化水基礎(chǔ)知識終

第一章緒論第一節(jié)水在熱力發(fā)電廠中的作用熱力發(fā)電就是利用熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能進行發(fā)電現(xiàn)在我國用得比較普遍的熱能來自各種燃料的化學(xué)能，此種發(fā)電稱為火力發(fā)電。在火力發(fā)電廠中水進入鍋爐后吸收燃料燃燒放出的熱能轉(zhuǎn)變成蒸汽導(dǎo)入汽輪機，在汽輪機中蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能汽輪機帶動發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變成電能所以鍋爐汽輪機發(fā)電機為火力發(fā)電的主要設(shè)備為了保證他們正常運行對鍋爐用水的質(zhì)量有很嚴(yán)的要求，而且機組中蒸汽的參數(shù)愈高，對其要求也愈嚴(yán)。在凝汽式發(fā)電廠中水汽呈循環(huán)狀運行鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)汽輪機后進入凝汽器在這里它被冷卻成凝結(jié)水此凝結(jié)水經(jīng)泵送到低壓加熱器加熱后送入除氧器再由給水泵將已除氧的水送到高壓加熱器后進入鍋爐。汽水的流動雖呈循環(huán)狀但這是主流并非全部在實際運行中總不免有些損失造成汽水損失的主要原因有如下幾方面：（1）鍋爐分。鍋爐的排污放水，鍋爐安全門和過熱器放汽門的向外排氣，用蒸汽推動附屬機械，蒸汽吹灰和燃燒液體時采用蒸汽霧化法等，都要造成汽水損失。（2）汽輪機組。中、低壓蒸汽外供，汽輪機的軸封處要連續(xù)向外排汽，在抽氣器和除氧器排氣口處會隨空氣排出一些蒸汽，造成損失。（3）各種箱。各種水箱有溢流和熱水的蒸發(fā)等損失。（4）管道統(tǒng)。各管道系統(tǒng)法蘭盤連接處不嚴(yán)密和閥門泄漏等原因，也會造成汽水損失。為了維持發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的水汽循環(huán)運行正常，就要用水補充這些損失，這部分水稱為補給水由于水在熱力發(fā)電廠水汽循環(huán)系統(tǒng)中所經(jīng)歷的過程不同水質(zhì)有較大的差別根據(jù)實際的需要，我們常給予這些水以不同的名稱，簡述如下：⑴原水。原水是指未經(jīng)任何處理的天然水，它是熱力發(fā)電廠中各種用水的來源。⑵鍋爐補給水。原水經(jīng)過各種方法凈化處理后，用來補充熱力發(fā)電廠汽水損失的水，稱為鍋爐補給水鍋爐補給水按其凈化處理方法的不同又可分為軟化水蒸餾水和除鹽水等。⑶凝結(jié)水。在汽輪機中做功后的蒸汽經(jīng)冷凝成的水，稱為凝結(jié)水。⑷疏水。各種蒸汽管道和用汽設(shè)備中的蒸汽冷凝水，稱為疏水。它經(jīng)疏水器匯集到疏水箱或并入凝結(jié)水系統(tǒng)中。熱力發(fā)電廠中疏水系統(tǒng)往往比較復(fù)雜。⑸返回水。熱電廠向熱用戶供熱后，回收的蒸汽冷凝水，稱為返回水。返回水又有熱網(wǎng)加熱器冷凝水和生產(chǎn)返回冷凝水之分。⑹給水。送進鍋爐的水稱為給水。凝汽式發(fā)電廠的給水，主要由凝結(jié)水、補給水和各種疏水組成。熱電廠的給水組成中，還包括返回水。⑺鍋爐水。在鍋爐本體的蒸發(fā)系統(tǒng)中流動著的水，稱為鍋爐水。⑻冷卻水。用作冷卻介質(zhì)的水稱為冷卻水。在電廠中，它主要是指通過凝汽器用以冷卻汽輪機排汽的水。第二節(jié)熱力發(fā)電廠中水處理的重要性熱力系統(tǒng)中水的品質(zhì)，是影響發(fā)電廠熱力設(shè)備安全、經(jīng)濟運行的主要因素之一。沒有經(jīng)過凈化處理的天然水含有許多雜質(zhì)這種水如進入水汽循環(huán)系統(tǒng)將會造成各種危害為了保證熱力系統(tǒng)中有良好的水質(zhì)，必須對水進行適當(dāng)?shù)膬艋幚砗蛧?yán)格地監(jiān)督汽水質(zhì)量?，F(xiàn)將熱力發(fā)電廠中，由于汽水品質(zhì)不良而引起的危害，簡述如下：（1）熱力備的結(jié)垢。