反滲透脫鹽系統后置混床除硅能力低原因及對策

梅武豐

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

1 概 述

某化肥廠二期脫鹽水裝置采用“一級復床離子交換＋混床離子交換”的處理工藝，三期脫鹽水裝置采用“反滲透預脫鹽＋混床離子交換”的處理工藝，以除去水中陰離子、陽離子，制取合格的二級脫鹽水（精制水）供用戶使用。其中，二期脫鹽水裝置一級復床出水控制指標為電導率≤5μS／cm、SiO2含量≤50μg／L，混床出水控制指標為周期制水量50kt、電導率≤0.2 μS／cm、SiO2含量≤20μg／L；三期脫鹽水裝置反滲透出水控制指標為電導率≤10μS／cm，混床出水控制指標為周期制水量40kt、電導率≤0.2μS／cm、SiO2含量≤20μg／L。

所謂混床脫鹽工藝（混床離子交換工藝），就是在同一臺離子交換器內陰、陽離子交換樹脂按照一定的體積比例填裝，在均勻混合狀態下陰、陽樹脂活性基團上的OH-、H＋同時與水中的陰、陽離子進行交換反應，從而達到除去水中鹽分的目的。混床在脫鹽的過程中，當其達到規定制水量、出水電導率或SiO2含量超標時，則表明一個制水周期結束，要想使其重新獲得脫鹽能力，需向陰、陽樹脂層分別通入濃度4% ～6%的NaOH、鹽酸溶液進行再生處理，使失效的陰、陽樹脂分別恢復為具有離子交換能力的OH型陰樹脂和H型陽樹脂。

2 反滲透脫鹽系統后置混床運行中存在的問題

該化肥廠二期、三期脫鹽水裝置混床主要技術參數見表1?？梢钥闯?，二期、三期脫鹽水裝置混床離子交換器內填裝了相同型號、相同體積交換容量的陰／陽樹脂，二期混床周期制水量最高可達設計值的3倍，雖然三期混床陰、陽樹脂的填裝體積達到了二期混床的2／3，但三期混床周期制水量只有設計值的1／4～1／2。在原水水源相同的情況下，按照二期混床周期制水量來折算，三期混床周期制水量達40kt的設計值應該可以實現；但實際情況是三期混床自2010年6月投產以來，均因制水量達10～20kt時出現SiO2含量快速上升并超過控制指標（SiO2含量≤20μg／L）而達到運行終點。經分析，三期混床出現出水電導率正常而SiO2過早泄漏（出水SiO2含量提前超標）致周期制水量不達標問題是其除硅能力低所致。

表1 某化肥廠二期、三期脫鹽水裝置混床主要技術參數

3 反滲透脫鹽系統后置混床除硅能力低的原因

3.1 水中的CO2、SiO2等分子態雜質的影響

反滲透脫鹽為物理脫鹽，可將水中95%以上的陰離子、陽離子和硅酸化合物除去，但反滲透脫鹽無法除去水中游離的CO2和SiO2等，這些分子態雜質進入混床轉化為HCO-3、HSiO-3并與陰樹脂接觸發生交換反應，增加了陰樹脂的負荷。因此，在計算混床進水陰離子總量時，若未考慮CO2、SiO2等非離子態雜質對陰樹脂交換反應的影響，將會因陰樹脂交換容量不足而影響混床的除硅能力。此外，采用“陽床＋除碳器＋陰床”的一級復床脫鹽系統制取的一級脫鹽水，由于不存在CO2，電導率能如實反映出水中全部需交換離子的含量，而對于反滲透脫鹽系統，由于其出水中存在游離的CO2和SiO2等，出水電導率其實并不能如實反映水中全部需交換離子的含量，因此，當反滲透脫鹽系統的出水電導率和SiO2含量均優于一級復床脫鹽系統出水時，反滲透脫鹽系統后置混床的制水周期卻比一級復床后置混床還要短，其主要原因除了反滲透脫鹽系統出水中的可交換陰離子總數遠大于可交換陽離子總數外，CO2、SiO2等分子態雜質的存在也是主因。

