某水泥廠陰陽離子交換器故障分析、對策及被污染機理研究

摘 要:筆者對某水泥廠陰陽離子交換器產生的故障進行了分析，采取了相應措施，并從機理上闡述了污染物對陰陽離子交換器污染的原因。

關鍵詞:離子交換器樹脂鐵離子污染

中圖分類號:TM621文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0001-01

1 引言

離子交換樹脂具有化學穩定性好、機械強度高、交換能力大等優點，因而在鍋爐用水處理及除鹽水、純凈水的生產中得到了廣泛的應用。但在使用過程中，常出現清洗水不斷增加，出水水質差，周期性制水量不斷下降，顏色變深，樹脂交換容量不斷下降等現象[1]。根據以上現象，可認定為樹脂受到污染。如果不及時采取合理措施使其再生，就會造成樹脂失效，甚至報廢，影響正常生產。筆者結合生產實踐，談談造成樹脂污染的原因、預防措施及處理方法。離子交換樹脂表面被有機物等雜質覆蓋或樹脂內部的交換孔道被堵塞而使樹脂的工作容量明顯降低，但樹脂結構無變化的現象叫樹脂的污染。

2 設備簡介和故障情況

某水泥廠位于洛陽偃師，旋窯工藝，利用旋窯產生的高溫煙氣尾氣發電，配有4.5WM發電機一臺，余熱鍋爐為3.8MPa中壓鍋爐，所配水處理設備為電滲析器，DN1200陰陽離子交換器，酸堿再生裝置和脫碳塔。其中一臺陽離子交換器在使用一年后出現了周期制水量逐漸下降，再生次數增多的現象，不久又出現了交換器罐體被腐蝕穿透泄漏，不得不讓交換器退出運行，進行修復。

3 故障分析

從交換器中清理出陽離子交換樹脂，對樹脂全交換容量進行測定，全交換容量為2.1毫克當量/克，樹脂的全交換容量降低了50%以上。

離子交換樹脂表面粘附著有棕黃雜質，樹脂顏色變深，呈深棕色和黑色。將受到污染的樹脂用除鹽水清洗干凈，在10%的食鹽溶液中浸泡30min后，再清洗干凈，從中取出約二分之一的樹脂樣品放入試管中，隨后加入2倍樹脂體積的6mol/L的鹽酸溶液，密閉振蕩15min后，取出酸液注入另一支洗凈的試管中，加入一滴飽和的硫氰化胺，生成的不透明的棕黑色，可以判斷離子交換樹脂受到膠態懸浮體鐵和三價鐵離子的嚴重污染。

由于離子交換器罐體內的襯膠層在施工時殘存有氣體沒有被釋放出來，運行和再生時反復擠壓，使膠層脫離鋼板出現漏口，再生時的鹽酸溶液通過襯膠漏口進入膠層內部與鐵發生化學反應，產生大量的Fe2+，Fe2+被氧化成Fe3+，Fe3+與樹脂交換基團上的RSO3H發生吸附，生成(RSO3)3Fe，結合牢固，解吸時低濃度的再生液不容易將其解吸下來，Fe3+越聚越多，布滿整個樹脂層，從而最終影響了樹脂對水中其它陽離子的吸附，致使全交換容量降低，周期制水量大為減少，再生頻繁，酸耗量大幅上升。

鐵離子對離子交換樹脂的污染有三種不同的情況:

(1)鐵離子以膠態懸浮體出現時，它會從過濾器中漏過而污染陽離子交換樹脂。

(2)鐵以二價鐵離子的形式交換到樹脂上，隨后被氧化成三價鐵離子，從而在樹脂顆粒上形成凝膠狀的不溶于水的鐵的氫氧化物。

(3)鐵以三價鐵離子的形式交換到樹脂的交換基團上，在再生過程中不能被完全除去而殘留在樹脂中。

4 故障修復措施

(1)打開交換器人孔，進入陽離子交換器內部，清理出交換器內部的樹脂，樹脂已經變成了黑紅色，取出部分樣品進行全交換容量測定，另外確定泄漏部位。泄漏部位發生在交換器底部，出液管和罐體的連接處，該處的襯膠呈剝離狀態，用鑿子沿翹起的襯膠邊緣將襯膠剔除，檢查漏洞，漏洞有如黃豆大小，漏洞口周圍的鐵已被腐蝕變薄，外觀呈黑色豆腐渣樣。

