双室双层阴离子交换器运行优化建议

林政霖，余远红，黄 飞

（台山核电合营有限公司化学环保部，广东 台山 529200）

除盐水是发电厂工业用水的重要来源，其制备原理主要是原水中带电荷的离子通过与离子交换树脂带同样电荷的离子进行交换反应，生产出合格的除盐水。离子交换树脂进行交换反应失去交换能力，但具有可逆性，为了恢复离子交换能力,可通过用一定浓度的强酸或强碱进行逆反应，如阴离子树脂可以用3%左右的氢氧化钠溶液,以一定的速度通过离子交换树脂即可实现阴离子树脂的可逆反应。

1 工艺设计

台山某电站根据淡水水源水质采样分析结果，除盐系统设计为阳离子交换器-阴离子交换器-混合离子交换器，工艺流程图见图1。

图1 工艺流程简图

其中，阴离子交换器设计为逆流再生双室双层固定离子交换器，下室选用强碱阴树脂，上室选用弱碱阴树脂，中间用水帽和塑料白球隔开。相关设计参数见表1。

表1 双室双层阴离子交换器设计参数

因阴离子交换器为双室双层固定床，所以进行是逆流满水再生，未设计反洗功能，设计运行周期90 h；再生液质量分数1～3%；再生液流速5 m/h；碱耗≥50 g/mol，再生1 次需要32%的碱1.05 m3。

2 现状介绍

自运行后，阴离子交换器出水水质情况良好，但运行周期短，且运行到达周期制水量后，按照设计再生工艺参数进行阴树脂再生，发现再生效果较差，很难达到设计要求，有时候需要进行2～3 次再生方可再生合格。以其中3 号阴离子交换器为例，2019 年全年按设计再生工艺参数进行再生了10 次，就有4 次再生不合格，3 号阴离子交换器再生记录如图2 所示。

图2 3 号阴离子交换器初始再生记录

3 原因分析

3.1 运行周期短原因分析

运行周期短这一问题与交换器的初步设计与规范不符有关。根据《发电厂化学设计规范（DL 5068—2014）》中5.3.4 的要求，双室床下室内的离子交换树脂和惰性树脂的填充率应达到98%～100%，惰性树脂的高度应足以填充水帽高度层空间[1]。而原设计中阴离子交换器下室除去石英砂后的高度是2 785 mm，树脂的填充高度为2 000 mm，塑料白球的厚度为300 mm，阴离子交换器下室填料的总高度为2 300 mm，所以阴离子交换器下室尚有485 mm 的水层空间。阴离子交换器再生时，再生液是从交换器底部进入，顶部排出，由于水层空间的存在，当再生流过树脂层时，下室强碱树脂层会瞬间漂浮起来处于悬浮且扰动状态，造成树脂层不固定而得不到充分硅与OH-置换,降低了其工作交换容量，缩短了运行周期制水量。

3.2 再生困难原因分析

首先，在不同pH 值下硅化合物在水中存在的形态很复杂，有离子态、聚合态和胶体态，当pH 值偏酸性时，硅以胶体形式存在，当pH 值偏碱性时，因溶解度上升，硅主要以SO42-形式存在。因此，根据强碱阴树脂对各种阴离子的选择性：SO42-＞Cl-＞OH-＞HCO3-＞HSiO4-强碱阴树脂与硅的化合物之间的反应，既可能有离子交换过程，也可能有物理吸附过程。根据以上顺序，顺序在前的离子可以将顺序在后的离子从树脂中置换出来，HSiO4-对强碱阴离子树脂的选择性是最弱的[2]。

其次，考虑双室双层离子交换器上室的设计问题，当再生步骤设计为逆流满水再生时,再生液是从交换器底部进入，从顶部排出。因上室为弱碱型阴树脂，且上室没有设计压脂层或装填惰性白球，再加上上室水层空间有1 338 mm 的高度。再生液经过时，树脂层始终处于扰动状态，无法使再生液顺利进入树脂孔，到达离子间的置换效果和冲洗效果。

同样的原因，当再生液经逆流进入下室的强碱阴树脂时，因下室树脂层始终是处于悬浮状态，而强碱阴离子树脂又较难再生，故下室的强碱阴树脂由于扰动而得不到充分置换。可知，造成阴离子交换器正洗时间长，运行时间短的主要原因是阴离子交换器的阴树脂再生时发生扰动而得不到充分再生。

4 处理措施

4.1 水层空间处理

因阴离子交换器下室尚余留485 mm 的空间未填充，需要填充相应高度的树脂量。计算方法如式（1）：

强碱阴离子树脂再生需（100%）碱量Gs（kg）：

式中：Js为强碱阴树脂再生的碱耗，50 g/mol，DL 5068—2014 规定≤50 g/mol；Es为强碱阴离子树脂的工作交换容量，450 mol/m3；Vs为强碱阴离子树脂体积，450 mm 树脂体积是2.77 m3。

通过计算，补充450 mm 高强碱阴离子树脂则需使用体积分数32%碱液的体积为0.15 m3，总计1.2 m3，而初始设计的碱计量箱最大设计容量是2 m3，增加的填充树脂量未对现场设备造成影响。

4.2 改变再生参数

无顶压逆流双室双层阴离子交换器再生过程中，硅酸盐交换到树脂上后，可能发生聚合而吸附到树脂骨架上，因而再生也很困难。硅酸盐的交换为十分缓慢的过程，温度、再生液流速、再生液浓度和再生液离子交换时间等因素都会影响硅酸盐的置换。根据阴离子树脂的性能，当再生液温度提高至35～45 ℃时，硅酸根置换效果明显好于低温时；同等再生液浓度，不同的再生液的流速影响树脂硅酸根的交换速度，高浓度低速度的再生液可以尽量充分地将阴离子树脂中的硅酸根进行交换，然后再采用低浓度高速度的再生液，扩张树脂的双电层，将树脂内部剩余的硅酸根交换下来并快速洗出。由于南方除盐水系统都未设置再生碱液加热装置，无法加热再生碱液，只能从优化再生液流速、再生液用量、再生液浓度和再生液离子交换时间方式进行[3-4]。

结合现实情况，怀疑单次再生碱量不足及进碱流速过快导致再生不够彻底，再次对阴离子交换器再生工艺进行优化，增加单次再生耗碱量为原来1.5 倍，优化进碱流速和离子交换时间。

经重新装填树脂后，并采用优化后再生工艺对3 列阴离子交换器试验后，2020 年9 月至2022 年10 月3 号阴离子交换器再生合格率明显好转，仅两次硅不合格，经与阳离子交换器串洗后电导率都能合格，再生一次合格率有进一步提高。见表2 和图3。

表2 优化前、后再生工艺

图3 3 号阴离子交换器优化后再生记录

5 结论及建议

综合结果来看，目前可以得出以下结论：

1）因设计原因无法改变双室双层离子交换器上室弱碱阴离子树脂的再生方式，未达到弱碱阴离子树脂的再生效果，或可通过改变再生液进碱流速、浓度，使弱碱阴树脂达到应有的再生效果。

2）双室双层阴离子交换器下室树强碱阴树脂的再生效果与树脂装填量相关，当强碱阴树脂装填量不满足设计要求时，影响再生效果，所以要使下室强碱树脂的装填量满足规范要求，才能达到相应的再生效果。

3）进再生液时，应低流速，并适当提高再生液用量，再提高置换流速，增加再生液离子交换时间，可以进一步提高再生效果，提高一次再生合格率。

建议后续可以继续对再生工艺进行试验优化，通过试验选取最佳碱耗量，既确保阴离子交换器一次再生合格，也可节省再生耗碱量。