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莱特莱德技术人员解析水的软化及其技术

2012-10-15

  莱特莱德技术人员解析水的软化及其技术

  软化水的概念:

  天然水体由于自然循环和社会循环的原因,使水中含有大量的矿物盐类等物质。其中,钙和镁以化合物的形式存在并成为主要成分,即称硬度。

  去除水中部分或全部硬度的过程称为水的软化

  软化水的意义:

  由于水垢的沉积对人们的生活及生产均有很明显的影响,所以生产用水和生活用水均对硬度指标有一定的要求。

  软化的目的:

  避免锅炉水由于硬度而生垢浪费燃料、烧损部件、爆炸

  避免Ca2+、Mg2+对工业冷却设备正常运行的影响传热系数低、导热性能差

  避免影响造纸、纺织等行业产品质量

  中心目的

  消除不良影响,满足生活和工业用水的要求!

  国软化水行业的发展现状:

  • 软化水处理主要解决硬水所带来的水垢问题

  • 国外:

  在美国水质都很硬,所以他们的家用软化水处理设备已相当普及。

  • 在发达国家的家居生活设施中,占家庭用水量90%的烹饪、洗涤、沐浴等用水使用的都是软水。

  •国内:

  •以水质较硬的华北、西北地区为主要市场,正处于萌芽期。目前产品终端销售主要集中在北京、上海地区。

  •国产软化水处理设备价格相对较低,占有一定优势,但功能方面不及进口产品先进。

  软化水应用领域:

  •可广泛应用于蒸汽锅炉、热水锅炉、交换器、蒸发冷凝器、空调、直燃机等系统的补给水的软化。还可用于宾馆、饭店、写字楼、公寓等生活用水的处理及食品、饮料、酿酒、洗衣、印染、化工、医药等行业的软化水处理。

  软化水发展前期

  由于北方地区的水质较硬,从解决问题的角度看,软化水处理的前景还是很不错的。南方地区由于水质相对较软,因此需求还不是很迫切。随着人们对使用软水认知度高的提高,软化水处理将迅速发展。

  常用的软化方法

  •离子交换法

  •膜分离法

  •电去离子软化法

  •石灰法

  •加药法

  •蒸馏法

  •掩蔽剂法

  •集成膜技术

  •电磁法

  离子交换法IE

  •采用特定的阳离子交换树脂,以钠离子将水中的钙镁离子置换出来。

  •主要优点是:效果稳定准确,工艺成熟。可以将硬度降至0。采用这种方式的软化水设备一般也叫做“离子交换器”(由于采用的多为钠离子交换树脂,所以也多称为“钠离子交换器”)。

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  设备的标准工作流程

  •工作(有时叫做产水,下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。不同软化水设备的所有工序非常接 近,只是由于实际工艺的不同或控制的需要,可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中,全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。

  反洗:工作一段时间后的设备,会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物,把这些污物除去后,离子交换树脂才能完全曝露出来,再生的效果才能得到保证。反洗过程就是水从树脂的底部洗入,从顶部流出,这样可以把顶部拦截下来的污物冲走。这个过程一般需要5-15分钟左右。

  吸盐(再生):即将盐水注入树脂罐体的过程,传统设备是采用盐泵将盐水注入,全自动的设备是采用专用的内置喷射器将盐水吸入(只要进水有一定的压力即 可)。在实际工作过程中,盐水以较慢的速度流过树脂的再生效果比单纯用盐水浸泡树脂的效果好,所以软化水设备都是采用盐水慢速流过树脂的方法再生,这个过程一般需要30分钟左右,实际时间受用盐量的影响。

  慢冲洗(置换):在用盐水流过树脂以后,用原水以同样的流速慢慢将树脂中的盐全部冲洗干净的过程叫慢冲洗,由于这个冲洗过程中仍有大量的功能基团上的钙镁离子被钠离子交换,根据实际经验,这个过程中是再生的主要过程,所以很多人将这个过程称作置换。这个过程一般与吸盐的时间相同,即30分钟左右。

  快冲洗:为了将残留的盐彻底冲洗干净,要采用与实际工作接近的流速,用原水对树脂进行冲洗,这个过程的最后出水应为达标的软水。一般情况下,快冲洗过程为5-15分钟。

  膜分离法

  典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、电渗析(ED)及渗透蒸发( PV) 。

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  微孔过滤技术

  微孔过滤和微孔膜的特点

  微孔过滤技术始于十九世纪中叶,是以静压差为推动力,利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。

  微孔膜的主要优点为:

  ① 孔径均匀,过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留;

  ② 孔隙大,流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔/cm2,微孔体积占膜总体积的70%~80%。由于膜很薄,阻力小,其过滤速度较常规过滤介质快几十倍;

  ③ 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90~150μm之间,因而吸附量很少,可忽略不计。

  ④ 无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料,过滤时没有纤维或碎屑脱落,因此能得到高纯度的滤液。

  微孔膜的缺点:

  ① 颗粒容量较小,易被堵塞;

