引言

 

離子交換樹脂是一種帶有官能團(tuán)，即具有交換離子的活性基團(tuán)、并且具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、不溶性的高分子化合物。離子交換樹脂因?yàn)榫哂袠O強(qiáng)的吸附性能，因此其利用范圍也非常的廣。一般常見于如下的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）水處理；（2）食品工業(yè)；（3）制藥行業(yè)；（4）合成化學(xué)和石油化學(xué)工業(yè)；（5）環(huán)境保護(hù)；（6）濕法冶金及其他。目前，我國(guó)的火力發(fā)電行業(yè)中，300兆瓦以上的火力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)不斷的增多，由于火力發(fā)電需要通過(guò)大量的使用水，通過(guò)加熱水產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而切割磁力線發(fā)電。水蒸氣凝結(jié)后會(huì)帶有許多在電力生產(chǎn)過(guò)程中吸附的離子，影響水質(zhì)，如果不將這些凝結(jié)水作處理，直接循環(huán)利用會(huì)影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的正常工作。同樣在石油化工和煤化工生產(chǎn)領(lǐng)域也需要大量的使用水蒸氣作為熱源介質(zhì)和工藝介質(zhì)用于生產(chǎn)當(dāng)中，由于換熱器等設(shè)備的泄露和管道的腐蝕等因素，使蒸汽凝結(jié)水常常受到鹽類、油類、有機(jī)物、金屬腐蝕、溶解氧等的污染。因此，我們需要對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行精處理，以使其能回收利用。在處理過(guò)程中，目前常見的方法就是利用離子交換樹脂的吸附作用來(lái)保證凝結(jié)水的純凈。而在這個(gè)過(guò)程中，既有使用凝膠型離子交換樹脂的又有使用大孔型離子交換樹脂的，本文將研究二者尤其是后者在汽機(jī)和工藝凝結(jié)水精處理中的應(yīng)用。

 

2大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂與大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂

 

2.1大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂

 

大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂一般都含有大量的強(qiáng)酸性基團(tuán)，比如磺酸基－SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強(qiáng)酸性。樹脂離解后，本體所含的負(fù)電基團(tuán)，如SO3－，能吸附結(jié)合溶液中的其他陽(yáng)離子�！�

 

大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂在使用一段時(shí)間之后，是需要進(jìn)行再生處理的，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上就是通過(guò)采用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)朝著相反的方向進(jìn)行，使得大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂的官能集團(tuán)能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，以便于再次重復(fù)的使用。

 

2.2大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂

 

這類樹脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán)，如季胺基－NR3OH，能在水中離解出OH－而呈強(qiáng)堿性。這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。

 

大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂的再生原理與大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂基本相同，只是在具體的再生的時(shí)候前者使用的是強(qiáng)堿，而后者則是強(qiáng)酸。大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂通過(guò)強(qiáng)堿的處理，吸附的陰離子被放出，然后與OH-結(jié)合而恢復(fù)原來(lái)的功能。

 

2.3普通凝膠型樹脂與大孔型離子交換樹脂的區(qū)別

 

按照離子交換樹脂本體的微孔形態(tài)可將離子交換樹脂分為凝膠型和大孔型等。普通凝膠型離子交換樹脂是通過(guò)純單體混合物經(jīng)縮合或者聚合形成的，在外觀上一般是呈現(xiàn)出透明裝，骨架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出微孔狀。由于離子交換樹脂在工作的時(shí)候，主要的原理就是離子交換反應(yīng)，而離子交換反應(yīng)是通過(guò)離子交換樹脂的交聯(lián)大分子鏈間距離而形成的孔隙（微孔）擴(kuò)散到交換基團(tuán)附近進(jìn)行的。在這個(gè)過(guò)程中，離子交換樹脂的孔徑會(huì)隨著交聯(lián)度的增加而不斷的變小，而隨著凝膠體的溶脹而不斷的變大。在樹脂處于干燥的狀態(tài)下，孔徑是不存在的，樹脂只有化學(xué)結(jié)構(gòu)孔，而且網(wǎng)孔一般都非常的小，一般而言平均的孔徑之后1~2納米大小，而且不同的樹脂孔徑大小也不相同。由于普通的凝膠型樹脂孔徑較小，不利于粒子運(yùn)動(dòng)，因此在直徑較大的分子通過(guò)樹脂時(shí)，容易造成樹脂的網(wǎng)眼堵塞，再生的時(shí)候，也很難脫落，容易受到有機(jī)物的污染，再生能力較低。

