离子交换技术除盐优化方案

离子交换除盐是指把水中强电解质盐类的全部或大部分加以去除的处理过程。离子交换除盐过程可使水的含盐量低到几乎不含离子的纯净程度，即它可作为深度的化学除盐方法，同时它亦可作为部分化学除盐的方法。

离子交换除盐一般的方法是用阳离子氢交换的、阴离子经交换的复床法或者混床法进行，有各种不同的组合方式。

1.复床除盐

原水只一次相继通过强酸H离子交换器和强碱OH离子交换器进行除盐的工艺称一级复床除盐。

图5-23所示为一典型的一级复床，它由一个强酸H交换器、一个除碳器和一个强碱OH交换器串联而成。下面以此系统为例，介绍一级复床除盐原理、离子交换反应、水质变化、运行监督、失效树脂的再生以及技术经济指标等。

图5-23　一级复床除盐系统

1—强酸H交换器；2—除碳器；3—中间水箱；4—中间水泵；5—强碱OH交换器

（l）除盐原理。

原水在强酸H交换器中经H离子交换后，除去了水中所有的阳离子。被交换下来的H+与水中的阴离子结合成相应的酸，其中与结合生成的CO2连同水中原有的CO2在除碳器中被脱除。水进入强碱OH交换器后，以酸形式存在的阴离子与强碱阴树脂进行交换反应，除去水中所有的阴离子，从而将水中溶解盐类全部除去制得除盐水。

（2）运行中的离子交换反应及水质变化。

①除去水中阳离子的离子交换反应。在复床除盐系统中，强酸H离子交换器总是放在最前面，用以除去H+之外的所有阳离子。由前面所述的H离子交换反应可知，对于由Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子和、、Cl-等阴离子组成的水，其交换反应既有离子交换，也有中和反应，显然水中碱度的存在有利于H离子交换反应的进行。

含有多种离子的水通过强酸性H型阳树脂层时，尽管通水初期水中阳离子都参与交换，但之后由于水中Ca2+、Mg2+等高价离子已在水流的上游处被交换，并等量转为Na+，所以沿水流方向最前沿的离子交换仍是H型树脂与水中Na+的交换，即：

经H离子交换后，水中各种阳离子都被交换成H+，其中的碳酸盐转变成H2CO3，中性盐转变成相应的强酸。在生产实践中，由于树脂并未完全被再生成H型，因此运行时出水中总还残留有少量阳离子。由于树脂对Na+的选择性最小，所以出水中残留的主要是Na+。

图5-24所示的是强酸H交换器从水质正洗开始到运行失效之后的出水水质变化情况。在稳定工况下，制水阶段（ab）出水水质稳定，Na+穿透（b点）后，随出水Na+浓度升高，强酸酸度相应降低、电导率先略下降之后又上升。

图5-24　强酸H交换器出水水质变化

上述电导率的这种变化是因为尽管随Na+的升高，H+等量下降，但由于Na+的导电能力低于H+，所以共同作用的结果是水的电导率下降。当H+降至与进水中等量时，出水电导率最低。之后，由于交换产生的H+不足以中和水中的，所以随Na+和的升高，电导率又升高。因此，为了要除去水中H+以外的所有阳离子，除盐系统中强酸H交换器必须在Na+穿透时即停止运行，然后用酸溶液进行再生。

②脱除CO2。水经H离子交换后，阴离子转变成相应的酸，其中的转变成了游离CO2，连同进水中原有的游离CO2，可很容易地由除碳器除掉，以减轻OH交换器的负担，这就是在除盐系统中设置除碳器的目的。经脱碳处理后，水中游离CO2的含量一般都可降到5mg/L左右。

③除去水中阴离子的离子交换反应。在一级复床除盐系统中，强碱OH离子交换器是用来除去水中OH-以外所有阴离子的。强碱OH交换器总是设置在H交换器和除碳器之后，此时水中阴离子以酸的形式存在，因此强碱OH离子交换实质上是OH型树脂与水中无机酸根离子的交换，其交换反应为：

