除盐水系统混床周期制水量下降原因研究

朱国普

（临涣水务股份有限公司，安徽 濉溪 235139）

1 引言

混床离子交换系统是整套工艺中的重要组成部分，混床在除盐水系统中的作用是除去反渗透出水中残余的少量离子，使水进一步纯化[1]。混床具有出水水质优良而且水质稳定、间断运行对出水水质的影响较小、交换终点明显、利于监督和实现自动控制等特点[2～6]。临涣水务公司除盐水系统处理流程为：经预处理的原水→自清洗过滤器→超滤系统→保安过滤器→反渗透系统→混床离子交换系统。公司的二期除盐水生产项目的设计产水量为220t／h，实际产水量为200t／h左右。2008年正式投产使用时，混床的运行周期达到100h左右，周期制水量达到20000t左右，但随着设备的运行时间的增长，混床的运行周期由于各种原因大大缩短，目前的产水量只有2000多t，运行周期下降到10h，影响了除盐水的正常生产，同时，频繁的再生造成了药品过量消耗，使公司的收益下降。

2 混床周期产水量下降的原因分析

临涣水务公司二期混床在投入使用3年来，混床使用周期逐渐缩短，周期制水量逐渐下降。为了找出混床制水量下降的原因，该公司根据设备情况、树脂性能、进出水水质、混床再生等方面进行检查和试验。通过试验和多年来运行的经验，分析了除盐水系统混床周期缩短、产水量下降的原因。

2.1 混床中离子交换树脂的流失

自2008年正式投产使用以来，二期混床还未添加过树脂，生产过程中，离子交换树脂会不断减少。除盐水二期车间投产前混床添加阴阳树脂比例为1∶2，其中阴树脂高度为120cm，投加量为7.38t；阳树脂高度为60cm，投加量为3.69t；其工作周期为110h。但近期通过实际测量阴树脂高度为90cm，5.38t；阳树脂高度为50cm，3.07t，混床工作周期为10h，产水量急剧下降，再生频繁增加药耗，无法满足正常的生产需要。

树脂减少的原因是树脂流失，经长期调查发现该公司混床树脂流失的原因主有以下几点：①树脂在失效后的再生过程中，由于树脂体积收缩和膨胀，致使部分树脂破裂，破裂的树脂就会随水流经上排阀流出，根据统计混床每再生200次，树脂会破裂约5%～10%[2]。②在生产过程中树脂整体结构不均匀，使树脂颗粒各部分产生的压力大小也不同，导致其膨胀和收缩的程度不同，由于受压力作用，构成树脂的高分子链断裂，使活性基因脱落，结构疏松，含水量增加，强度下降。③对混床进行分层时进水流量过大，操作人员经验不足，发现树脂不动时就加大流量来达到树脂松动的目的，导致树脂冲走。

树脂的流失成为混床周期制水量下降的重要原因，因为工作人员生产操作经验的不足等原因，如在混床再生过程中，反洗时反洗流量过大，导致混床树脂从上排阀大量流失。混床中的阴树脂在上层，流失的基本为阴树脂，导致混床内的阴阳树脂比例失调，一方面混床再生时酸碱用量保持不变，过多的碱会中和部分的酸，导致混床再生不完全，阳树脂交换能力没有完全恢复就投入使用，致使混床周期制水量下降；另一方面，阴树脂大量流失，混床再生后投入使用，阴树脂先失效，阳树脂没有全部失效时就要重新再生，药耗上升，周期制水量下降。

2.2 混床离子交换树脂性能的下降

树脂在长期使用过程中，性能会逐渐下降。导致树脂性能下降的原因很复杂。树脂污染是影响树脂性能的重要因素。树脂污染是指树脂的表面和空隙中积累污垢或树脂的交换基团上吸附了不可交换离子的污染物质。

