bodu.com

工程师博客

正文 更多文章

阳离子交换树脂铁中毒复苏方法研究

阳离子交换软化装置是一种大量使用的工业水处理装置。该装置在使用过程中往往会接触到含铁地下水或因管道锈蚀造成进水中带有铁离子,导致阳离子交换树脂受到铁离子的污染,通常称为铁中毒。由于强酸性阳离子交换树脂对水中的三价铁离子亲合力极强,其选择交换顺序为:Fe3+>Al3+>Fe2+>Ca2+>Mg2+>K>NH4>Na>H。当进水中含有少量三价或二价铁离子时,阳树脂将会优选与这些铁离子结合,在水中溶解氧的作用下将其中的二价铁离子氧化为三价铁离子,使其牢牢的结合在树脂交换基团上。虽然水中铁离子含量很少,但年复一年地运行下去,铁离子在交换基团中越积越多,占据了树脂的大部分工作交换容量,导致树脂对Ca2+、Mg2+离子交换能力的下降,出水水质超标,运行周期缩短,产水量减少,再生剂耗量增加等一系列问题,严重时会造成装置无法运行下去。
  树脂铁中毒后,用常规低浓度的食盐再生液很难将树脂交换基团上的Fe3+置换下来。人们采用了各异的树脂铁中毒复苏方法。虽然均能取得一定的复苏效果,但其经济指标均不理想,复苏时间过长,复苏不够彻底,因而有必要探寻一种新的树脂复苏方法。
  我们提出一种新的还原复苏法,取得了较理想的复苏效果。现介绍如下,供参考。

1 树脂鉴别及常规复苏工艺

 

1.1 树脂铁中毒鉴别方法
  初步判断:采用正常的软化再生方法无法恢复原有工作交换容量,并且交换容量有较大幅度下降时,可取少量树脂与新树脂进行颜色比较。新树脂为淡黄色或金黄色,铁中毒树脂颜色明显加深,变为棕色,紫红色,甚至近似黑色。
  分析检测:取10 mL颜色发生变化、初步判断为铁中毒的树脂置于100 mL烧杯中,加入30 mL 8.0%的HCl溶液,慢速搅拌15 min,静置0.5 h,取上清液测定总铁含量,以此判断树脂铁中毒程度。
1.2 常规树脂铁中毒复苏工艺
  常规铁中毒复苏方法可视铁中毒程度不同而异。轻度铁中毒可在罐内复苏。铁中毒较深时,应采用罐外复苏,复苏效果较好,但操作麻烦,需有备用容器,耗时较长。
  罐内复苏方法1:彻底反冲洗树脂层后,用3倍于树脂体积的8.0%HCl溶液,以6 m/h流速逆向流经树脂层。用原水冲洗该层至出水pH≥5.5。用3倍于树脂体积的9.0%NaCl溶液,以6 m/h流速逆向流经树脂层。用软化水以9 m/h流速冲洗树脂层5 min完成树脂复苏。转入正常的软化交换过程。此法适用于轻度铁中毒树脂的复苏,但效果不够理想。
  罐内法2:对于中度铁中毒树脂的复苏,可在上述两步复苏方法的基础上,再增加两道工序:用3倍于树脂体积的8.0%NaOH溶液,以8 m/h流速逆向流经树脂层(以防氢氧化物沉淀)。用原水冲洗树脂层至出水pH≤8.5。用3倍于树脂体积的9.0%NaCl溶液,以6 m/h流速逆向流经树脂层。用软化水以9 m/h流速逆向清洗树脂层5 min,完成复苏,转入正常软化交换过程。此四步方法的复苏效果比较理想,但复苏费用较大。
  罐外法:当树脂铁中毒十分严重时,某些单位甚至采用罐外复苏法,以求获得更好的复苏效果。即彻底反冲洗树脂层后,将树脂移入专用清洗装置中。用3倍于树脂体积的8.0%HCl溶液,分两次浸泡树脂,缓慢搅拌40 min,间隔2 h排空废液一次。用5倍于树脂体积的原水分3次浸洗树脂,缓慢搅拌,5 min排空废水一次。用3倍于树脂体积的9.0%NaCl溶液,按前述方法浸泡树脂并清洗。再用3倍于树脂体积8.0%NaOH溶液,按前述方法浸泡树脂并清洗。最后采用3倍于树脂体积的9.0%NaCl溶液,按前述方法浸泡树脂后,将树脂回装于交换罐内,并用软化水以9 m/h流速清洗树脂5 min。完成罐外复苏全过程,转入正常软化交换过程。

