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超純水離子交換除鹽水處理器的失效控制（一）
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來源：何將軍 ​(中國(guó)生物技術(shù)集團(tuán)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)：2062
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摘要：介紹以一級(jí)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(cè)和控制方法，并提出改進(jìn)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(jiǎn)單的流程為 陽床-陰床 組成的一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)。有的一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用單元制，即每套一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)包括 陽床、（除碳器）、陰床各一臺(tái)，在離子交換除鹽運(yùn)行過程中，無論是陽床還是陰床先失效，都是同時(shí)再生；還有的一級(jí)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(yùn)行的，哪一臺(tái)交換器失效就再生哪一臺(tái)。1 檢測(cè)和控制原理強(qiáng)酸性陽樹脂對(duì)水中各種陽離子的吸附順序?yàn)椋篎e3+>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(dāng)離子交換時(shí)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(dāng)保護(hù)層穿透時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)的；其反應(yīng)方程為（A代表金屬陽離子,R為樹脂基團(tuán)）：An+ +nRH=RnA+n H+
HCO3- + H+ =H2O+CO2↑強(qiáng)堿性陰樹脂對(duì)水中各種陰離子的吸附順序?yàn)椋篠O42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以當(dāng)離子交換時(shí)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(dāng)保護(hù)層穿透時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)的；其反應(yīng)方程為（B代表酸根陰離子，R為樹脂基團(tuán)）：Bm- +mROH=RmB+mOH-2 控制點(diǎn)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(diǎn)，我們?cè)谘芯恐兄饕懻撘赃@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(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(gè)運(yùn)行周期中的部分?jǐn)?shù)據(jù)：表1 一陰運(yùn)行周期中的部分?jǐn)?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4.991.1陽-1.1陰3.001.1陽-1.1陰4.471.1陽-1.1陰3.051.1陽-1.1陰3.591.1陽-1.1陰3.091.1陽-1.1陰3.301.1陽-1.1陰2.571.1陽-1.1陰3.271.1陽-1.1陰2.221.1陽-1.1陰3.261.1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3.152.1陽-1.1陰3.521.1陽-1.1陰2.892.1陽-1.1陰3.441.1陽-1.1陰3.802.1陽-1.1陰2.281.1陽-1.1陰3.822.1陽-1.1陰2.161.1陽-1.1陰3.682.1陽-1.1陰2.031.1陽-1.1陰3.132.1陽-1.1陰5.121.1陰失效以上數(shù)據(jù)均為車間實(shí)際運(yùn)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(jí)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(cè)報(bào)告，我們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（25度，不間斷運(yùn)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(duì)各有機(jī)溶質(zhì)的去除率大于NF膜。（2）不同有機(jī)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(duì)乙酸的吸光度去除率分別為95.34%、81.45%，而對(duì)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(jí)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(diǎn)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(shí)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(dāng)出水水質(zhì)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)（如b點(diǎn)）時(shí)就可以投入運(yùn)行。所以，在ba段運(yùn)行期間，陽床出水呈酸性，而且基本呈緩慢變化趨勢(shì)。運(yùn)行至a點(diǎn)時(shí)，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(qiáng)酸性離子交換器必須在有鈉泄漏時(shí)停止運(yùn)行(一般此時(shí)出水的酸度接近中性)，并進(jìn)行再生，如圖1的a點(diǎn)位置，此點(diǎn)為鈉離子穿透點(diǎn)。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(jí)，所以陰離子交換器的水質(zhì)變化分兩種情況：
① 陽床正常運(yùn)行時(shí),陰床先失效時(shí)的陰床出水水質(zhì)
陰床出水水質(zhì)見圖2，b 點(diǎn)以前幾條曲線迅速下降，表明再生后正洗時(shí)，水中雜質(zhì)迅速下降直至達(dá)到運(yùn)行的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，ba區(qū)間為穩(wěn)定交換運(yùn)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(jì)）為20-50μg/L。運(yùn)行至a點(diǎn)后，陰床開始失效，但陽床仍在正常運(yùn)行。此時(shí)，陰床由于酸泄漏，故PH值下降；與此同時(shí)，陰床出水中的硅含量和電導(dǎo)率增加。
② 陽床先失效時(shí), 陰床出水水質(zhì)
如圖3復(fù)床系統(tǒng)運(yùn)行到a點(diǎn)，陽床開始失效，但陰床仍在正常運(yùn)行。此時(shí)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(duì)強(qiáng)堿性陰樹脂對(duì)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(shí)陰床出水水質(zhì)4 結(jié)論和改進(jìn)方法(1)當(dāng)陽床接近失效時(shí)，水中Na+的含量逐漸增加，從而影響陰離子交換器，在對(duì)純化水水質(zhì)要求不是很高時(shí)（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(jí)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(jìn)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(duì)OH-較敏感，因此在對(duì)于對(duì)將硅作為非檢測(cè)項(xiàng)目的行業(yè)（如醫(yī)藥行業(yè)等），可以通過檢測(cè)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(shí)踐證明：采用 雙陰床+混床 的離子交換系統(tǒng)對(duì)于控制硅泄漏十分有效。
參考文獻(xiàn)[1] 《中國(guó)生物制品規(guī)程》2000版
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