由于经H离子交换的出水中含有微量的Na+，因此进入强碱OH离子交换器的水中除无机酸外，还有微量的钠盐，所以还有树脂与微量钠盐进行的可逆交换，其反应为：

强碱OH型树脂对水中常见阴离子的选择性顺序为

由于强碱OH树脂对的选择性最弱，其泄漏的可能性最大。要提高强碱OH离子交换器的出水水质，就必须创造条件提高除硅效果，以减少出水中硅的泄漏，这些条件包括水质方面的和再生方面的。由上述知道，如果水中硅化合物呈NaHSiO3形式，则用强碱OH型树脂是不能将其去除完全的，因为交换反应的生成物是强碱NaOH，逆反应很强，如式（5-15）所示。如果进水中阳离子只有H+，交换反应就像式（5-22）的中和反应那样生成电离度很小的水，故除硅较完全。因此，组织好强酸H交换器的运行，减少出水中Na+泄漏量，即减少强碱OH交换器进水Na+含量，就可提高除硅效果。

（3）运行监督。

运行监督的项目主要有流量、离子交换器进出口压力差、进水水质和出水水质。

①流量和进出口压力差。离子交换器应在规定的流速范围内运行，流量大意味着流速高。离子交换器进出口压力差主要是由水通过树脂层的压力损失所决定的，水流速度越高、水温越低或树脂层越厚，则水通过树脂层的压力损失越大。在正常情况下，进出口压力差是有一定规律的。当进出口压力差有不正常升高时，则往往是有树脂层积污过多、进气或析出沉淀（如硫酸再生时析出CaSO4）等不正常情况发生。

②进水水质。进水中悬浮物应尽可能在水的预处理中清除干净。进入除盐系统的水，其浊度应<5mg/L（当H交换器为顺流再生时）或<2mg/L（当H交换器为逆流再生时）。此外，为了防止离子交换树脂氧化和被污染，还应满足以下一些条件：游离氯含量应在0.1mg/L以下，Fe含量应在0.3mg/L以下，高锰酸钾耗氧量应在2mg/L以下。

③出水水质一般情况下强酸H交换器的出水中不会有硬度，仅有微量Na+。当交换器接近失效时，出水中Na+浓度增加，同时H+浓度降低，并因此出现出水酸度和电导率下降以及pH上升的现象。

但用这三个指标来确定交换器是否失效是很不可靠的，因为当进水水质或混凝剂加入量变化时，这三个指标的值也将相应发生变化。可靠的方法还是测定出水Na+浓度，对出水Na+进行监督。

强碱OH交换器一般用测定出水SiO2含量和电导率的方法对其出水水质进行监督。

（4）离子交换器的再生。

①强酸H离子交换器的再生。强酸H离子交换器失效后，必须用强酸进行再生，可以用HCl，也可以用H2SO4。当用H2SO4再生时，再生产物中有易沉淀的CaSO4，因此再生时，应采取措施，以防止CaSO4的沉淀在树脂层中析出。

为了防止用H2SO4再生时在树脂层中析出CaSO4沉淀，可以采用以下再生方式：

a.用低浓度的H2SO4溶液进行再生。再生液浓度通常为0.5%～2.0%，这种方法比较简单，但要用大量稀H2SO4，再生时间长、自用水量大，再生效果也较差。

b.分步再生先用低浓度的H2SO4溶液以高流速通过交换器，然后用较高浓度的H2SO4溶液以较低的流速通过交换器。先用低浓度H2SO4溶液的目的是降低再生液中CaSO4的过饱和度，使它不易析出；而采用高流速的原因是因为CaSO4从过饱和到析出沉淀物常需经过一段时间，故加快流速可以防止CaSO4沉淀在树脂层中析出。

相对来说，由于HCI再生时不会有沉淀物析出，所以操作比较简单。其再生液浓度一般为2%～4%，再生流速一般为5m/h左右。

②强碱OH离子交换器的再生。失效的强碱阴树脂一般都采用NaOH再生，为了有效除硅，强碱OH交换器除了再生剂必须用强碱（NaOH、KOH）外，还必须满足以下条件：再生剂用量应充足、提高再生液温度、增加接触时间。

强碱OH交换器再生液浓度一般为1%～3%（浮动床0.5%～2%），流速一般<5m/h（浮动床4～6m/h）。

（5）技术经济指标和工艺性能曲线。离子交换器的出水水质、工作交换容量以及再生剂比耗既是离子交换树脂的主要工艺性能，又是用于评价离子交换器的技术经济指标。

①出水水质。强酸H离子交换器的出水水质是指周期平均出水Na+浓度。水Na+浓度主要取决于树脂的再生度，所以逆流再生H交换器出水Na+浓度荀阿反低，一般小于100μg/L。强碱H离子交换器出水水质是指周期平均出水SiO2浓度。GB 12145-89水汽质量标准规定一级复床出水水质为：电导率小于10μS/cm、SiO2小于100μg/L。逆流再生离子交换器的出水水质一般优于顺流再生离子交换器的出水水质。