2 还原复苏法

 

2.1 还原复苏法原理
  从阳树脂对阳离子的选择结合顺序来看,以氢离子置换三价铁离子并不容易,甚至比钠离子更困难。因此,用酸复苏铁中毒树脂,除了可避免在复苏过程中三价铁离子产生氢氧化铁沉淀外,其它并无什么好处,处理效果也不十分理想。此外,用碱液复苏树脂其作用同食盐溶液复苏树脂是一样的,同样是用钠离子置换铁离子,效果并不会比食盐好,除非树脂受到有机物污染时,可用NaOH碱性溶液,去除树脂颗粒表面附积的有机物等。
  树脂复苏从理论上讲,应尽可能地使再生剂中的可交换的离子与树脂交换基团中的被置换的离子,在选择结合顺序上靠近,使之置换较易进行,从而减少再生剂用量,降低再生液浓度,缩短再生时间。因此,可从以下两个方面着手,一是增强再生剂的置换能力,如选用选择顺序靠前的高价离子再生剂,或增加再生剂用量,增大再生剂浓度。另一种是设法降低树脂上被置换离子与树脂的结合能力,使选择结合顺序向后移动。第一条途径往往会导致复苏费用过高,且效果并不理想,常规的复苏方法即是采用这一途径。而新研究的还原复苏法则是通过第二条途径完成。
  对三价铁离子而言,最理想的方法是将三价铁离子还原为二价,使其与树脂的结合力大幅度下降,钠离子或氢离子便会较容易地将其置换下来,这样铁中毒树脂就会获得良好的复苏。而且复苏过程中不会产生氢氧化铁沉淀。其经济指标也较前两种方法有明显的改善。
  最理想的还原剂为亚硫酸钠,它与三价铁的氧化还原反应:2Fe3++Na2SO3+H2O2Fe2++Na2SO4+2H,此还原过程可以进行的较为彻底,部分二价铁离子还会进一步被还原剂Na2SO3中的钠离子置换。此时只需用NaCl溶液进行常规的再生,即可使铁中毒树脂得到复苏,经软化水清洗后,转入正常的软化交换过程。
2.2 还原复苏法工艺参数
  影响还原复苏效果的主要因素有还原剂用量、还原剂浓度、还原剂与树脂层接触时间、还原剂流经树脂层滤速等。试验确定了最佳的工艺参数,数据如表1、表2所示。

