专利名称：离子交换除盐方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制备除盐水的方法，尤其涉及一种离子交换除盐方法及装置。
背景技术：
天然水中含有溶解了的电解质，这些电解质以离子形式存在，如钙离子Ca2+、镁离 子Mg2+、氯离子Cl_、重碳酸根HC03_等。使用锅炉、换热器等热处理设备时，为了防止因水中电解质的沉淀给受热面造成 不利影响或电解质腐蚀金属材料，给水、循环冷却水中通常要求完全或部分除去电解质，这 个过程称为除盐或脱盐，相应地水称为除盐水或脱盐水、纯水。某些生产工艺如制药、硫酸 生产等过程中，为保证产品质量，也需要除盐水。获得除盐水最常用的方法是离子交换法。通常的工艺是，先用阳离子交换树脂交 换水中的阳离子，释放出H+离子，H+离子与水中的重碳酸根HC03_或碳酸根C032_结合产生 游离态的CO2，利用CO2在水中溶解度低的原理，用鼓风将CO2吹脱，经CO2吹脱的水再进入 阴离子交换树脂进行交换，阴离子交换树脂吸附水中的阴离子，释放出OH—离子，并与余下 的H+离子结合成H2O,从而达到除盐目的。之所以目前的除盐水工艺都是阳离子交换在先， 阴离子交换在后，是因为重碳酸根HCO3-或碳酸根CO/—会被阴离子交换树脂吸附，增加了阴 离子交换树脂的负荷，故需要先进行阳离子交换，除去水中的C02。离子交换树脂吸附一定量的离子后，就不再有交换功能了，即树脂“失效”，需进行 “再生”才能恢复其交换功能。阳离子交换树脂需用酸来再生，即用酸再生阳离子交换树脂， 其中的H+离子按电荷数1:1交换其他阳离子，将其吸附的金属阳离子洗脱，恢复交换功能； 阴离子交换树脂用碱进行再生，即用碱来再生阴离子交换树脂，将其吸附的非0H_阴离子洗 脱，恢复交换功能，交换比例也是1 1。酸碱消耗是除盐水系统的主要运行成本，消耗的酸碱 越高，运行成本越高。为了降低离子交换法除盐的成本，中国专利01107920公开了 一种脱盐水处 理工艺，它采用了强弱树脂结合、分步再生的方法，降低再生酸碱的消耗。另一专利 (201010045625)公开了一种双室满室床工艺，通过强弱树脂结合使用、满室充装树脂的方 法，提高再生酸碱的利用率。但上述专利的工艺，均与传统一样，即先进行阳离子交换，再进行阴离子交换，阳 离子交换树脂再生需要的酸，理论上等于进水的阳离子总数，阴离子交换树脂再生需要的 碱，理论上等于进水的强酸型阴离子的总数。由于再生效率以及游离的CO2的吹脱效率问 题，实际消耗的酸碱都比理论值高，尤其是阴离子交换树脂，由于强碱性离子交换树脂吸附 了硅酸根，再生时需用过量的碱，否则会造成硅酸沉淀，采用强弱树脂结合的办法不能降低 碱的用量。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种离子交换除盐方法，其步骤为
31)采用弱碱性阴离子交换树脂对水中的强酸性阴离子进行吸附，
2)对水进行沉淀或过滤；
3)采用阳离子交换树脂对水中的阳离子进行吸附；
根据水质情况，选择性地对经步骤3)处理后的水进行除碳工艺。对经步骤3)处理后的水或经前述除碳工艺处理后的水，采用强碱性阴离子交换树 脂或混合离子交换树脂对残余离子进行吸附。本发明还提出了一种离子交换除盐装置，它由弱碱性阴离子交换器(1)、过滤器和 阳离子交换器组成，弱碱性阴离子交换器、过滤器和阳离子交换器通过管道顺次连接。在阳离子交换器的出水口选择性地连接有除碳器。在阳离子交换器的出水口或除碳器的出水口，选择性地连接有强碱性阴离子交换 器或混合离子交换器。本发明的有益技术效果是弱碱性阴离子交换树脂释放的0H —离子与水中的重碳 酸根HCO3-结合成碳酸根C032—，后者与水中的钙镁离子形成难溶电解质，部分除掉了水中的 溶解的电解质，降低了再生过程酸的用量。同时弱碱性阴离子交换树脂不吸附硅酸根，在再 生过程中不需要过量的碱，降低了再生过程中碱的用量；除碳工艺可选择性采用，简化了工 艺流程。
