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软化水技术的发展

来 源:中华水网   发布时间:2011-05-06 移动版

   一、什么是软水(软化)?为什么要软化?常用的软化方法有哪些?
   我们都知道,普通的水中含有多种可溶解的化合物,有些物质的溶解度随着温度的变化有较明显的变化,其中的碳酸钙、碳酸镁类的物质,其溶解度随着温度的升高而下降。当温度升高时,原来溶解于水中的碳酸钙、碳酸镁析出形成沉淀物,这些沉淀物可以是以絮状、粉末状,或沉积在容器、管道表面,形成水垢。
   用来衡量钙镁离子总量的指标是硬度,总的说来,水的硬度主要由钙(Ca2+)、镁(Mg2+)离子构成的,其具体指标是同类离子折合为碳酸钙来计时的数值,目前标准单位是mmol/L(毫摩尔每升)。传统的单位有mgN/L(毫克当量每升)、德国度、美制(英制)等,目前在国内常用的硬度单位是mg/L(毫克每升)、mmol/L(毫摩尔每升)、mgN/L(毫克当量每升),偶尔会有用户使用德国度,用德国度除以2.8即可换算为国标的数值mmol/L(毫摩尔每升),如果采用美制的Grain/Gallon(格令每加仑),那么就需要对单位进行多次算换,此处不细讲。
    钙镁离子含量较多的水称为硬水,钙镁离子含量较少的水称为软水。硬水与软水只是通俗上的叫法,并没有标准的量的概念,在生活中,行内一般把硬度低于3mmol/L的水称为较软的水,3-6称为普通水,6-8称为较硬的水,10以上称为高硬水。
     (工业上采用截然不同的标准,工业上一般只有硬度<1的水称作软水,1-10之间都经常笼统地称为硬水,硬度>10的水也多称为高硬水)
    北京地区的普通情况是(以市政供水及常见自备井为例):
     城中、城北、城西(五环以内)地区:大部分地区硬度在6-8之间;
     城东北部(水源较好的使馆及周边地区):硬度多在4-6之间;
     城南(南三环以南)、城西南:硬度约在8-12间,部分地区硬度为10-15左右。
     周边地区:南部、西部、北部山区硬度较高,多数在8以上,
                    东部及北部非山区多数在6-9之间。    
    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,特别是锅炉用水中若含有硬度盐类,会在锅炉受热面上生成水垢,从而降低锅炉热效率、增大燃料消耗,甚至因金属壁面局部过热而损伤部件、引起爆炸。因此对于低压锅炉要进行水的软化处理;对于中、高压锅炉要进行水的软化与脱盐处理。
    采用设备降低水的硬度的过程叫做"软化",相应的设备叫"软水器"(或叫"软化器"等)。
1、常用的软化方法
  将硬水软化,避免水垢的沉积有很多种方法,经常使用的方法有:
    1.1、离子交换法: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,由于钠盐的溶解度很高,所以就避免了随温度的升高而造成水垢生成的情况。这种方法是目前最常用的标准方式。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")。
    2)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。
    3)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。目前工业上可以使用的的阻垢剂很多。这种方法的特点是:一次性投入较少,适应性广;但水量软大时运行成本偏高,由于加入了化学物质,所以水的应用受到很大限制,一般情况下不能应用于饮用、食品加工、工业生产等方面。在民用领域中也很少应用。
    4)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。多用于商业(如中央空调等)循环冷却水的处理,不能应用于工业生产及锅炉补给水的处理(同时由于该种设备的机理并未得到真正的理论证实)。
