鍋爐水處理常用離子交換法。在離子交換過程中，交換與被交換的離子均為陽離子,這種只進行陽離子交換的方法稱為陽離子交換。樹脂參加交換反應中的陽離子是鈉離子(Na+)時,則此樹脂為鈉型陽離子交換樹脂。當此樹脂與水中鈣、鎂離子進行交換時 , 樹脂上的鈉離子(Na+)全部進入軟化水中,這種用鈉離子取代水中鈣、鎂的過程我們稱之為鈉離子軟化交換法。
 
一、鈉離子交換的原理
當含有鈣、鎂離子的生水,流經離子交換器中的鈉離子交換劑層時,水中的鈣、鎂離子被交換劑中的鈉離子所置換,從而將在鍋爐中可能形成水垢的鈣、鎂鹽類,轉變為易溶性鈉鹽,而使水得以軟化。用反應方程式表示如下:
ca2++2NaR=CaR2+2Na+
Mg2++2NaR=MgR2+2Na+.
式中: NaR一一代表鍋離子交換劑;
Na+一一代表交換劑中的交換離子;
R一一表示交換離子以外的母體部分,它并不參加反應。
二、鈉離子交換的特點
1.生水硬度大大降低或基本消除。
2.堿度保持不變。
經鈉型離子交換樹脂軟化后的水質,由于碳酸鹽硬度等量地轉變成了,所以軟化水中堿度與進水中的堿度相等。
3.軟化水中含鹽量略有增加經鈉型離子交換樹脂軟化后的水,由于原水中的陰離子,即水中的氯離子(Cl-),硫酸根(S042- 一 )、碳酸氫根(HCO3-)和硅酸根(Si032-)等并不改變,如果水中的其他重金屬陽離子忽略不計時,只是鈣、鎂鹽類等量地轉變成了不生成水垢的鍋鹽。鈉離子的摩爾質量為23g/mo1,以1/2Ca2+為基本單元的摩爾質量為20.04g/mol、以1/2Mg2+為基本單元的摩爾質量為12.16g/mo1,因此,使軟化后的水質,其含鹽量要比其原水含鹽量為高。
三、再生過程
在鈉離子交換過程中,當軟水中出現了硬度,而且超過了標準時,則證明鈉型離子交換樹脂已經失效。為了恢復其再交換的能力,就需要對此樹脂進行再生。在再生過程中,就是使含有大量鍋離子的氯化鈉(NaCl)溶液,通過失效的樹脂層,從而將離子交換樹脂中的鈣、鎂離子排到溶液中去,鈉離子則被樹脂所吸附,使樹脂重新又恢復了交換能力。
鈉型離子交換樹脂的再生過程,可以下列反應式表示:
CaR2十2NaC1=2NaR+CaCl2MgR2+2NaCl=2NaR+MgCl2
四、鈉離子交換器的運行
鈉離子交換器的運行一般分為四個步驟(從交換器失效算起>:反洗、再生、正洗和交換(即運行)這四步組成一個運行循環,通常稱為一個周期,現分述如下:
1.反洗
當交換器出水硬度超過規定水質標準,即為失效。失效后停止軟化,先用一定壓力的水自下而上對樹脂層進行短時間的強烈反洗。反洗的目的是:
(1)松動交換劑層,為再生打下良好基礎。在交換過程中,由于水自上而下地通過交換劑層,使交換劑層被壓實,再生時就會造成交換劑與再生液接觸不充分。所以再生前要反洗,使交換劑層得到充分松動,為再生打下良好基礎。
(2)沖掉交換劑表層中截留的懸浮物、碎粒和氣泡。在交換過程中,交換劑表層也起著過濾作用,水中的懸浮物被截留在表層上,致使壓力增大,還會使交換劑污染結塊,從而使交換容量下降;另外,交換劑碎粒也影響水流通過。反洗時可以沖掉這些懸浮物和碎粒,還可以排除交換劑層中的氣泡。
***佳反洗強度,通過試驗求得。一般反洗流速可控制在11~18m/h。反洗須至出水澄清為止。反洗時間約為10~15min 。在正常情況下,每立方米交換劑反洗水量約2.5~3m3。
2.再生
