雙室雙層陰離子交換器運行優化建議

林政霖，余遠紅，黃 飛

（臺山核電合營有限公司化學環保部，廣東 臺山 529200）

除鹽水是發電廠工業用水的重要來源，其制備原理主要是原水中帶電荷的離子通過與離子交換樹脂帶同樣電荷的離子進行交換反應，生產出合格的除鹽水。離子交換樹脂進行交換反應失去交換能力，但具有可逆性，為了恢復離子交換能力,可通過用一定濃度的強酸或強堿進行逆反應，如陰離子樹脂可以用3%左右的氫氧化鈉溶液,以一定的速度通過離子交換樹脂即可實現陰離子樹脂的可逆反應。

1 工藝設計

臺山某電站根據淡水水源水質采樣分析結果，除鹽系統設計為陽離子交換器-陰離子交換器-混合離子交換器，工藝流程圖見圖1。

圖1 工藝流程簡圖

其中，陰離子交換器設計為逆流再生雙室雙層固定離子交換器，下室選用強堿陰樹脂，上室選用弱堿陰樹脂，中間用水帽和塑料白球隔開。相關設計參數見表1。

表1 雙室雙層陰離子交換器設計參數

因陰離子交換器為雙室雙層固定床，所以進行是逆流滿水再生，未設計反洗功能，設計運行周期90 h；再生液質量分數1～3%；再生液流速5 m/h；堿耗≥50 g/mol，再生1 次需要32%的堿1.05 m3。

2 現狀介紹

自運行后，陰離子交換器出水水質情況良好，但運行周期短，且運行到達周期制水量后，按照設計再生工藝參數進行陰樹脂再生，發現再生效果較差，很難達到設計要求，有時候需要進行2～3 次再生方可再生合格。以其中3 號陰離子交換器為例，2019 年全年按設計再生工藝參數進行再生了10 次，就有4 次再生不合格，3 號陰離子交換器再生記錄如圖2 所示。

圖2 3 號陰離子交換器初始再生記錄

3 原因分析

3.1 運行周期短原因分析

運行周期短這一問題與交換器的初步設計與規范不符有關。根據《發電廠化學設計規范（DL 5068—2014）》中5.3.4 的要求，雙室床下室內的離子交換樹脂和惰性樹脂的填充率應達到98%～100%，惰性樹脂的高度應足以填充水帽高度層空間[1]。而原設計中陰離子交換器下室除去石英砂后的高度是2 785 mm，樹脂的填充高度為2 000 mm，塑料白球的厚度為300 mm，陰離子交換器下室填料的總高度為2 300 mm，所以陰離子交換器下室尚有485 mm 的水層空間。陰離子交換器再生時，再生液是從交換器底部進入，頂部排出，由于水層空間的存在，當再生流過樹脂層時，下室強堿樹脂層會瞬間漂浮起來處于懸浮且擾動狀態，造成樹脂層不固定而得不到充分硅與OH-置換,降低了其工作交換容量，縮短了運行周期制水量。

3.2 再生困難原因分析

首先，在不同pH 值下硅化合物在水中存在的形態很復雜，有離子態、聚合態和膠體態，當pH 值偏酸性時，硅以膠體形式存在，當pH 值偏堿性時，因溶解度上升，硅主要以SO42-形式存在。因此，根據強堿陰樹脂對各種陰離子的選擇性：SO42-＞Cl-＞OH-＞HCO3-＞HSiO4-強堿陰樹脂與硅的化合物之間的反應，既可能有離子交換過程，也可能有物理吸附過程。根據以上順序，順序在前的離子可以將順序在后的離子從樹脂中置換出來，HSiO4-對強堿陰離子樹脂的選擇性是最弱的[2]。

其次，考慮雙室雙層離子交換器上室的設計問題，當再生步驟設計為逆流滿水再生時,再生液是從交換器底部進入，從頂部排出。因上室為弱堿型陰樹脂，且上室沒有設計壓脂層或裝填惰性白球，再加上上室水層空間有1 338 mm 的高度。再生液經過時，樹脂層始終處于擾動狀態，無法使再生液順利進入樹脂孔，到達離子間的置換效果和沖洗效果。

同樣的原因，當再生液經逆流進入下室的強堿陰樹脂時，因下室樹脂層始終是處于懸浮狀態，而強堿陰離子樹脂又較難再生，故下室的強堿陰樹脂由于擾動而得不到充分置換。可知，造成陰離子交換器正洗時間長，運行時間短的主要原因是陰離子交換器的陰樹脂再生時發生擾動而得不到充分再生。

4 處理措施

4.1 水層空間處理

因陰離子交換器下室尚余留485 mm 的空間未填充，需要填充相應高度的樹脂量。計算方法如式（1）：

強堿陰離子樹脂再生需（100%）堿量Gs（kg）：

式中：Js為強堿陰樹脂再生的堿耗，50 g/mol，DL 5068—2014 規定≤50 g/mol；Es為強堿陰離子樹脂的工作交換容量，450 mol/m3；Vs為強堿陰離子樹脂體積，450 mm 樹脂體積是2.77 m3。

通過計算，補充450 mm 高強堿陰離子樹脂則需使用體積分數32%堿液的體積為0.15 m3，總計1.2 m3，而初始設計的堿計量箱最大設計容量是2 m3，增加的填充樹脂量未對現場設備造成影響。

4.2 改變再生參數

無頂壓逆流雙室雙層陰離子交換器再生過程中，硅酸鹽交換到樹脂上后，可能發生聚合而吸附到樹脂骨架上，因而再生也很困難。硅酸鹽的交換為十分緩慢的過程，溫度、再生液流速、再生液濃度和再生液離子交換時間等因素都會影響硅酸鹽的置換。根據陰離子樹脂的性能，當再生液溫度提高至35～45 ℃時，硅酸根置換效果明顯好于低溫時；同等再生液濃度，不同的再生液的流速影響樹脂硅酸根的交換速度，高濃度低速度的再生液可以盡量充分地將陰離子樹脂中的硅酸根進行交換，然后再采用低濃度高速度的再生液，擴張樹脂的雙電層，將樹脂內部剩余的硅酸根交換下來并快速洗出。由于南方除鹽水系統都未設置再生堿液加熱裝置，無法加熱再生堿液，只能從優化再生液流速、再生液用量、再生液濃度和再生液離子交換時間方式進行[3-4]。

結合現實情況，懷疑單次再生堿量不足及進堿流速過快導致再生不夠徹底，再次對陰離子交換器再生工藝進行優化，增加單次再生耗堿量為原來1.5 倍，優化進堿流速和離子交換時間。

經重新裝填樹脂后，并采用優化后再生工藝對3 列陰離子交換器試驗后，2020 年9 月至2022 年10 月3 號陰離子交換器再生合格率明顯好轉，僅兩次硅不合格，經與陽離子交換器串洗后電導率都能合格，再生一次合格率有進一步提高。見表2 和圖3。

表2 優化前、后再生工藝

圖3 3 號陰離子交換器優化后再生記錄

5 結論及建議

綜合結果來看，目前可以得出以下結論：

1）因設計原因無法改變雙室雙層離子交換器上室弱堿陰離子樹脂的再生方式，未達到弱堿陰離子樹脂的再生效果，或可通過改變再生液進堿流速、濃度，使弱堿陰樹脂達到應有的再生效果。

2）雙室雙層陰離子交換器下室樹強堿陰樹脂的再生效果與樹脂裝填量相關，當強堿陰樹脂裝填量不滿足設計要求時，影響再生效果，所以要使下室強堿樹脂的裝填量滿足規范要求，才能達到相應的再生效果。

3）進再生液時，應低流速，并適當提高再生液用量，再提高置換流速，增加再生液離子交換時間，可以進一步提高再生效果，提高一次再生合格率。

建議后續可以繼續對再生工藝進行試驗優化，通過試驗選取最佳堿耗量，既確保陰離子交換器一次再生合格，也可節省再生耗堿量。