②工作交换容量和再生剂比耗的影响。因素由前述可知，生产实际中交换器运行终点时树脂并未完全失效，失效后的树脂也并非能彻底再生。因此，凡是影响残余交换容量和影响再生效果的因素都会影响工作交换容量，也都会影响再生剂比耗。

对于强型树脂来说，再生效果的影响程度更大些。

影响强酸性阳离子交换树脂工作交换容量和再生剂比耗的因素有水质条件、运行条件、再生条件以及树脂层高度。其中水质条件包括进水离子总浓度、强酸阴离子浓度分率（强酸阴离子浓度/阴离子总浓度）、进水硬度分率（总硬度/阳离子总浓度）以及钙硬度与总硬度的比值；运行条件包括流速、水温以及失效Na+浓度；再生条件包括再生剂用量、再生流速、再生液浓度等。

上述诸因素中，再生剂用量和进水硬度分率是主要影响因素。

影响强碱性阴离子交换树脂工作交换容量和再生剂比耗的因素也是水质条件、运行条件、再生剂和再生条件以及树脂层高度等几个方面。这里的水质条件是指进水阴离子总浓度（C0）、SiO2浓度以及H2SO4酸度的浓度分率；运行条件中失效离子浓度是指SiO2的浓度；再生剂及再生条件中还包括再生剂不纯度、再生温度及再生时间等。

2.强弱型树脂联合应用的复床除盐

在这种除盐系统中，除了使用强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂之外，还使用了弱酸性阳离子交换树脂和（或）弱碱性阴离子交换树脂。

在这种除盐系统中，除了使用强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂之外，还使用了弱酸性阳离子交换树脂和（或）弱碱性阴离子交换树脂。在除盐系统中，强弱型树脂联合应用有多种组合方式，图5-25中所示的为常见的几种复床串联方式。图中表示强酸H交换器，表示弱酸H交换器，表示除碳器，表示强碱OH交换器，表示弱碱OH交换器。

图5-25　强弱型树脂联合应用的几种常见工艺流程

在上述流程中，强弱型树脂是复床形式。此外，还可以是双层床、双室双层床、双室双层浮动床的联合应用床型。

OH型弱碱树脂只能与强酸阴离子起交换作用，对弱酸阴离子交换能力很弱，对更弱的则无交换能力。而且由于树脂上的活性基团在水中离解能力很低，若水的禅值较高，则水中OH-会抑制交换反应的进行，所以弱碱树脂对强酸阴离子的交换反应也只能在酸性溶液中进行，或者说只有这些阴离子呈酸状态时才能被交换。所以，用弱碱树脂处理水时，一般都是在pH值较低的条件下进行的。

弱碱树脂具有较高的交换容量，但交换容量发挥的程度与运行时流速及水温有密切的关系，流速过高或水温过低都会使工作交换容量明显降低。

由于弱碱树脂在对阴离子的选择性顺序中，OH-居于首位，所以这种树脂极容易用碱再生成OH型。另外，大孔型弱碱树脂具有抗有机物污染的能力，运行中吸着的有机物可以在再生时被洗脱下来。所以，若在强碱阴树脂之前设置大孔弱碱树脂，既可减轻强碱阴树脂的负担，又能减轻有机物污染。

3.混合床除盐

所谓混合床就是将阴、阳树脂按一定比例均匀混合装在同一个离子交换器中，水通过混合床就能完成许多级阴、阳离子交换过程。混合床按再生方式分内部再生和外部再生两种。这里对内部再生并由强酸性树脂和强碱性树脂组成的混合床进行简要介绍。

（1）除盐原理。混合床离子交换除盐，就是把阴、阳离子交换树脂放在同一个交换器中，在运行前，先把它们分别再生成OH型和H型，然后混合均匀。所以，混合床可以看作是由许多阴、阳树脂交错排列而组成的多级式复床。