如果進入鍋爐或其他熱交換器的水質(zhì)不良，則經(jīng)過一段時間運行后在和水接觸的受熱面上會生成一些固體附著物這種現(xiàn)象稱為結(jié)垢這些固體附著物稱為水垢因為金屬的導(dǎo)熱性比水垢的高幾百倍而這些水垢又極易在熱負荷很高的鍋爐爐管中生成所以結(jié)垢對鍋爐的危害性很大它可使結(jié)垢部位的金屬管壁溫度過高引起金屬強度下降這樣在管內(nèi)壓力的作用下就會發(fā)生管道局部變形產(chǎn)生鼓包甚至引起爆管等嚴(yán)重事故結(jié)垢不僅危害安全運行而且還會大大降低發(fā)電廠的經(jīng)濟性另外在汽輪機凝汽器內(nèi)結(jié)垢會導(dǎo)致凝汽器真空度降低從而使汽輪機的效率和出力下降加熱器的結(jié)垢會使水的加熱溫度達不到設(shè)計值使整個熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟性降低而且熱力設(shè)備結(jié)垢以后必須及時進行清洗工作這就要停止運行減少了設(shè)備的利用小時數(shù)此外還要增加檢修工作量和費用等。（2）熱力設(shè)備的腐蝕。發(fā)電廠熱力設(shè)備的金屬經(jīng)常和水接觸，若水質(zhì)不良，則會引起金屬腐蝕熱力發(fā)電廠的給水管道各種加熱器鍋爐省煤器水冷壁過熱器和汽輪機凝汽器等都會因水質(zhì)不良而腐蝕腐蝕不僅要縮短設(shè)備本身的使用期限造成經(jīng)濟損失而且金屬腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)入水中，使給水中雜質(zhì)增多，從而加劇在高熱負荷受熱面上的結(jié)垢過程，結(jié)成的垢又會加速鍋爐爐管腐蝕此種惡性循環(huán)又迅速導(dǎo)致爆管事故此外金屬的腐蝕產(chǎn)物被蒸汽帶到汽輪機中沉積下來后，也會嚴(yán)重地影響汽輪機的安全、經(jīng)濟運行。（3）過熱器和汽輪機的積鹽。水質(zhì)不良會使鍋爐不能產(chǎn)生高純度的蒸汽，隨蒸汽帶出的雜質(zhì)就會沉積在蒸汽通過的各個部位如過熱器和汽輪機這種現(xiàn)象稱為積鹽過熱器管內(nèi)積鹽會引起金屬管壁過熱甚至爆管汽輪機內(nèi)積鹽會大大降低汽輪機的出力和效率特別是高溫高壓大容量汽輪機它的高壓部分蒸汽流通的截面積很小所以少量的積鹽也會大大增加蒸汽流通的阻力使汽輪機的出力下降當(dāng)汽輪機積鹽嚴(yán)重時還會使推力軸承負荷增大，隔板彎曲，造成事故停機。熱力發(fā)電廠水處理工作就是為了保證熱力系統(tǒng)各部分有良好的水汽品質(zhì)以防止熱力設(shè)備的結(jié)垢積鹽和腐蝕因此在熱力發(fā)電廠中水處理工作對保證發(fā)電廠的安全經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。熱力發(fā)電廠的水處理工作者，應(yīng)參與以下工作：（1）凈化水，制備熱力系統(tǒng)所需質(zhì)量的補給水。它包括出去天然水中的懸浮物和膠體狀態(tài)雜質(zhì)的澄清過濾等處理除去水中溶解的鈣鎂離子的軟化處理或除去水中全部溶解鹽類的除鹽處理。（2）對給進行除氧、加藥等處理。（3）對汽鍋爐進行鍋爐水的加藥處理和排污。（4）對直鍋爐機組或某些亞臨界壓力、汽包鍋爐機組進行凝結(jié)水的凈化處理。（5）在熱廠中，對生產(chǎn)返回水進行除油、除鐵等凈化處理。（6）對冷水進行防垢、防腐和防止有機物附著物等處理。（7）對熱系統(tǒng)各部分的汽水質(zhì)量進行監(jiān)督。第二章熱力設(shè)備及系統(tǒng)的化學(xué)監(jiān)督熱力設(shè)備及系統(tǒng)的化學(xué)監(jiān)督有以下幾種形式：1．運行監(jiān)督在熱力設(shè)備運行過程中，為了防止鍋爐及其熱力系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕和積鹽等故障，水、汽質(zhì)量應(yīng)達到一定的標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)對各種水和蒸汽的一些主要指標(biāo)進行連續(xù)的(如采用儀表)或間斷的分析監(jiān)督，看其是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以便采取措施。