损伤。如果备用机组的微生物污染是一个问题，应使用恒定流量的循环水来最大限度地减少问题。严重的情况下可能需要使用合适的灭菌剂和表面活性剂。

硅污染。如果再生剂温度过低，则在强碱阴离子树脂中可能发生二氧化硅污染;如果用于再生弱碱装置的SBA装置排出的废液中含有过多的二氧化硅，则在弱碱树脂中可能发生二氧化硅污染。在低pH值下，二氧化硅的聚合可以发生在弱碱树脂中。在耗尽的强碱阴离子树脂中，这也可能是一个问题。二氧化硅污垢通过在温(120°F)烧碱中长时间浸泡去除。

树脂不可逆降解的原因

氧化。氧化剂，如氯，能降解阳离子和阴离子树脂。氧化剂攻击阳离子树脂中的二乙烯基苯交联，降低树脂珠的整体强度。随着侵蚀的继续，阳离子树脂开始失去其球形和刚性，导致其在使用过程中变得致密。这种压实增加了树脂床上的压降并导致窜流，从而降低了装置的有效容量。

在原水含氯的情况下，阴离子树脂不受直接影响，因为氯被阳离子树脂消耗掉了。然而，下游强碱性阴离子树脂被氧化阳离子树脂的某些降解产物污染。

如果原水中存在氯，应在用活性炭过滤或亚硫酸钠离子交换之前将其去除。大约1.8 ppm的亚硫酸钠需要消耗1 ppm的氯。

饱和氧的水，比如在强制脱碳后发现的水，会加速随着时间自然发生的强碱交换位点的破坏。由于有机污染，它还会加速降解。

热降解。如果阴离子树脂在使用或再生周期中过热，就会发生热降解。对于丙烯酸树脂来说尤其如此，其温度限制低至100°F，而II型强碱阴离子树脂在氢氧化物形式下的温度限制为105°F。

有机污染

有机污染是树脂污染和降解中最常见和最昂贵的形式。通常，在井水中只发现少量的有机物质。然而，地表水可能含有百万分之数百的天然和人造有机物质。天然有机物来源于腐烂的植被。它们具有芳香性和酸性，可以使重金属(如铁)复合。这些污染物包括单宁酸、单宁酸、腐植酸和黄腐酸。

最初，有机物会阻断树脂上的强碱位点。这种堵塞会导致长时间的最终冲洗，并降低盐的分解能力。由于污染物继续留在树脂上，它开始降解强碱位点，降低树脂的盐分裂能力。站点的功能从强碱变为弱碱，最后变为无活性站点。因此，树脂在降解的早期阶段表现出较高的总容量，但降低了盐的分裂能力。在这个阶段，树脂的清洗仍然可以恢复一些，但不是全部，失去的操作能力。盐分裂能力的损失降低了树脂去除二氧化硅和碳酸的能力。

阴离子树脂的有机污染是由阴离子单元在再生过程中流出的颜色证明的，其范围从茶色到深褐色。在操作过程中，处理后的水具有较高的电导率和较低的pH值。

预防。使用以下方法，单独或联合使用，以减少有机污染: