第二章鍋爐補給水的化學除鹽

第二章鍋爐補給水的化學除鹽第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日第二章鍋爐補給水的化學除鹽第一節(jié)離子交換基本理論一．離子交換原理:通過離子交換樹脂上的活性集團和水中的陰陽離子發(fā)生交換反應,從而達到去除水中陰陽離子的目的.二．離子交換樹脂的化學性能1.交換反應的可逆性:它是離子交換樹脂可以反復使用的重要性質2.酸、堿性和中性鹽分解能力3.中和反應和水解反應第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日三．離子交換過程1.離子交換樹脂的選擇性強酸型陽樹脂：Fe3+＞Al3+

＞Ca2+

＞Mg2+

＞K+

＞NH4+

＞Na+

＞H+弱酸型陽樹脂：H+

＞Fe3+＞Al3+

＞Ca2+

＞Mg2+

＞K+

＞NH4+

＞Na+強堿型陰樹脂：SO42-

＞NO3-

＞Cl-

＞OH-HCO3-

＞HSiO3-弱堿型陰樹脂：OH-＞

SO42-

＞NO3-

＞Cl-

＞HCO3-

＞HSiO3-第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日2．離子在樹脂層中的分布規(guī)律以離子交換反應：Ca2+Ca2RH+Mg2+R2Mg+2H+

2Na+Na2為例，離子在樹脂層中的分布規(guī)律為：第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日R2CaR2Ca+R2MgR2MgR2Mg+RNaRNaRNa+RHRH進水出水⑦⑥⑤④③②①第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日四.工作層及影響因素1.離子交換層：可分為失效層、工作層、保護層三個區(qū).失效層工作層保護層出水進水第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日交換床在運行過程中，隨著運行時間延長，失效層逐漸增加，保護層不斷下降，工作層不斷向水流方向推移，當工作層下緣的某一處移到交換劑出水端時，欲除去的離子便開始泄漏于出水中，為保證出水水質，此時應停止交換床運行，也就是失效．工作層越厚，穿透點出現越早，樹脂的交換容量利用率就越低．第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日2.影響工作層厚度的因素：一是影響離子交換速度的因素，二是影響水流沿交換柱過水斷面均勻分布的因素。樹脂的選擇性系數越大，工作層越薄樹脂的顆粒越大，工作層越厚進水中離子濃度越高，工作層越厚水的流速越高，工作層越厚水溫越高，工作層越薄第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日五.失效樹脂的再生運行制水是樹脂交換容量的發(fā)揮過程，再生是交換容量的恢復過程。1.強酸H型交換器的再生：通常用HCl和H2SO4再生，多用HCl再生，再生液濃度一般在2~4%比較適宜，流速5m/s左右。H2SO4再生容易在再生過程中形成CaSO4沉淀，所以多采用分步再生，先用低濃度高流速再生，再用高濃度低流速再生。第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日再生樹脂用的鹽酸必須是合成鹽酸，不能用副酸，判斷最直接簡便的方法就是用密度計測定密度，ρ合成鹽酸＞

ρ副酸。陽床運行時出水的電導率比進水高，原因是H+是所有離子中導電能力最大的，陽床出水的PH值相對是穩(wěn)定的，一般在3.0~3.5之間，所以陽床出水可通過監(jiān)測PH值來判斷出水水質。第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日3.強堿OH型交換器的再生通常采用NaOH再生，再生液的溫度在30~40℃比較適宜，濃度一般為1~3%，（浮床0.5~2%），流速≤5m/s，（浮床4~6

