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萊特萊德技術人員解析水的軟化及其技術

2012-10-15

  萊特萊德技術人員解析水的軟化及其技術

  軟化水的概念:

  天然水體由于自然循環和社會循環的原因,使水中含有大量的礦物鹽類等物質。其中,鈣和鎂以化合物的形式存在并成為主要成分,即稱硬度。

  去除水中部分或全部硬度的過程稱為水的軟化

  軟化水的意義:

  由于水垢的沉積對人們的生活及生產均有很明顯的影響,所以生產用水和生活用水均對硬度指標有一定的要求。

  軟化的目的:

  避免鍋爐水由于硬度而生垢浪費燃料、燒損部件、爆炸

  避免Ca2+、Mg2+對工業冷卻設備正常運行的影響傳熱系數低、導熱性能差

  避免影響造紙、紡織等行業產品質量

  中心目的

  消除不良影響,滿足生活和工業用水的要求!

  國軟化水行業的發展現狀:

  • 軟化水處理主要解決硬水所帶來的水垢問題

  • 國外:

  在美國水質都很硬,所以他們的家用軟化水處理設備已相當普及。

  • 在發達國家的家居生活設施中,占家庭用水量90%的烹飪、洗滌、沐浴等用水使用的都是軟水。

  •國內:

  •以水質較硬的華北、西北地區為主要市場,正處于萌芽期。目前產品終端銷售主要集中在北京、上海地區。

  •國產軟化水處理設備價格相對較低,占有一定優勢,但功能方面不及進口產品先進。

  軟化水應用領域:

  •可廣泛應用于蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、交換器、蒸發冷凝器、空調、直燃機等系統的補給水的軟化。還可用于賓館、飯店、寫字樓、公寓等生活用水的處理及食品、飲料、釀酒、洗衣、印染、化工、醫藥等行業的軟化水處理。

  軟化水發展前期

  由于北方地區的水質較硬,從解決問題的角度看,軟化水處理的前景還是很不錯的。南方地區由于水質相對較軟,因此需求還不是很迫切。隨著人們對使用軟水認知度高的提高,軟化水處理將迅速發展。

  常用的軟化方法

  •離子交換法

  •膜分離法

  •電去離子軟化法

  •石灰法

  •加藥法

  •蒸餾法

  •掩蔽劑法

  •集成膜技術

  •電磁法

  離子交換法IE

  •采用特定的陽離子交換樹脂,以鈉離子將水中的鈣鎂離子置換出來。

  •主要優點是:效果穩定準確,工藝成熟?梢詫⒂捕冉抵0。采用這種方式的軟化水設備一般也叫做“離子交換器”(由于采用的多為鈉離子交換樹脂,所以也多稱為“鈉離子交換器”)。

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  設備的標準工作流程

  •工作(有時叫做產水,下同)、反洗、吸鹽(再生)、慢沖洗(置換)、快沖洗五個過程。不同軟化水設備的所有工序非常接 近,只是由于實際工藝的不同或控制的需要,可能會有一些附加的流程。任何以鈉離子交換為基礎的軟化水設備都是在這五個流程的基礎上發展來的(其中,全自動軟化水設備會增加鹽水重注過程)。

  反洗:工作一段時間后的設備,會在樹脂上部攔截很多由原水帶來的污物,把這些污物除去后,離子交換樹脂才能完全曝露出來,再生的效果才能得到保證。反洗過程就是水從樹脂的底部洗入,從頂部流出,這樣可以把頂部攔截下來的污物沖走。這個過程一般需要5-15分鐘左右。

  吸鹽(再生):即將鹽水注入樹脂罐體的過程,傳統設備是采用鹽泵將鹽水注入,全自動的設備是采用專用的內置噴射器將鹽水吸入(只要進水有一定的壓力即 可)。在實際工作過程中,鹽水以較慢的速度流過樹脂的再生效果比單純用鹽水浸泡樹脂的效果好,所以軟化水設備都是采用鹽水慢速流過樹脂的方法再生,這個過程一般需要30分鐘左右,實際時間受用鹽量的影響。

  慢沖洗(置換):在用鹽水流過樹脂以后,用原水以同樣的流速慢慢將樹脂中的鹽全部沖洗干凈的過程叫慢沖洗,由于這個沖洗過程中仍有大量的功能基團上的鈣鎂離子被鈉離子交換,根據實際經驗,這個過程中是再生的主要過程,所以很多人將這個過程稱作置換。這個過程一般與吸鹽的時間相同,即30分鐘左右。

  快沖洗:為了將殘留的鹽徹底沖洗干凈,要采用與實際工作接近的流速,用原水對樹脂進行沖洗,這個過程的最后出水應為達標的軟水。一般情況下,快沖洗過程為5-15分鐘。

  膜分離法

  典型的膜分離技術有微孔過濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、滲析(D)、電滲析(ED)及滲透蒸發( PV) 。

