雙室雙層陰離子交換器運(yùn)行優(yōu)化建議

林政霖，余遠(yuǎn)紅，黃 飛

（臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司化學(xué)環(huán)保部，廣東 臺(tái)山 529200）

除鹽水是發(fā)電廠工業(yè)用水的重要來(lái)源，其制備原理主要是原水中帶電荷的離子通過(guò)與離子交換樹(shù)脂帶同樣電荷的離子進(jìn)行交換反應(yīng)，生產(chǎn)出合格的除鹽水。離子交換樹(shù)脂進(jìn)行交換反應(yīng)失去交換能力，但具有可逆性，為了恢復(fù)離子交換能力,可通過(guò)用一定濃度的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿進(jìn)行逆反應(yīng)，如陰離子樹(shù)脂可以用3%左右的氫氧化鈉溶液,以一定的速度通過(guò)離子交換樹(shù)脂即可實(shí)現(xiàn)陰離子樹(shù)脂的可逆反應(yīng)。

1 工藝設(shè)計(jì)

臺(tái)山某電站根據(jù)淡水水源水質(zhì)采樣分析結(jié)果，除鹽系統(tǒng)設(shè)計(jì)為陽(yáng)離子交換器-陰離子交換器-混合離子交換器，工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

其中，陰離子交換器設(shè)計(jì)為逆流再生雙室雙層固定離子交換器，下室選用強(qiáng)堿陰樹(shù)脂，上室選用弱堿陰樹(shù)脂，中間用水帽和塑料白球隔開(kāi)。相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 雙室雙層陰離子交換器設(shè)計(jì)參數(shù)

因陰離子交換器為雙室雙層固定床，所以進(jìn)行是逆流滿水再生，未設(shè)計(jì)反洗功能，設(shè)計(jì)運(yùn)行周期90 h；再生液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1～3%；再生液流速5 m/h；堿耗≥50 g/mol，再生1 次需要32%的堿1.05 m3。

2 現(xiàn)狀介紹

自運(yùn)行后，陰離子交換器出水水質(zhì)情況良好，但運(yùn)行周期短，且運(yùn)行到達(dá)周期制水量后，按照設(shè)計(jì)再生工藝參數(shù)進(jìn)行陰樹(shù)脂再生，發(fā)現(xiàn)再生效果較差，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有時(shí)候需要進(jìn)行2～3 次再生方可再生合格。以其中3 號(hào)陰離子交換器為例，2019 年全年按設(shè)計(jì)再生工藝參數(shù)進(jìn)行再生了10 次，就有4 次再生不合格，3 號(hào)陰離子交換器再生記錄如圖2 所示。

圖2 3 號(hào)陰離子交換器初始再生記錄

3 原因分析

3.1 運(yùn)行周期短原因分析

運(yùn)行周期短這一問(wèn)題與交換器的初步設(shè)計(jì)與規(guī)范不符有關(guān)。根據(jù)《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范（DL 5068—2014）》中5.3.4 的要求，雙室床下室內(nèi)的離子交換樹(shù)脂和惰性樹(shù)脂的填充率應(yīng)達(dá)到98%～100%，惰性樹(shù)脂的高度應(yīng)足以填充水帽高度層空間[1]。而原設(shè)計(jì)中陰離子交換器下室除去石英砂后的高度是2 785 mm，樹(shù)脂的填充高度為2 000 mm，塑料白球的厚度為300 mm，陰離子交換器下室填料的總高度為2 300 mm，所以陰離子交換器下室尚有485 mm 的水層空間。陰離子交換器再生時(shí)，再生液是從交換器底部進(jìn)入，頂部排出，由于水層空間的存在，當(dāng)再生流過(guò)樹(shù)脂層時(shí)，下室強(qiáng)堿樹(shù)脂層會(huì)瞬間漂浮起來(lái)處于懸浮且擾動(dòng)狀態(tài)，造成樹(shù)脂層不固定而得不到充分硅與OH-置換,降低了其工作交換容量，縮短了運(yùn)行周期制水量。

3.2 再生困難原因分析

首先，在不同pH 值下硅化合物在水中存在的形態(tài)很復(fù)雜，有離子態(tài)、聚合態(tài)和膠體態(tài)，當(dāng)pH 值偏酸性時(shí)，硅以膠體形式存在，當(dāng)pH 值偏堿性時(shí)，因溶解度上升，硅主要以SO42-形式存在。因此，根據(jù)強(qiáng)堿陰樹(shù)脂對(duì)各種陰離子的選擇性：SO42-＞Cl-＞OH-＞HCO3-＞HSiO4-強(qiáng)堿陰樹(shù)脂與硅的化合物之間的反應(yīng)，既可能有離子交換過(guò)程，也可能有物理吸附過(guò)程。根據(jù)以上順序，順序在前的離子可以將順序在后的離子從樹(shù)脂中置換出來(lái)，HSiO4-對(duì)強(qiáng)堿陰離子樹(shù)脂的選擇性是最弱的[2]。

其次，考慮雙室雙層離子交換器上室的設(shè)計(jì)問(wèn)題，當(dāng)再生步驟設(shè)計(jì)為逆流滿水再生時(shí),再生液是從交換器底部進(jìn)入，從頂部排出。因上室為弱堿型陰樹(shù)脂，且上室沒(méi)有設(shè)計(jì)壓脂層或裝填惰性白球，再加上上室水層空間有1 338 mm 的高度。再生液經(jīng)過(guò)時(shí)，樹(shù)脂層始終處于擾動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法使再生液順利進(jìn)入樹(shù)脂孔，到達(dá)離子間的置換效果和沖洗效果。

