离子交换树脂法对水的处理正交实验方案

摘要 本实验以离子交换树脂法对水的处理，对其在硬水中去除离 子态物质，制取软水、纯净水和超纯水进行了研究。对离子树脂的 投加量，再生，转换量等，设计了正交实验的方案，找到最佳工艺， 就能节约酸碱，节约经费，保护环境，生产更合适的锅炉用水。 关键词：离子交换法；工业用水；硬水处理；活动位级； 一、工业锅炉是中国重要的热能动力设备,中国是当今世界燃煤 工业锅炉生产和使用得最多的国家:近10 年每年生产工业锅炉34 万台、810 万蒸吨。全国工业锅炉装机总量2001 年为53 万台、 120 万蒸吨。19922001 年的10 年间,平均每年新增工业锅炉7258 台、21690 蒸吨。现在我国在用锅炉持续增长，锅炉用水量也在逐年增长。 水是锅炉工作的重要工质, 它在锅炉中温度发生剧烈的变化, 经常发生相变。变化过程中 水中的杂质也将随之发生各种变化。自然界的水是不纯净的,它含有多种杂质, 颗粒最大的 称为悬浮物, 其次是胶体, 最小的是离子和分子, 即溶解物质。水中的溶解物质主要是钙、 镁、钾、钠等盐类和一些溶解性气体( CO2、O2 等) , 水中的溶解物质对锅炉的运行会带来 危害。 二、锅炉水处理的现状 锅炉采用的天然水中含有钙、镁、氯等离子以及溶解氧,进入锅炉后会导致锅炉结垢、腐蚀、 汽水共腾等现象,严重时造成锅炉使用不安全、寿命缩短,浪费大量人力、财力等。据有关 数据表明,锅炉每结生水垢1mm,浪费燃料5%8%。我国现有在用工业锅炉54万多台,每 年全国工业锅炉大约耗煤6亿吨,但由于锅炉水处理不当、蒸汽冷凝水回用率低、燃烧不完 全等原因造成相当巨大的燃料损失。由于用户对水处理不够重视,锅炉水质合格率偏低,锅 炉内受热面结生水垢的现象较为普遍,造成的能源浪费十分惊人。我国每年因水处理不良造 成严重结垢直到设备破裂的事故数占锅炉设备事故数的比例高达35%。 实验部分 实验原理 RH+M+RM+H+ (11) ROH+NRN+OH (12) 式中、 式中RH、ROH为离子交换树脂，R为离子交换树脂的有机基因是非常稳定 的，M+指水中阳离子，N-指水中阴离子 在水处理中，原水（一般是用自来水或地下水） ，首先经过阳离子交换，进行 （11）式反应，反应后的H+会与水中的CO32-和HCO3-产生CO2 HCO3-+H+ CO2 CO32- + 2 H+CO2 经过分离后进入空气中。然后进入阴离子交换，进行（12）式反应，从而除去水中阳离 子和阴离子。两部所生成的 H+和 OH+结合成水，这样即可把水中的阳离子和阴离子几乎都 除去，得到符合标准的工业锅炉用水。 但是在（11）式反应和（12）式反应中，根据化学平衡原理，当有机 R 已被水中阳离 子和阴离子饱和后，就不能进行反应，必须用酸和碱对离子树脂进行再生，即进行（1 1）和（12）的逆反应： RM+H+CO2 CO32-+2H+CO2 在反应过程中，需要进行加酸、加碱等过程，使离子交换树脂还原，恢复正常的处理水功 能。 从以上可以看出，用离子交换树脂处理硬水，其关键在于离子交换树脂的再生，所以就要 把握酸碱的用量。过多就会浪费，提高生产成本而且造成污染不利于小型企业发展；过少， 离子交换树脂再生不好，处理的水质量不高，轻则重新处理，重则影响锅炉，造成安全隐 患。因此找到最佳用量，就能节约成本，保护环境，处理出高质锅炉用水，避免发生危险。 综合以上因素，列出下面的因素位级表（表 2，3） ，并对其做出试验方案： 表 2 因素 位级 再生水平 （kg|m3） 再生液浓 度（%） 再生液流 速 （m|h） 运行量 （t|h） 1351.5340 2402.0450 3452.5560 此表为阳离子正交水平因素，表中再生水平即为每立方米树脂的盐酸用量。 序 号 再生水平 （KG|M3） 再生 液浓 度 （%） 再生液 流速 （M|H） 运行量 （T|H） 制水 量 （t） 耗酸量 （g|mol） 交换容量 （mol|m3） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 表 3 因素 位级 再生水平 （kg|m3） 再生液浓 度（%） 再生液流 速 （m|h） 运行量 （t|h） 1100.8340 2131.2450 3161.6560 参考文献： 1 古国榜、李朴编，无机化学，北京，化学工业出版社，2005.7:180188. 2 杨子胥，正交表的构造M ，济南，山东