工業(yè)循環(huán)水濃縮倍數(shù)的檢測方法——離子色譜的應(yīng)用

房樹芹

（淮安清江石油化工有限責(zé)任公司，江蘇 淮安 223002）

1 循環(huán)水濃縮倍數(shù)

循環(huán)水濃縮倍數(shù)是指循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在運行過程中，由于水分蒸發(fā)、風(fēng)吹損失等情況使循環(huán)水不斷濃縮的倍率 (以補充水作基準(zhǔn)進(jìn)行比較)，它是衡量水質(zhì)控制好壞的一個重要綜合指標(biāo)。

1.1 濃縮倍數(shù)的工業(yè)意義

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)用水量日益增長，而循環(huán)冷卻水占工業(yè)水總量的70%左右，循環(huán)冷卻水大有潛力可挖。濃縮倍數(shù)是判定循環(huán)冷卻水利用率的一個重要指標(biāo)，一般濃縮倍數(shù)低，耗水量、排污量均大且水處理藥劑的效能得不到充分發(fā)揮；該數(shù)越高，說明循環(huán)水被利用的次數(shù)越多.提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)不僅可以降低補充水量、節(jié)約水資源、降低排污水量、減少對環(huán)境的污染和廢水處理量，還可以減少水處理劑及殺生劑的消耗量、降低水處理成本?？墒菨饪s倍數(shù)過高，水的結(jié)垢傾向會增大，結(jié)垢控制及腐蝕控制的難度會增加，水處理藥劑會失效，不利于微生物的控制，故循環(huán)水的濃縮倍數(shù)要有一個合理的控制指標(biāo)。

提高濃縮倍數(shù)運行是目前公認(rèn)的有效方法，濃縮倍數(shù)從1.5 提高到2 節(jié)水50%，從2 提高到3 節(jié)水30%，從3 提高到4 節(jié)水15%，從4提高到5 節(jié)水6%，濃縮倍數(shù)在5 以上再提高已失去了節(jié)水意義，反而會帶來一些列問題：水中鹽含量增加，會使循環(huán)冷卻水中的硬度、堿度和濁度升得太快太高，加大了水的結(jié)垢傾向，加劇了冷換設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢；細(xì)菌藻類滋生繁殖加?。粚λ巹┦褂锰岢龈咭?，主要是藥劑加入的精度要提高；有害物質(zhì)對藥劑的容忍度產(chǎn)生變化。所以，一般濃縮倍數(shù)提高到5 比較適宜。但隨著濃縮倍數(shù)的提高，循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕因子也隨之成倍上升，所以高濃縮倍數(shù)下水處理技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用是節(jié)水減排技術(shù)的關(guān)鍵。

提高濃縮倍數(shù)是趨勢，但要結(jié)合企業(yè)的實際情況去處理。這就是說濃縮倍數(shù)不是越大越好,要把濃縮倍數(shù)控制在一定范圍內(nèi).目前我廠把濃縮倍數(shù)控制在3-5 之間.為了能夠正確地反映濃縮倍數(shù)的運行情況，我們需要選擇一種合適的檢測方法。

1.2 目前監(jiān)測方法的不足

濃縮倍數(shù)的測定和控制一般選用水中較穩(wěn)定的離子來進(jìn)行。目前我廠采用循環(huán)冷卻水與補充水中氯離子濃度的比值來測定和控制濃縮倍數(shù)N。即

N=循環(huán)冷卻水氯離子濃度/補充水氯離子濃度

由表1 可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中不加含氯殺菌劑或補充水水質(zhì)較穩(wěn)定時，采用此方法簡單快捷。但由于河水中氯離子濃度總有一定變化，而且一般都采用聚氯化鋁作凈水劑，使得補充水中氯離子濃度難以穩(wěn)定，測定的循環(huán)水濃縮倍數(shù)也就有一定誤差。同時，循環(huán)水系統(tǒng)還常常采用Cl2或NaClO 等含氯藥劑來控制循環(huán)水中的微生物及粘泥，用氯離子濃度來測定和控制濃縮倍數(shù)也難以真實反映循環(huán)水濃縮狀況。這就需要選擇一個合適的監(jiān)測方法。

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1.3 濃縮倍數(shù)監(jiān)測方法比較

目前用于監(jiān)測濃縮倍數(shù)N 的特性物質(zhì)一般為氯離子、鈣離子、鉀離子、二氧化硅和電導(dǎo)率。這些物質(zhì)濃度或特性在冷卻水系統(tǒng)運行中一般不受加熱、曝氣、投加藥劑、沉積或結(jié)垢等因素干擾，且隨N 的增加而成比例增加。

