鹽度和硬度對(duì)001×7 Na型陽(yáng)離子交換樹脂性能的影響

張俊新,何潔,劉遠(yuǎn),王鐵軍,劉靖,于超

(1.大連海洋大學(xué)近岸海域環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023;2.吉林通化市環(huán)保局,吉林通化134001)

鹽度和硬度對(duì)001×7 Na型陽(yáng)離子交換樹脂性能的影響

張俊新1,何潔1,劉遠(yuǎn)1,王鐵軍2,劉靖1,于超1

(1.大連海洋大學(xué)近岸海域環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023;2.吉林通化市環(huán)保局,吉林通化134001)

通過(guò)調(diào)整原水和再生劑中的鹽度和硬度,研究了不同鹽度和硬度組合對(duì)001×7 Na型陽(yáng)離子交換樹脂軟化性能的影響,并用海水作為再生劑進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明:鹽度較高時(shí),對(duì)軟化和再生過(guò)程影響較大;海水不適合直接用作再生劑,并提出了理論依據(jù)。本試驗(yàn)結(jié)果可為實(shí)際工程中軟化除鹽設(shè)計(jì)的參數(shù)選取和運(yùn)行提供參考。

鹽度;硬度;離子交換;陽(yáng)樹脂再生海水

離子交換法廣泛地被用于食品、制藥、冶金、化工及水處理領(lǐng)域。在工業(yè)給水處理中,最常使用的交換劑是離子交換樹脂。其中001×7 Na型陽(yáng)樹脂(苯乙烯系強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂)普遍用于對(duì)硬水的軟化和除鹽工藝。依照《工業(yè)用水軟化除鹽設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 50109-2006,離子交換法適用于處理硬度小于10 mmol/L的水,再生劑采用NaCl溶液,再生劑的濃度為50～80 g/L[1]。目前,關(guān)于樹脂的使用方法和運(yùn)行有一些研究報(bào)道,多為再生工藝的調(diào)整改進(jìn)、成本考核、提高交換容量等實(shí)際應(yīng)用方面[2]以及不同離子、大分子物質(zhì)的交換平衡和吸附解吸等方面的理論研究[3-7],尚無(wú)關(guān)于鹽度和硬度對(duì)001×7 Na型陽(yáng)離子交換樹脂性能影響方面的研究。本試驗(yàn)中,作者重點(diǎn)研究原水和再生劑中鹽度和硬度的變化對(duì)001×7 Na型陽(yáng)離子交換樹脂軟化和再生過(guò)程的影響,以期為實(shí)際水處理過(guò)程中軟化除鹽設(shè)計(jì)的參數(shù)選取和運(yùn)行提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 材料

離子交換柱高度為14.5 cm,直徑為7 cm,其材質(zhì)為塑料PE,內(nèi)襯為200目篩絹。試驗(yàn)所用樹脂為001×7 Na型陽(yáng)離子交換樹脂(苯乙烯系強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂),粒徑為0.8～1.2 mm,濕真密度為1.23～1.28 g/cm3。水箱材質(zhì)也為塑料PE,有效體積為50 L,水箱底部距離交換柱頂部約為2 m。連接管路和調(diào)節(jié)球閥采用PVC塑料材質(zhì)。

試驗(yàn)裝置見圖1。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方法 軟化試驗(yàn)時(shí),原水在貯水箱靠重力流入離子交換柱。打開軟化進(jìn)水閥和軟化出水閥,關(guān)閉再生進(jìn)水閥和再生出水閥,在軟化取樣口取樣;再生試驗(yàn)時(shí),先進(jìn)行反洗,再進(jìn)行再生,以便沖洗樹脂表面和管道內(nèi)殘留的硬水。再生時(shí),打開再生進(jìn)水閥和再生出水閥,關(guān)閉軟化進(jìn)水閥和軟化出水閥,在再生取樣口取樣。軟化和再生試驗(yàn)過(guò)程轉(zhuǎn)換時(shí),用純水徹底清洗水箱、管路和交換柱內(nèi)。放空閥為常閉閥門,僅在放空時(shí)使用。

1.2.2 測(cè)定方法 用計(jì)量取樣瓶接取濾出水,計(jì)量濾出體積。取樣流量,過(guò)濾流量為0.04 m3/h (折合濾速10 m/h),再生流量為0.008 m3/h(折合濾速2 m/h)。試驗(yàn)原水中的硬度用CaCl2(分析純)和純水配制,鹽度用NaCl(分析純)和純水配制。海水取自大連市黑石礁海域,經(jīng)過(guò)沙濾后使用。經(jīng)實(shí)測(cè),海水總硬度為(5 850.25±55.35) mg/L。