（1）有机物的污染。混床进水中存在的腐殖酸、集团性的有机杂质吸附在树脂上，占据或结合了树脂上的活性基团降低了树脂的交换能力。

（2）油脂的污染。混床进水中的膜状物油类物质堵塞或者包裹了树脂表面的微孔，阻挡了离子的交换吸附，使树脂受到污染。

（3）悬浮物的污染。悬浮物污染树脂的原理和油脂类似，悬浮物紧裹着树脂表面的液膜层，隔绝了阳离子树脂的离子交换过程，使树脂受到污染。

（4）胶体物质的污染。水中以带负电为主的胶体颗粒，使阴离子交换树脂受到污染，胶体物质中的胶体硅对树脂的危害最为严重，它吸附并聚合在胶体表面，阻止了离子交换过程的进行。

（5）金属离子的污染。进水中还含有少量的高价金属离子（主要是原水混凝剂中含有的高价铝离子，公司取用的地表水含铁量较高）扩散进入阳离子交换树脂的内部，这些金属离子的交换势能高，容易与树脂中固定离子结合，使固定离子失去作用，丧失了离子交换能力。本公司进水中含有大分子有机物与铁形成螯合物（即有机铁），它与强碱性阴树脂进行交换反应，集结在交换基团的位置上，堵塞树脂的交换孔道，使交换容量和再生容量下降，再生效率降低，再生剂与清洗水耗量增加，进一步导致树脂铁“中毒”。

（6）再生剂的污染。离子交换树脂的再生剂可能混有许多杂质，导致再生剂不纯，使树脂受到污染（如NaOH中含有NaCl会对阴树脂造成污染）。此外，细菌等都会使树脂遭受不同程度的污染。

2.3 混床进水水质的下降

混床进水水质是影响混床周期制水量的主要因素。本公司除盐水系统中混床的进水是反渗透的出水，反渗透系统经过长期使用，其中的反渗透膜的性能下降，导致反渗透出水的电导率上升，混床的离子交换树脂的交换容量一定，就导致其出水水质下降或者运行周期缩短。

为了探索进水对混床周期的影响，收集了混床投入使用以来混床进水水质数据，因投产运行初期进水水质较好，电导率没有明显变化，表1是该公司2010年9月－2011年9月二期混床进水水质变化，由有表中可以看出，2010混床进水的电导率只有20μs／cm左右，由于反渗透系统反渗透膜的性能下降，反渗透出水的电导率上升，到2011年混床进水电导率达到80μs／cm左右。电导率升高，说明进水离子浓度上升，相等的水量需要的离子交换树脂上升，流量不变的情况下，混床的出水水质固然下降，混床的出水电导率达到2μs／cm就需再生，导致混床运行周期缩短。

图1为混床投入使用以来至2011年6月份原水中总硬度和总碱度的变化曲线，从水质分析变化曲线可以看出，近3年来原水中的离子浓度呈上升趋势，这也直接影响到系统的产水质量，加重了末端混床的运行压力，使其再生周期缩短。

表1 2010年9月～2011年9月二期混床进水水质一览

图1 总硬度和总碱度变化曲线

2.4 混床再生的控制

为了有效地使用离子交换树脂生产高质量的除盐水，必须准确合理地把握控制好混床树脂在运行产水及酸碱同步再生操作的工艺条件。混床再生操作包括反洗预分层、进碱失效、反洗分层、置换、同步冲洗、气混、正洗备用等环节。其中同步冲洗主要是冲洗去残留的酸碱再生剂，同时冲洗水中的离子，也与部分树脂发生离子交换而降低树脂的交换容量；并且如果酸碱再生剂未被冲净，就会在下一操作通气混合时产生大量的盐类（NaCl），NaCl会污染树脂，从而进一步降低树脂的交换容量，并可能使树脂中毒严重时其交换能力下降30%～50%，影响离子交换性能。所以冲洗终点的控制非常重要，本公司混床的冲洗终点控制采用pH法，即以冲洗出水pH值是否呈中性为判断依据。混床再生没有控制好，树脂分层也是混床再生过程中的一个重要环节。树脂分层的效果与阴阳树脂的湿真密度差、树脂粒度的均匀程度以及树脂的失效程度等因素有关。阴阳树脂的湿真密度差和树脂粒度的均匀程度是树脂本身的特性，树脂的失效程度可以通过“进碱失效”的方法控制，从混床的进碱口加入1.5%～2.0%的NaOH溶液，使阴树脂尽可能地转化成OH型，阳树脂转化成Na型，增加了阴阳树脂的密度差，来起到强化分层的效果。再生时反洗流量过大，导致上层树脂会被水流带走，使树脂大量流失。

