工業循環水濃縮倍數的檢測方法——離子色譜的應用

房樹芹

（淮安清江石油化工有限責任公司，江蘇 淮安 223002）

1 循環水濃縮倍數

循環水濃縮倍數是指循環冷卻水系統在運行過程中，由于水分蒸發、風吹損失等情況使循環水不斷濃縮的倍率 (以補充水作基準進行比較)，它是衡量水質控制好壞的一個重要綜合指標。

1.1 濃縮倍數的工業意義

隨著經濟的發展，工業用水量日益增長，而循環冷卻水占工業水總量的70%左右，循環冷卻水大有潛力可挖。濃縮倍數是判定循環冷卻水利用率的一個重要指標，一般濃縮倍數低，耗水量、排污量均大且水處理藥劑的效能得不到充分發揮；該數越高，說明循環水被利用的次數越多.提高循環水濃縮倍數不僅可以降低補充水量、節約水資源、降低排污水量、減少對環境的污染和廢水處理量，還可以減少水處理劑及殺生劑的消耗量、降低水處理成本?？墒菨饪s倍數過高，水的結垢傾向會增大，結垢控制及腐蝕控制的難度會增加，水處理藥劑會失效，不利于微生物的控制，故循環水的濃縮倍數要有一個合理的控制指標。

提高濃縮倍數運行是目前公認的有效方法，濃縮倍數從1.5 提高到2 節水50%，從2 提高到3 節水30%，從3 提高到4 節水15%，從4提高到5 節水6%，濃縮倍數在5 以上再提高已失去了節水意義，反而會帶來一些列問題：水中鹽含量增加，會使循環冷卻水中的硬度、堿度和濁度升得太快太高，加大了水的結垢傾向，加劇了冷換設備的腐蝕和結垢；細菌藻類滋生繁殖加劇；對藥劑使用提出更高要求，主要是藥劑加入的精度要提高；有害物質對藥劑的容忍度產生變化。所以，一般濃縮倍數提高到5 比較適宜。但隨著濃縮倍數的提高，循環水系統結垢和腐蝕因子也隨之成倍上升，所以高濃縮倍數下水處理技術的開發應用是節水減排技術的關鍵。

提高濃縮倍數是趨勢，但要結合企業的實際情況去處理。這就是說濃縮倍數不是越大越好,要把濃縮倍數控制在一定范圍內.目前我廠把濃縮倍數控制在3-5 之間.為了能夠正確地反映濃縮倍數的運行情況，我們需要選擇一種合適的檢測方法。

1.2 目前監測方法的不足

濃縮倍數的測定和控制一般選用水中較穩定的離子來進行。目前我廠采用循環冷卻水與補充水中氯離子濃度的比值來測定和控制濃縮倍數N。即

N=循環冷卻水氯離子濃度/補充水氯離子濃度

由表1 可以看出，當系統中不加含氯殺菌劑或補充水水質較穩定時，采用此方法簡單快捷。但由于河水中氯離子濃度總有一定變化，而且一般都采用聚氯化鋁作凈水劑，使得補充水中氯離子濃度難以穩定，測定的循環水濃縮倍數也就有一定誤差。同時，循環水系統還常常采用Cl2或NaClO 等含氯藥劑來控制循環水中的微生物及粘泥，用氯離子濃度來測定和控制濃縮倍數也難以真實反映循環水濃縮狀況。這就需要選擇一個合適的監測方法。

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1.3 濃縮倍數監測方法比較

目前用于監測濃縮倍數N 的特性物質一般為氯離子、鈣離子、鉀離子、二氧化硅和電導率。這些物質濃度或特性在冷卻水系統運行中一般不受加熱、曝氣、投加藥劑、沉積或結垢等因素干擾，且隨N 的增加而成比例增加。

氯離子性質穩定，不易產生沉淀，測定簡單、快捷。補充水質不穩定或是冷卻水以氯氣等含氯試劑作殺菌劑時不宜采用。

鈣離子穩定性好，干擾少，測定簡單、快捷.當體系濃縮倍數高或結垢時，產生鈣鹽沉積物，測定結果偏低。

鉀離子穩定性好，干擾少，循環水系統中K+來源較少，K+的溶解度較大,運行過程中也不會從水中析出，故用K+法檢測循環水濃縮倍數K 時，受到的干擾相對較少，但分析過程較為繁瑣，要求高，費用也高。

二氧化硅性質較穩定，干擾少,但是當硅酸鹽與鎂離子濃度都高時，生成硅酸鎂沉淀，使二氧化硅濃度偏低,測定精度較差。對分析條件要求苛刻，費用較高。

電導率測定迅速，儀器操作簡單，受補水水質及水處理工藝影響，適合現場監測。

綜觀以上幾種方法，由于鉀離子性質穩定、溶解度大，循環水中又無此來源，基本無影響因素，鉀離子測定精密度和準確度都高。因此選用鉀離子作為我廠監測濃縮倍數的特性物質是最合適的。

2 鉀離子測定方法及離子色譜的應用

目前鉀離子測定方法主要有：原子吸收分光光度法；火焰光度法；離子色譜法；鉀度計法。測定鉀離子的目的，在于確定循環冷卻水濃縮倍數時，可將循環冷卻水按運行狀況進行稀釋，使其含鹽量接近補充水狀況，再進行測定，這樣可相對消除干擾。由于我們只是對鉀離子進行定量分析，選擇離子色譜法測定鉀離子是比較合適的.離子色譜法測定鉀離子具有下列優點：快速、方便、靈敏度高、選擇性好、結果可靠。但對有機物濃度要求太高是其主要缺點。

