飲用水深度處理技術(shù)—離子交換樹(shù)脂

      離子交換法是水的軟化和除鹽處理最常使用的處理基本技術(shù)。具有處理程度高、出水水質(zhì)好、技術(shù)成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、管理方便、價(jià)格適宜等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。在生活飲用水的處理中，離子交換技術(shù)主要用于以高硬度地下水為水源水的生活飲用水軟化處理，也可以用于高含鹽量水源水的生活飲用水除鹽處理。但不如反滲透法或電滲析法經(jīng)濟(jì)。

(1)離子交換法的基本原理

      ① 離子交換樹(shù)脂 離子交換樹(shù)脂具有離子交換能力，水處理中所使用的離子交換劑有：離子交換樹(shù)脂、磺化煤、鈉沸石等，是目前所用的主要離子交換樹(shù)脂。

離子交換樹(shù)脂由樹(shù)脂母體（骨架）和交換基團(tuán)構(gòu)成。離子交換樹(shù)脂在生成過(guò)程中先采用凝膠法生成樹(shù)脂母體小球。樹(shù)脂母體小球?yàn)榫哂锌臻g網(wǎng)架多孔結(jié)構(gòu)的高分子聚合物的小球。例如苯乙烯系樹(shù)脂小球。樹(shù)脂小球上再引入不同的交換基團(tuán)，使其具有交換功能，成為離子交換樹(shù)脂。例如：苯乙烯系樹(shù)脂小球在濃硫酸中加熱到100℃，以1％硫酸銀為催化劑，把聚乙烯樹(shù)脂苯環(huán)上的部分H⁺ 置換為磺酸基團(tuán)（—RO₃H），就得到強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。在苯乙烯系樹(shù)脂上加入季氨基，則得到強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂。

水的軟化處理主要使用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，水的除鹽處理主要使用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂。

      ② 離子交換軟化的基本原理 離子交換軟化除鹽的基本原理是：用Na型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂中的Na⁺ 交換去除水中的Ca²⁺、Mg²⁺ 硬度，飽和的樹(shù)脂再用5％～8％的食鹽NaCI溶液再生。原水經(jīng)過(guò)樹(shù)脂的軟化，水中的致硬離子Ca²⁺、Mg²⁺ 被全部去除，替換成非致硬的Na⁺ 離子，但是處理后水的含鹽量（以mol為單位）沒(méi)有降低。

      ③ 離子交換除鹽的基本原理 先用H型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂中的H⁺ 交換去除水中的所有金屬陽(yáng)離子（以符號(hào)M^m+代表），飽和的樹(shù)脂用3％～4％的鹽酸HCI溶液再生。再用OH型強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂中的OHˉ交換去除水中的除OHˉ外的所有陰離子（以符號(hào)Nⁿˉ代表），飽和的樹(shù)脂用2％～4％的NaOH溶液再生。最后所產(chǎn)生的H⁺ 與OHˉ合并為水分子。原水經(jīng)過(guò)離子交換除鹽處理后，水中的各種離子都被去除掉了。

（2）離子交換再生

      ① 鹽液再生系統(tǒng)鹽液再生系統(tǒng)用于Na型陽(yáng)離子交換器的再生，以鹽（NaCI）作為再生劑。飽和鹽液濃度約為23％～26％，樹(shù)脂再生液中NaCI的濃度控制5％～8％。

      ② 酸液再生系統(tǒng)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂要作酸再生，可以用鹽酸或硫酸。鹽酸應(yīng)稀釋為3％～4％送入離子交換柱中。

用硫酸作再生劑時(shí)，因硫酸的濃度高（96％左右），用量少，并且由于碳鋼耐濃硫酸，可以直接用碳鋼容器存放，防腐問(wèn)題小。但對(duì)再生液的配置濃度必須嚴(yán)格控制，否則會(huì)在樹(shù)脂中產(chǎn)生CaSO₄沉淀析出物。在實(shí)際生產(chǎn)中，多采用分布再生法，即先用低濃度高流速的硫酸再生液再生，然后逐步提高硫酸濃度，降低流速。再生液的濃度視原水中Ca²⁺ 的含量和所占水中陽(yáng)離子的比例，計(jì)算或調(diào)試確定。

      ③ 堿液再生系統(tǒng)陰離子交換樹(shù)脂的再生劑為燒堿，即氫氧化鈉。

氫氧化鈉產(chǎn)品有固體和液體兩種，液體濃度為30％～40％，使用較為方便，其再生系統(tǒng)與設(shè)備鹽酸再生系統(tǒng)相同。為了提高陰離子樹(shù)脂的再生效果，再生時(shí)多對(duì)堿液加熱使用（在噴射器后用蒸汽加熱）。若采用固體燒堿（NaOH含量95％以上），則先將其溶解成30％～40%的堿液后再用。

（3）樹(shù)脂的預(yù)處理

在離子交換樹(shù)脂的工業(yè)產(chǎn)品中，常含有少量的有機(jī)低聚物及一些無(wú)機(jī)雜質(zhì)。在使用初期會(huì)逐漸溶解釋放，影響出水水質(zhì)或產(chǎn)品質(zhì)量。因此，新樹(shù)脂在使用前必須進(jìn)行預(yù)處理，具體方法如下：

      ①樹(shù)脂裝入交換器后，用潔凈水反洗樹(shù)脂層，展開(kāi)率為50%～70%直至出水清洗、無(wú)氣味、無(wú)細(xì)碎樹(shù)脂為止。

      ② 用約2倍樹(shù)脂體積的4%～5% HCI溶液，以2m/h的流速通過(guò)樹(shù)脂層。全部通入后，浸泡4～8小時(shí)，排去酸液，用潔凈水沖洗至出水呈中性，沖洗流速為10%～20m/h。

      ③ 用約2倍樹(shù)脂體積的2%～5% NaOH溶液，按上面進(jìn)HCI溶液的方法通入和浸泡，排去堿液，用潔凈水沖洗至出水呈中性，沖洗流速同上。酸、堿溶液若能重復(fù)進(jìn)行2～3次，則效果更佳。

經(jīng)預(yù)處理后的樹(shù)脂，在第一次投入運(yùn)行時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加再生劑用量，以保證樹(shù)脂獲得充分的再生。

      ④ 長(zhǎng)期停用而放置在交換器內(nèi)的樹(shù)脂，為防止微生物（如藻類、細(xì)菌等）對(duì)樹(shù)脂的不可逆污染，樹(shù)脂在停用前須徹底反洗，以除去運(yùn)行時(shí)積聚的懸浮物質(zhì)，并注意定期沖洗和換水。