图1、可实现本发明工艺的一套装置结构示意图中弱碱性阴离子交换器1，过滤器2，阳离子交换器3，除碳器4，强碱性阴离子交换 器或混合离子交换器5。
具体实施例方式本发明的工艺步骤为1)采用弱碱性阴离子交换树脂对水中的强酸性阴离子进行 吸附，
2)对水进行沉淀或过滤；
3)采用阳离子交换树脂对水中的阳离子进行吸附；
针对本发明的工艺步骤，我们来进行具体分析关于步骤1)，由于弱碱性阴离子交换 树脂只能对强酸性阴离子(SO/—、Cr、NO3-等)进行吸附，而不能吸附弱酸阴离子(如 HSiO3- , HCO3-等)，故，采用弱碱性阴离子交换树脂对水进行吸附后，在水中发生了如下反 应(其中，OH-是由弱碱性阴离子交换树脂释放的) HCO3- + or = CO 广 + H2O
因为水中存在Ca2+、Mg2+离子，所以由上面的反应产生的C032_，又进行了如下反应 CO广 + Ca2+、Mg2+ = CaCO3^MgCO3 I
钙镁的碳酸盐(镁的碳酸盐实际水解为更难溶的Mg(OH)2)为难溶电解质，即除去了水 中的钙、镁离子，使阳离子总数减少，减少的量与水中的强酸性阴离子、钙镁离子的量有关， 也即是说，弱碱性阴离子交换树脂在除去弱碱性阴离子的同时还除去了钙镁等阳离子。由 于阳离子总数减少，这就降低了后续工艺中的阳离子交换树脂的负荷，间接地降低了阳离 子交换树脂再生时所需要的酸量。
同时，由于弱碱性阴离子交换树脂不吸附易于沉淀的硅酸根，故弱碱性阴离子交 换树脂自身在再生时不需要过量的烧碱，并且由于弱碱性阴离子交换树脂除去了大多数 阴离子，降低了后续用强碱性阴离子交换树脂作进一步处理时强碱性阴离子交换树脂的负 荷，这可以显著降低的强碱性阴离子交换树脂的再生次数，尽管对强碱性阴离子交换树脂 进行再生时仍需要过量的碱，但随着再生次数的减少，使总的用碱量有效的降低了。关于步骤2)，由于步骤1)中产生了难溶解的钙镁的碳酸盐，故要将其从水中除 去，因此设置了步骤2)的工艺。关于步骤3)，阳离子交换树脂对水中的阳离子进行吸附并释放出H+离子，H+离子 与碱性离子结合生成水；
若水中的强酸性阴离子多于或等于碳酸根co32_、重碳酸根HCO3_数量，且有足够的钙镁 离子时，碳酸根和重碳酸根在步骤1)的反应过程中就全部转化为钙镁的碳酸盐而被沉淀 了，此时经过步骤3)处理后的水，即可满足一般工业用水的要求；
若不满足前述碳酸根和重碳酸根完全沉淀的条件时，那么，经步骤1)处理后的水中，还 会有部分的HC03_残余，则阳离子交换树脂释放出的H+离子与残余的HC03_结合产生游离的 CO2,此时需设置除碳工艺(如采用鼓风吹脱将CO2去除)，经除碳处理后的水即可满足一般工 业用水的要求。在需要设置除碳工艺的情况下，与现有技术相比，从根本上看，本发明将HCO3-的 处理分成了两阶段进行，步骤1)去除一部分，再在步骤3)后通过除碳工艺去除一部分，虽 然这种分两阶段来去除HC03_的工艺相对烦琐(与现有技术中的一步处理完HC03_相比)，但 除碳工艺本身并不消耗酸、碱，从总的工艺消耗来看，反而降低了交换树脂再生时的酸、碱
需要量。若对水质要求不高，在水质满足碳酸根C032_、重碳酸根HC03_完全沉淀(即完全转 化为钙镁的碳酸盐)的条件下，可不设置后续的强碱性阴离子交换树脂或混合离子交换树 脂，若水质要求较高，则需采用强碱性阴离子交换树脂或混合离子交换树脂作进一步处理。 强碱性阴离子交换树脂和混合离子交换树脂择一进行吸附处理。一种可实现本发明方法的装置为它由弱碱性阴离子交换器1、过滤器2和阳离子 交换器3组成，弱碱性阴离子交换器1 (完成步骤1)的功能)、过滤器2 (完成步骤2)的功 能)和阳离子交换器3 (完成步骤3)的功能)通过管道顺次连接。该装置可选择性地在阳离子交换器3的出水口连接除碳器4，其选择的条件与方 法中选择是否增加除碳工艺的条件相同。该装置还可选择性地在阳离子交换器3或除碳器4的出水口连接强碱性阴离子交 换器或混合离子交换器5，其选择条件与方法中的选择是否采用强碱性阴离子交换树脂或 混合离子交换树脂作进一步处理的条件相同。附图1中，是在水质要求最严苛条件下，既设 置有除碳器4，又设置有强碱性阴离子交换器或混合离子交换器5时的结构示意图。以下是本发明针对不同水质进行处理时的几个实施例
