离子交换法：在循环冷却水处理中的应用

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：在缺水地区设计大型的循环冷却水处理系统时可考虑离子交换法。离子交换法就是让水通过离子交换树脂，将Ca2+、Mg2+从水中置换出来并结合在树脂上，达到从水中除去Ca2+、Mg2+的目的。弱酸H-Na离子交换系统中的COOH基团对水中碳酸盐硬度有较强的交换能力，可以除去水中的碳酸盐硬度，含盐量相应降低。通过再生后，饱和失效的交换树脂又恢复为钠型阳离子交换树脂。

在缺水地区设计大型的循环冷却水处理系统时可考虑离子交换法。离子交换法就是让水通过离子交换树脂，将Ca²⁺、Mg²⁺从水中置换出来并结合在树脂上，达到从水中除去Ca²⁺、Mg²⁺的目的。

（1）采用带有弱酸性阳离子交换树脂软化循环冷却水的补充水用弱酸性阳离子树脂处理冷却水的补充水，不仅可以除去水中的碱度，而且还可以除去碳酸盐硬度，可以同时达到进行脱碳和部分除盐两种目的。由于弱酸性阳离子树脂的交换容量比强酸性阳离子树脂的大得多，而且容易置换与重碳酸根相结合的阳离子，不能分解中性盐，所以对于硬度和碱度相等的原水，采用弱酸性阳离子树脂最合适。经处理后除去水中大部分硬度，总含盐量和碱度同时也得到降低，形成的CO₂可在除碳器或冷却塔内除去。

弱酸性阳离子树脂的活性基团是羧酸基COOH，对水中碳酸盐硬度有较强的交换能力，其交换反应为：

反应中产生了H₂O并伴有CO₂气体逸出，促使了树脂上可交换的H⁺继续离解，并和水中Ca²⁺、Mg²⁺进行交换反应。

弱酸型阳离子树脂再生剂可以是HCl、H₂SO₄，也可以是H₂CO₃，再生剂的比耗一般为1.05～1.10；失效的弱型阳离子树脂很容易再生，不论再生方式如何，都能得到较好的再生效果。

例如，我国某2×300MW火电厂，设计循环冷却水水源为城市污水处理厂二级出水，进水最大流量1490m³/h，主体处理工艺采用了MBR膜生物反应器加弱酸离子交换的处理模式。MBR膜生物反应器的主要设施为膜池和膜箱，如图4-6所示。

通过设在膜池中的膜箱置入超滤膜组件，构成MBR膜生物反应器。运行过程中，膜池中充满含有好氧活性污泥的来水，好氧活性污泥具有泥龄长和污泥浓度高的特点，对原水中的有机物、氨氮，以及COD_Cr和BOD₅都有去除能力，而MBR超滤膜则可去除水中大部分的悬浮物、细菌和SS。

图4-6 MBR膜生物反应器

弱酸离子交换系统一般采用丙烯酸D113弱酸离子交换树脂与Na型树脂组成弱酸H-Na离子交换系统，如图4-7所示。

图4-7 弱酸H-Na离子交换系统

弱酸阳离子树脂交换后不会产生强酸，出水酸度很低，工作交换容量大，出水水质变化缓慢，易于调节，加之弱酸H型树脂失效后，很容易再生，酸耗低，约为理论量的110%，因此较经济，是一种比较理想的水质软化系统。

弱酸H-Na离子交换系统中的COOH基团对水中碳酸盐硬度有较强的交换能力，可以除去水中的碳酸盐硬度，含盐量相应降低。

由于弱酸性阳离子树脂对Ca²⁺、Mg²⁺的去除能力很强，使得能在水中形成沉淀的Ca²⁺、Mg²⁺含量大幅降低，水中未被去除的阴离子（如Cl^-和）可以发生产生强酸（如HCl和H₂SO₄）的反应，使弱酸系统出水呈弱酸性，对设备的金属器壁产生腐蚀性危害。解决办法可根据系统特点，采用调节pH方式，确保出水pH在7.0～8.5。具体可采用以下办法解决：

①脱气：由于出水含有大量游离CO₂，会使水的pH降低到酸性范围内。可设置除碳器，利用鼓风脱气方式除去水中游离CO₂。

②离子交换器交错运行：由于弱酸H-Na离子交换系统的出水在一个制水周期的不同阶段其pH是不同的，投运初期显酸性，运行末期显碱性。因此合理调度各台交换器的运行，使其处于不同的运行阶段，使系统总出水pH控制在一定范围内。

③部分弱酸处理：采用一部分水经弱酸H-Na离子交换系统处理，其余的水不经处理，利用原水中的碱度中和弱酸H-Na离子交换系统出水的酸度，将混合水作为循环水系统的补充水，调节水的pH在7.0～8.5。

采用上述办法后，可以使用经过污水处理厂处理后的城市中水作为循环冷却水的补充水源。经MBR膜生物反应器处理后，与进水相比，NH₃-N的去除率达92%，粪大肠菌群的去除率99.999%，COD_Cr、BOD₅去除率67%，浊度的去除率为87.5%，出水的浊度小于0.5NTU，SS去除率96.6%，出水SS≤1.0mg/L，DS≤3mg/L，[Ca²⁺]＜10mg/L，[Mg²⁺]＜2mg/L，[Cl^-]＜100mg/L。去除效果较好，使最终的出水符合循环冷却水水质标准。

采用弱酸性阳离子树脂处理循环水的补充水，优点是交换容量大、易于再生，并且酸耗低，循环水浓缩倍率高。不足之处是与石灰沉淀法相似，投资费用较大，但是从长远观点考虑，从节约用水角度考虑，选用弱酸性阳离子树脂处理循环水的补充水是较为经济的。

（2）采用钠型阳离子交换树脂软化循环冷却水的补充水补充水通过交换树脂，其中的Ca²⁺、Mg²⁺等二价阳离子与Na⁺交换，并与树脂结合，从而从水中除去Ca²⁺、Mg²⁺等，使水软化。当树脂失去交换能力时，就要停止软化操作，并通进食盐水（NaCl）使之再生。如此软化、再生交替进行。其软化反应如下。

上述反应，生成含有Na⁺的软化水。当钠型阳离子交换树脂饱和失效后的再生反应如下。

通过再生后，饱和失效的交换树脂又恢复为钠型阳离子交换树脂。

离子交换法：在循环冷却水处理中的应用

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