  ② 使用时必须有前道过滤的配合,否则无法正常工作。

  超滤技术

  超滤和超滤膜的特点

  超滤技术始于 1861 年,其过滤粒径介于微滤和反渗透之间,约5~10 nm,在 0.1~0.5 MPa 的静压差推动下截留各种可溶性大分子,如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于500的大分子及胶体,形成浓缩液,达到溶液的净化、分离及浓缩目的。

  2. 超滤膜技术应用领域

  超滤膜的应用也十分广泛,在作为反渗透预处理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。

  超滤技术主要用于含分子量500~500,000的微粒溶液的分离,是目前应用最广的膜分离过程之一,它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。

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  超滤膜截留分子量的确定

  反渗透技术

  1. 反渗透原理及反渗透膜的特点

  渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物质。目前,反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面,反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。

  渗透和反渗透的原理如下图所示。

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  图4 渗透与反渗透原理示意图

  如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开,水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移,这一现象称渗透(图4a)。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差,表现为水的渗透压。

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  随着水的渗透,高浓度水溶液一侧的液面升高,压力增大。当液面升高至H时,渗透达到平衡,两侧的压力差就称为渗透压(图4b)。渗透过程达到平衡后,水不再有渗透,渗透通量为零。

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  如果在高浓度水溶液一侧加压,使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压,则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧,这一过程就称为反渗透(图4c)。

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  反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500,操作压力为 2~100MPa。

  用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜,孔径小于0.5nm,可截留溶质分子。

  2. 反渗透与超滤、微孔过滤的比较反渗透、超滤和微孔过滤都是以压力差为推动力使溶剂通过膜的分离过程,它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。

  一般来说,分离溶液中分子量低于500的低分子物质,应该采用反渗透膜;分离溶液中分子量大于500的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜,而分离溶液中的直径0.1~10μm的粒子应该选微孔膜。

  以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的,它们之间可能存在一定的相互重叠。

  表3 反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较

 

分离技术类型
反渗透
超滤
微孔过滤
膜的形式
表面致密的非对称膜、复合膜等
非对称膜,表面有微孔
微孔膜
膜材料
纤维素、聚酰胺等
聚丙烯腈、聚砜等
纤维素、PVC
操作压力/MPa
2100
0.10.5
0.010.2
分离的物质
分子量小于500的小分子物质
分子量大于500的大分子和细小胶体微粒
0.110μm的粒
分离机理
非简单筛分,膜的物化性能对分离起主要作用
筛分,膜的物化性能对分离起一定作用
筛分,膜的物理结构对分离起决定作用
水的渗透通量/(m3.m-2.d-1)
0.12.5
0.55
20200

  分离技术类型反渗透超滤微孔过滤膜的形式表面致密的非对称膜、复合膜等非对称膜,表面有微孔微孔膜膜材料纤维素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等纤维素、PVC等

  操作压力 /MPa2~1000.1~0.50.01~0.2

  分离的物质分子量小于500的小分子物质分子量大于500的大分子和细小胶体微粒0.1~10μm的粒子

  分离机理非简单筛分,膜的物化性能对分离起主要作用筛分,膜的物化性能对分离起一定作用筛分,膜的物理结构对分离起决定作用

  水的渗透通量 /(m3.m-2.d-1)0.1~2.50.5~520~200

  工业应用的反渗透装置

  工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接

  纳滤技术(nanofiltration, NF)

  1. 纳滤膜的特点

  纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发出来的,是超低压反渗透技术的延续和发展分支,早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜。目前,纳滤膜已从反渗透技术中分离出来,成为独立的分离技术。

  •纳滤膜的表层较RO膜的表层要疏松得多,但较UF膜的要致密得多。因此其制膜关键是合理调节表层的疏松程度,以形成大量具纳米级的表层孔。

  •纳滤膜的孔径为纳米级,介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间,因此称为“纳滤”。

  纳滤膜主要用于截留粒径在0.1~1nm,分子量为1000左右的物质,可以使一价盐和小分子物质透过,具有较小的操作压(0.5~1MPa)。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间,但与上述两种膜有所交叉。

  纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物,透析被反渗透膜所截留的无机盐。而且,纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离子的截留率低(10%-80%),对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子(90%)以上

  目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面,而有关纳滤膜的制备、性能表征、传质机理等的研究还不够系统、全面。进一步改进纳滤膜的制作工艺,研究膜材料改性,将可极大提高纳滤膜的分离效果与清洗周期。

  2. 纳滤膜及其技术的应用领域

  纳滤技术最早也是应用于海水及苦咸水的淡化方面。由于该技术对低价离子与高价离子的分离特性良好,因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的原水处理及高纯水制备中颇受瞩目;在食品行业中,纳滤膜可用于果汁生产,大大节省能源;在医药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收等方面;在石化生产的催化剂分离回收等方面更有着不可比拟的作用。

  电渗析

  在盐的水溶液(如氯化钠溶液)中置入阴、阳两个电极,并施加电场,则溶液中的阳离子将移向阴极,阴离子则移向阳极,这一过程称为电泳。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜(阳离子交换膜或阴离子交换膜),则阳离子或阴离子会选择性地通过膜,这一过程就称为电渗析。