(2)沿漏洞周圍將鼓起的襯膠剔除，露出至少1.5cm長未被腐蝕的鋼板基面，用手提砂輪機將板面打磨至露出鐵金屬光澤，漏洞口外部用Φ40×3圓木片壓蓋，沿罐體外圈用鐵絲捆扎，使用宜興市襯膠廠橡膠型環氧修補劑，在交換器內部對金屬面進行全面修補，將漏口周圍需要搭接的襯膠打毛，膠層總厚5～7mm，分二次刮涂，第一層固化完成后再進行第二層施工。邊緣處覆蓋壓住已打毛的原有襯膠面，壓蓋長度3.5cm，涂膠過程中施壓，單層固化時間24小時。

（3)使用專用樹脂清洗桶，配以高壓風機，將氯化鈉，氫氧化鈉和鹽酸分別配制成10%～15%的溶液，將中毒樹脂浸泡，其中每種藥劑的浸泡清洗時間為3～5小時，清洗用水為軟化水，用高壓風攪動樹脂，每桶樹脂在一個清洗周期完成時即測定全交換容量，當全交換容量達到4.2毫克當量/克以上結束清洗。

陽離子交換器經過修補，中毒樹脂經過清洗后，將樹脂重裝回交換器內，設備投入運行，開始制取除鹽水。連續運行一年各項指標正常。

5 鐵離子污染機理研究

離子交換樹脂對水中各種離子的交換能力是不同的，有些離子容易與樹脂發生交換反應，但交換后要將它們再生下來比較困難，而另一些離子較難與樹脂發生交換反應，但很容易從樹脂中再生下來，離子交換樹脂對不同離子交換反應難易程度取決于離子交換的選擇性。

陽離子交換的選擇性與離子所帶的電荷及水合離子半徑等有關。陽離子所帶電荷越多.水合離子半徑越小，就越容易與樹脂發生反應。001×7凝膠型強酸性陽樹脂在常溫低濃度的水溶液中對離子的選擇性順序為Fe3+>Fe2+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+。從001×7陽樹脂選擇性可以看出，Fe3+吸附容易，再生去除困難。

如果原水中的鐵質沒有經前置處理系統去除或去除不力，就會將鐵質帶入離子交換系統，進水中未被氧化的亞鐵離子會通過正常的交換途徑進人樹脂體內，二價鐵本身并不產生嚴重污染，但在反洗時由于溶解氧的引人會使得樹脂中的Fe2+發生氧化，由于產生的Fe3+及其水解產物的親和力很強，故再生時很難去除，鐵質由此積累占據樹脂的活性交換基團，產生了這類污染。

天然水中，Fe3+只能以氫氧化鐵和鐵的羥基絡合物的形式存在，但由于像Fe(OH)+、Fe(OH)2+等羥基絡離子也帶正電荷，礙于它們的體積相對交換劑顆粒的孔道較大，因此只能在樹脂表面進行離子交換。對聚合度更大或經凝聚作用變大的羥基絡合物則可通過簡單的靜電吸附或樹脂層的截濾作用而附著在樹脂顆粒表面或截留在樹脂床層內，阻止正常的交換作用造成污染。

在水的預處理中，使用鐵鹽作混凝劑時，部分礬花被帶人陽床，由于樹脂層的截濾作用，積聚在樹脂表面，再生時酸液溶解了礬花，使之成為了Fe3+，部分被陽樹脂吸附而造成鐵污染。

6 結論

通過對該廠的樹脂復蘇，不僅使得該廠經濟效益十分顯著，而且能帶來良好的社會效益。同時，酸、堿廢液的減量排放，降低了對環境的污染，具有很大的環保意義。

參考文獻

[1]羅召禮.離子交換器周期制水量下降的原因分析與對策[J]，湖南有色金屬，2010，(6)，51-53.