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)用水的重要來源，其制備原理主要是原水中帶電荷的離子通過與離子交換樹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)，如陰離子樹脂可以用3%左右的氫氧化鈉溶液,以一定的速度通過離子交換樹脂即可實(shí)現(xiàn)陰離子樹脂的可逆反應(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)堿陰樹脂，上室選用弱堿陰樹脂，中間用水帽和塑料白球隔開。相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表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)的離子交換樹脂和惰性樹脂的填充率應(yīng)達(dá)到98%～100%，惰性樹脂的高度應(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)再生流過樹脂層時(shí)，下室強(qiáng)堿樹脂層會(huì)瞬間漂浮起來處于懸浮且擾動(dòng)狀態(tài)，造成樹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)堿陰樹脂對(duì)各種陰離子的選擇性：SO42-＞Cl-＞OH-＞HCO3-＞HSiO4-強(qiáng)堿陰樹脂與硅的化合物之間的反應(yīng)，既可能有離子交換過程，也可能有物理吸附過程。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脂中置換出來，HSiO4-對(duì)強(qiáng)堿陰離子樹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脂，且上室沒有設(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)過時(shí)，樹脂層始終處于擾動(dòng)狀態(tài)，無法使再生液順利進(jìn)入樹脂孔，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)堿陰樹脂時(shí)，因下室樹脂層始終是處于懸浮狀態(tài)，而強(qiáng)堿陰離子樹脂又較難再生，故下室的強(qiáng)堿陰樹脂由于擾動(dòng)而得不到充分置換?？芍?，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)高度的樹脂量。計(jì)算方法如式（1）：

強(qiáng)堿陰離子樹脂再生需（100%）堿量Gs（kg）：

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

通過計(jì)算，補(bǔ)充450 mm 高強(qiáng)堿陰離子樹脂則需使用體積分?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)

無頂壓逆流雙室雙層陰離子交換器再生過程中，硅酸鹽交換到樹脂上后，可能發(fā)生聚合而吸附到樹脂骨架上，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)張樹脂的雙電層，將樹脂內(nèi)部剩余的硅酸根交換下來并快速洗出。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)果來看，目前可以得出以下結(jié)論：

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

2）雙室雙層陰離子交換器下室樹強(qiáng)堿陰樹脂的再生效果與樹脂裝填量相關(guān)，當(dāng)強(qiáng)堿陰樹脂裝填量不滿足設(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。