2 还原复苏法

2.1 还原复苏法原理
  从阳树脂对阳离子的选择结合顺序来看,以氢离子置换三价铁离子并不容易,甚至比钠离子更困难。因此,用酸复苏铁中毒树脂,除了可避免在复苏过程中三价铁离子产生氢氧化铁沉淀外,其它并无什么好处,处理效果也不十分理想。此外,用碱液复苏树脂其作用同食盐溶液复苏树脂是一样的,同样是用钠离子置换铁离子,效果并不会比食盐好,除非树脂受到有机物污染时,可用NaOH碱性溶液,去除树脂颗粒表面附积的有机物等。
  树脂复苏从理论上讲,应尽可能地使再生剂中的可交换的离子与树脂交换基团中的被置换的离子,在选择结合顺序上靠近,使之置换较易进行,从而减少再生剂用量,降低再生液浓度,缩短再生时间。因此,可从以下两个方面着手,一是增强再生剂的置换能力,如选用选择顺序靠前的高价离子再生剂,或增加再生剂用量,增大再生剂浓度。另一种是设法降低树脂上被置换离子与树脂的结合能力,使选择结合顺序向后移动。第一条途径往往会导致复苏费用过高,且效果并不理想,常规的复苏方法即是采用这一途径。而新研究的还原复苏法则是通过第二条途径完成。
  对三价铁离子而言,最理想的方法是将三价铁离子还原为二价,使其与树脂的结合力大幅度下降,钠离子或氢离子便会较容易地将其置换下来,这样铁中毒树脂就会获得良好的复苏。而且复苏过程中不会产生氢氧化铁沉淀。其经济指标也较前两种方法有明显的改善。
  最理想的还原剂为亚硫酸钠,它与三价铁的氧化还原反应:2Fe3++Na2SO3+H2O2Fe2++Na2SO4+2H,此还原过程可以进行的较为彻底,部分二价铁离子还会进一步被还原剂Na2SO3中的钠离子置换。此时只需用NaCl溶液进行常规的再生,即可使铁中毒树脂得到复苏,经软化水清洗后,转入正常的软化交换过程。
2.2 还原复苏法工艺参数
  影响还原复苏效果的主要因素有还原剂用量、还原剂浓度、还原剂与树脂层接触时间、还原剂流经树脂层滤速等。试验确定了最佳的工艺参数,数据如表1、表2所示。

表1 还原法工艺参数

还原剂比耗 1.0 1.2
还原剂浓度/% 4 5 6 7 4 5 6 7
复苏率/% 81.2 82.4 82.7 82.8 90.7 92.1 92.6 92.9
注:还原液滤速10 m/h,循环时间2.0 h,水温21 ℃。食盐再生液比耗1.4,盐液浓度5.0%,再生流速6 m/h。

表2 复苏效果比较

复苏方法 复苏前铁离子量
/mmol.L-1
复苏后铁离子量
/mmol.L-1
复苏率
/%
罐内法1 1 870.0 518.2 72.28
罐内法2 1 870.0 299.7 83.97
罐外法 1 870.0 154.8 91.72
还原法 1 870.0 147.7 92.10
注:实验用树脂的pH为6.3~6.5,1.0 mmol/L FeCl3溶液,动态饱和的强酸性阳树脂,还原剂比耗为1.2,还原液浓度5.0%,其它参数同表1注。
  亚硫酸钠的用量应以所测得的树脂中铁含量的多少来确定。按反应式计算出的理论用量,考虑还原剂纯度后乘以1.2倍的再生比耗即为还原剂使用总量。还原剂溶液浓度以5.0%~6.0%为宜,虽然浓度较大时,氧化还原反应较易进行,但所配制的还原剂溶液体积较小,不易进行循环再生。还原剂流经树脂层的流速以8~10 m/h为宜。采用逆向循环工艺,还原液与树脂的接触时间应达到2.0 h以上,为防止空气中氧大量溶入还原液中,还原液应采用底部进出药液池。为防止氢氧化铁沉淀物的产生,最好在配制还原液时用盐酸将还原液pH值调至5.5~6.0。
  经还原剂处理后,只需用NaCl进行常规的树脂再生,即可使铁中毒的树脂得到复苏,恢复软化能力。

3 经济比较

  还原复苏法虽然能够比较容易彻底的复苏铁中毒树脂。但其复苏费用的多少是决定该法有无实用价值的关键,故必须对其进行考察。
  复苏铁中毒树脂1 mmol的交换能力,采用还原法需消耗95.0%纯度的无水亚硫酸钠0.08 kg,按售价3 500元/t计0.28元,消耗纯度为95.0%工业食盐0.086 kg,按售价1 200元/t计0.104元,消耗30.0%的工业盐酸0.02 kg,按售价850元/t计0.02元,以上共计0.404元,复苏耗时约4.5 h。
  采用罐内酸碱盐再生法,则需消耗30.0%工业盐酸0.47 kg,计0.40元,消耗工业食盐0.332 kg,计0.40元,消耗95.0%烧碱0.16 kg,按售价3 000元/t计0.48元,共计1.28元,全部复苏过程耗时约6 h以上。
  采用罐内酸盐复苏法需消耗盐酸、食盐共计0.60元,全过程耗时约4 h。
  采用罐外酸碱盐复苏法,消耗化学药剂与罐内法相同,共计1.28元,全过程耗时在18 h以上。
  从以上技术经济分析中表明,采用酸碱盐复苏法其复苏费用每吨树脂高达1 000元以上,这在实用中是难以接受的。即使采用简化的酸盐复苏方法,经济指标也很不理想。而还原复苏法不仅在技术上可取得较好的效果,复苏率可达90.0%以上,同时复苏的药剂费用仅为酸碱盐法的30%左右,处理每吨树脂约为400元。

