硫酸再生阳离子交换树脂的应用

　　离子交换树脂是用于软化水的交换剂，在使用一段时间后，吸附的杂质接近饱和状态，就要进行再生处理，使之恢复原来的组成和性能。目前，国内树脂的再生常用化学药剂酸碱法：使失效的树脂恢复交换能力，酸的使用通常采用HCl或H2SO4，碱的使用一般采用NaOH。目前，我公司脱盐水的装备能力有：40m3/h固定床三个系列，120m3/h双室浮动床两个系列，工艺流程是：原水 阳离子交换器 除碳器 中间水箱 阴离子交换器 脱盐水箱。在生产中，采用酸碱法再生离子交换树脂，阳离子交换树脂的再生原来一直采用HCL，但再生过程产生的大量含CL-废液难以处理，为解决废水的排放问题，将再生剂改为H2SO4。下面就H2SO4再生和HCL再生进行比较：
　　 1、操作方法不同
　　1.1 H2SO4再生相对于HCL再生来说要复杂一些：HCL再生采用的是一步再生法，即进行预喷射后，将再生酸浓度一次性调节到指标范围内(一般控制3～4%)，再生液流速≤5m/h，以稳定的浓度、流速将需要消耗的再生剂量消耗完，开始后面的置换、清洗步骤；
　　1.2 H2SO4再生采用的是两步再生法，即进行预喷射后，将再生酸浓度调节到0.7～1.5％，再生液流速7～10m/h，第一步再生消耗再生剂总量的60%；第二步再生在第一步再生浓度的基础上，将再生液浓度直接调节到1.5～3.0%，再生液流速5～7m/h，第二步再生消耗再生剂总量的40%，当需要消耗的再生剂量全部消耗完时，开始后面的置换、清洗步骤。
　　 2、再生剂消耗量不同
　　采用HCL再生和采用H2SO4再生消耗的酸量不同，生产成本不同。我公司固定离子交换器采用的是001*7的强酸性树脂，双室浮动离子交换器采用的是001*7的强酸性树脂和D113-III的大孔弱酸性树脂，树脂在不同的交换器和使用不同再生剂时，工作交换容量不一样。我公司离子交换设备树脂装载量及树脂的参数如表(一)所示：

树脂型号	001×7	D113-III	备注
固定床装载量(m3)	4.0	*
双室浮动床装置量(m3)	7.85	2.82
树脂工作交换容量(mol/m3)	1000	2300	HCL再生
树脂工作交换容量(mol/m3)	650	*	H2SO4再生固定床
树脂工作交换容量(mol/m3)	900	1600	H2SO4再生双室浮动床

　　再生剂消耗量按下式计算：G=V1×EG×N×n/1000公斤 (1)
　　式中：V1……1台交换器中装载树脂的体积，m3；
　　　　　EG……树脂的交换容量，克当量/米3；
　　　　　N……再生剂当量(或每1克当量再生剂所相当的克数，克/克当量；)
　　　　　n……再生剂实际用量为理论量的倍数，又称再生剂倍率。
　　实际消耗再生剂量为：GG=G/ε×100公斤 (2)
　　式中：ε——工业产品中再生剂的含量，以百分率表示，% 。
　　再生剂的当量为： H2SO4=49，HCL＝36.5；
　　HCL再生固定离子交换器的再生剂倍率取1.5，再生双室浮动床的再生剂倍率取1.3；H2SO4再生固定离子交换器的再生剂倍率取1.6，再生双室浮动床的再生剂倍率取1.2，根据式(1)和式(2)计算可得酸消耗量如表(二)所示：

固定离子交换器	双室浮动离子交换器
消耗HCL量(kg)	消耗H2SO4量(kg)	消耗HCL量(kg)	消耗H2SO4量(kg)
219(100%)	203.84(100%)	680.24(100%)	680.72(100%)
730(30%)	208(98%)	2267.48(30%)	694.62(98%)

　　从表中数据可以看出，固定床系列H2SO4再生酸消耗量较HCL再生低，成本下降1.813元/次，双室浮动床系列H2SO4再生消耗酸量与HCL相当，生产成本上升6.28元/次。(我公司生产的HCL为335.00元/吨，H2SO4为344.00元/吨。)
　　HCL再生和H2SO4再生阳离子交换树脂，运行情况比较如下：

	硬度(mmol/l)	脱盐水电导率 (μs/cm)	PH值	周期制水量(m3)	备注
固定床系列	0.02	3.5	7～8	640	HCL再生阳床
浮动床系列	0.01	3.1	7～8	2900
固定床系列	0.023	3.17	7～8	644	H2SO4再生阳床
浮动床系列	0．01	3.2	7～8	3000

