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超純水離子交換除鹽水處理器的失效控制（一）
來源：何將軍 (中國生物技術(shù)集團公司成都生物制品研究所，成都 610000）發(fā)布日期：2014-09-10 14:21:01 瀏覽次數(shù)：2912

摘要：介紹以一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)為基礎(chǔ)的常用固定床離子交換除鹽水處理器的失效檢測和控制方法，并提出改進措施。

關(guān)鍵詞：離子交換水質(zhì) 吸附失效泄漏控制

　　離子交換除鹽水處理最簡單的流程為陽床-陰床組成的一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)。有的一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用單元制，即每套一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)包括陽床、（除碳器）、陰床各一臺，在離子交換除鹽運行過程中，無論是陽床還是陰床先失效，都是同時再生；還有的一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用母管制，即陽床與陽床或陰床與陰床是并聯(lián)運行的，哪一臺交換器失效就再生哪一臺。

1 檢測和控制原理

　　強酸性陽樹脂對水中各種陽離子的吸附順序為：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ；由此可知，水中金屬離子Na+被吸附的能力最弱，所以當離子交換時樹脂層的各種離子吸附層逐漸下移，H+.最后被其他陽離子置換下來，當保護層穿透時，首先泄漏的是最下層的Na+；因此監(jiān)督陽離子交換器失效是以漏鈉為標準的；其反應(yīng)方程為（A代表金屬陽離子,R為樹脂基團）：

Aⁿ⁺ +nRH=R_nA+n H⁺　HCO^3- + H⁺ =H₂O+CO²↑

　　強堿性陰樹脂對水中各種陰離子的吸附順序為：SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以當離子交換時樹脂層的各種離子吸附層逐漸下移，OH-.被其他陰離子置換下來，當保護層穿透時，首先泄漏的是最下層的HSiO3-；因此監(jiān)督陰離子交換器失效是以漏硅為標準的；其反應(yīng)方程為（B代表酸根陰離子，R為樹脂基團）：

Bm- +mROH=RmB+mOH-

2 控制點和控制方法

　　由于母管制系統(tǒng)包含了單元制系統(tǒng),而且它具有能充分使用樹脂、提高交換器的出水能力、降低酸堿消耗等優(yōu)點，我們在研究中主要討論以這種結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的離子交換除鹽水處理系統(tǒng)。
　　以成都生物制品研究所蛋白分離車間純水站為例，該系統(tǒng)為母管制水處理系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：砂濾—活性炭過濾—粗濾—陽床— 一陰—二陰—混床—精濾—純水罐，系統(tǒng)產(chǎn)水能力為5 t/h，在系統(tǒng)的失效控制研究中，我們提出單元失效控制概念，也就是充分利用了母管制制水系統(tǒng)的優(yōu)點對系統(tǒng)進行失效控制。
　　以下是該車間第一套水處理器的一陰(即1.1陰) 在一個運行周期中的部分數(shù)據(jù)：

表1 一陰運行周期中的部分數(shù)據(jù)

供水離子柱	電導(dǎo)率(μS/cm)	供水離子柱	電導(dǎo)率(μS/cm)
1.1陽-1.1陰	4.99	1.1陽-1.1陰	3.00
1.1陽-1.1陰	4.47	1.1陽-1.1陰	3.05
1.1陽-1.1陰	3.59	1.1陽-1.1陰	3.09
1.1陽-1.1陰	3.30	1.1陽-1.1陰	2.57
1.1陽-1.1陰	3.27	1.1陽-1.1陰	2.22
1.1陽-1.1陰	3.26	1.1陽-1.1陰(2.1陽-1.1陰)	4.93(4.05)	1.1陽失效 ( 用2.1陽)
1.1陽-1.1陰	3.15	2.1陽-1.1陰	3.52
1.1陽-1.1陰	2.89	2.1陽-1.1陰	3.44
1.1陽-1.1陰	3.80	2.1陽-1.1陰	2.28
1.1陽-1.1陰	3.82	2.1陽-1.1陰	2.16
1.1陽-1.1陰	3.68	2.1陽-1.1陰	2.03
1.1陽-1.1陰	3.13	2.1陽-1.1陰	5.12	1.1陰失效

　　以上數(shù)據(jù)均為車間實際運行記錄數(shù)據(jù)，1.1陰出水供給1.2陰后出水電導(dǎo)率保證在3μS/cm以下,結(jié)合末級混床,最終出水水質(zhì)一直保持在0.1μS/cm - 0.5μS/cm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和該車間純化水檢測報告，我們進行標準化處理（25度，不間斷運行）后，繪制了三種情況下的水質(zhì)曲線圖（分別如下）：