    5)膜分离法:纳滤膜(NF)及反渗透膜(RO)均可以拦截水中的钙镁离子,从而从根本上降低水的硬度。这种方法的特点是,效果明显而稳定,处理后的水适用范围广;但是对进水压力有较高要求,设备投资、运行成本都较高。一般较少用于专门的软化处理。
    根据实际使用经验及特点,在工业锅炉及工业生产中最常用的方式是离子交换法(目前基本上是标准设备),普通情况下所说的"软水器"一般均指这种设备。
    在餐饮、食品、化工、医药等领域、空调、工业循环水等应用中,也多采用离子交换法对补水进行处理。    
    小型热水锅炉、换热器等应用中,多采用加药法。
    商业领域的中央空调及工业上温度较低(最高温度在60度左右)的冷却循环水,多采用电磁法进行全流量处理,即对所有循环水进行处理,同时多数情况下配合补充水采用离子交换法处理或循环水采用加药方法以保证效果。
2、离子交换法的工作原理
    为了使大家易于理解接受,以下的说法是尽量通俗的说法,与标准工具书的说法可能不尽一致(但不会出现技术性错误)。
     离子交换树脂是一种聚合物,带有相应的功能基团。一般情况下,常规的钠离子交换树脂带有大量的钠离子。
    当水中的钙镁离子含量高时,离子交换树脂可以释放出钠离子,功能基团与钙镁离子结合,这样水中的钙镁离子含量降低,水的硬度下降。硬水就变为软水,这是软化水设备的工作过程。
    当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后,树脂的软化能力下降,可以用氯化钠溶液流过树脂,此时溶液中的钠离子含量高,功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合,这样树脂就恢复了交换能力,这个过程叫作"再生"。
     由于实际工作的需要, 软化水设备的标准工作流程主要包括: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。
3、顺流再生与逆流再生的软化水设备的基本差异
     在同等情况下,一般说来,理论上逆流设备要比顺流设备节盐15%左右;由于树脂再生的顺序及消耗而引起的树脂寿命,也大概有10%左右的差异。但是在实际情况下,树脂使用寿命基本上没有大的差异。盐耗的差异也不是很明显可以被觉察到的。
     另外,逆流设备可以处理硬度更高的生水,这一点是顺流设备不能直接相比的。
     由于逆流设备不能很容易被准确而稳定地自动化,所以在目前国内市场上较少见到逆流再生的进口设备。
    AUTOTROL及FLECK的主要设备均为顺流再生方式,在充分利用顺流系统的控制特点的前提下,其工作盐耗可以控制在较低的水平。但是能处理 的进水硬度还是不能与国产逆流设备相比
4、软化水设备运行水压的要求,如果压力过高是不是可以
    一般说来,软化水设备的运行压力要求是0.2-0.5MPa,这样的压力要求有两方面的原因:
      压力大于0.2MPa,是为了保证再生的吸盐效果。因为全自动软化水设备是靠水力形成负压来抽取盐水的,吸盐器上端的压力直接影响吸盐的速度和效果,一般说来如果压力低于0.18MPa的话,吸盐效果会明显下降。
      如果压力大于0.5MPa,吸盐效果当然可以保证了,但是此时管路部分的承压过大,各接合点容易出现泄漏。另外由于水压造成多路阀内部的部件受压过大,可能会引起多路阀动作不准确,进而直接影响工作效果。
如果压力过高,设备运行时可能会出现的异常情况主要有:
      反洗时树脂泄漏,水压过高的情况下,反洗时树脂膨胀程度可能会超过计算值,如果上布水器孔隙足够大,就非常容易造成树脂从顶部进入多路阀,沿排水管路流出,从而造成树脂泄漏。
      注水过多,水压过高时,要盐水重注阶段会向盐箱内注入更多水,这样可能会造成盐箱内水位异常偏高,有时甚至可能会造成盐水溢出。
     阀门动作异常,出水指标不稳定合格,当水压过高时,在多路阀活塞或阀板的一侧可能会形成超过原计算的压力,这样阀体原配电机在驱动阀门动作时可能会有不够顺畅,从而引起阀门动作不到位等情况,这样可能会在阀门内部形成一些通路,未处理的水经这些通路流向出水口而引起也水指标不稳定达标。