再生的目的是使失效的交換劑重新恢復交換能力。它是交換器運行操作中很重要的一環。再生時采用動態再生,而不用靜態再生。即再生時不要放掉交換器內的水,然后在開始進再生液(鹽液濃度以6~10×10-2為宜)的同時打開排水閥門,邊進再生液邊排水。應嚴格控制排水閥門開度,使再生液流速控制在3~5m/h,并確保全部交換劑層都浸泡在再生液里面。再生時間應不少于40min。
3.正洗
正洗的目的就是清除交換器中殘留的再生劑和再生產物(CaCL、MgCl2)。正洗初期實際上是再生的繼續,流速不要太大,可掌握在3~5m/hp。當正洗出水基本不咸時,可將流速加大到10~15m/h;正洗后期應經常取樣化驗出水硬度, 當出水硬度達到標準時,且氯化物不超過原水氯根50~100mg/L時,即可投入交換運行。
4.交換運行
正洗結束后,鈉離子交換器即可投入運行。交換劑在交換器中的工作情況具有層狀的特性。當水進入交換器時,首先發生的交換過程是在交換劑的上層,此時交換劑的下層實際上是沒有什么變化的,因為水通過上面時各反應物質已達平衡。但當開始運行后,***上層很快就失效了,因此以后交換作用在此失效層以下的交換劑中運行。
在鈉離子交換軟化過程中交換劑層分為三層,如圖7-1所示。*層為失效層,第二層為工作層,第三層為沒參加工作的交換劑層,又稱保護層。在交換軟化中,*層漸漸加大,第二層漸漸向下移動,而第三層逐漸縮小,等到第二層的下邊緣移到和交換劑層的下邊緣重合時,若再繼續交換,出水的硬度就開始增加了,也就是說交換器已開始失效。
五、鈉離子交換器的有關計算
1.交換劑的工作交換容量可按下式計算:
E=Q(YD-YDc)/V
式中:E一一交換劑工作交換容量,mol/m3;
Q一一交換器周期出水量,m3;
YD一一原水的硬度,IIIEnol/L；
YDe--軟化水平均殘留硬度,mmol/L；
V一一交換劑體積,m3。
例[7-2]某廠一臺交換器內001×7樹脂為1m3,經化驗YD=2.52mmol/L,YDc=0.02mmol/L,周期出水量為400m3,求此周期交換劑的工作交換容量為多少?
E=Q(YD-YDc)/v=400(2.52-0.02)/1=1000mol/m3
答:此周期001×7樹脂工作交換容量為1000mol/m3。
2.再生一次用鹽量可按下式計算:
m=EVb/1000a
式中:m一一再生一次用鹽量,kg;
b一一交換劑的鹽耗,g/mol;
α一一食鹽純度,10-2.
例[7-3]某廠一臺交換器內裝001×7樹脂為0.3m3,其工作交換容量為100Omol/rd,再生時鹽耗為120g/m01,使用食鹽純度為95×1OF2,求再生一次用鹽量?
m=EVb/1000a=1000×0.3×120/0.95×1000≈37.6kg
答 : 再生一次用鹽量為37.6kg。
3.鹽耗的計算。根據上兩個公式,可導出鹽耗計算公式為:
b=ma/Q(YD-YDc)×103g/mol
例[7-4] 某廠一臺交換器內裝 001×7樹脂為1m3,周期出水量為500m3,經化驗:YD=2.02mmol/L,YDc=0.02mmol/L,食鹽純度為95×10-2,再生一次用鹽量為140kg,求鹽耗為多少?
b=ma/Q(YD-YDc)×103=140×95/100/500(2.02-0.02)×103
=133g/mol
答:鹽耗為133g/mmol。