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        001×7鈉離子交換樹脂的微生物污染分析

        2019-07-05 06:49:32
        中國(guó)特種設(shè)備安全 2019年6期
        關(guān)鍵詞:軟化水交換器樹脂

        程 明

        (廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院河源檢測(cè)院 河源 517000)

        隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,離子交換樹脂在工業(yè)鍋爐和電站鍋爐中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在實(shí)際的使用中,樹脂會(huì)受到很多因素的制約和影響,來(lái)自化學(xué)、物理、微生物等污染會(huì)使其離子交換性能降低,繼而導(dǎo)致周期制水量下降以及出水水質(zhì)劣化[1]。如果處理不當(dāng),不但會(huì)使鍋爐在短期內(nèi)快速結(jié)垢,而且會(huì)導(dǎo)致管變形、鼓包甚至發(fā)生爆管等事故。由此可見(jiàn),水質(zhì)情況的好壞,對(duì)鍋爐的安全生產(chǎn)運(yùn)行有很大影響。

        001×7樹脂基團(tuán)會(huì)與水中的Ca2+、Mg2+交換,并釋放出Na+,進(jìn)而降低水的硬度。由于其優(yōu)越的除鈣鎂硬度的能力以及低廉的價(jià)格,近年來(lái)001×7樹脂在水處理系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用,但是受其原水水質(zhì)影響比較大,很容易“中毒”,“中毒”后的樹脂交換能力減弱甚至喪失其應(yīng)有的軟化功能。某市工業(yè)鍋爐用水水源主要采用地下水、地表水或自來(lái)水,這些水源中溶解鹽類成分各不相同,尤其是地下水,Ca2+、Mg2+濃度較高,有的地區(qū)總硬度甚至達(dá)到了4.0mmol/L。

        1 概況

        某企業(yè)由于其產(chǎn)品受市場(chǎng)供求影響,每年3~8月均會(huì)停產(chǎn)。該單位鍋爐額定蒸發(fā)量為4.0t/h,所用水源主要來(lái)自于江水,有水質(zhì)預(yù)處理設(shè)備,主要以沉淀池和纖維活性炭過(guò)濾為主,用來(lái)去除水中的懸浮物、有機(jī)物、微生物等。在停產(chǎn)期間司爐工對(duì)鍋爐進(jìn)行了停爐保養(yǎng)。此鍋爐配有一臺(tái)φ 800mm的鈉離子交換器,樹脂層高1.5m,出水滿足鍋爐生產(chǎn)用水。交換器本體用橡膠襯里,再生周期設(shè)置為24h,工作壓力穩(wěn)定。樹脂的生產(chǎn)日期為2017年9月。根據(jù)該企業(yè)之前的水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告可知,該交換器的軟化水硬度可達(dá)0 mmol/L。

        該企業(yè)2018年3月停產(chǎn),在8月恢復(fù)生產(chǎn)前,進(jìn)行鍋爐和離子交換器調(diào)試運(yùn)行,軟化出水呈現(xiàn)渾濁。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試后,出水硬度均不合格,不符合《鍋爐水(介)質(zhì)處理檢驗(yàn)規(guī)則》[2]的要求,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 硬度、pH值測(cè)定表

        現(xiàn)場(chǎng)詢問(wèn)水處理操作工,得知在鍋爐停用期間并未定期開機(jī)沖洗離子交換器。通過(guò)樹脂罐的上窺視孔,可觀察到罐內(nèi)樹脂的流動(dòng)性很差,而且窺視孔的邊緣處有黑色的泥狀物。

        2 方案制定

        為找出軟化水不合格的原因,筆者制定了一套方案。

        2.1 外部原因

        檢測(cè)用的藥液在有效期內(nèi),檢測(cè)儀器工作正常,檢測(cè)結(jié)果正確。該企業(yè)鍋爐所用原水為江水,硬度檢測(cè)結(jié)果為1.1mmol/L,環(huán)境溫度為30℃,根據(jù)該樹脂交換層高度以及查閱上次檢測(cè)報(bào)告,出水硬度應(yīng)能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

        2.2 內(nèi)部原因

        1)檢查每個(gè)閥門是否有內(nèi)漏現(xiàn)象;

        2)檢查進(jìn)水管及出水管的水流分配是否均勻;

        3)檢查再生劑質(zhì)量及純度;

        4)樹脂是否受到污染。

        方案制定后,進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)宏觀檢驗(yàn),1)步、2)步和3)步均無(wú)問(wèn)題:交換器的閥門完好無(wú)內(nèi)漏;交換器進(jìn)水及出水的分配管出水均勻;再生劑的質(zhì)量及純度符合標(biāo)準(zhǔn)。

        打開樹脂罐,罐內(nèi)樹脂表面污濁,顏色深淺不一,用手觸摸時(shí)有粘膩感,更有樹脂和雜質(zhì)粘在一起,進(jìn)水在罐內(nèi)曲彎下行,形成明顯的空隙走廊[3],進(jìn)水的硬度還來(lái)不及和樹脂進(jìn)行充分的離子交換就被排出,是導(dǎo)致出水質(zhì)量不合格的原因之一。