3.2 陰、陽樹脂體積比例選擇不當的影響

通常，脫鹽水系統中混床內陰、陽樹脂體積比為2∶1，也有填裝比例為1.5∶1或1∶1的，可根據不同情況酌情選擇。由表1可以看到，二期混床按1∶1體積比填裝陰、陽樹脂，其最大周期制水量遠超設計值，表明陰、陽樹脂體積比適宜，除硅效果較好。因此，理論上講，在原水水源相同的情況下，三期混床除硅能力完全可以滿足周期制水量達40kt的要求，但由于工藝設計時忽略了混床前置一級復床預脫鹽與混床前置反滲透預脫鹽工藝的差異（二期混床進水SiO2含量不足50μg／L，而三期混床進水SiO2含量達220μg／L）及其對混床制水的影響，即忽略了三期混床對陰樹脂的除硅要求較二期混床高，陰、陽樹脂依舊采用1∶1的體積比填裝就不合適、不經濟了，也就導致三期混床周期制水量無法達到設計要求。

3.3 陰樹脂再生效果對混床除硅能力的影響

混床長期受到膠體硅污染致使陰樹脂失效后，交換基團上吸附了大量的可溶性硅酸化合物（HSiO-3），常規的再生堿量不足以保證這些膠體硅污染物能被完全除去，即不足量的再生液流經陰樹脂層時只能將部分硅酸化合物從樹脂交換基團上置換下來，而未置換下來的硅酸化合物在混床運行制水時會水解為硅酸，并在樹脂交聯網孔內逐漸合成膠體狀的多硅酸析出，覆蓋在樹脂顆粒表面，堵塞交聯孔道進而阻礙離子交換反應的進行，這樣一來，不僅減少了陰樹脂活性基團的數量、降低了陰樹脂的工作交換容量，制水時還會因SiO2過早泄漏（出水SiO2含量提前超標）而使混床周期制水量降低。

3.4 樹脂流失對混床除硅能力的影響

樹脂在離子交換與再生過程中，會因樹脂的轉型而發生脹縮現象，頻繁的脹縮使樹脂顆粒極易破裂，樹脂破裂后不僅失去離子交換能力，還會使細碎樹脂隨水流穿過繞絲管、濾水帽流出造成樹脂體積減少；此外，混床床內繞絲管、濾水帽等設施損壞也會導致樹脂泄漏而造成流失。在檢修混床床內設施時，對于樹脂體積明顯減少的混床均適量補加了樹脂，但從效果來看，三期混床周期制水量僅能提升20%左右，完全達不到預期效果。

3.5 混床除硅能力低的結論

綜上所述，基本上可以判斷，造成三期混床除硅能力低的主要原因是工藝設計時未充分考慮混床內陰樹脂的工作負荷，進而未能選擇合適的陰、陽樹脂體積比及填裝量。

4 反滲透脫鹽系統后置混床樹脂填裝有關計算

由上述分析可知，選擇合適的陰、陽樹脂體積比是提高三期混床除硅能力、確保周期制水量滿足工藝要求的最有效方法。在H-OH型混床中，任何一種樹脂的交換容量耗盡，即到達混床的失效終點，則另一種樹脂的交換容量也就不能發揮作用了。為此，混床中陰、陽樹脂的交換容量應盡量相等或接近，以獲得樹脂交換容量的最大利用率。由于不同樹脂的工作交換容量不同，以及不同混床的進水水質條件、出水水質要求存在差異，因此應根據具體情況確定混床中陰、陽樹脂的體積比及填裝量。

4.1 陰、陽樹脂填裝高度的計算

由式（1）、 （2）可知，H陰／H陽＝V陰／V陽，也就是說混床中陰、陽樹脂的高度比與體積比相等；三期混床交換器內徑（D）為2.5m，則H陰≈0.20V陰、H陽≈0.20V陽。

4.2 陰、陽樹脂填裝體積的計算

陰、陽樹脂填裝體積的計算公式：

式中 Q陰——陰樹脂的周期制水量，m3；

Q陽——陽樹脂的周期制水量，m3；

E陰——陰樹脂的體積交換容量，mol／m3；

E陽——陽樹脂的體積交換容量，mol／m3；

C陰——進水中可交換陰離子濃度，mmol／L；

C陽——進水中可交換陽離子濃度，mmol／L。

據混床中陰、陽樹脂周期制水量相同的原則，Q陰＝Q陽，故陰、陽樹脂體積比可表示為：

在離子交換脫鹽過程中，強酸性陽樹脂的工作交換容量一般為800～1000mmol／L，強堿性陰樹脂的工作交換容量一般為400～600mmol／L，即強酸性陽樹脂的工作交換容量一般為強堿性陰樹脂的2倍左右。由式（5）可知，在陰、陽樹脂工作交換容量一定的情況下，陰、陽樹脂體積比是由混床進水中可交換陰、陽離子的濃度來決定的。