采用GB/T6909-2008鍋爐用水和冷卻水分析

方法測(cè)定硬度(以CaCO3(mg/L)計(jì))。采用感應(yīng)式鹽度計(jì)測(cè)定鹽度。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Trial equipment schematics

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)為了了解試驗(yàn)裝置及樹脂的性能,對(duì)樹脂的交換容量進(jìn)行了測(cè)定。

2)鹽度對(duì)軟化過(guò)程的影響試驗(yàn)中,鹽度分別設(shè)置為2、6、22、26、30(原水硬度為600 mg/L)。

3)再生劑鹽度對(duì)再生過(guò)程的影響試驗(yàn)中,鹽度分別設(shè)置為8、50、80(再生劑硬度為0)。

4)再生劑硬度對(duì)再生過(guò)程的影響試驗(yàn)中,鹽度分別設(shè)置為24、30、36、80(再生劑硬度為600 mg/L)。

5)為了檢驗(yàn)海水作為再生劑的可行性,用海水進(jìn)行了再生試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂交換容量的測(cè)定

試驗(yàn)用樹脂的交換容量為1.443 mmol/mL,靜態(tài)交換容量為1.088 mmol/g。統(tǒng)一單位后得出所測(cè)動(dòng)態(tài)交換容量數(shù)值略小于靜態(tài)交換容量。

2.2 鹽度對(duì)軟化過(guò)程的影響

由圖2、圖3可見,原水硬度為600 mg/L,鹽度較低時(shí)(鹽度為6以下),對(duì)軟化過(guò)程基本無(wú)影響。當(dāng)原水含鹽量較高時(shí)(鹽度為22～30),出水中殘余硬度較大,并且出水硬度直接穿透樹脂層。這說(shuō)明原水中鹽度較高時(shí),軟化效果較差。

圖2 鹽度為2、6的硬水軟化過(guò)程曲線Fig.2 The softening curves of water with a salinity of 2 and 6

圖3 鹽度為22、26、30的硬水軟化過(guò)程曲線Fig.3 The softening curves of water with a salinity of 22,26 and 30

2.3 再生劑鹽度對(duì)再生過(guò)程的影響

由圖4可見,當(dāng)原水無(wú)硬度,鹽度為80時(shí),再生初期排出的廢水中硬度較高,再生曲線下降較快,說(shuō)明再生很快進(jìn)行和完成。而鹽度為8時(shí),再生過(guò)程緩慢,并且出水中殘余硬度保持一定濃度,說(shuō)明再生不完全。鹽度為50時(shí),出水中殘余硬度的變化趨勢(shì)和過(guò)程介于鹽度為80和8之間?？梢?再生劑鹽度對(duì)再生影響的作用較大。

2.4 再生劑硬度對(duì)再生過(guò)程的影響

從圖5可見,鹽度為24、30、36時(shí),再生過(guò)程趨勢(shì)基本一致,再生曲線較為平緩。從圖6可見,鹽度為80(再生劑的硬度為600 mg/L)時(shí),再生曲線下降很快,最終出水硬度與原水硬度接近,反應(yīng)達(dá)到平衡。由此可見,再生劑中的硬度即使很高(600 mg/L),但只要再生劑的鹽度較高(大于80),仍可以取得較好的再生效率。

圖4 鹽度為8、50、80時(shí)水(無(wú)硬度)的再生過(guò)程曲線Fig.4 The regenerating curves of water with a salinity of 8,50 and 80(zero hardness)

圖5 鹽度為24、30、36時(shí)水(硬度為600 mg/L)的再生過(guò)程曲線Fig.5 The regenerating curves of water with a salinity of 20,30 and 36(600 mg/L in hardness)

圖6 鹽度為80時(shí)水(硬度為600 mg/L)的再生過(guò)程曲線Fig.6 The regenerating curves of water with a salinity of 80(600 mg/L in hardness)

2.5 海水作為再生劑的試驗(yàn)

