水的软化与除盐工艺设计实践

2023-08-30 理论教育版权反馈

【摘要】：水的软化目的是降低水的硬度。经石灰处理后，水的剩余碳酸盐硬度可降低0.25～0.5mmol/L，剩余碱度约0.8～1.2mmol/L，硅化合物可去除30%～35%，有机物可去除25%，铁残留量约0.1mg/L。阳离子交换树脂可以用于水的软化或脱碱软化，阴、阳离子配合一起则用于水的除盐。离子交换的软化方法目前常用的有Na离子交换法、H离子交换法和H-Na离子交换法等。

水的软化目的是降低水的硬度。目前水的软化处理主要有下面几个方法：一是基于溶度积原理，加入某些药剂，把水中钙、镁离子转变成难溶化合物使之沉淀析出，这一方法称为水的药剂软化或沉淀软化法；二是基于离子交换原理，利用某些离子交换剂所具有的阳离子（Na⁺或H+）与水中钙、镁离子进行交换反应，达到水软化的目的，称为水的离子交换软化法；此外，还有基于电渗析原理，利用离子交换膜的选择性，在外加直流电场作用下，通过离子的迁移，在进行水的局部除盐的同时，达到软化的目的。

水的除盐（海水淡化或咸水淡化）主要方法有蒸馏法、反渗透法和电渗析法等。

1.水的药剂软化法

（1）石灰软化石灰软化主要是降低水中的碳酸盐硬度以及降低水的碱度。但过量投加石灰，反而会增加水的硬度。石灰软化往往与混凝同时进行，有利于混凝沉淀。

经石灰处理后，水的剩余碳酸盐硬度可降低0.25～0.5mmol/L，剩余碱度约0.8～1.2mmol/L，硅化合物可去除30%～35%，有机物可去除25%，铁残留量约0.1mg/L。

石灰软化也可以与钠离子交换法联合使用，用于原水的碳酸盐硬度较高且要求深度软化的情况，这时石灰软化可作为钠离子交换法的预处理。

（2）石灰-苏打软化此方法是在水中同时投加石灰和苏打（Na₂CO₃）。此时，石灰用于降低水的碳酸盐硬度，苏打用于降低水的非碳酸盐硬度。软化水的剩余硬度可降低0.15～0.2mmol/L。该法适用于硬度大于碱度的水。

2.离子交换软化方法

（1）离子交换基本原理水处理用的离子交换剂有离子交换树脂和磺化媒两类。离子交换树脂按其结构特征，可分为凝胶型、大孔型等孔型；根据其单体种类，可分为苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等；根据其活性基团（亦称交换基或官能团）性质，可以分为强酸型、弱酸型、强碱型和弱碱型，前两种带有酸性活性基团，称为阳离子交换树脂，后两种带有碱性活性基团，称为阴离子交换树脂。阳离子交换树脂可以用于水的软化或脱碱软化，阴、阳离子配合一起则用于水的除盐。磺化媒为兼有强酸性和弱酸性两种活性基团的阳离子交换剂。

（2）离子交换的软化方法目前常用的有Na离子交换法、H离子交换法和H-Na离子交换法等。

1）Na离子交换法：Na离子交换是最简单的一种软化方法，其反应如下：

2RNa+Ca（HCO₃）2=R₂Ca+2NaHCO₃

2RNa+CaSO₄=R₂Ca+NaSO₄

2RNa+MgCl=R₂Mg+2NaCl

该法优点是处理过程中不产生酸性水，再生剂为食盐，设备和管道防腐设施简单。

2）H离子交换法：强酸性H型离子交换树脂的软化反应如下：

2RH+Ca（HCO₃）₂=R₂Ca+2CO₂+2H₂O

2RH+Mg（HCO₃）₂=R₂Mg+2CO₂+2H₂O

2RH+CaCl₂=R₂Ca+2HCl

2RH+MgSO₄=R₂Mg+H₂SO₄

由上可见，原水中碳酸盐硬度在交换过程中形成碳酸，因此除了软化外还能去除碱度。非碳酸盐硬度在交换过程中，除软化外生成相应的酸。由于H离子交换出水经常为酸性，一般总是和Na离子交换联合使用，或与其他措施（如加碱中和）相结合。

3）H-Na离子交换法：同时应用H和Na离子交换进行软化的方法根据两者的连接情况可分为H-Na并联和H-Na串联离子交换法。

4）离子交换软化装置：离子交换装置按照运行方式的不同可分为固定床和连续床两大类，在操作过程中，树脂不往外输送，所以称之为固定床。连续床有移动床和流动床两种，都是与固定床相对而言，并在固定床基础上发展起来的。

固定床依照原水与再生液的流动方向，又可分为两种形式：原水与再生液分别从上而下以同一方向流经离子交换器的，称为顺流再生固定床；原水与再生液流向相反的，称为逆流再生固定床。