该公司除盐水系统中混床系统运行周期缩短的原因可以归结为四点：混床中离子交换树脂的减少、混床离子交换系统树脂性能的下降、混床进水水质的下降、混床再生冲洗终点的控制不准。有效解决这些问题，就能使混床周期制水量得到提升。

3 解决途径探索

针对这些可能导致混床周期制水量下降的原因，采取了对应的措施，改进了混床再生的方法，提高了混床的周期制水量。

3.1 添加树脂

因为树脂的大量流失，混床内的树脂比例失调，经过取样试验和外部测量相结合，掌握混床内的阴阳树脂比例，对二期混床进行了树脂添加。首先据测量阴树脂和阳树脂的高度来粗略计算需要添加阴阳树脂的量。通过测量估算，向混床中加入了1t阴离子树脂，使混床内的阴阳树脂比例重新达到2∶1。

3.2 检查是否污染

为探索树脂是否被有机物等物质污染，我们对混床树脂进行取样化验。从外表观测，树脂颜色没有明显加深，用清水浸泡，没有发现有油脂类污染，对其中的铁、硅能离子含量进行测定发现，铁离子含量小于0.01%，硅离子含量小于0.03%，即说明混床树脂未受污染。

3.3 改善水质

改善混床的进水水质，缓解混床的运行压力，增大混床制水量。混床的上级系统为反渗透系统，提高反渗透的产水水质，可以缓解混床的运行压力，提高混床的产水量。为此，对反渗透膜进行取出观察和称重发现反渗透膜的重量明显增加，判断为反渗透膜出现结垢现象，对此该公司通过改变药洗试剂和增加阻垢剂的投加来稳定反渗透膜结垢现象，通过观察发现起到一定的作用，出水电导率没有出现明显的增加，同时该公司购买单只膜清洗设备，希望通过对单只膜的清洗来达到降低产水电导率的效果。然后对反渗透膜进行重组，有效的提升了反渗透的运行效果，改善了混床的进水水质。进水水质的提高能够使混床周期制水量增大，运行周期上升，这就提高了反渗透系统的出水水质要求。

3.4 改进混床再生方法，提高混床产水量

（1）要求运行人员在分层时先用小流量松动树脂，再逐步加大流量，如确因压实或树脂抱团不能松动树脂，应采用放水至树脂层上200mm后通压缩空气的方法松动树脂后再分层。通过上述方法在运行后发现，混床的周期产水量增加到4000t，大大提高了混床的产水量。

（2）控制冲洗终点。林江、周永辉等在《纯水生产中离子交换柱混床再生冲洗终点的控制》一文中指出电导率法比pH法能更准确、可靠的控制冲洗终点，有效地避免了冲洗不足对树脂造成危害或冲洗过度降低树脂生产交换能力及水的浪费，并根据理论分析，结合实际再生中电导率的变化趋势曲线确定混床冲洗终点为电导率降至60μs／cm以下[7]。离子交换是除盐水生产过程中的重要环节，其再生冲洗终点的控制尤为重要。混床再生冲洗时控制出水电导率小于60μs／cm即为冲洗终点。以电导率控制混床冲洗终点效果良好，比以pH值控制混床冲洗终点更加灵敏、准确，可以避免因终点控制不准而造成氯化钠污染树脂的可能性。

（3）控制反洗的压力，防止混床内树脂的流失。本公司的混床反洗压力控制在0.2MPa左右，要求再生人员逐渐增大反洗压力直至0.2MPa，并严密关注上排阀出口是否有树脂流失。

2.5 设备的改进

为了防止树脂流失，该公司在上排阀处安装滤网，防止树脂的流失；另外对中排阀进行改进，方便工作人员对树脂分层的观察。

4 结语

通过各方面的研究和实验发现：树脂的流失及进水水质是影响本公司混床周期制水量的主要因素，本公司通过添加树脂及对混床设备的改进，成功解决的周期制水量下降的问题，同时要求工作人员在混床再生时严格按照再生规程操作，减少了树脂的流失。混床的周期制水量由2000t恢复到6000t以上。

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