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  微孔過濾技術

  微孔過濾和微孔膜的特點

  微孔過濾技術始于十九世紀中葉,是以靜壓差為推動力,利用篩網狀過濾介質膜的“篩分”作用進行分離的膜過程。實施微孔過濾的膜稱為微孔膜。

  微孔膜的主要優點為:

 、 孔徑均勻,過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留;

 、 孔隙大,流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2,微孔體積占膜總體積的70%~80%。由于膜很薄,阻力小,其過濾速度較常規過濾介質快幾十倍;

 、 無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90~150μm之間,因而吸附量很少,可忽略不計。

 、 無介質脫落。微孔膜為均一的高分子材料,過濾時沒有纖維或碎屑脫落,因此能得到高純度的濾液。

  微孔膜的缺點:

 、 顆粒容量較小,易被堵塞;

 、 使用時必須有前道過濾的配合,否則無法正常工作。

  超濾技術

  超濾和超濾膜的特點

  超濾技術始于 1861 年,其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間,約5~10 nm,在 0.1~0.5 MPa 的靜壓差推動下截留各種可溶性大分子,如多糖、蛋白質、酶等相對分子質量大于500的大分子及膠體,形成濃縮液,達到溶液的凈化、分離及濃縮目的。

  2. 超濾膜技術應用領域

  超濾膜的應用也十分廣泛,在作為反滲透預處理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽極電泳漆和陰極電泳漆的生產、電子工業高純水的制備、工業廢水的處理等眾多領域都發揮著重要作用。

  超濾技術主要用于含分子量500~500,000的微粒溶液的分離,是目前應用最廣的膜分離過程之一,它的應用領域涉及化工、食品、醫藥、生化等。

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  超濾膜截留分子量的確定

  反滲透技術

  1. 反滲透原理及反滲透膜的特點

  滲透是自然界一種常見的現象。人類很早以前就已經自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質。目前,反滲透技術已經發展成為一種普遍使用的現代分離技術。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備、廢水處理等方面,反滲透技術有其他方法不可比擬的優勢。

  滲透和反滲透的原理如下圖所示。

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  圖4 滲透與反滲透原理示意圖

  如果用一張只能透過水而不能透過溶質的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開,水會自然地透過半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側遷移,這一現象稱滲透(圖4a)。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學位與高濃度溶液中水的化學位之差,表現為水的滲透壓。

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  隨著水的滲透,高濃度水溶液一側的液面升高,壓力增大。當液面升高至H時,滲透達到平衡,兩側的壓力差就稱為滲透壓(圖4b)。滲透過程達到平衡后,水不再有滲透,滲透通量為零。

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  如果在高濃度水溶液一側加壓,使高濃度水溶液側與低濃度水溶液側的壓差大于滲透壓,則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側,這一過程就稱為反滲透(圖4c)。

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  反滲透技術所分離的物質的分子量一般小于500,操作壓力為 2~100MPa。

  用于實施反滲透操作的膜為反滲透膜。反滲透膜大部分為不對稱膜,孔徑小于0.5nm,可截留溶質分子。

  2. 反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動力使溶劑通過膜的分離過程,它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。

  一般來說,分離溶液中分子量低于500的低分子物質,應該采用反滲透膜;分離溶液中分子量大于500的大分子或極細的膠體粒子可以選擇超濾膜,而分離溶液中的直徑0.1~10μm的粒子應該選微孔膜。

  以上關于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是十分嚴格、明確的,它們之間可能存在一定的相互重疊。

  表3 反滲透、超濾和微孔過濾技術的原理和操作特點比較

 

分離技術類型
反滲透
超濾
微孔過濾
膜的形式
表面致密的非對稱膜、復合膜等
非對稱膜,表面有微孔
微孔膜
膜材料
纖維素、聚酰胺等
聚丙烯腈、聚砜等
纖維素、PVC
操作壓力/MPa
2100
0.10.5
0.010.2
分離的物質
分子量小于500的小分子物質
分子量大于500的大分子和細小膠體微粒
0.110μm的粒
分離機理
非簡單篩分,膜的物化性能對分離起主要作用
篩分,膜的物化性能對分離起一定作用
篩分,膜的物理結構對分離起決定作用
水的滲透通量/(m3.m-2.d-1)
0.12.5
0.55
20200

  分離技術類型反滲透超濾微孔過濾膜的形式表面致密的非對稱膜、復合膜等非對稱膜,表面有微孔微孔膜膜材料纖維素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等纖維素、PVC等