 

而大孔型樹脂則是在離子交換樹脂形成的時(shí)候，即在發(fā)生聚合反應(yīng)的時(shí)候加入了一定量的致孔劑，從而使得離子交換樹脂最終在內(nèi)部形成多孔海綿狀構(gòu)造的骨架，這樣就會(huì)使得離子交換樹脂內(nèi)部形成大量的永久性的微孔。由于加入了致孔劑，大孔型離子交換樹脂的孔徑能夠達(dá)到100到500納米，相較于普通離子交換樹脂的1到2納米，簡(jiǎn)直是云泥之別。這使得大孔型離子交換樹脂相較于普通的凝膠型離子交換樹脂具有更強(qiáng)的離子交換能力。而且，大孔型離子交換樹脂的表面積可以增大到超過(guò)1000m2/g，這就使得離子交換樹脂與交換介質(zhì)有了更大的接觸面積，能夠有效地縮短離子擴(kuò)散的路程。

 

總之，和普通凝膠型離子交換樹脂相比較，大孔型離子交換樹脂內(nèi)部的孔隙又多又大，表面積也相應(yīng)要大很多，活性中心相對(duì)較多。因此，用作離子交換的時(shí)候，擴(kuò)散的速度更快，交換的速度也相應(yīng)的要快不少，一般而言比普通凝膠型離子交換樹脂的交換速度要快10倍，極大地提高了交換效率。除此之外，大孔型離子交換樹脂得益于大孔徑的構(gòu)造，能夠更加耐溶脹，而且不易破碎，耐氧化和磨損的能力也更強(qiáng)，對(duì)溫度的適應(yīng)性也更好，而且在大的有機(jī)物通過(guò)時(shí)，不容易堵塞，再生能力較強(qiáng)。

 

3大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂與大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)

 

本文研究的中國(guó)神華煤制油凝結(jié)水處理站裝置由中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司大連分公司設(shè)計(jì)、施工總包，2006年4月30日完工中交。本凝結(jié)水處理系統(tǒng)是回收煤液化、煤制氫、天然氣制氫、備煤制劑、輕烴回收、酚回收、污水汽提、脫硫、油品儲(chǔ)運(yùn)等高、中、低壓工藝凝結(jié)水和空分、煤制氫等汽機(jī)凝結(jié)水并加以處理，把處理合格后的凝結(jié)水再用于煤液化、煤制氫、加氫穩(wěn)定、硫磺回收等生產(chǎn)裝置中。神華煤直接液化示范項(xiàng)目凝結(jié)水處理站在接收了該設(shè)備之后，即對(duì)其投入了使用，本次研究即為神華煤制油廠的回收煤液化、煤制氫、空分等生產(chǎn)裝置和其他輔助裝置產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)水的處理系統(tǒng)中的離子交換樹脂在汽機(jī)和工藝凝結(jié)水精處理中的作用。

 

本凝結(jié)水處理系統(tǒng)分為汽機(jī)凝結(jié)水和工藝凝結(jié)水兩部分，汽機(jī)和工藝兩種凝結(jié)水離子交換系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)和原理基本一致，主要的區(qū)別在于汽機(jī)部分為兩級(jí)混床，而工藝凝結(jié)水部分只有一級(jí)混床。汽機(jī)凝結(jié)水處理后做高壓鍋爐給水和減溫減壓器減溫水使用，工藝凝結(jié)水處理后做中、低壓鍋爐給水使用。

 