在混合床中，由于运行时阴、阳树脂是相互混匀的，所以其阴、阳离子的交换反应几乎是同时进行的。或者说，水中阳离子交换和阴离子交换是多次交错进行的，因此经H离子交换所产生的H+和经OH离子交换所产生的OH-都不会累积起来，而是马上互相中和生成H2O，这就使交换反应进行得十分彻底，出水水质很好。其交换反应可用下式表示，即：

为了区分阳树脂和阴树脂的骨架，式中将阴树脂的骨架用表示，以示区别。

混合床中树脂失效后，应先将两种树脂分离，然后分别进行再生和清洗。再生清洗后，再将两种树脂混合均匀，又投入运行。

（2）混合床中树脂。为了便于混合床中阴、阳树脂分离，两种树脂的湿真密度差应大于15%，为适应高流速运行的需要，混合床使用的树脂应该是机械强度高、颗粒大小均匀的。

确定混合床中阴、阳树脂比例的原则是使两种树脂同时失效，以获得树脂交换容量的最大利用率。由于不同树脂的工作交换容量不同，进水水质条件和对出水水质要求的差异，所以应根据具体情况确定混合床中阴、阳树脂的比例，一般来说，混合床中阳树脂的工作交换量为阴树脂的2～3倍。目前国内采用的混床的强碱阴树脂与强酸阳树脂的体积比通常为2：1。

（3）运行操作。由于混床是将阴、阳树脂装在同一个离子交换器中运行的，所以在运行上有许多特殊的地方。下面讨论一个周期中各步操作。

①反洗分层。混合床除盐装置运行操作中的关键问题之一，就是如何将失效的阴阳树脂分开，以便分别通人再生液进行再生。在实际生产中，目前大都是用水力筛分法对阴阳树脂进行分层。由于阴树脂的密度较阳树脂小，分层后阴树脂在上，阳树脂在下。

②再生。这里只介绍内部再生法。此法就是树脂在离子交换器内进行再生的方法。根据进酸、进碱和清洗步骤的不同，可分为两步法和同时再生法，这里仅以两步法为例进行介绍。

两步法即指再生时酸、碱再生液不是同时进入交换器，而是分先后进入。它又分为碱液流过阴、阳树脂的两步法和碱、酸先后分别通过阴、阳树脂的两步法。

在大型装置中，一般采用后者，其操作过程如图5-26所示。

图5-26　混合床两步再生法示意图

（a）阴树脂再生；（b）阴树脂清洗；（c）阳树脂再生，阴树脂清洗；（d）阴、阳树脂各自清洗；（e）正洗

其具体做法是在反洗分层后，放水至树脂表面上约L00mm处，从上部送入碱液再生阴树脂，废液从阴、阳树脂分界处的中排管排出，接着按同样的流程清洗阴树脂，直至排水的OH-降至0.5 mmol/L以下。然后，由底部进酸再生阳树脂，废液也由中排管排出。同时，为防止酸液进入已再生好的阴树脂层中，需继续自上部通以小流量的水清洗阴树脂。阳树脂的清洗流程也和再生时相同，清洗至排水的酸度降到0.5 mmol/L以下为止。最后进行整体正洗，即从上部进水底部排水，直至出水电导率小于1.5μS/cm为止。在正洗过程中，有时为了提高正洗效果，可以进行一次2～3min的短时间反洗，以消除死角残液。

③阴、阳树脂的混合。树脂经再生和清洗后，在投入运行前必须将分层的树脂重新混合均匀。通常用从底部通人经除油净化的压缩空气的办法搅拌混合。压缩空气压力一般采用0.1～0.15MPa，流量为2.0～3.0m3/（）。混合时间主要视树脂是否混合均匀为准，一般为0.5～1.0min，时间过长会增加树脂磨损。

④正洗。混合后的树脂，还要用除盐水以10～20m/h的流速正洗，直至出水合格。

⑤制水。混合床的运行制水与普通固定床相同，只是它可以采用更高的流速，通常对凝胶型树脂可取40～60m/h，如用大孔型树脂可高达l00m/h以上。

混合床的运行失效标准，通常是按规定的失效水质标准来估算运行时间或产水量。此外，也有按进出口压力差控制的。

（4）混合床运行的特点。

①优点。出水水质优良；出水水质稳定；间断运行对出水水质影响较小；终点明显；混床设备较少。

②缺点。树脂交换容量的利用率低；树脂损耗率大；再生操作复杂，需要的时间长；为保证出水水质，常需投入较多的再生剂。