4 结论

  阳树脂的铁中毒复苏一直是离子交换过程中的难题,传统复苏方法,技术经济性能很差。我们提出的还原复苏法是一个行之有效的新方法。与传统的复苏方法相比,还原法可节约药剂费用50%~60%。

1.1 树脂铁中毒鉴别方法
  初步判断:采用正常的软化再生方法无法恢复原有工作交换容量,并且交换容量有较大幅度下降时,可取少量树脂与新树脂进行颜色比较。新树脂为淡黄色或金黄色,铁中毒树脂颜色明显加深,变为棕色,紫红色,甚至近似黑色。
  分析检测:取10 mL颜色发生变化、初步判断为铁中毒的树脂置于100 mL烧杯中,加入30 mL 8.0%的HCl溶液,慢速搅拌15 min,静置0.5 h,取上清液测定总铁含量,以此判断树脂铁中毒程度。
1.2 常规树脂铁中毒复苏工艺
  常规铁中毒复苏方法可视铁中毒程度不同而异。轻度铁中毒可在罐内复苏。铁中毒较深时,应采用罐外复苏,复苏效果较好,但操作麻烦,需有备用容器,耗时较长。
  罐内复苏方法1:彻底反冲洗树脂层后,用3倍于树脂体积的8.0%HCl溶液,以6 m/h流速逆向流经树脂层。用原水冲洗该层至出水pH≥5.5。用3倍于树脂体积的9.0%NaCl溶液,以6 m/h流速逆向流经树脂层。用软化水以9 m/h流速冲洗树脂层5 min完成树脂复苏。转入正常的软化交换过程。此法适用于轻度铁中毒树脂的复苏,但效果不够理想。
  罐内法2:对于中度铁中毒树脂的复苏,可在上述两步复苏方法的基础上,再增加两道工序:用3倍于树脂体积的8.0%NaOH溶液,以8 m/h流速逆向流经树脂层(以防氢氧化物沉淀)。用原水冲洗树脂层至出水pH≤8.5。用3倍于树脂体积的9.0%NaCl溶液,以6 m/h流速逆向流经树脂层。用软化水以9 m/h流速逆向清洗树脂层5 min,完成复苏,转入正常软化交换过程。此四步方法的复苏效果比较理想,但复苏费用较大。
  罐外法:当树脂铁中毒十分严重时,某些单位甚至采用罐外复苏法,以求获得更好的复苏效果。即彻底反冲洗树脂层后,将树脂移入专用清洗装置中。用3倍于树脂体积的8.0%HCl溶液,分两次浸泡树脂,缓慢搅拌40 min,间隔2 h排空废液一次。用5倍于树脂体积的原水分3次浸洗树脂,缓慢搅拌,5 min排空废水一次。用3倍于树脂体积的9.0%NaCl溶液,按前述方法浸泡树脂并清洗。再用3倍于树脂体积8.0%NaOH溶液,按前述方法浸泡树脂并清洗。最后采用3倍于树脂体积的9.0%NaCl溶液,按前述方法浸泡树脂后,将树脂回装于交换罐内,并用软化水以9 m/h流速清洗树脂5 min。完成罐外复苏全过程,转入正常软化交换过程。

分享到:

上一篇:

下一篇:锅炉补给水处理系统采用反渗透技术的经

评论 (0条) 发表评论

抢沙发,第一个发表评论
验证码