  操作壓力 /MPa2~1000.1~0.50.01~0.2

  分離的物質分子量小于500的小分子物質分子量大于500的大分子和細小膠體微粒0.1~10μm的粒子

  分離機理非簡單篩分,膜的物化性能對分離起主要作用篩分,膜的物化性能對分離起一定作用篩分,膜的物理結構對分離起決定作用

  水的滲透通量 /(m3.m-2.d-1)0.1~2.50.5~520~200

  工業應用的反滲透裝置

  工業應用的反滲透裝置的膜組件之間的連接

  納濾技術(nanofiltration, NF)

  1. 納濾膜的特點

  納濾膜是八十年代在反滲透復合膜基礎上開發出來的,是超低壓反滲透技術的延續和發展分支,早期被稱作低壓反滲透膜或松散反滲透膜。目前,納濾膜已從反滲透技術中分離出來,成為獨立的分離技術。

  •納濾膜的表層較RO膜的表層要疏松得多,但較UF膜的要致密得多。因此其制膜關鍵是合理調節表層的疏松程度,以形成大量具納米級的表層孔。

  •納濾膜的孔徑為納米級,介于反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間,因此稱為“納濾”。

  納濾膜主要用于截留粒徑在0.1~1nm,分子量為1000左右的物質,可以使一價鹽和小分子物質透過,具有較小的操作壓(0.5~1MPa)。其被分離物質的尺寸介于反滲透膜和超濾膜之間,但與上述兩種膜有所交叉。

  納濾恰好填補了超濾與反滲透之間的空白,它能截留透過超濾膜的那部分小分子量的有機物,透析被反滲透膜所截留的無機鹽。而且,納濾膜對不同價態離子的截留效果不同,對單價離子的截留率低(10%-80%),對二價及多價離子的截留率明顯高于單價離子(90%)以上

  目前關于納濾膜的研究多集中在應用方面,而有關納濾膜的制備、性能表征、傳質機理等的研究還不夠系統、全面。進一步改進納濾膜的制作工藝,研究膜材料改性,將可極大提高納濾膜的分離效果與清洗周期。

  2. 納濾膜及其技術的應用領域

  納濾技術最早也是應用于海水及苦咸水的淡化方面。由于該技術對低價離子與高價離子的分離特性良好,因此在硬度高和有機物含量高、濁度低的原水處理及高純水制備中頗受矚目;在食品行業中,納濾膜可用于果汁生產,大大節省能源;在醫藥行業可用于氨基酸生產、抗生素回收等方面;在石化生產的催化劑分離回收等方面更有著不可比擬的作用。

  電滲析

  在鹽的水溶液(如氯化鈉溶液)中置入陰、陽兩個電極,并施加電場,則溶液中的陽離子將移向陰極,陰離子則移向陽極,這一過程稱為電泳。如果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜(陽離子交換膜或陰離子交換膜),則陽離子或陰離子會選擇性地通過膜,這一過程就稱為電滲析。

  電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場的作用下,以電位差為推動力,利用離子交換膜的選擇透過性,把電解質從溶液中分離出來,實現溶液的淡化、濃縮及鈍化;也可通過電滲析實現鹽的電解,制備氯氣和氫氧化等。

  3. 電滲析技術應用領域

  自電滲析技術問世后,其在苦咸水淡化,飲用水及工業用水制備方面展示了巨大的優勢。隨著電滲析理論和技術研究的深入,我國在電滲析主要裝置部件及結構方面都有巨大的創新,僅離子交換膜產量就占到了世界的1/3。我國的電滲析裝置主要由國家海洋局杭州水處理技術開發中心生產,現可提供200m3/d規模的海水淡化裝置。

  中草藥有效成分的分離和精制:通過電滲析一般可以把中草藥提取液分離分成無機陽離子和生物堿、無機陰離子和有機酸、中性化合物和高分子化合物三部分。

  電滲析技術在食品工業、化工及工業廢水的處理方面也發揮著重要的作用。特別是與反滲透、納濾等精過濾技術的結合,在電子、制藥等行業的高純水制備中扮演重要角色。

  電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場的作用下,以電位差為推動力,利用離子交換膜的選擇透過性,把電解質從溶液中分離出來,實現溶液的淡化、濃縮及鈍化;也可通過電滲析實現鹽的電解,制備氯氣和氫氧化鈉等。

  •膜的分類與分離

  滲透蒸發技術

  1. 滲透蒸發技術和滲透蒸發膜的特點滲透蒸發是近十幾年中頗受人們關注的膜分離技術。滲透蒸發是指液體混合物在膜兩側組分的蒸氣分壓差的推動力下,透過膜并部分蒸發,從而達到分離目的的一種膜分離方法?捎糜趥鹘y分離手段較難處理的恒沸物及近沸點物系的分離。具有一次分離度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點。

