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钠离子交换软化原理(树脂软化水原理)
 钠离子交换软化原理
 
锅炉结垢的主要原因是由于锅炉给水中存在Ca2+、Mg2+,钠离子交换的目的就是除去水中的Ca2+、Mg2+,使硬水变成软水,以防止锅炉结垢。当原水的碱度较低时,工业锅炉的给水可采用钠离子交换软化法处理。
一、固定床钠离子交换软化过程
固定床是动态离子交换的一种形式,它是指运行中离子交换剂层固定在一个交换器中,再生时一般也在交换器内进行。
1、钠离子交换软化的原理
固定床运行时,当水流从上至下通过交换剂层时,水中的Ca2+、Mg2+与交换剂中的Na+进行交换反应。其过程如下:
碳酸盐硬度软化过程:Ca(HCO3)2 + NaR à CaR2 + NaHCO3
               Mg(HCO3)2 + NaR à MgR2 + NaHCO3
非碳酸盐硬度软化过程: CaSO4 + NaR à CaR2 + Na2SO4
                 CaCl2 + NaR à CaR2 + NaCl
                 MgSO4 + NaR à MgR2 + Na2SO4
 
  MgCl2 + NaR à MgR2 + NaCl
从以上反应式可以分析出,经钠离子交换的软化水有如下特点:
、硬度可以降低或消除
经钠离子交换树脂软化后的水,其残余硬度可以降低至0.03mmol/L以下,甚至可以完全消除硬度。
、碱度不变
经钠离子交换树脂软化后的水,由于碳酸盐硬度等量的转变成了重碳酸钠,并不能使硬水的碱度降低,所以碱度保持不变。
、含盐量增加
经钠离子交换树脂软化后的水,由于原水中的阴离子,即水中的氯离子、硫酸根、重碳酸根和硅酸根等并不改变,如果水中的其他重金属阳离子忽略不计时,只是钙、镁盐类等量地转变成了不能生成水垢的钠盐,当1mmol/L的(1/2Ca2+)钙硬度被1mmol/L的钠离子所交换时,则水中可增加盐量达2.96mg/L[即23.00(Na+的摩尔质量)-20.04(1/2Ca2+)的摩尔质量)]。而1mmol/L的(1/2Mg2+)镁硬度被1mmol/L的钠离子所交换时,则水中可增加盐量达10.84mg/L[即23.00(Na+的摩尔质量)-12.16(1/2 Mg 2+)的摩尔质量)]。因此,软化后的水质,其含盐量要比原水高。
由以上分析可以得知,对于硬度很小的原水,单纯进行钠型软化,虽然硬度消除了,但是会使软化后的水质含盐量增加很多。对于碱度较高的原水,单纯进行钠型软化,会使软化后的水质仍然保持原来的碱度,这种较高的碱度和含盐量,对提高锅水质量和蒸汽品质都是不利的,因此,对于高硬度或高碱度的水质,不宜单纯使用此法软化,而必须采用部分钠离子交换法或氢-钠联合处理,甚至进行部分除盐或全部除盐处理。
2、钠离子交换软化树脂层的工作特点
当水流自上而下流过交换器时,水流首先与上部的交换剂层进行交换,当其失效后,继续进入的原水就与下一层交换剂进行离子交换,从而使工作层不断下移。这样,整个交换剂层分为三个区域:上部是已失效的
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交换剂层,在这一层中由于前期的运行,交换剂都已呈Ca、Mg型,失去了继续软化的能力,水通过这层时不再发生变化,故这一层称为失效层(也叫饱和层);在这下面的一层是交换层,也称工作层,水通过这一层时,水中的Ca2+、Mg2+与交换剂中的Na+进行交换反应,因此在这层交换剂中既有Na型的,也有Ca、Mg型的;下部的交换剂是尚未参加反应的一层,基本都是呈Na型。随着交换器的运行,失效层的区域不断增大,工作层不断下移,未交换区域随之减少,当工作层下移至接近交换层底部时,出水中将会因Ca2+、Mg2+穿透而出现了硬度,因此为了保证出水合格,应在底部保留一定的Na型未交换剂层,即当工作层到达交换剂层底部之前,就应进行再生,故底层的未交换剂层被称为保护层。
从以上分析可以知道,实际上工作层或保护层中有部分交换剂并未完全发挥离子交换的作用,因此它们在整个交换剂层中所占的比例越小,交换剂的利用率就越高。这也就是增加离子交换剂层高度,可提高树脂工作交换容量的原因。
影响钠离子交换软化的因素
、运行流速(gpm/ft2,m/h)
通常流速越大离子交换所需的工作层越大,树脂有效利用率就会下降,但设备单位时间产水能力会提高。反之流速越小所需的工作层越小,树脂利用率就会提高,但设备单位时间产水能力会下降。过大的流速会造成原水只与树脂表面离子交换,水不能进入树脂内部。树脂表面通常只提供20%的交换容量,树脂里面可以提供80%的交换容量。合理的交换流速对提高设备产水能力和交换能力是非常重要的。一般建议运行流速控制在20-30m/h(即4-10gpm/ft2),二级软化处理和小型装置可适当提高到小于60m/h。
、水与树脂接触的时间(gpm/ft3
水与树脂的接触时间越长,交换越充分,单位体积树脂的交换容量提高,但单位时间树脂的产水能力下降。接触时间越短,交换越不充分,单位体积树脂的交换能力下降,而单位时间树脂的产水能力提高。因此合理的接触时间对于软水器的经济运行非常重要。一般建议1.0-5.0gpm/ft3树脂(每小时水流量为树脂装载体积的8-40倍)。
、树脂层高度
树脂层越低,因流速对其交换容量的影响就越大。当树脂层高的达
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30英尺(762mm)时,树脂层高度造成的流速对其交换能力的影响可降低到比较低的程度。因此建议树脂层高度大于800mm。
、进水含盐量
进水含盐量的高低会影响出水品质,而进水含盐量中K+、Na+的总含量对出水品质的影响非常大。
、树脂交换容量
不同的树脂提供的交换容量是不一样的。

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