（3）离子交换软化系统的选择

1）Na离子交换软化一般用于原水碱度低，只需进行软化的场合，可用作低压锅炉的给水系统。用其处理的水质碱度不变，去除了硬度，但蒸发残渣反而略有增加。该系统的局限性在于，在原水硬度高、碱度较大的情况下，单靠这种软化处理难以满足要求。

2）H离子交换不单独自成系统，多与Na离子交换联合使用。

3）H-Na离子交换脱碱软化系统适用于原水硬度高、碱度大的情况。该系统分为并联和串联两种形式。

3.离子交换除盐方法

阴离子交换树脂通常是在高分子化合物母体的最后处理阶段导入伯胺、仲胺或叔胺基团而构成的。由于阴树脂所具有的活性基团均呈碱性，所以称为碱性基团。根据基团碱性的强弱，又区分为强碱性和弱碱性两类。

（1）强碱树脂除盐工艺特性在水的除盐过程中，经H离子交换的出水含有各种强酸、弱酸阴离子，这些离子的去除则有赖于强碱性阴离子交换树脂。强碱树脂的选择性顺序一般为

SO₄^2->NO₃^->Cl^->F->HCO₃^->HSiO₃^-

在交换过程中，SO42-能置换出先前吸附了的Cl^-，而Cl^-又能置换出先前吸附了的弱酸阴离子。

（2）弱碱树脂除盐工艺特性弱碱树脂只能与强酸阴离子起交换反应，而不能吸附弱酸阴离子。并且由于树脂上的活性基团在水中离解能力很低，若水的pH值高了，则水中OH-会抑制交换反应的进行，所以弱碱树脂对强酸根的交换反应也只有在这些强酸根呈酸的形态时才能进行。

弱碱树脂极易用碱再生。作为再生剂，可用NaOH，也可用NaHCO₃、Na₂CO₃或NH₄OH，碱比耗值只需理论值的1.2倍。弱碱树脂交换容量高于强碱树脂。此外，弱碱树脂抗有机物污染能力较强，若在强碱阴床之前，设置弱碱阴床，既可减轻强碱树脂的负荷，又能保护其不受有机物的污染。

（3）复床除盐复床系指阳、阴离子交换器串联使用，达到水的除盐的目的。复床除盐的组成方式有以下几种：

1）强酸-脱气-强碱系统：该系统由强酸阳床、除二氧化碳器和强碱阴床组成。进水先通过阳床，去除Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺等阳离子，出水为酸性水，随后通过除二氧化碳器以去除CO2，最后由阴床去除水中的SO₄^2-、Cl^-、HCO₃^-、HSiO₃^-等阴离子。为了减轻阴床的负荷，除二氧化碳器设置在阴床之前，水量很小或进水碱度较低的小型除盐装置可省去脱气措施。

2）强酸-脱气-弱碱-强碱系统：该系统适用于原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况。弱碱树脂用于去除强酸阴离子，强碱树脂主要用于除硅。NaOH作为再生液先用来再生强碱树脂，然后再生弱碱树脂。除二氧化碳器设置在阴床前面，以便于强碱阴床与弱碱阴床串联再生。

（4）混合床除盐阴、阳离子混合在一起的离子交换器称为混合床。由于混合床中阴、阳树脂紧密交替接触，好像有许多阳床和阴床串联在一起，构成无数微型复床，反复进行多次脱盐，因而出水纯度高。

混合床的缺点主要是，再生时阴、阳树脂很难彻底分层，特别是当有部分阳树脂混杂在阴树脂层时，经碱液再生，这一部分阳树脂转为Na型，造成运行后Na+泄漏，即所谓交叉污染。另外，混合床对有机物污染很敏感。

（5）树脂的污染与复苏处理

1）树脂的污染：主要是由于进水中的悬浮物、微生物、各种无机物和有机物所致。污染的主要标志是：树脂工作交换容量下降，颜色变深，出水水质恶化。

阳树脂的污染主要来自无机物，特别是Al3+、Fe3+等金属离子，这些离子与阳树脂之间的静电作用极强，使树脂上一部分活性基团转变成Al型和Fe型，导致工作交换容量逐渐减小。

天然水中的有机物对强碱阴树脂的污染主要是以范德华力为主的物理吸附，用通常NaOH再生方法难以洗脱。此外，吸附在阴树脂上的胶体二氧化硅，用NaOH再生洗脱亦比较困难，而在运行中又会因不断水解而泄漏，导致出水漏硅提前。而铁、铝、铜等金属离子可能与其他无机离子或有机物生成复杂的络合物，并以阴离子形态交换吸附到阴树脂上，使树脂性能显著下降。

2）树脂污染后的复苏处理：受无机阳离子污染的阳树脂通常用盐酸酸洗处理，必要时，可辅以压缩空气擦洗。受有机物污染的阳树脂可用5%NaOH溶液进行处理。提高再生液的温度可增大有机物的洗脱率。

硅污染的阴树脂可用过量的碱再生液进行再生。将受铁、铝等金属离子污染的阴树脂浸泡在含10%～15%HCl的高浓度溶液中约12h，可获得较好的除铁效果。用碱性氯化钠混合复苏液（4%NaOH+10%NaCl）处理受有机物污染的强碱阴树脂，复苏效果较为理想。

