離子交換器

1　名詞解釋

　　離子交換器

　　軟化器即為鈉離子交換器，離子交換器分為：鈉離子交換器、陰陽(yáng)床、混合床等種類。離子交換柱(器)外殼一般采用硬聚氯乙烯(PVC)、硬聚氯乙烯復(fù)合玻璃鋼(PVC-FRP)、有機(jī)玻璃(PMMA)、有機(jī)玻璃復(fù)合透明玻璃鋼(PMMA-FRP)、鋼襯膠(JR)、不銹鋼襯膠等材質(zhì)。[1]

　　用途

　　離子交換器主要用于純水和高純水的制備，在醫(yī)藥、化工、電子、涂裝、飲料及中高壓鍋爐給水等諸多工領(lǐng)域中已有十分廣泛的應(yīng)用。[1]用于鍋爐、熱電站、化工、輕工、紡織、醫(yī)藥、生物、電子、原子能及純水處理的前道處理，工業(yè)生產(chǎn)所需進(jìn)行硬水軟化、去離子水制備的場(chǎng)合，還可用于食品藥物的脫色提純，貴重金屬、化工原料的回收，電鍍廢水的處理等。

2　組成分類

　　動(dòng)軟化器即為鈉離子交換器，主要用于鍋爐、熱電站、化工、輕工、紡織、醫(yī)藥、生物、電子、原子能及純水處理的前道處理。

　　混床是將陰陽(yáng)離子交換樹脂按一定混合比例裝填在同一個(gè)離子交換器內(nèi)，由于混合離子交換后進(jìn)入水中的H離子與OH離子立即生成電離度很低的水分子，可以使交換反應(yīng)進(jìn)行得十分徹底?；齑惨话阍O(shè)置于一級(jí)復(fù)床之后，對(duì)水質(zhì)的進(jìn)一步純化處理。當(dāng)水質(zhì)要求不高時(shí)，也可以單獨(dú)使用。

　　陰陽(yáng)床

　　陰陽(yáng)離子交換床也就是復(fù)床，它是由陽(yáng)、陰離子交換器串聯(lián)使用，達(dá)到水的除鹽的目的。

　　混合床

　　混床是把陰陽(yáng)離子交換樹脂按一定混合比例裝填在同一個(gè)離子交換器內(nèi)，因?yàn)榛旌想x子交換后進(jìn)入水中的H離子與OH離子立即生成電離度很低的水分子，能使交換反應(yīng)進(jìn)行得十分徹底?；齑惨话阍O(shè)置一級(jí)復(fù)床之后，對(duì)水質(zhì)進(jìn)一步純化處理。當(dāng)水質(zhì)要求不高的時(shí)候，也可以單獨(dú)使用。

　　鈉離子交換器

　　鈉離子交換器即軟化器是用于去除水中鈣離子、鎂離子，制取軟化水的離子交換器。組成水中硬度的鈣、鎂離子與軟化器中的離子交換樹脂進(jìn)行交換，水中的鈣、鎂離子被鈉離子交換，使水中不易形成碳酸鹽垢及硫酸鹽垢，從而獲得軟化水。

　　有機(jī)玻璃

　　有機(jī)玻璃離子交換裝置耐腐蝕、無色透明、適用于食品、醫(yī)藥、制糖及電子工業(yè)小規(guī)模純水制備。碳鋼襯膠離子交換裝置具有制水量大、強(qiáng)度高、成本低等特點(diǎn)，適用于大型鍋爐軟化水及大規(guī)模純水制備。

　　純凈水是普通水經(jīng)過電滲析，使水中原有的礦物質(zhì)含量極大的降低，同時(shí)消毒滅菌，這樣的水就成為了“純凈水”。

3　典型工藝流程

　　電滲析工程典型工藝流程：

　　1.苦咸水淡化、地下水除氟

　　原水→101過濾器→精密過濾器→電滲析裝置→中空纖維超濾器→紫外線殺菌器→成品水

　　2.飲用純凈水、太空水生產(chǎn)

　　原水→機(jī)械過濾器→活性炭過濾器→精密過濾器→電滲析裝置→陽(yáng)離子交換器→陰離子交換器→混合離子交換器→中空纖維超濾器→紫外線殺菌器→臭氧滅菌裝置→成品水

　　3.制藥行業(yè)針劑制備、大輸液制備用水

　　原水→活性炭過濾器→精密過濾器→電滲析裝置→陽(yáng)離子交換器→陰離子交換器→混合離子交換器→多效蒸餾水機(jī)→成品水

　　4.化肥、機(jī)械行業(yè)用水

　　原水→機(jī)械過濾器→精密過濾器→電滲析裝置→陽(yáng)離子交換器→脫氣塔→陰離子交換器→成品水

　　純凈水的消毒，推薦使用“臭氧”，臭氧消毒后，沒有殘留物

4　工作原理

　　工作原理就是離子的交換。

　　運(yùn)行時(shí)：陽(yáng)樹脂(H-R)+(M+)-->：(M-R)+(H+)

　　陰樹脂(OH-R)+(X-)-->：(X-R)+(OH-)

　　其中M+為金屬離子，X-為陰離子。

　　再生過程為其逆過程。

　　離子交換器的失效控制

　　離子交換除鹽水處理最簡(jiǎn)單的流程為陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)床與陽(yáng)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(yáng)樹脂對(duì)水中各種陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)離子,R為樹脂基團(tuán)）：

　　An++nRH=RnA+nH+

　　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(yáng)床-一陰-二陰-混床-精濾-純水罐，系統(tǒng)產(chǎn)水能力為5t/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。

　?。?）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。

5　常見故障

　　常見故障及解決方法：

　　離子交換器在環(huán)境介質(zhì)的作用下會(huì)引起破壞和變質(zhì)，即我們常說的腐蝕。離子變壓器腐蝕的形態(tài)，可分為全面（均勻）腐蝕和局部腐蝕兩大類。前者較均勻的發(fā)生在設(shè)備的全部表面，后者只是發(fā)生在局部，例如孔蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕破裂、腐蝕疲勞、氫腐蝕破裂、磨損腐蝕、脫層腐蝕等，特別是石油、化工行業(yè)以及海洋大氣環(huán)境尤為突出。

　　針對(duì)離子交換器腐蝕的問題，頻繁更換設(shè)備部件是企業(yè)通常采用的方法，但設(shè)備受材質(zhì)及加工工藝等方面的影響，價(jià)值普遍較高。當(dāng)下針對(duì)離子交換器腐蝕問題逐步引進(jìn)高分子復(fù)合材料實(shí)施表面有機(jī)涂層的方法，其中最為成熟的是美嘉華技術(shù)體系。其具有良好的耐化學(xué)性能及優(yōu)異的力學(xué)性能和粘接性能，與傳統(tǒng)的壓力容器焊接修補(bǔ)相比，具有施工簡(jiǎn)便、成本低、修復(fù)效果好的特點(diǎn)。