同樣的原因，當(dāng)再生液經(jīng)逆流進(jìn)入下室的強(qiáng)堿陰樹(shù)脂時(shí)，因下室樹(shù)脂層始終是處于懸浮狀態(tài)，而強(qiáng)堿陰離子樹(shù)脂又較難再生，故下室的強(qiáng)堿陰樹(shù)脂由于擾動(dòng)而得不到充分置換。可知，造成陰離子交換器正洗時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)間短的主要原因是陰離子交換器的陰樹(shù)脂再生時(shí)發(fā)生擾動(dòng)而得不到充分再生。

4 處理措施

4.1 水層空間處理

因陰離子交換器下室尚余留485 mm 的空間未填充，需要填充相應(yīng)高度的樹(shù)脂量。計(jì)算方法如式（1）：

強(qiáng)堿陰離子樹(shù)脂再生需（100%）堿量Gs（kg）：

式中：Js為強(qiáng)堿陰樹(shù)脂再生的堿耗，50 g/mol，DL 5068—2014 規(guī)定≤50 g/mol；Es為強(qiáng)堿陰離子樹(shù)脂的工作交換容量，450 mol/m3；Vs為強(qiáng)堿陰離子樹(shù)脂體積，450 mm 樹(shù)脂體積是2.77 m3。

通過(guò)計(jì)算，補(bǔ)充450 mm 高強(qiáng)堿陰離子樹(shù)脂則需使用體積分?jǐn)?shù)32%堿液的體積為0.15 m3，總計(jì)1.2 m3，而初始設(shè)計(jì)的堿計(jì)量箱最大設(shè)計(jì)容量是2 m3，增加的填充樹(shù)脂量未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備造成影響。

4.2 改變?cè)偕鷧?shù)

無(wú)頂壓逆流雙室雙層陰離子交換器再生過(guò)程中，硅酸鹽交換到樹(shù)脂上后，可能發(fā)生聚合而吸附到樹(shù)脂骨架上，因而再生也很困難。硅酸鹽的交換為十分緩慢的過(guò)程，溫度、再生液流速、再生液濃度和再生液離子交換時(shí)間等因素都會(huì)影響硅酸鹽的置換。根據(jù)陰離子樹(shù)脂的性能，當(dāng)再生液溫度提高至35～45 ℃時(shí)，硅酸根置換效果明顯好于低溫時(shí)；同等再生液濃度，不同的再生液的流速影響樹(shù)脂硅酸根的交換速度，高濃度低速度的再生液可以盡量充分地將陰離子樹(shù)脂中的硅酸根進(jìn)行交換，然后再采用低濃度高速度的再生液，擴(kuò)張樹(shù)脂的雙電層，將樹(shù)脂內(nèi)部剩余的硅酸根交換下來(lái)并快速洗出。由于南方除鹽水系統(tǒng)都未設(shè)置再生堿液加熱裝置，無(wú)法加熱再生堿液，只能從優(yōu)化再生液流速、再生液用量、再生液濃度和再生液離子交換時(shí)間方式進(jìn)行[3-4]。

結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況，懷疑單次再生堿量不足及進(jìn)堿流速過(guò)快導(dǎo)致再生不夠徹底，再次對(duì)陰離子交換器再生工藝進(jìn)行優(yōu)化，增加單次再生耗堿量為原來(lái)1.5 倍，優(yōu)化進(jìn)堿流速和離子交換時(shí)間。

經(jīng)重新裝填樹(shù)脂后，并采用優(yōu)化后再生工藝對(duì)3 列陰離子交換器試驗(yàn)后，2020 年9 月至2022 年10 月3 號(hào)陰離子交換器再生合格率明顯好轉(zhuǎn)，僅兩次硅不合格，經(jīng)與陽(yáng)離子交換器串洗后電導(dǎo)率都能合格，再生一次合格率有進(jìn)一步提高。見(jiàn)表2 和圖3。

表2 優(yōu)化前、后再生工藝

圖3 3 號(hào)陰離子交換器優(yōu)化后再生記錄

5 結(jié)論及建議

綜合結(jié)果來(lái)看，目前可以得出以下結(jié)論：

1）因設(shè)計(jì)原因無(wú)法改變雙室雙層離子交換器上室弱堿陰離子樹(shù)脂的再生方式，未達(dá)到弱堿陰離子樹(shù)脂的再生效果，或可通過(guò)改變?cè)偕哼M(jìn)堿流速、濃度，使弱堿陰樹(shù)脂達(dá)到應(yīng)有的再生效果。

2）雙室雙層陰離子交換器下室樹(shù)強(qiáng)堿陰樹(shù)脂的再生效果與樹(shù)脂裝填量相關(guān)，當(dāng)強(qiáng)堿陰樹(shù)脂裝填量不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，影響再生效果，所以要使下室強(qiáng)堿樹(shù)脂的裝填量滿足規(guī)范要求，才能達(dá)到相應(yīng)的再生效果。

3）進(jìn)再生液時(shí)，應(yīng)低流速，并適當(dāng)提高再生液用量，再提高置換流速，增加再生液離子交換時(shí)間，可以進(jìn)一步提高再生效果，提高一次再生合格率。

建議后續(xù)可以繼續(xù)對(duì)再生工藝進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)選取最佳堿耗量，既確保陰離子交換器一次再生合格，也可節(jié)省再生耗堿量。