实施例1 进水阳离子总数5mmol/l，其中Ca2+、Mg2+含量为4mmol/l，阴离子总数 5mmol/l，其中强酸性阴离子(SO,、C1_、N03_等)含量为3mmol/l，重碳酸根HC03_含量为 1.8mm0l/l，硅酸根0. 2mmol/l (单位均以水处理中常用的一价离子计，下同)。出水要求电 导率 l s/cm。
给水经过弱碱性阴离子交换器交换后，产生的0H_离子浓度等于强酸性阴离子浓 度即3mmol/l，与重碳酸根HC03_结合，形成碳酸根C032_3. 6mmol/l，形成沉淀亦为3. 6mmol/ 1，经过滤器滤除沉淀后，进入阳离子交换器的阳离子含量为1. 4mmol/L·离子交换为等价交换，可知每处理1升水，理论需要的酸量为1. 4mmoL·而传统的 除盐系统，则需要5mmol，使用本发明后酸的消耗降低了 72% ；
由进水水质知，弱碱阴离子交换器的负荷为3mmol/L，强碱性阴离子交换器的负荷为
0.2mmol/L，弱碱性阴离子交换器再生水15次，强碱性阴离子交换器只需再生1次，弱碱性 阴离子交换树脂再生碱的利用率可达100%，强碱性阴离子交换树脂(包括强弱树脂共同使 用的双室床)一般按1. 2倍碱余量再生，则处理1升水综合碱耗为3. 24mmol/L，而传统工艺 的阴离子交换器的负荷除了强碱性阴离子3mmol/L和0. 2mmol/L的硅酸根外，还有除碳器 的二氧化碳余量为5mg/L (设计推荐值)即0. 23mmol/L,合3. 43mmol/L，按1. 2倍余量再生 则为4. 12mmol/L。本发明用碱量与现有技术相比，降低21. 4%。此例中由于重碳酸根完全沉淀，不设置除碳器。实施例2 进水阳离子总数6mmol/l，其中Ca2+、Mg2+含量为3mmol/l，阴离子总数 6mmol/l，其中强酸性阴离子(SO,、C1_、N03_等)含量为4mmol/l，重碳酸根HC03_含量为
1.9mmol/l，硅酸根0. lmmol/1。出水要求电导率10 s/cm。给水经过弱碱性阴离子交换器交换后，产生的0H_离子浓度等于强酸性阴离子浓 度即4mmol/l，与重碳酸根HC03_结合，形成碳酸根C032_3. 8mmol/l，形成沉淀为3mmol/l，经 过滤器滤除沉淀后，进入阳离子交换器的阳离子含量为3mmol/l。离子交换为等价交换，可知每处理1升水，理论需要的酸量为3mmol。而传统的除 盐系统，则需要6mmol，使用本发明后酸的消耗降低了 50% ；
由进水水质知，弱碱阴离子交换器的负荷为4mmol/L，强碱性阴离子交换器的负荷为 0. 33mmol/L (含除碳器二氧化碳余量5mg/L0. 23mmol/L),弱碱性阴离子交换器再生水40 次，强碱性阴离子交换器只需再生1次，弱碱性阴离子交换树脂再生碱的利用率可达100%， 强碱性阴离子交换树脂(包括强弱树脂共同使用的双室床)一般按1.2倍碱余量再生，则 处理1升水综合碱耗为4. 4mmol/L，而传统工艺的阴离子交换器的负荷包括强碱性阴离 子4mmol/L和0. lmmol/L的硅酸根、除碳器的二氧化碳余量为5mg/L即0. 23mmol/L,合 4. 33mmol/L，按1. 2倍余量再生则为5. 2mmol/L。本发明用碱量相比现有技术降低15. 4%。由于重碳酸根未完全沉淀，设置除碳器。出口电导率为10 s/cm，要求不高，因此 可不设强碱性阴离子交换器。实施例3 进水阳离子总数3. 4mmol/l，其中Ca2+、Mg2+含量为2. 8mmol/l,阴离子总 数3.4mmol/l，其中强酸性阴离子(S042-、C1_、N03_等)含量为2mmol/l，重碳酸根HC03_含 量为1. 