  2.滲透蒸發的實質是利用高分子膜的選擇性透過來分離液體混合物。由高分子膜將裝置分為兩個室,上側為存放待分離混合物的液相室,下側是與真空系統相連接或用惰性氣體吹掃的氣相室;旌衔锿ㄟ^高分子膜的選擇滲透,其中某一組分滲透到膜的另一側。由于在氣相室中該組分的蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓,因而在膜表面汽化。蒸氣隨后進入冷凝系統,通過液氮將蒸氣冷凝下來即得滲透產物。滲透蒸發過程的推動力是膜內滲透組分的濃度梯度。

  3. 滲透蒸發技術應用領域

  滲透蒸發作為一種無污染、高能效的膜分離技術已經引起廣泛的關注。該技術最顯著的特點是很高的單級分離度,節能且適應性強,易于調節。目前滲透蒸發膜分離技術已在無水乙醇的生產中實現了工業化。與傳統的恒沸精餾制備無水乙醇相比,可大大降低運行費用,且不受汽—液平衡的限制。

  分離膜的基本功能是從物質群中有選擇地透過或輸送特定的物質,如顆粒、分子、離子等;蛘哒f,物質的分離是通過膜的選擇性透過實現的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機理如表1所示。

  加藥法

  向水中加入專用的阻垢劑,可以改變鈣鎂離子與碳酸根離子結合的特性,從而使水垢不能析出、沉積。

  •1、定義:基于溶度積原理,加入某些藥劑,把水中鈣、鎂離子轉變成為難溶化合物使之沉淀析出。

  •2、工藝組成:

  •原水(加藥) →混合 →反應 →沉淀 →過濾 →消毒

  •使用石灰軟化硬水的方法稱為石灰軟化法

  •石灰法:向水中加入石灰,主要是用于處理大流量的高硬水,只能將硬度降到一定的范圍。

  •原理:主要利用了加入的OH-和水中原有的HCO3-

  蒸餾法

  •單級閃蒸SSF:熱海水經一個閃急蒸餾進行蒸發產生淡水的過程。

  •多級閃蒸MSF:經過加熱的海水,依次通過多個溫度、壓力逐級降低的閃蒸室,進行蒸發冷凝的蒸餾淡化方法。用得最多,90%

  電磁法

  采用在水中加上一定的電場或磁場來改變離子的特性,從而改變碳酸鈣(碳酸鎂)沉積的速度及沉積時的物理特性來阻止硬水垢的形成。

  其特點是:設備投資小,安裝方便,運行費用低;但是效果不夠穩定性,沒有統一的衡量標準,而且由于主要功能僅是影響一定范圍內的水垢的物理性能,所以處理后的水的使用時間、距離都有一定局限。

  提高水軟化的措施

  •改選方案

  •如:萊特萊德軟化水站原生產工藝存在消耗高、周期制水量少的問題。為解決這一問題,進行了簡單的工藝改造。將氫離子交換器內樹脂由001×7型改為Dl13型,利用D113樹脂工交大、易再生的優點,達到節水降耗的目的,取得了顯著的經濟效益

  磁化預處理—納濾聯合軟化水

  將磁化作為納濾軟化過程的預處理措施,使納濾膜的操作性能得到有效改善。該技術具有簡單、安全、能耗小、無二次污染的優點,彌補了當前某些化學法(加抑垢劑、調pH值或化學清洗)或物理法(改變流態)抑垢技術的不足。

  合理調整運行工況,降低軟化水成本

  •在實際生產過程中主要對以下幾方面因素進行了調整:

  •嚴格控制再生劑純度,對于化驗純度不合格的再生劑不與接收。

  •由于用工業水溶解原鹽,因此適當增加工業鹽用量。

  •再生過程中再生液采取先稀后濃的方式再生。

  • 用浮子流量計嚴格控制再生液流速

  • 適當放寬一級鈉離子交換器和氫離子交換器失

  效控制指標,以便有效利用二級鈉離子交換器。

  超濾作為海水淡化(反滲透)預處理方式

  •能夠截留海水中固體懸浮物,膠體和微小細菌,降低淤泥污染指數(SDI),從而降低了RO膜污染的趨勢,且UF出水水質穩定,不受原海水水質變化的影響;

  •可取代傳統預處理工藝中的多個步驟?臻g利用率高,與傳統預處理工藝相比,可節省約50%的空間161l,且操作工藝簡單可靠,管理方便;海水軟化過程中超濾顱處理中試實驗研究

  •減少對環境的影響。傳統預處理工藝需加入若干化學試劑(如絮凝劑、殺生劑、水質穩定劑、阻垢劑等),且最終隨濃水排放,無論哪種排放方案,或多或少均會對環境產生不利影響;采用UF技術后,化學試劑的使用量將大幅度減少,從而減輕環境壓力。

 

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