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鍋爐給水技術中的離子交換法工作原理

2012-08-13

  鍋爐給水技術中的離子交換法工作原理

  離子交換法是工業鍋爐給水軟化和脫堿處理工藝中最主要的基本方法。它是采用離子交換劑中和水溶液中可交換的離子間發生符合某物質的量規則的可逆性交換,分離出堿離子,使水軟化,從而達到改善水質的目的,而交換劑的結構不發生實質性(化學的)變化。在這種過程中,只有陽離子或陰離子參與交換反應,或者二者同時參與交換反應,這就是靈活多變的離子交換法。

  離子交換法在工業鍋爐給水、鍋爐軟化水和脫堿處理工藝中的表現方式有很多種,針對不同情況,我們做出以下分析:

  1.鈉離子交換

  這是工業鍋爐給水中最通用的一種污水處理方式。過程原理如下:

  Ca2++2NaRóCaR2 +2Na+

  Mg2++2NaRóMgR2+2Na+

  從公式可以看出,經鈉離子交換后,軟化后的水殘留硬度Hc可降至0.03mmol/L以下,而堿度不變,含鹽量稍有增加。

  鈉離子交換有單級鈉離子交換和雙級鈉離子交換兩種工藝配置,前者適用于硬度和堿度都較低的原水,后者可用于硬度較高(大于10mmol/L)或含鹽較高(大于500mg/L)的原水。雙級鈉離子交換是將二個鈉離子交換器串聯使用,可提高軟水水質和降低鹽耗,其特點是節省再生劑用量,利用第一級鈉離子交換器的交換容量,提高水質的可靠性。

  由于鈉離子交換水處理不能去除水中的堿度,所以對于某些堿度和硬度過高且有部分非碳酸鹽硬度的水來說,可采用部分鈉離子交換處理的方法,即一部分水經過鈉離子交換器除硬而不除堿,另一部分水不經過鈉離子交換器,直接進入鍋爐,這部分水中的碳酸鹽硬度在第一部分水中堿度作用下進行鍋內軟化處理,采用此方法時需要注意,必須控制好軟水量與原水量之比,保證混合水中的堿度略大于硬度。

  2.氫離子交換

  氫離子交換過程反應式如下:

  Cu2++2HRóCaR2+2H+

  Mg2++2HRóMgR2+2H+

  Na++HRóNaR+H+

  原水經氫離子交換后,水質得到軟化,堿度低降,發生如下變化:

  (1)硬度除去。殘留硬度Hc可降至0.03mmol/L以下。

  (2)水質呈酸性。經H型離子交換劑處理后的水質,基本上呈酸性,其硬度大小隨離子交換層交換進程而變化。

  (3)含鹽量降低。碳酸氫根離子由于生成了碳酸,通過脫氣而除去,每消耗水中堿度1mmol/L,則水中可減少含鹽量61mg/L。

  3.聯合離子交換

  氫離子交換處理可以消除硬度和降低含鹽量,處理效果較好,但由于水質呈酸性,不能直接用作鍋爐給水,反之,原水經鈉離子交換后的軟水往往堿度過大,導致鍋爐排污率過高,因此,將二種交換器的軟水以一定比例混合,使之發生中和反應。

  H2SO4+2NaHCO3 ——> Na2SO4+2H2O+2CO2

  HCl+NaCHO3 ——> NaCl+H2O+CO2

  中和后產生的CO2可通過脫氣除去,這樣,酸度、堿度均降低,同時也降低了軟水的含鹽量。

  氫- 鈉聯合離子交換水處理系統有并聯、串聯和綜合三種。

  為了軟化脫堿還可采用銨 - 鈉聯合離子交換和氯-鈉聯合離子交換。

  4.離子交換流程配置

  在實際生產中,通常采用動態離子交換方式,即以一定體積的原水、以一定的速度通過離子交換劑來進行離子交換。裝置的類型分為固定床和連續床兩類。固定床是離子交換劑處于靜止態,原水的軟化脫堿和交換劑的再生均在同一裝置中進行,其優點是:設備簡單、操作方便、適應性強,出水水質較好。缺點是:樹脂用量大、利用率低、再生和清洗時間長。連續床是指離子交換劑層處于運動狀態,而原水的軟化和交換劑的再生在不同裝置中進行,其優點是:樹脂用量少、再生劑利用率高、處理水純度高、出水水質穩定、操作自動化程度高、生產效率高。缺點是:設備結構復雜、樹脂損耗量大,一般適于低含鹽量和低硬度的水。固定床離子交換有如下不同組合方式:即單床、多床、復床、混床、雙層床。連續床離子交換又分為移動床和流動床兩種,移動床是樹脂在交換塔、再生塔和清洗塔等不同裝置中分別完成交換、反洗、再生、清洗等過程,而定期移動;流動床其離子交換過程不分周期連續地進行;而樹脂在交換過程中呈流動狀態。

  綜上所述,企業在選擇鍋爐補給水或者軟化水設備時,需了解原水的水質情況以及對產出水水質的要求,結合經濟實力尋找合適的水處理設備生產廠家。

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