m/s）。4.弱酸樹脂的再生：弱酸樹脂再生劑可以是HCl、H2SO4，也可以是H2CO3，強酸再生時比耗一般為1.05~1.1。5.弱堿樹脂再生劑可以是NaOH,也可以是NH3·H2O、Na2CO3、或NaHCO3，強堿再生時比耗一般為1.2。第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日常用的堿有隔膜法堿和離子膜堿，離子膜堿的質量優(yōu)于隔膜法堿，由于隔膜法堿一般用地下水作為生產水，離子膜堿用軟化水作為生產水，所以隔膜法堿含有硬度，離子膜堿一般不含硬度，最簡單易行的判斷方法就是測定硬度，H隔膜法堿＞H離子膜堿。堿里有硬度很正常，對再生沒有影響，離子膜堿的硬度很小或監(jiān)測不出來。第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日運行中會遇到陽床出水正常，陰床出水有硬度，一般可能有以下幾方面的原因：①有機物污染使陰床出水有硬度②陰樹脂中混有陽樹脂③中間水箱為混凝土內部涂環(huán)氧樹脂防腐層的，如果防腐層脫落，由于陽床出水顯微酸性對混凝土造成腐蝕也會使陰床出水有硬度。第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日5.再生劑比耗：表示單位體積樹脂所用再生劑的量（mol/m3）和該樹脂的工作交換容量（mol/m3）的比值，它反映了樹脂的再生性能，是離子交換器運行經濟性的一項重要指標。第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)離子交換樹脂的有關性能1.物理性能:a.外觀：形狀、顏色、完整性、異樣顆粒和雜質等。b.水溶性浸出物：陰樹脂主要為胺類和鈉，強酸性陽樹脂主要為低分子磺酸鹽。c.含水率：指單位質量樹脂所含的非游離水分的多少，一般用百分數表示。d.密度：分為濕真密度、濕視密度、裝載密度。第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日e.粒度和粒度分布f.機械性能：保持顆粒的完整性g.不可逆膨脹和轉型膨脹：樹脂裝入交換器使用幾個周期后體積會增加，這種膨脹是不可逆的，稱為不可逆膨脹；當樹脂從一種離子態(tài)變?yōu)榱硪环N離子態(tài)時，樹脂的體積發(fā)生變化，這種膨脹是一種可逆膨脹。h.耐熱性與抗氧化性：耐熱性是表示其在受熱時保持其理化性能的能力；抗氧化性是指受氧化劑作用時保持其理化性能的能力。第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日強酸性陽樹脂最高使用溫度：100~120℃，陰樹脂ROH（Ⅱ型）為40℃、ROH（Ⅰ型）為60℃，RCl為80℃。弱堿性陰樹脂：聚苯乙烯類為100℃，丙烯酰胺類為60℃。樹脂的耐熱穩(wěn)定性順序為：弱酸性＞強酸性＞弱堿性＞