由圖7可見,再生過(guò)程較為緩慢,并很快達(dá)到交換平衡。相比鹽度為80、硬度為600 mg/L的試驗(yàn)(圖6),再生效率大為降低。理論上,海水的平均密度為1.025,其中Ca2+的平均含量為0.40 g/kg,Mg2+的平均含量為1.28 g/kg,總硬度為6 200 mg/L,主要為鎂硬度[8]?？梢?海水中雖然鹽度為30左右,但硬度很高,不能參考《工業(yè)用水軟化除鹽設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 50109-2006中提到的“用海水作為離子交換再生劑”。

已有的理論表明[9-10],Na-Ca離子交換過(guò)程為:

2RNa+Ca2+?R2Ca+2Na+。

令Ca2+、Na2+在樹脂相和溶液相中濃度分率分別為

并且有yCa+yNa=1,xCa+xNa=1。

[Na+])即為溶液中交換離子的總濃度,用C0表示。由此得出K表達(dá)式:

由式(5)可以看出,不等價(jià)離子的選擇性,除了與選擇性系數(shù)有關(guān)外,還與樹脂的全交換容量和溶液中離子的總濃度有關(guān)。這種規(guī)律稱為不等價(jià)離子交換的濃度效應(yīng)[10]。海水中離子總濃度C0較高,且Mg硬度很高,海水作為再生劑必然會(huì)導(dǎo)致樹脂相中的Mg含量較高,即再生不完全。

3 小結(jié)

鹽度較高時(shí)(鹽度為22～30),對(duì)軟化影響較大。硬度較高時(shí)(600 mg/L),只要再生劑中的鹽度較高(大于80),仍可以取得較好的再生效率。但此時(shí)樹脂的再生度下降,再生不完全,可考慮進(jìn)行再生預(yù)處理。海水直接用作離子交換再生劑不可行。海水淡化后排放的濃海水(鹽度為60)經(jīng)過(guò)回收Mg后,可以考慮作為再生劑使用。

[1] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)主編.工業(yè)用水軟化除鹽設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2006.

[2] 張馳.提高鈉離子交換器工作交換容量淺析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2006,32(12):12-14.

[3] Alexandratos S D.Ion-exchange resins:A retrospective from industrial and engineering chemistry research[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2009,48(1):388-398.

[4] Shek T-H,Ma A,Lee V K C.Kinetics of zinc ions removal from effluents using ion exchange resin[J].Chemical Engineering Journal,2009,146(1):63-70.

[5] Marinin D V,Brown G N.Studies of sorbent/ion-exchange materials for the removal of radioactive strontium from liquid radioactive waste and high hardness groundwaters[J].Waste Management, 2000,20(7):545-553.

[6] 袁俊生,楊永春.鈉型斜發(fā)沸石在K+-Na+-NH和K+-Na+-Ca2+水溶液體系中的離子交換平衡[J].離子交換與吸附, 2008,24(6):496-503.

[7] 阮文輝,呂浩,趙谷林,等.離子交換樹脂吸附胞嘧啶核苷三磷酸的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究[J].離子交換與吸附,2009,25(5): 385-394.

[8] 郭琨.海洋手冊(cè)[M].北京:海洋出版社,1984:58-60.

[9] Helfferich F G.Ion Exchange[M].Dover Publications,1995:5-12.

[10] 丁桓如,吳春華,龔云峰,等.工業(yè)用水處理工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:219.

The effects of salinity and hardness on characteristics of cation exchange resin Na type 001×7

ZHANG Jun-xin1,HE Jie1,LIU Yuan1,WANG Tie-jun2,LIU Jing1,YU Chao1
(1.Key Laboratory of Nearshore Marine Environmental Research,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Tong Hua Environmental Protection Bureau,Tong Hua 134001,China)

The effect of salinity and hardness in raw water and regenerant by blending and adjusting on softening ability of cation exchange resin Na type 001×7 was investigated to evaluate the feasibility of seawater as regenerant. The results showed that softening and regenerability were found to be affected significantly by higher salinity,showing that seawater is not used as regenerant directly,whose mechanism was discussed.It is hoped that the study can provide reference on design and run of softening and desalting in practice.

salinity;hardness;ion exchange;regenerative seawater by cation exchange resin

2095-1388(2011)03-0193-04

TQ085

A

2010-08-29

企業(yè)橫向項(xiàng)目“海水淡化及利用預(yù)處理優(yōu)化工藝研究”資助

張俊新(1975-),男,副教授。E-mail:junxin_zhang@dlou.edu.cn