      再生效果不好:当水压过高时,吸盐速度加快,这样有效再生时间可能会缩短很多,从而不能达到很好的再生效果。
      建议采用安装减压阀的方法来控制压力。可以采用定压或比例式减压阀,这样可以在后级得到稳定的压力。
5、水质硬度的测试方法
按国家标准GB1576-2001的规定,测定水质硬度的方法主要是滴定法,
    但是滴定法需要专门配制专用的药剂,不便于通常情况下的携带和使用,也不便于在家庭或野外少量测试时使用,随着测试需求的多样化及技术的发展,近年来在实际生活中常用的方法还有硬度仪、快速瓶及试纸法。
    顾名思义,硬度仪是一种可以直接测试出水质硬度的仪器,这种仪器有标准的测试探头,测试时可以直接从液晶屏上读出硬度值,使用简单而方便。这类仪器一般是采用测试水的电导的方式来测算水质硬度,由于钙镁离子的导电性能与其他离子并无根本性的区别,所以在目前技术条件下,这种测试方式有较大有误差,一般多用于要求不高的场合。
    快速瓶是滴定法的一种,在配制好的测试剂中加入不影响测试结果的稳定剂,测试药剂可以在一定条件下长期保存,需要测试时向测试瓶内加入一定量的水,摇匀后的颜色与标准色瓶(或色板)对比而得到硬度值。
    硬度试纸与pH试纸类似,涂有药剂的试纸密封包装在袋内,测试时将试纸浸入水中,静置片刻后纸上的药剂与水中的钙镁离子反应而呈现一定的颜色,将其与标准色板比较而得到水的硬度值。
二、低压锅炉化学水处理流程选择
 1、前言
低压锅炉指额定压力小于等于2.5MPa 的锅炉,它包括蒸汽锅炉和热水锅炉。低压锅炉水处理必须执行现行国家标准-《低压锅炉水质》(GB1576-1996),它是我们选择水处理流程的依据。
这里仅讨论采用锅外化学处理的低压蒸汽锅炉的化学水处理方法,对于采用锅内加药处理的锅炉、热水锅炉的水处理、给水的热力除氧、化学除氧、水的预处理本文不作探讨。热水锅炉的水处理请参见参考文献[6]。
2、国家标准对给水及炉水的控制指标
对于采用锅外化学水处理的锅炉,现行国家标准-《低压锅炉水质》(GB1576-1996)对锅炉的给水及锅水给出了明确的控制指标。对给水主要控制悬浮物、总硬度、PH值、溶解氧、含油量五个指标;对锅水主要控制总碱度、PH值、溶解固形物、SO32-、PO43-、相对碱度六个指标。原水中通常无PO43-,这个指标是针对在锅内采用PH-协调磷酸盐处理的锅炉。锅内加药的目的有两个:一是调整锅水的PH值;二是防止锅内结垢和产生苛性脆化。锅内SO32-的量与锅内的PH值有关,锅内PH值通常为11-12,在此条件下锅内SO32-通常不会很高,SO32-的指标可以通过锅炉排污加以控制。因此,这两个指标对我们选择水处理流程没有影响,有影响的是锅水的碱度、溶解固形物、相对碱度,它们与锅炉的排污率、补给水率有下列关系:
     Ag=................. (1)
式中:
AC-补给水碱度,me/l;
α-补给水碱度在锅水中转化为NaOH的百分数(以小数计);
C1-锅内参数下补给水中的蒸发残渣,mg/l
C2-加入锅水中Na3PO4量,mg/l。
Ag-锅水的相对碱度。
αY= ................... (2)
式中:
αY-补给水中允许蒸发残渣量(mg/l)或碱度(me/l);
A-锅水溶解固形物(mg/l)或碱度(me/l),按国家标准中的允许值;
P-锅炉排污率(以小数计);
α-补给水率(以小数计)。
原水的硬度一般都达不到给水要求的指标,碱度、溶解固形物超不超标要看式(1)、(2)的计算结果。如果超过国家标准的规定值,就要设法降低原水的碱度或溶解固形物,也就是在进行软化处理的同时还要进行除碱或降盐处理。显然,这里所说的除碱、降盐并不要求把水中的碱度和溶解固形物全部除掉,而是将它们降至允许范围内。实际上为了防止给水系统的腐蚀,通常要求给水保持一定的碱度。
3、化学水处理流程的选择
3.1、钠离子交换软化流程
钠离子交换软化流程就是用Na+置换水中的Ca2+、Mg2+,离子交换树脂失效时用食盐溶液再生。常用的离子交换树脂是强酸性阳树脂,如强酸苯乙烯型树脂001×7,