Ⅰ型強堿性＞

Ⅱ型強堿性。在凝結水精處理中要注意凝結水的溫度不要超過40℃，否則對強堿性陰樹脂威脅較大。第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日2.離子交換樹脂的化學性能：a.全交換容量：質量全交換容量、干基和濕基交換容量、基團容量、平衡交換容量。質量全交換容量：表示單位質量樹脂所具有的全部交換基團的數量。平衡交換容量：表示達到平衡狀態(tài)時單位質量或單位體積的樹脂中參與反應的交換基團的量，是在給定條件下該樹脂可能發(fā)揮的最大交換容量。第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日b.離子交換樹脂的選擇性c.離子交換樹脂的工藝性能工作交換容量：指在一定條件下，一個交換周期中單位體積樹脂實現的離子交換量，即從再生型離子交換基團變?yōu)槭突鶊F的量。再生劑耗、比耗：再生每摩爾交換基團所耗用的再生劑質量稱為再生劑耗（單位為ｇ/mol）；再生每摩爾交換基團所耗用再生劑的摩爾數稱為比耗（單位為mol／mol），通常以無量綱形式表示。第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日3.離子交換樹脂的污染和復蘇a.鐵污染：一般有兩種情況，最常見的是以膠態(tài)或懸浮鐵化合物形式進入交換器，由于樹脂的吸附作用，在其表面形成一層鐵化物的覆蓋層，而阻止水中的離子與樹脂進行有效的接觸；另一種情況是以亞鐵離子進入交換器，與樹脂進行交換反應，使Fe2+占據在交換位置上，因Fe2+離子容易被氧化成高價鐵化合物，沉積在樹脂內部，堵塞了交換孔道。第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日鑒別方法：從外觀看，顏色明顯變深，污染較重時顏色變黑；準確的鑒定方法是：測定水中的含鐵量，具體的操作方法是將污染樹脂用清水洗凈，浸泡在食鹽水中再生半小時左右，傾去鹽水再用除鹽水洗滌2~3次，從中取出一部分樹脂放入試管或玻璃瓶中，加入2倍樹脂體積的6mol/L的鹽酸，蓋嚴振蕩15分鐘，取出酸液注入另一試管中，滴入飽和的亞鐵氰化鉀溶液，從樹脂生成第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日普魯士藍的顏色深淺（由淡藍至棕黑色），可以判斷樹脂被鐵污染的程度。復蘇方法：樹脂表面附著的鐵化物，可采用連二亞硫酸鈉Na2S2O4還原法，即用4%的Na2S2O4溶液浸泡4~12小時，也可配合EDTA、三乙酸銨和酒石酸等絡合劑進行綜合處理。樹脂內部積結的鐵可用10%的鹽酸浸泡5~12小時，或配合其他絡合劑協同處理。第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日強堿性陰樹脂用酸復蘇前必須轉變成氯型，這不僅是避免浪費酸量，更重要的是防止在交換器內發(fā)生中和反應時放熱而損壞樹脂。但弱堿性樹脂無此問題。鐵對陰陽樹脂均會發(fā)生污染。b.有機物污染：水中的有機物是由生物肢體腐敗后產生的富里酸、腐植酸和丹寧酸等帶負電基團的線性大分子，它們和水中的陰離子一樣，能與強堿性陰樹脂發(fā)生交換反應。所不同的是這些線型的大分子一旦進入樹脂內部，其帶負第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日電的基團與陰樹脂帶正電的固定基團發(fā)生電性復合作用，緊緊地吸附在交換位置上，另外這些線型有機物上通常帶有多個基團，與樹脂的多處交換位置復合，致使它們卷曲在樹脂內骨架的空間，采用一般的再生方法是難以將它們從樹脂的孔道中退出來，這種現象稱為“瓶頸效應”。因此產生不可逆轉的有機物污染。污染現象：樹脂顏色變暗，有點光澤；運行時出水電導率增加，PH值降低至5.4~5.7，提早第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日漏硅，交換容量急劇下降。鑒別方法：將陰樹脂裝入帶塞而留有氣孔的小玻璃瓶中，加入除鹽水振蕩，連續(xù)洗滌3~4次，以除去表面的附著物，最后倒盡洗滌水，換裝10%食鹽水，振蕩5~10分鐘后，觀察鹽水的顏色，按色澤判別污染程度見下表：第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日陰樹脂有機物污染程度判別色澤污染程度清澈透明不污染淡草黃色輕微污染琥珀色中度污染棕色重度污染深棕或黑色嚴重污染第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日復蘇方法：用氯化鈉和氫氧化鈉混合溶液處理效果較好，復蘇液最好用除鹽水配制。用次氯酸鈉處理，對恢復樹脂的顏色和交換容量有顯著的效果，但對樹脂有較強的氧化作用，所以一種樹脂只能處理1~2次。并且在處理過程中要對濃度（0.5~1.0%）、溫度（常溫）及處理時間要嚴加控制，一般在嚴重污染時采用。有機物對陽樹脂不會發(fā)生污染。第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日陰樹脂同時被鐵和有機物污染，首先除鐵，再除有機物，除鐵HCl濃度必須要大于8%，時間要保證在12小時以上，除鐵和除有機物交替處理，HCl最好用分析純。第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日3.離子交換樹脂的商品型號a.凝膠型樹脂×分類代號骨架代號順序號聯結符號交聯度數值第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日分類代號：０－強酸性１－弱酸性２－強堿性３－弱堿性４－螯合型５－兩性型６－氧化還原型骨架代號：０－苯乙烯系１－丙烯酸系２－酚醛系３－環(huán)氧系４－乙烯吡啶系５－脲醛系６－氧乙烯系如：001×7為“強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂”b.大孔型樹脂在前面加Ｄ，沒有聯結符號和交聯度數值，如：Ｄ113。第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)水的化學除鹽１.水的化學除鹽：水中所含各種離子和離子交換樹脂進行化學反應而被除去的過程。２.化學除鹽設備的設置原則ａ.陽床設在除鹽系統(tǒng)的前邊，其原因是：強型陽樹脂的交換容量幾乎是強型陰樹脂的３倍，在離子交換平衡過程中，反離子干擾作用加強，陽樹脂的交換容量大，抗反離子干擾能力強。第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日如果陰床在前邊，在離子交換過程中，有可能生成CaCO3、Mg(OH)2和Fe(OH)3等沉淀，附著在樹脂的表面上，使其受污染。b.陰床要設在陽床后面，其原因是：使進入陰床的水呈酸性，可使陰樹脂交換出來的OH-能立即被中和成水，減少了反離子的干擾作用，使陰離子交換反應能夠較徹底的進行。第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日對除去水中的碳酸、硅酸等弱酸十分有利。c.混床設在一級復床的后邊，其作用是：提高制水純度如果陰陽床失效監(jiān)督不及時，容易發(fā)生短時間出水惡化現象，混床設置對出水水質可起到保護作用。d.除碳器設在強堿性陰床之前，是因為除去了CO2即是除去了HCO3-，可以減輕陰床的負擔。第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日第四節(jié)常用化學除鹽水處理設備順流再生離子交換器逆流再生離子交換器分流再生離子交換器浮床運行過程為：制水－落床－進再生液－置換－下流清洗－成床、上流清洗，再轉入制水。第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日體外清洗、制水周期中不宜停床，尤其是后半期，否則會導致交換器提前失效。５.雙層床／雙室床：都屬于強弱型樹脂聯合應用的離子交換床，強弱樹脂裝在同一交換器內。雙層床：利用弱型樹脂比重比相應的強型樹脂小的特點，弱在上層，強在下層。第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日雙室床：克服了雙層床強弱樹脂混脂的缺點，在交換器中加了一塊多孔板將交換器分隔成上下兩室，弱在上層，強在下層。６.滿室床：每次只對下部約400mm高度的樹脂抽出進行體外清洗，清洗工作量小，樹脂層基本未打亂，有利于再生，具有對流再生工藝的優(yōu)點。７.混床８.除碳器第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日連續(xù)電去離子（EDI）