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2.1 離子色譜法測定鉀離子

離子色譜工作原理及應用前景。離子色譜是高效液相色譜（HPLC）的一種，是分析陰陽離子的一種液相色譜方法。通常情況下，離子色譜可以分為三種類型，高效離子交換色譜（HPIC）、離子排斥色譜（HPIEC）、離子對色譜（MPIC）。

下面我們以離子交換色譜為例，簡單介紹一下離子色譜的工作原理。離子色譜的工作原理主要是離子交換平衡。離子色譜中使用的固定相是離子交換樹脂。離子交換樹脂上分布有固定的帶電荷的基團和能游動的配位離子。當樣品加入離子交換色譜往后，如果用適當的溶液洗脫，樣品離子即與樹脂上能游動的離子進行交換，并且連續進行可逆交換吸附和解吸，最后達到吸附平衡。由于各離子與樹脂親和力不同，各離子將按次序先后被洗脫出來，經電導檢測器檢測出各離子的峰，繪出譜圖。

離子色譜主要用于環境樣品的分析，包括地面水、飲用水、雨水、生活污水和工業廢水、酸沉降物和大氣顆粒物等樣品中的陰、陽離子，與微電子工業有關的水和試劑中痕量雜質的分析。

離子色譜法測定工業循環水中鉀離子（參照GB/T15454-95）

方法提要。離子在固定相和流動相有不同的分配系數，當流動相將樣品帶到分離柱時，由于各種離子對離子交換樹脂的相對親和力不同，樣品中的各種離子被分離，再流經電導池，由電導池檢測器檢測，并繪出各種離子的色譜圖，以保留時間定性，以峰面積或峰高定量測出離子含量。

水樣的預處理。水樣中常含有大量的細菌，經常會因在色譜柱上形成菌膜而將其損壞。為保護色譜柱，可將經前處理后的樣品經0.45um的微孔濾膜過濾，可將細菌阻擋于膜上而僅讓水分子和各種離子通過[3]。

儀器。離子色譜儀主機、電導檢測器、往復式平流泵、臺式記錄儀等組成。原理圖如圖1。

適用范圍。本標準適用于測定工業循環冷卻水中 Na+、NH4+、Li+、Mg2+和Ca2+含量的測定。檢測范圍：Na+含量1.00～50.0mg/L、NH4+含量 1.00～30.0mg/L、K+含 量 1.00～50.0mg/L、Mg2+含 量1.00～50.0mg/L 和Ca2+1.00～50.0mg/L 范圍的測定，如果超出此范圍，可稀釋在此范圍內測定。

分析步驟

淋洗液的的配制：選用68%的濃硝酸配制1mol/LHNO3作為貯備液，然后根據不同的分離柱而移取不同量的上述貯備液，用去離子水蒸餾水稀釋至1000mL 作為淋洗液，使用前應將淋洗液經燒結玻璃漏斗過濾，并真空脫氣。

插上陽離子電導池板。將平流泵過濾器放人淋洗液貯液瓶，開啟平流泵，流量選擇0.5ml/min，通淋洗液20 分鐘后，選擇色譜柱所規定的流量，轉換開關打到“輸出”檔，調節調零電位器，使數字表顯示為零。

選擇記錄儀檔位（根據樣品濃度的高低，選擇合適的量程）以及基線在記錄線上的位置，即可進行分析，根據色譜圖的峰高，調節記錄儀量程。

進樣用注射器吸取1mL 樣品（必須排除氣泡）由陽離子進樣口進樣，將進樣閥快速扳回分析位置，完成一次進樣。

關閉儀器：分析完畢后，先通10 分鐘蒸餾去離子水，再依次關閉記錄儀、主機和泵電源。

分析結果的表述

以mg/L 表示的待測離子含量x 按下式計算：

X=L/L0*C0*V0/V

式中：L—水樣中被測離子峰高，mm；

L0—標準工作溶液中被測離子峰高，mm；

C0—標準工作溶液中被測離子濃度，mg/L；

V—所取水樣體積，mL；

V0—水樣被稀釋后體積。

或由色譜微處理機按峰面積或峰高直接計算出結果。

2.2 結果分析(見表2)

與表1 相比，可明顯看出補充水中鉀離子濃度比較穩定，循環水中又無此來源，選擇鉀離子作為測定參數可行。

3 總結

目前，離子色譜法已經在能源、環境、冶金、電鍍、半導體、水文地質等方面廣泛應用，并且開始進入了與生命科學有關的分析領域。我國從80年代初期引進離子色譜儀，開始了離子色譜的應用研究工作，同時也開始了儀器的研制和生產。隨著離子色譜技術的發展，離子色譜儀在我國的應用已日益普及。

我廠選用江蘇江分電分析儀器廠的型號為WIC-Ⅱ的離子色譜儀，于2008年6月開始使用，為工業循環水濃縮倍數提供更加準確可靠的數據指導。循環水濃縮倍數不僅是反映水質的一個綜合性指標，同時也是衡量一個部門甚至一個企業綜合管理能力及技術發展水平的重要指標。

[1]杜林琳.循環冷卻水濃縮倍數關鍵是看水質是否結垢型水網論壇2006.8

[2]何世梅.循環水濃縮倍數的檢測方法及控制指標中國論文下載中心2006.3

[3]《中華人民共和國國家標準工業循環冷卻水中鈉、銨、鉀、鎂和鈣離子的測定離子色譜法》GB/T15454-95