　　从表中数据可以看出，H2SO4再生和HCL再生相比，装置周期制水量和出水指标基本一致。
　　 3、废液排放量和处理废液成本不同
　　离子交换树脂运行一个周期后再生时排出的酸、碱性废液量，在处理一般水质的原水时，约占除盐系统出力的5～10%，对于阳离子交换树脂而言，采用HCL和采用H2SO4再生由于在操作控制上有区别，产生的废液量不同，使生产成本不同。
　　3.1 我公司的脱盐水装置再生操作参数如表(四)所示：

	固定床	浮动床
阳床	阴床	阳床	阴床
HCL再生	H2SO4再生	NaOH再生	HCL再生	H2SO4再生	NaOH再生
小反洗流量m3/h	30	30	30	*	*	*
小反洗时间(min)	20	20	20	*	*	*
预喷射流量(m3/h)	10	14	10	16	22	16
预喷射时间(min)	5	5	5	5	5	5
进再生液浓度(%)	3	0.8	1.5	3	0.8	2.5
2	2
进再生液流量(m3/h)	10	14	10	16	22	16
10	16
进再生液时间(min)	45	65	42	85	140	82
30	55
置换流量(m3/h)	10	10	10	16	16	16
置换时间(min)	30	30	30	30	30	30
清洗流量(m3/h)	30	30	30	35	35	35

　　3.2 废液排放量计算
　　3.2.1 酸性废液排放量Q1，一般只考虑中和前阳离子树脂交换器酸性废水排放量，阴离子树脂交换器少量酸性废水的排放量忽略不计，按下式计算：

　　式中：V1——反洗(或逆流再生的小反洗)水量，m3；
　　　　　V2——进交换器稀再生液的体积，m3；
　　　　　V3——置换水量，m3； V4——正洗水量,m3；
　　　　　V5——逆流再生时顶压前的放水量m3;

　　3.2.2碱性废水排放量Q2计算
　　一般只考虑中和前阴离子树脂交换器碱性废水的排放量。
　　 Q2=V2+V3+V4 m3/周期 (4)
　　式中各符号含义同前。
　　根据式(4)计算，可得碱性废水排放量见表(六)所示：
　　3.2.3自行中和时剩余酸量的计算
　　水处理站内酸碱自行中和后，剩余的酸量G4按下式计算：
　　废酸液中能被废碱液中和部分的酸量G3=G2*N1/40 kg/周期 (5)
　　剩余酸量G4=G1 - G3 kg/周期 (6)
　　式中：G2——阴离子交换器再生时消耗的NaOH量，kg；
　　　　　N1——再生用酸的摩尔质量； G1——阳离子再生时消耗的酸量，kg；
　　根据式(1)计算可得 固定阴离子交换器再生消耗100%NaOH为102.94kg，双室浮动阴离子交换器再生消耗100%NaOH为546.36kg；根据式(5)、(6)计算，可得离子交换器再生废液经过自行中和后，剩余的酸量、中和剩余酸需100%的NaOH量见下表所示：

	固定床	浮动床
HCL再生	H2SO4再生	HCL再生	H2SO4再生
G3(kg/周期)	93.93	126.10	498.55	669.29
G4 (kg/周期)	125.07	77.74	181.69	11.44
剩余酸量消耗100%的NaOH	137.06	31.73	199.11	4.67

　　从表中数据可以看出，中和废水成本方面，H2SO4再生较HCL再生成本有所下降，其中固定床系列成本降低163.26元/周期，浮动床系列成本降低301.388元/周期。
　　 4、结论
　　4.1 H2SO4再生阳离子交换树脂效果与HCL再生效果相当，但H2SO4再生操作较HCL再生复杂，并且由于再生时浓度控制得低，再生耗时较HCL再生长，废水排放量较HCL再生高；
　　4.2 H2SO4再生阳离子交换树脂酸消耗成本比HCL再生稍高，但H2SO4再生产生的废水，中和处理成本较HCL再生产生的废水中和处理成本低得多，使脱盐水装置总生产成本降低，并且废水中SO42-离子比CL-离子易处理，对环保排水有利。因此，硫酸再生阳离子交换树脂值得推广。
　　 [参考文献]
　　[1]《热能工程设计手册》 化工部热工设计技术中心站 化学工业出版社 1998年6月第1版
　　[2]《热力发电厂水处理》下册 武汉水利电力学院电厂化学教研室编 水利电力出版社出版 1977年9月第一 版
　　[3]《工业用水处理设施设计计算》 化学工业出版社出版 2003年6月第1版