汽機(jī)凝結(jié)水主要污染物包括了金屬腐蝕產(chǎn)物、鹽類、溶解氧等，其處理工藝主要包括降溫、除鐵、除鹽、換熱、除氧，經(jīng)處理合格后為煤制氫、煤液化、加氫穩(wěn)定、硫磺回收等裝置及減溫減壓器提供高壓除氧水。對(duì)汽機(jī)凝結(jié)水的除鐵主要是在木質(zhì)纖維素覆蓋過(guò)濾器中完成的。工藝凝結(jié)水污染物除了以上汽機(jī)凝結(jié)水所包括的污染物之外，還主要有油類和其它有機(jī)物等。其處理部分由擴(kuò)容系統(tǒng)（高中低壓）、降溫、除油除鐵、除鹽、除氧系統(tǒng)組成。其除油除鐵系統(tǒng)由木質(zhì)纖維素加活性炭復(fù)合雙膜過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器和精密過(guò)濾器組成。汽機(jī)和工藝凝結(jié)水的除鹽主要是在離子交換器中進(jìn)行。陽(yáng)離子交換器內(nèi)裝填的是大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂。混合離子交換器內(nèi)裝填的是由大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂與大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂以1:2的比例混合構(gòu)成的混合離子交換樹脂。汽機(jī)凝結(jié)水除鹽時(shí)，經(jīng)除鐵系統(tǒng)過(guò)濾后的凝結(jié)水首先進(jìn)入陽(yáng)離子交換器，與大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂進(jìn)行交換反應(yīng)，能夠有效的去除水中的陽(yáng)離子。采用陽(yáng)離子交換器，一方面可以去除一部分陽(yáng)離子，使混床的再生次數(shù)降低，運(yùn)行周期大大提高；另一方面可以提供混床運(yùn)行的酸性條件，增加混床去除陰離子的能力，陰樹脂的交換容量也因此而提高。去除陽(yáng)離子之后的出水直接進(jìn)入一級(jí)混合離子交換器，去除水中的陽(yáng)離子和陰離子。其中陰離子經(jīng)過(guò)與大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂的交換反應(yīng)而去除。此時(shí)的水質(zhì)可以達(dá)到電導(dǎo)率≤0.1μS/cm，SiO2≤20μg/L，而后進(jìn)入二級(jí)混合離子交換器以保證出水水質(zhì)的絕對(duì)安全。工藝凝結(jié)水除鹽與汽機(jī)凝結(jié)水除鹽工藝原理一樣，只是少了二級(jí)混合離子交換器，其陽(yáng)床出水直接經(jīng)一級(jí)混合離子交換器處理后完成除鹽處理。其出水水質(zhì)可以達(dá)到電導(dǎo)率≤0.2μS/cm，SiO2≤20μg/L，經(jīng)過(guò)以上幾輪的過(guò)濾處理之后，能夠保證水質(zhì)的安全。以下是汽機(jī)和工藝凝結(jié)水處理前的來(lái)水和處理后的出水的水質(zhì)指標(biāo)情況：

由以上兩個(gè)表格數(shù)據(jù)可以看出，在該凝結(jié)水處理系統(tǒng)中，大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂與大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂都得到了充分有效地運(yùn)用，使得蒸汽凝結(jié)水能夠安全的循環(huán)利用。

 

4結(jié)語(yǔ)

 

本次研究的凝結(jié)水處理系統(tǒng)大量的采用了大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂與大孔型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂，通過(guò)陽(yáng)離子交換器和混合離子交換器以及二級(jí)混合離子交換器的綜合作用，能夠保證凝結(jié)水的水質(zhì)安全。該凝結(jié)水處理系統(tǒng)能夠?yàn)樯袢A煤制油廠節(jié)省大量的水資源費(fèi)用。同時(shí)，采用大孔型離子交換樹脂，還具有再生率高，購(gòu)買離子交換樹脂的綜合成本較低，水精處理效果較好等特點(diǎn)。離子交換樹脂的大量運(yùn)用，有效地為神華煤直接液化示范項(xiàng)目減少了水資源費(fèi)用的開銷，降低了單位生產(chǎn)值的資源消耗水平，是響應(yīng)清潔生產(chǎn)的積極有效行為。

 

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收稿日期：2011-06-08

 

作者簡(jiǎn)介：楊崇濤（1981-），男，助理工程師，研究方向：工業(yè)水處理技術(shù)及水汽系統(tǒng).

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