氯離子性質(zhì)穩(wěn)定，不易產(chǎn)生沉淀，測定簡單、快捷。補充水質(zhì)不穩(wěn)定或是冷卻水以氯氣等含氯試劑作殺菌劑時不宜采用。

鈣離子穩(wěn)定性好，干擾少，測定簡單、快捷.當(dāng)體系濃縮倍數(shù)高或結(jié)垢時，產(chǎn)生鈣鹽沉積物，測定結(jié)果偏低。

鉀離子穩(wěn)定性好，干擾少，循環(huán)水系統(tǒng)中K+來源較少，K+的溶解度較大,運行過程中也不會從水中析出，故用K+法檢測循環(huán)水濃縮倍數(shù)K 時，受到的干擾相對較少，但分析過程較為繁瑣，要求高，費用也高。

二氧化硅性質(zhì)較穩(wěn)定，干擾少,但是當(dāng)硅酸鹽與鎂離子濃度都高時，生成硅酸鎂沉淀，使二氧化硅濃度偏低,測定精度較差。對分析條件要求苛刻，費用較高。

電導(dǎo)率測定迅速，儀器操作簡單，受補水水質(zhì)及水處理工藝影響，適合現(xiàn)場監(jiān)測。

綜觀以上幾種方法，由于鉀離子性質(zhì)穩(wěn)定、溶解度大，循環(huán)水中又無此來源，基本無影響因素，鉀離子測定精密度和準(zhǔn)確度都高。因此選用鉀離子作為我廠監(jiān)測濃縮倍數(shù)的特性物質(zhì)是最合適的。

2 鉀離子測定方法及離子色譜的應(yīng)用

目前鉀離子測定方法主要有：原子吸收分光光度法；火焰光度法；離子色譜法；鉀度計法。測定鉀離子的目的，在于確定循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)時，可將循環(huán)冷卻水按運行狀況進(jìn)行稀釋，使其含鹽量接近補充水狀況，再進(jìn)行測定，這樣可相對消除干擾。由于我們只是對鉀離子進(jìn)行定量分析，選擇離子色譜法測定鉀離子是比較合適的.離子色譜法測定鉀離子具有下列優(yōu)點：快速、方便、靈敏度高、選擇性好、結(jié)果可靠。但對有機物濃度要求太高是其主要缺點。

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2.1 離子色譜法測定鉀離子

離子色譜工作原理及應(yīng)用前景。離子色譜是高效液相色譜（HPLC）的一種，是分析陰陽離子的一種液相色譜方法。通常情況下，離子色譜可以分為三種類型，高效離子交換色譜（HPIC）、離子排斥色譜（HPIEC）、離子對色譜（MPIC）。

下面我們以離子交換色譜為例，簡單介紹一下離子色譜的工作原理。離子色譜的工作原理主要是離子交換平衡。離子色譜中使用的固定相是離子交換樹脂。離子交換樹脂上分布有固定的帶電荷的基團(tuán)和能游動的配位離子。當(dāng)樣品加入離子交換色譜往后，如果用適當(dāng)?shù)娜芤合疵摚瑯悠冯x子即與樹脂上能游動的離子進(jìn)行交換，并且連續(xù)進(jìn)行可逆交換吸附和解吸，最后達(dá)到吸附平衡。由于各離子與樹脂親和力不同，各離子將按次序先后被洗脫出來，經(jīng)電導(dǎo)檢測器檢測出各離子的峰，繪出譜圖。

離子色譜主要用于環(huán)境樣品的分析，包括地面水、飲用水、雨水、生活污水和工業(yè)廢水、酸沉降物和大氣顆粒物等樣品中的陰、陽離子，與微電子工業(yè)有關(guān)的水和試劑中痕量雜質(zhì)的分析。

離子色譜法測定工業(yè)循環(huán)水中鉀離子（參照GB/T15454-95）

方法提要。離子在固定相和流動相有不同的分配系數(shù)，當(dāng)流動相將樣品帶到分離柱時，由于各種離子對離子交換樹脂的相對親和力不同，樣品中的各種離子被分離，再流經(jīng)電導(dǎo)池，由電導(dǎo)池檢測器檢測，并繪出各種離子的色譜圖，以保留時間定性，以峰面積或峰高定量測出離子含量。