        取一定量的樹脂,進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。將取出的樹脂清洗掉表面懸浮的粘泥和雜質(zhì),按正常順序進(jìn)行再生。經(jīng)化驗(yàn),進(jìn)水硬度1.1mmol/L,軟化水硬度如圖1所示,測(cè)了6組數(shù)據(jù),出水質(zhì)量仍不合格,筆者由此初步判斷離子交換樹脂發(fā)生了“中毒”。

        圖1 模擬試驗(yàn)軟化水硬度

        3 原因分析

        樹脂發(fā)生“中毒”現(xiàn)象,會(huì)影響出水水質(zhì)質(zhì)量,主要表現(xiàn)為樹脂顏色變深、交換容量下降、力學(xué)強(qiáng)度下降、流體阻力增大等。因此,準(zhǔn)確判斷離子交換樹脂污染的原因并采取相應(yīng)的方法進(jìn)行處理就顯得相當(dāng)必要。

        3.1 鈉離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)

        該公司采用的水處理材料為001×7強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂,是由苯乙烯和二乙烯苯共聚后,形成聚乙烯白球,再經(jīng)過(guò)濃硫酸磺化處理,引入活性基團(tuán)磺酸基(-SO3H)而制成三維空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中苯乙烯是單體,二乙烯苯是交聯(lián)劑,聚苯乙烯為骨架,又被稱作苯乙烯系強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂。

        3.2 “中毒”原因

        從樹脂的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程看,導(dǎo)致樹脂“中毒”的因素有四個(gè)方面[4]:

        1)樹脂的表面被一種或幾種物質(zhì)包裹,導(dǎo)致水中Ca2+、Mg2+通過(guò)樹脂表面的水合膜后,無(wú)法進(jìn)入樹脂中;

        2)樹脂的交換孔道被某物質(zhì)完全或部分堵塞,導(dǎo)致水中Ca2+、Mg2+在交換孔道中無(wú)法移動(dòng);

        3)某物質(zhì)搶先和交換基團(tuán)上的可移動(dòng)離子發(fā)生了交換,導(dǎo)致水中Ca2+、Mg2+無(wú)法再與之發(fā)生交換;

        4)某物質(zhì)使樹脂的聚苯乙烯骨架發(fā)生變化,導(dǎo)致流體阻力增大。

        3.3 鈉離子交換樹脂污染種類的鑒別

        離子交換樹脂雖然有很高的穩(wěn)定性,但是如果使用或存儲(chǔ)不當(dāng),很容易受到外界因素的影響。如受懸浮物、有機(jī)物、Fe3+、Al3+、殘余氯、油、微生物等的污染,從而導(dǎo)致其工作交換容量降低甚至功能喪失。因此在實(shí)際工作中,應(yīng)充分注意樹脂的正確使用和保管,如果樹脂受到污染,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。

        鈉離子交換樹脂常見(jiàn)的主要污染類型有以下幾種,見(jiàn)表2。

        表2 樹脂常見(jiàn)主要污染類型的鑒別及試驗(yàn)方法

        樹脂的污染形式,往往并不局限于某一種,在處理之前,先確定主要的污染形式。有時(shí)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)幾種污染,所以在實(shí)際操作中,要注意先后順序。

        根據(jù)樹脂的表面特征以及宏觀檢測(cè),初步斷定樹脂為微生物污染。

        4 微生物污染的危害

        4.1 水質(zhì)劣化

        原水中的部分微生物體外帶著負(fù)電,會(huì)被陽(yáng)離子樹脂不斷吸附,因而樹脂會(huì)成為微生物等的繁殖場(chǎng)地。當(dāng)交換樹脂長(zhǎng)時(shí)間停用,尤其是溫度較高的環(huán)境下,這些微生物就會(huì)以在樹脂截面上濃縮了的硝酸鹽、胺鹽等為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)迅速繁殖[4]。不但導(dǎo)致出水水質(zhì)劣化,甚至?xí)茐臉渲Y(jié)構(gòu),降低或者喪失離子交換能力。因此為了減少樹脂被污染,原水在進(jìn)入離子交換器之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。

        4.2 pH下降

        +被細(xì)胞吸收后可直接利用,所以微生物最常用的氮源為NH4

        +。當(dāng)NH4+被微生物吸收后,會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)的pH下降。

        4.3 微生物腐蝕

        微生物與金屬的相互作用主要是微生物可以加速金屬腐蝕。微生物的生長(zhǎng)繁殖會(huì)誘發(fā)腐蝕,因?yàn)槠湫玛惔x的中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物,都能夠引起材料的失效。近些年的研究表明,幾乎所有常用的金屬材料都會(huì)有微生物引起的腐蝕現(xiàn)象。

        5 “復(fù)蘇”