流程如下:原水 → 钠离子交换器  →  软化水箱
 交换器运行时发生了下列反应:
Ca2+ + 2NaR → CaR2 + 2Na+....................................... (3)
Mg2+ + 2NaR → MgR2 + 2Na+....................................... (4)
再生时发生了下列反应:
2Na+ + CaR2 → 2NaR + Ca2+....................................... (5)
2Na+ + MgR2 → 2NaR + Mg2+....................................... (6)
这种方法只能除去水中的硬度离子,不能降低水的碱度,水的含盐量基本不变。这种流程适用于原水碱度及含盐量不是很高,也就是经式(1)、(2)计算后,原水碱度及溶解固形物不超标。它又分为单级钠离子交换软化流程、两级钠离子交换串联软化流程,前者适用于原水硬度较小的水,后者适用于原水硬度较大的水。因为如果原水硬度太高,采用单级钠离子交换流程,势必使运行周期变短,出水水质恶化。
3.2、软化除碱流程
软化除碱流程适用于经式(1)、(2)计算后,原水碱度超标的水质。它又分石灰-钠流程、强酸氢钠串联流程、强酸氢钠并联流程、不足量酸再生磺化媒氢钠串联流程、弱酸阳树脂氢钠串联流程、综合铵钠离子交换法。其中铵钠离子交换流程的出水中的铵盐在锅内分解会污染蒸汽品质,磺化媒氢钠串联流程中用的交换剂磺化媒的工作交换容量较低,这两个流程现在已较少采用。
1).石灰-钠流程
当原水用石灰处理时,实际上在水中发生了下列反应:
CO2 + Ca(OH)2   → CaCO3↓ + H2O................................... (7)
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O............................ (8)
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ Mg(OH)2↓+2H2O.................. (9)
MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaCl2............................. (10)
MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaSO4............................. (11)
2NaHCO3 + Ca(OH)2 → Na2CO3 + CaCO3↓ 2H2O........................ (12)
因此,在用石灰处理时,首先消失的是游离CO2,然后是Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2,它一方面降低了原水的硬度,另一方面又降低了原水的碱度,是一个软化除碱的过程。
由于石灰处理时有一个沉淀的过程,生成的沉淀物常常不能完全形成大颗粒,而是有少量呈胶体状态残留于水中。所以石灰处理不可能将碳酸盐硬度全部除去,而是有一定的残余硬度及残余碱度。这部分硬度及原水中永久硬度只有靠后置的Na离子交换器来去除。Na离子交换器中发生的反应同式(3)、(4)。
从上面的反应式我们也可以看出,石灰处理只能降低水中碳酸盐硬度及与之对应的那部分碱度。镁的碳酸盐硬度虽然也可与Ca(OH)2反应,生成Mg(OH)2,但同时生成了等当量的钙的非碳酸盐硬度,所以这两个反应起不到软化除碱的作用。至于碱性水,其过剩碱度与Ca(OH)2也反应,但反应的结果只是NaHCO3转化成Na2CO3。 转载请注明出处: https://www.chndk.com/view-10910-1.html

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