  电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过性,把电解质从溶液中分离出来,实现溶液的淡化、浓缩及钝化;也可通过电渗析实现盐的电解,制备氯气和氢氧化等。

  3. 电渗析技术应用领域

  自电渗析技术问世后,其在苦咸水淡化,饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。随着电渗析理论和技术研究的深入,我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新,仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产,现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。

  中草药有效成分的分离和精制:通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分。

  电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合,在电子、制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。

  电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过性,把电解质从溶液中分离出来,实现溶液的淡化、浓缩及钝化;也可通过电渗析实现盐的电解,制备氯气和氢氧化钠等。

  •膜的分类与分离

  渗透蒸发技术

  1. 渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离技术。渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下,透过膜并部分蒸发,从而达到分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。具有一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。

  2.渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物。由高分子膜将装置分为两个室,上侧为存放待分离混合物的液相室,下侧是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室。混合物通过高分子膜的选择渗透,其中某一组分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压,因而在膜表面汽化。蒸气随后进入冷凝系统,通过液氮将蒸气冷凝下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是膜内渗透组分的浓度梯度。

  3. 渗透蒸发技术应用领域

  渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技术已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很高的单级分离度,节能且适应性强,易于调节。目前渗透蒸发膜分离技术已在无水乙醇的生产中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇相比,可大大降低运行费用,且不受汽—液平衡的限制。

  分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质,如颗粒、分子、离子等。或者说,物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表1所示。

  加药法

  向水中加入专用的阻垢剂,可以改变钙镁离子与碳酸根离子结合的特性,从而使水垢不能析出、沉积。

  •1、定义:基于溶度积原理,加入某些药剂,把水中钙、镁离子转变成为难溶化合物使之沉淀析出。

  •2、工艺组成:

  •原水(加药) →混合 →反应 →沉淀 →过滤 →消毒

  •使用石灰软化硬水的方法称为石灰软化法

  •石灰法:向水中加入石灰,主要是用于处理大流量的高硬水,只能将硬度降到一定的范围。

  •原理:主要利用了加入的OH-和水中原有的HCO3-

  蒸馏法

  •单级闪蒸SSF:热海水经一个闪急蒸馏进行蒸发产生淡水的过程。

  •多级闪蒸MSF:经过加热的海水,依次通过多个温度、压力逐级降低的闪蒸室,进行蒸发冷凝的蒸馏淡化方法。用得最多,90%

  电磁法

  采用在水中加上一定的电场或磁场来改变离子的特性,从而改变碳酸钙(碳酸镁)沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止硬水垢的形成。

  其特点是:设备投资小,安装方便,运行费用低;但是效果不够稳定性,没有统一的衡量标准,而且由于主要功能仅是影响一定范围内的水垢的物理性能,所以处理后的水的使用时间、距离都有一定局限。

  提高水软化的措施

  •改选方案

  •如:莱特莱德软化水站原生产工艺存在消耗高、周期制水量少的问题。为解决这一问题,进行了简单的工艺改造。将氢离子交换器内树脂由001×7型改为Dl13型,利用D113树脂工交大、易再生的优点,达到节水降耗的目的,取得了显著的经济效益

  磁化预处理—纳滤联合软化水

  将磁化作为纳滤软化过程的预处理措施,使纳滤膜的操作性能得到有效改善。该技术具有简单、安全、能耗小、无二次污染的优点,弥补了当前某些化学法(加抑垢剂、调pH值或化学清洗)或物理法(改变流态)抑垢技术的不足。

  合理调整运行工况,降低软化水成本

  •在实际生产过程中主要对以下几方面因素进行了调整:

  •严格控制再生剂纯度,对于化验纯度不合格的再生剂不与接收。

  •由于用工业水溶解原盐,因此适当增加工业盐用量。

  •再生过程中再生液采取先稀后浓的方式再生。

  • 用浮子流量计严格控制再生液流速

  • 适当放宽一级钠离子交换器和氢离子交换器失

  效控制指标,以便有效利用二级钠离子交换器。

  超滤作为海水淡化(反渗透)预处理方式

  •能够截留海水中固体悬浮物,胶体和微小细菌,降低淤泥污染指数(SDI),从而降低了RO膜污染的趋势,且UF出水水质稳定,不受原海水水质变化的影响;

  •可取代传统预处理工艺中的多个步骤。空间利用率高,与传统预处理工艺相比,可节省约50%的空间161l,且操作工艺简单可靠,管理方便;海水软化过程中超滤颅处理中试实验研究

  •减少对环境的影响。传统预处理工艺需加入若干化学试剂(如絮凝剂、杀生剂、水质稳定剂、阻垢剂等),且最终随浓水排放,无论哪种排放方案,或多或少均会对环境产生不利影响;采用UF技术后,化学试剂的使用量将大幅度减少,从而减轻环境压力。

 

经典工程案例