        目前市場(chǎng)上使用的殺菌消毒劑主要有NaClO、H2O2、HCHO、O3等。用化學(xué)法殺菌必須考慮試劑與接觸表面的相互作用,殺菌后應(yīng)易于除去殘留。

        1)NaClO殺菌的作用方式是通過(guò)水解形成次氯酸,次氯酸再進(jìn)一步分解形成新生態(tài)氧[O] ,新生態(tài)氧[O] 的極強(qiáng)氧化性會(huì)使微生物的蛋白質(zhì)變性而致死。但是其殺菌過(guò)程對(duì)操作人員的要求比較高,必須經(jīng)過(guò)專門培訓(xùn)。

        2)H2O2可任意比例與水混溶,是一種強(qiáng)氧化劑。在一般情況下會(huì)緩慢分解成水和氧氣,但分解速度極慢,產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物對(duì)呼吸道有強(qiáng)烈刺激性。

        3)O3有極強(qiáng)的氧化性,可短時(shí)間內(nèi)破壞微生物的結(jié)構(gòu),使之失去生存能力,當(dāng)其濃度達(dá)到一定值后,殺菌消毒過(guò)程甚至可以瞬間完成,但O3對(duì)人體有一定的毒性和腐蝕性。

        4)HCHO溶液具有強(qiáng)還原性,能阻止細(xì)胞核蛋白的合成,有效殺死微生物,且甲醛溶液在使用完易于除去殘留。

        由于前三種消毒劑都具有較強(qiáng)的氧化性,對(duì)樹脂結(jié)構(gòu)具有一定的破壞性,本次“復(fù)蘇”試驗(yàn)采用甲醛溶液。用化學(xué)純(或分析純)的HCHO配制成1%~1.5%的溶液,數(shù)倍(一般1~3倍)于所處理的樹脂體積。首先,取一定體積的樹脂,灌裝在玻璃交換柱內(nèi),簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置如圖2所示。將配置好的甲醛溶液,以0.5ml/s的速度流過(guò)裝滿樹脂的交換柱??刂屏魉俜€(wěn)定,時(shí)間充足,以充分去除部分樹脂表面的生物粘泥和青苔藻類等雜質(zhì)。然后將去除過(guò)雜質(zhì)的樹脂移入玻璃鋼罐內(nèi),用1倍體積的甲醛溶液進(jìn)行浸泡,保持接觸時(shí)間 4~8h,浸泡過(guò)程中,要不斷用玻璃棒對(duì)樹脂進(jìn)行攪拌,一是使樹脂外面包裹的雜質(zhì)脫離樹脂浮出;二是使樹脂內(nèi)部處理充分。浸泡結(jié)束后,按正常再生程序處理和清洗,直至甲醛全部洗凈排出為止。

        圖2 樹脂“復(fù)蘇”簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置

        經(jīng)過(guò)“復(fù)蘇”后的樹脂顏色恢復(fù)金黃,且松散分布,樹脂粘團(tuán)消失,如圖3所示。緊接著筆者對(duì)裝滿“復(fù)蘇”后樹脂的交換柱用飽和食鹽水再生,然后按正常順序處理。最后通過(guò)檢測(cè)出水硬度值為0.01 mmol/L,符合《鍋爐水(介)質(zhì)處理檢驗(yàn)規(guī)則》要求[1]。

        圖3 “復(fù)蘇”后的樹脂

        按照模擬試驗(yàn)中的做法,將余下的樹脂進(jìn)行“復(fù)蘇”處理。并徹底清洗樹脂罐與管道后,裝入“復(fù)蘇”后的樹脂,按正常順序徹底沖洗、再生、反洗。再生后取軟化水化驗(yàn)2次,化驗(yàn)結(jié)果符合要求。

        6 總結(jié)

        離子交換樹脂被污染后,首先要鑒別污染類型,然后采取相應(yīng)的試驗(yàn)方法“復(fù)蘇”,如果不及時(shí)處理,不但影響出水水質(zhì),甚至?xí)箻渲瑘?bào)廢,造成經(jīng)濟(jì)損失。

        當(dāng)離子交換器長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí),為避免樹脂因微生物繁殖而被污染,應(yīng)定期清洗再生,將樹脂轉(zhuǎn)換成鈉型。為了延長(zhǎng)樹脂的使用壽命,應(yīng)盡量讓交換器內(nèi)部的水形成流通,減少死水的停留時(shí)間。

        筆者認(rèn)為最重要的還是提高使用單位的認(rèn)識(shí)以及重視程度。加強(qiáng)原水水質(zhì)和水處理設(shè)備的運(yùn)行管理,完善水質(zhì)監(jiān)測(cè),并根據(jù)其結(jié)果制定有針對(duì)性的措施,使水處理的管理逐步正規(guī)化,同時(shí)加強(qiáng)鍋水的監(jiān)測(cè),減緩鍋爐腐蝕和結(jié)垢,促進(jìn)鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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