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)、有機玻璃(PMMA)、有機玻璃復(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)所需進行硬水軟化、去離子水制備的場合，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。

　　混床是將陰陽離子交換樹脂按一定混合比例裝填在同一個離子交換器內(nèi)，由于混合離子交換后進入水中的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)進行得十分徹底?；齑惨话阍O(shè)置于一級復(fù)床之后，對水質(zhì)的進一步純化處理。當(dāng)水質(zhì)要求不高時，也可以單獨使用。

　　陰陽床

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

　　混合床

　　混床是把陰陽離子交換樹脂按一定混合比例裝填在同一個離子交換器內(nèi)，因為混合離子交換后進入水中的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)進行得十分徹底?；齑惨话阍O(shè)置一級復(fù)床之后，對水質(zhì)進一步純化處理。當(dāng)水質(zhì)要求不高的時候，也可以單獨使用。

　　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。

　　有機玻璃

　　有機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、強度高、成本低等特點，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→機械過濾器→活性炭過濾器→精密過濾器→電滲析裝置→陽離子交換器→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→陽離子交換器→陰離子交換器→混合離子交換器→多效蒸餾水機→成品水

　　4.化肥、機械行業(yè)用水

　　原水→機械過濾器→精密過濾器→電滲析裝置→陽離子交換器→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。

　　運行時：陽樹脂(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單的流程為陽床-陰床組成的一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)。有的一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用單元制，即每套一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)包括陽床、（除碳器）、陰床各一臺，在離子交換除鹽運行過程中，無論是陽床還是陰床先失效，都是同時再生；還有的一級復(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)運行的，哪一臺交換器失效就再生哪一臺。

　　1檢測和控制原理

　　強酸性陽樹脂對水中各種陽離子的吸附順序為：Fe3+>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)保護層穿透時，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）：

　　An++nRH=RnA+nH+

　　HCO3-+H+=H2O+CO2↑

　　強堿性陰樹脂對水中各種陰離子的吸附順序為：SO42->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)保護層穿透時，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）：

　　Bm-+mROH=RmB+mOH-

　　2控制點和控制方法

　　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，我們在研究中主要討論以這種結(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)點對系統(tǒng)進行失效控制。

　　（1）RO對各有機溶質(zhì)的去除率大于NF膜。（2）不同有機溶質(zhì)的去除率不相同，有的甚至相差很大（例如，RO和NF膜對乙酸的吸光度去除率分別為95.34%、81.45%，而對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，價值普遍較高。當(dāng)下針對離子交換器腐蝕問題逐步引進高分子復(fù)合材料實施表面有機涂層的方法，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相比，具有施工簡便、成本低、修復(fù)效果好的特點。