4.蒸馏除盐方法

蒸馏法除盐是使海水（咸水）受热汽化，再使蒸汽冷凝而得到淡水的一种方法，常用的方法包括多效蒸发、多级闪蒸等。

（1）多效蒸发在密闭的容器内装有纯水，当容器内压力等于或低于与水温相应的蒸汽压时，水即沸腾而汽化。为了提高热效能，将多个蒸发器串联操作，称为多效蒸发。蒸发器串联的个数称为效数。以三效蒸发流程为例：海水进入一效蒸发器，由加热蒸汽（100℃）把海水加热到95℃，在容器内压力保持83kPa下，海水即沸腾，产生的蒸汽（95℃，即二次蒸汽）引入二效蒸发器，作为加热蒸汽使用，经过预热的海水也被引入二效蒸发器再次进行蒸发，在器内，海水在90℃下不断沸腾（压力保持在68.8kPa），产生的蒸汽（90℃）又进入三效蒸发器用于加热，在压力56.8kPa下，海水生成的蒸汽（85℃）引入冷凝器结成淡水。所以，实现多效蒸发，必须是后一效蒸发器的操作压力低于前一级，否则不存在传热温度差，蒸发无法进行。多效蒸发的优点主要是不受水的含盐量的限制，适用于废热利用的场合；其缺点是设备费用高，防腐要求高，结垢危害较严重。

（2）多级闪蒸多级闪蒸是针对多效蒸发结垢较严重而改进的一种新的蒸馏方法。预热海水经蒸汽加热后，进入第一级闪蒸室，由于室内压力相对较低，海水急速汽化，产生的蒸汽在冷海水管道外冷凝而成为淡水，而冷海水在管内被预热。这样加热的海水依次引入压力逐级降低的闪蒸室中，逐渐进行闪蒸与冷凝，至最末级，浓海水即行排放。闪蒸所需热量由加热海水本身的温度降低来提供。多级闪蒸的优点是适用于淡化海水，可利用低位热能或废热，由于加热面与蒸发面分开，结垢危害较轻，适用于大型淡化装置；其缺点是海水循环量大，浓缩比较低。

5.反渗透除盐方法

目前用于除盐的反渗透膜主要有醋酸纤维素（CA）膜和芳香族聚酰胺膜两大类。CA膜具有不对称结构，其表皮层结构致密，孔径0.8～1.0mm，厚约0.25μm，起脱盐的关键作用。表皮层下面为结构疏松、孔径为100～400nm的多孔支撑层，在其间还夹有一层孔径约20nm的过渡层。CA膜反渗透装置适用于含盐量在10000mg/L以下的苦咸水的淡化。进水含盐量超过10000mg/L，可采用复合膜反渗透装置。如出水水质要求达到除盐水或纯水的水平，应采用反渗透-离子交换联合除盐系统。在此情况下，反渗透主要用于去除水中胶体、微粒、二氧化硅、高分子有机物以及大部分溶解盐类，以减轻离子交换负荷，延长其运行周期，并降低酸、碱耗量。

目前反渗透装置有板框式、管式、卷式和中空纤维式四种类型。

反渗透法工艺流程由预处理、膜分离以及后处理三部分组成。预处理要求进水水质达到规定指标，并且应加酸调节进水pH值到5.5～6.2之间，以防止某些溶解固体沉积膜面而影响产水量。根据生产用水的使用要求，后处理方法有调整pH、杀菌、终端混床、微孔过滤或超滤等工序。

反渗透布置系统有单程式、循环式和多段式。在单程式系统中，原水一次经过反渗透器处理，水的回收率较低。循环式系统有一部分浓水回流重新处理，可提高水的回收率，但淡水水质有所降低。多段式系统可充分提高水的回收率，用于产水量大的场合，膜组件逐段减少是为了保持一定流速以减轻膜表面浓差极化现象。

6.电渗析软化与除盐方法

电渗析法是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使水中阴、阳离子作定向迁移，从而达到离子从水中分离的一种物理化学过程。

图1-4-4为电渗析原理示意图。在阴极与阳极之间，将阳膜与阴膜交替排列，并用特制的隔板将这两种膜隔开，隔板内有水流的通道。进入淡室的含盐水在两端电极接通直流电源后即开始了电渗析过程，水中阳离子不断透过阳膜向阴极方向迁移，阴离子不断透过阴膜向阳极方向迁移，结果是含盐水逐渐变成淡化水。而进入浓室的含盐水，由于阳离子在向阴极方向迁移中不能透过阴膜，阴离子在向阳极方向迁移中不能透过阳膜，于是，含盐水却因不断增加由邻近淡室迁移透过的离子而变成浓盐水。这样，在电渗析器中，组成了淡水和浓水两个系统。

图1-4-4 电渗析原理示意图

水的软化与除盐工艺设计实践

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