EDI（Electrodeionization）是一種不耗酸、堿而制取純水的新技術，又稱“填充床電滲析”。它是將傳統(tǒng)的電滲析技術和離子交換技術有機地結合起來，既克服了電滲析不能深度除鹽的缺點，又彌補了離子交換不能連續(xù)制水、需要用酸堿再生等不足。EDI適用于處理反滲透出水等低含鹽量水，其產水水質滿足鍋爐用水對電導率、硬度和硅等要求。第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日EDI除鹽機理一種說法是利用離子交換原理除去水中離子，利用水在直流電能的作用下分解產生H+和OH-去再生混合離子交換樹脂，從而實現在通電狀態(tài)下，連續(xù)制水、再生；一種理論是在電場作用下，純水里離子在樹脂相的遷移速率要比水中高2～3個數量級，陰、陽離子會與樹脂顆粒不斷發(fā)生交換過程而構成“離子遷移通道”，即陰、陽離子主要通過樹脂相遷移至陽膜和陰膜而進入濃水室。

第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日

EDI產品的應用EDI裝置通常用于處理反滲透出水，用于制備超純水。EDI對進水含鹽量、弱電解質含量要求比較嚴格，主要是因為EDI對弱電解質的脫除能力受限于這些物質在水中電離度的大小。EDI要求進水硬度小于1.0mg/L(CaCO3)，當原水硬度不能滿足該要求時，可以使用鈉離子軟化器等工藝去除硬度。為滿足上述條件，EDI前處理通常為二級反滲透+除碳器或在二級反滲透前加堿處理。（單級反滲透出水硬度、CO2

、SiO2含量高難以滿足EDI進水要求。）

第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日

目前世界上主要由美國Ionpure、GE、Omexell等大公司占領市場。GE的膜堆在淡水室中填充了陰、陽離子交換樹脂，并在濃水室中設置了濃水循環(huán)系統(tǒng)，一方面可通過增加濃水室的電導率以減小濃水室電阻，另一方面濃水室保持較高的流速增強混合效果以減少結垢的可能，濃水中的離子通過從循環(huán)回路排出一部分以達到鹽量平衡。Ionpure公司的膜堆與其他公司不同之處在于將濃水室中也填充了離子交換樹脂，通過樹脂的導電能力維持裝置電流，系統(tǒng)較為簡化，不需要加入NaCl維持濃水室的電導率，也不需要使用濃水循環(huán)泵。第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日

第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日EDI工藝過程回顧離子交換從水中除去污染離子。污染離子以及H+

和OH-

在電場作用下通過樹脂和離子交換膜遷移到濃水室。離子集中到濃水室。如果超過設計極限，會發(fā)生結垢現象。極水(E)含有氫氣和氯氣，因此需排棄。主要的能量最終轉化為熱量，所以要注意最小流量。第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日陰極化學反應_Cathode2H2O+2e-=2OH-+H2生成氫氣pH值高易產生結垢水從陰極得到電子第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日陽極化學反應+Anode2H2O=4H++O2+4e-

2Cl-=Cl2+2e-

生成氧氣生成氯氣pH值低陽極從水中得到電子

Oxygengasformation3.5mL(STP)/Amp/minuteTraceChlorineformation1-2ppminEout(400uS/cmNaCl)LowpH第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日濃水電導率濃水電導率主要用來控制E-CELL模塊的“電阻”典型范圍在150-600uS/cm加鹽水在濃水回路中加入高品質的鹽水鹽水加入點在濃水排放以后以減少加鹽量鹽加入量很小--典型加入量為每天0.1到10磅（0.045到4.54kg/day）第四十五頁，共五十