　　　　
圖1 陽床出水水質(zhì)　　　　　　　　　　　　　　　圖2 陽床出水水質(zhì)

　　從圖2、圖3可見：（1）RO對各有機溶質(zhì)的去除率大于NF膜。（2）不同有機溶質(zhì)的去除率不相同，有的甚至相差很大（例如，RO和NF膜對乙酸的吸光度去除率分別為95.34%、81.45%，而對苯胺的吸光度去除率則分別為61.50%、46.82%）。

3 出水水質(zhì)

　　原水經(jīng)一級復(fù)床除鹽后，電導(dǎo)率（25℃）低于10μS/cm，水中硅含量低于100μg/L。

3.1 陽床出水水質(zhì)

　　圖1中b 點以前三條曲線都迅速下降，表明離子交換器中樹脂再生后，正洗時出水中各種雜質(zhì)的含量（酸度、鈉離子濃度和硬度）都迅速下降，當出水水質(zhì)達到一定的標準（如b點）時就可以投入運行。所以，在ba段運行期間，陽床出水呈酸性，而且基本呈緩慢變化趨勢。運行至a點時，陽床開始有陽離子穿透，根據(jù)離子交換活性知道，最先泄漏出的是鈉離子；在除鹽系統(tǒng)中，為了除去水中H+ 以外的所有陽離子，強酸性離子交換器必須在有鈉泄漏時停止運行(一般此時出水的酸度接近中性)，并進行再生，如圖1的a點位置，此點為鈉離子穿透點。

3.2 陰床出水水質(zhì)

　　由于離子交換除鹽系統(tǒng)中陰床始終是陽床的后級，所以陰離子交換器的水質(zhì)變化分兩種情況：
　?、?陽床正常運行時,陰床先失效時的陰床出水水質(zhì)
陰床出水水質(zhì)見圖2，b 點以前幾條曲線迅速下降，表明再生后正洗時，水中雜質(zhì)迅速下降直至達到運行的出水水質(zhì)標準，ba區(qū)間為穩(wěn)定交換運行期，出水水質(zhì)的pH值為7-9，電導(dǎo)率<5μS/cm,含硅量（以SiO2 計）為20-50μg/L。運行至a點后，陰床開始失效，但陽床仍在正常運行。此時，陰床由于酸泄漏，故PH值下降；與此同時，陰床出水中的硅含量和電導(dǎo)率增加。
　?、?陽床先失效時, 陰床出水水質(zhì)
　　如圖3復(fù)床系統(tǒng)運行到a點，陽床開始失效，但陰床仍在正常運行。此時陽床漏出的Na+ 流經(jīng)陰床，在陰床的出水中含有NaOH,使陰床出水PH值升高，并對強堿性陰樹脂對HSiO3- 的吸附產(chǎn)生干擾作用，使出水的含硅量增加，其反應(yīng)為：

RHSiO3+NaOH=ROH+NaHSiO3

圖3：陽床先失效時陰床出水水質(zhì)

4 結(jié)論和改進方法

　　(1)當陽床接近失效時，水中Na+的含量逐漸增加，從而影響陰離子交換器，在對純化水水質(zhì)要求不是很高時（如醫(yī)藥行業(yè)等），可以通過控制陽床出水的酸度（母管制）和陰床的出水電導(dǎo)率（一級復(fù)床）來控制陽床的失效。由于陽床產(chǎn)水中溶解有CO2 ，未經(jīng)過排除進入陰床，在陰床中與OH-反應(yīng)，影響陰床處理能力，因此，可以在陽床和陰床之間加裝除碳器。
　　(2) 由于HCO3-一般在陽床中已經(jīng)去除，加之電導(dǎo)率對OH-較敏感，因此在對于對將硅作為非檢測項目的行業(yè)（如醫(yī)藥行業(yè)等），可以通過檢測陰床的出水電導(dǎo)來控制陰床的失效。
　　(3) 離子交換的硅泄漏是世界性的難題，實踐證明：采用雙陰床+混床的離子交換系統(tǒng)對于控制硅泄漏十分有效。

參考文獻

[1] 《中國生物制品規(guī)程》2000版
[2] 中華人民共和國國家標準，GB/T11446.1-1997，《電子級水規(guī)格和實驗方法》
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[4] 周本省，《工業(yè)水處理技術(shù)》，化學(xué)工業(yè)出版社

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