3mmol/l，硅酸根0. lmmol/L·要求出水电导率0. l s/cm。进水经过弱碱性阴离子交换器后，产生的Off离子浓度等于强酸性阴离子浓度即 2mmol/l，与重碳酸根HC03_结合，形成碳酸根C032_2. 6mmol/l，形成沉淀为2. 6mmol/L·重碳酸完全沉淀，不设除碳器，产水要求高需混合离子交换器，为减少设备投资， 可不设强碱性阴离子交换器，阳离子交换器出水直接进入混合离子交换器。实施例4 进水阳离子总数3mmol/l，其中Ca2+、Mg2+含量为2. 6mmol/l,阴离子总数 3mmol/l，其中强酸性阴离子(S042—、C1_、N03_等)含量为0. 7mmol/l，重碳酸根HC03_含量为2. 2mmol/l，硅酸根0. lmmol/L·要求部分除盐作为循环冷却水之用。进水经过弱碱性阴离子交换器后，产生的Off离子浓度等于强酸性阴离子浓度即 0. 7mmol/l，与重碳酸根HC03_结合，形成碳酸根C032_1. 4mmol/l，形成沉淀为1. 4mmol/l,出 水进入水池作沉降处理后直接作为循环冷却水，含盐量为1. 6mmol/L。实施例5 进水阳离子总数3mmol/l，其中硬度为2. 6mmol/l,阴离子总数3mmol/ 1，其中强酸性阴离子(SO42-、cr、N03-等)含量为0.7mmol/l，重碳酸根HCO3-含量为 2. 2mmol/l，硅酸根0. lmmol/L·要求产水作为锅炉给水的软化器进水。进水经过弱碱性阴离子交换器后，产生的Off离子浓度等于强酸性阴离子浓度即 0. 7mmol/l，与重碳酸根HC03_结合，形成碳酸根C032_1. 4mmol/l，形成沉淀为1. 4mmol/l,出 水进入沉淀或过滤处理后作为软化器的进水，硬度为1. 2mmol/L。
权利要求
一种离子交换除盐方法，其特征在于其步骤为1)采用弱碱性阴离子交换树脂对水中的强酸性阴离子进行吸附，2)对水进行沉淀或过滤；3)采用阳离子交换树脂对水中的阳离子进行吸附。
2.根据权利要求1所述的离子交换除盐方法，其特征在于对经步骤3)处理后的水进 行除碳工艺。
3.根据权利要求1所述的离子交换除盐方法，其特征在于对经步骤3)处理后的水， 采用强碱性阴离子交换树脂或混合离子交换树脂对残余离子进行吸附。
4.根据权利要求2所述的离子交换除盐方法，其特征在于对经除碳工艺处理后的水， 采用强碱性阴离子交换树脂或混合离子交换树脂对残余离子进行吸附。
5.一种离子交换除盐装置，其特征在于它由弱碱性阴离子交换器(1)、过滤器(2)和 阳离子交换器(3)组成，弱碱性阴离子交换器(1)、过滤器(2)和阳离子交换器(3)通过管道 顺次连接。
6.根据权利要求5所述的离子交换除盐装置，其特征在于在阳离子交换器(3)的出水 口还连接有除碳器(4)。
7.根据权利要求5所述的离子交换除盐装置，其特征在于在阳离子交换器(3)的出水 口还连接有强碱性阴离子交换器或混合离子交换器(5 )。
8.根据权利要求6所述的离子交换除盐装置，其特征在于在除碳器(4)的出水口还连 接有强碱性阴离子交换器或混合离子交换器(5)。
全文摘要
本发明公开了一种离子交换除盐方法及装置，其方法的步骤为1)采用弱碱性阴离子交换树脂对水中的强酸性阴离子进行吸附，2)对水进行沉淀或过滤；3)采用阳离子交换树脂对水中的阳离子进行吸附。本发明的有益技术效果是弱碱性阴离子交换树脂释放的OH－离子与水中的重碳酸根HCO3-结合成碳酸根CO32-，后者与水中的钙镁离子形成难溶电解质，部分除掉了水中的溶解的电解质，降低了再生过程酸的用量。同时弱碱性阴离子交换树脂不吸附硅酸根，在再生过程中不需要过量的碱，降低了再生过程中碱的用量；除碳工艺可选择性采用，简化了工艺流程。
文档编号C02F1/42GK101979329SQ20101057497
公开日2011年2月23日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者麻克栋 申请人:重庆宽能科技有限公司