水樣的預(yù)處理。水樣中常含有大量的細(xì)菌，經(jīng)常會因在色譜柱上形成菌膜而將其損壞。為保護(hù)色譜柱，可將經(jīng)前處理后的樣品經(jīng)0.45um的微孔濾膜過濾，可將細(xì)菌阻擋于膜上而僅讓水分子和各種離子通過[3]。

儀器。離子色譜儀主機、電導(dǎo)檢測器、往復(fù)式平流泵、臺式記錄儀等組成。原理圖如圖1。

適用范圍。本標(biāo)準(zhǔn)適用于測定工業(yè)循環(huán)冷卻水中 Na+、NH4+、Li+、Mg2+和Ca2+含量的測定。檢測范圍：Na+含量1.00～50.0mg/L、NH4+含量 1.00～30.0mg/L、K+含 量 1.00～50.0mg/L、Mg2+含 量1.00～50.0mg/L 和Ca2+1.00～50.0mg/L 范圍的測定，如果超出此范圍，可稀釋在此范圍內(nèi)測定。

分析步驟

淋洗液的的配制：選用68%的濃硝酸配制1mol/LHNO3作為貯備液，然后根據(jù)不同的分離柱而移取不同量的上述貯備液，用去離子水蒸餾水稀釋至1000mL 作為淋洗液，使用前應(yīng)將淋洗液經(jīng)燒結(jié)玻璃漏斗過濾，并真空脫氣。

插上陽離子電導(dǎo)池板。將平流泵過濾器放人淋洗液貯液瓶，開啟平流泵，流量選擇0.5ml/min，通淋洗液20 分鐘后，選擇色譜柱所規(guī)定的流量，轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“輸出”檔，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使數(shù)字表顯示為零。

選擇記錄儀檔位（根據(jù)樣品濃度的高低，選擇合適的量程）以及基線在記錄線上的位置，即可進(jìn)行分析，根據(jù)色譜圖的峰高，調(diào)節(jié)記錄儀量程。

進(jìn)樣用注射器吸取1mL 樣品（必須排除氣泡）由陽離子進(jìn)樣口進(jìn)樣，將進(jìn)樣閥快速扳回分析位置，完成一次進(jìn)樣。

關(guān)閉儀器：分析完畢后，先通10 分鐘蒸餾去離子水，再依次關(guān)閉記錄儀、主機和泵電源。

分析結(jié)果的表述

以mg/L 表示的待測離子含量x 按下式計算：

X=L/L0*C0*V0/V

式中：L—水樣中被測離子峰高，mm；

L0—標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中被測離子峰高，mm；

C0—標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中被測離子濃度，mg/L；

V—所取水樣體積，mL；

V0—水樣被稀釋后體積。

或由色譜微處理機按峰面積或峰高直接計算出結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析(見表2)

與表1 相比，可明顯看出補充水中鉀離子濃度比較穩(wěn)定，循環(huán)水中又無此來源，選擇鉀離子作為測定參數(shù)可行。

3 總結(jié)

目前，離子色譜法已經(jīng)在能源、環(huán)境、冶金、電鍍、半導(dǎo)體、水文地質(zhì)等方面廣泛應(yīng)用，并且開始進(jìn)入了與生命科學(xué)有關(guān)的分析領(lǐng)域。我國從80年代初期引進(jìn)離子色譜儀，開始了離子色譜的應(yīng)用研究工作，同時也開始了儀器的研制和生產(chǎn)。隨著離子色譜技術(shù)的發(fā)展，離子色譜儀在我國的應(yīng)用已日益普及。

我廠選用江蘇江分電分析儀器廠的型號為WIC-Ⅱ的離子色譜儀，于2008年6月開始使用，為工業(yè)循環(huán)水濃縮倍數(shù)提供更加準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。循環(huán)水濃縮倍數(shù)不僅是反映水質(zhì)的一個綜合性指標(biāo)，同時也是衡量一個部門甚至一個企業(yè)綜合管理能力及技術(shù)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。

[1]杜林琳.循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)關(guān)鍵是看水質(zhì)是否結(jié)垢型水網(wǎng)論壇2006.8

[2]何世梅.循環(huán)水濃縮倍數(shù)的檢測方法及控制指標(biāo)中國論文下載中心2006.3

[3]《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)循環(huán)冷卻水中鈉、銨、鉀、鎂和鈣離子的測定離子色譜法》GB/T15454-95