5 應對措施

5.1 提高混床陰、陽樹脂的再生比耗

當三期脫鹽水裝置外送精制水需求量增大時，混床將面臨運行負荷增加、再生周期縮短的壓力，此時可以采用1.5倍再生劑用量進行倍量再生，即通過提高陰／陽樹脂再生效果、增強混床除硅能力以達到提高三期混床周期制水量的目的。不過從三期混床曾采取的1.5倍再生劑用量下的再生情況來看，其周期制水量僅能提升10%左右，效果不明顯。

5.2 混床陰樹脂硅污染的復蘇處理

當三期混床內陰樹脂受到膠體硅嚴重污染，混床出水SiO2過早泄漏、周期制水量明顯減少、再生效果差時，可考慮在三期混床停床后向床內通入濃度為5%的NaOH溶液進行浸泡處理，浸泡24h后排掉廢液，再用脫鹽水沖洗至混床出水pH＝7為止，以便將陰樹脂中吸附的大量HSiO-3置換出來，為后續正常再生時流動的堿液能夠更好地將陰樹脂中殘余的HSiO-3置換出來創造有利條件。

5.3 混床內樹脂流失的處理

混床內樹脂流失后，會導致混床內陰、陽樹脂體積比失調，陰、陽樹脂的工作交換容量降低；尤其是陰樹脂一旦出現嚴重流失情況，將會大大降低混床的除硅能力。因此，混床再生過程中進行反洗、混脂及正洗等操作時，應精細化操作，避免床內繞絲管、濾水帽損壞而造成樹脂流失，一旦床內設施出現損壞應及時停床檢修；當發現樹脂層表面不在混床中部視鏡水平中分線處時，應及時向床內補充樹脂。

5.4 擇機改造混床交換器

反滲透膜除硅采用的是物理方法，雖然其除硅率可達95%，但當原水中SiO2含量較高或反滲透脫鹽系統出水中游離SiO2含量過高時，混床的除硅能力可能就無法滿足要求了；而離子交換樹脂除硅主要采用的是化學方法，其除硅率極高，如強堿性陰樹脂對硅酸鹽的去除可達微克級。因此，若想將三期混床除硅能力提高2倍，即達到二期混床的水平，只能通過改造混床交換器才能從根本上解決問題?；齑步粨Q器改造可按以下思路設計。

（2）由于混床設計時要求陰／陽樹脂的分界面、樹脂層上表面分別位于中排管和中部視鏡的水平中分線處，因此陰、陽樹脂的填裝量和體積比調整后，還需對老舊混床進行整體更換，或改造運行狀況尚可的混床，使更換或改造后的混床交換器滿足陰、陽樹脂填裝量變化的要求，同時確保更換或改造后的混床交換器床內、床外配套設施的位置符合工藝設計要求。

5.5 小 結

上述四項優化措施中，前三項在實際生產中具有很強的可操作性，但其實效卻較為有限——樹脂再生酸堿消耗及運行成本增加，混床周期制水量卻僅能提升10% ～20%，顯然不經濟、不環保。因此，目前只能通過在二期、三期脫鹽水裝置精制水箱間設置連通管來應對緊急情況下三期混床制水量不足的問題。第四項優化措施的可行性毋庸置疑，只是無法立即實施，后續視情況可擇機作為技改措施付諸實施。

6 結束語

反滲透脫鹽系統后置混床中陰、陽樹脂體積比選擇不當，不僅會使混床運行周期大大縮短、樹脂再生頻繁、再生酸堿耗量增加，而且還會給脫鹽水裝置的正常生產帶來巨大壓力。因此，混床進水為反滲透脫鹽水時，應根據反滲透出水水質、混床周期制水量等情況，選擇最合理、最經濟的陰／陽樹脂裝填比例和填裝量，使陰、陽樹脂幾乎同時失效，以確保混床獲得最大的工作交換容量和周期制水量，滿足生產系統的精制水使用要求。