2．汽水系查定汽水系統(tǒng)查定是通過對全廠各種汽水的銅鐵含量以及與銅鐵有關(guān)的各項目(如pH值CO2NH3O2含量等)的全面查定試驗其目的是了解汽水系統(tǒng)中腐蝕產(chǎn)物的分布情況和產(chǎn)生的原因以采取措施汽水系統(tǒng)查定一般每月一次在機組啟動運行工況異常時按實際情況增加監(jiān)測項目和分析次數(shù)。3．熱力設(shè)及系統(tǒng)的檢查監(jiān)督在熱力設(shè)備及系統(tǒng)檢修時應(yīng)檢查設(shè)備內(nèi)部的結(jié)垢積鹽和腐蝕情況并采集必要的樣品(如水垢鹽類附著物腐蝕產(chǎn)物等)進行成分分析對前一期的水汽質(zhì)量作出評價從中提出改進水處理設(shè)備和熱力設(shè)備運行工況的措施同時根據(jù)熱力設(shè)備的結(jié)垢積鹽腐蝕等情況，提出設(shè)備清洗措施。第一節(jié)水、汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為了防止鍋爐及其熱力設(shè)備及系統(tǒng)的結(jié)垢腐蝕和積鹽等故障水汽質(zhì)量應(yīng)達到一定的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)對《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(Bl214—89)作簡的介紹。一、蒸汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對于自然循環(huán)、強迫循環(huán)汽包鍋爐的飽和蒸汽和過熱蒸汽質(zhì)量應(yīng)符合表2－l的定。表2－1 鍋爐蒸汽量標(biāo)準(zhǔn)壓力(MPa)鈉（μg/g）二氧化硅（μg/g）磷酸鹽處理揮發(fā)性處理3.858≤15≤205.91.3≤10≤1** 爭取標(biāo)為不大于5g/g。表中各個項目的意義如下：(1)含鈉量因為蒸汽中的鹽類主要是鈉鹽所以蒸汽中的含鈉量可以表征蒸汽含鹽量的多少，故含鈉量是蒸汽品質(zhì)的指標(biāo)之一，應(yīng)給以監(jiān)督。(2)含硅蒸汽中的硅酸會沉積在汽輪機內(nèi)形成難溶于水的二氧化硅附著物它對汽輪機的安全與經(jīng)濟運行有較大的影響因此蒸汽含硅量是蒸汽品質(zhì)指標(biāo)之一應(yīng)給以監(jiān)督。為了防止汽輪機積結(jié)金屬氧化物，還應(yīng)檢查蒸汽中銅和鐵的含量。對于鍋爐壓力為156~8.MPa的汽包鍋爐，含鐵量應(yīng)不大于0μgkg含銅量應(yīng)不大于5μgg(爭取標(biāo)準(zhǔn)為3μ／kg)。對壓力小于168Ma的爐，上述標(biāo)準(zhǔn)可作為參考。二、鍋爐水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)汽包鍋爐用磷酸鹽處理，其鍋爐水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表2-2所示。表2－2 鍋爐水酸鹽濃度標(biāo)準(zhǔn)鍋爐壓力（MPa）磷酸根（g/L）pH(25℃)單段蒸發(fā)分段蒸發(fā)凈段鹽段3.8585～5～≤7595.91.62～2～≤509～10.5127～52～82～8≤409～157～80.53——9～注：鍋爐水pH低于標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)查明原因，采取措施。鍋爐水的含鹽量和二氧化硅含量的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可參考表2－必要時應(yīng)通過熱化學(xué)試驗確定。表23 鍋爐含鹽量和二氧化硅含量標(biāo)準(zhǔn)鍋爐壓力（MPa）含鹽量（g/L）二氧化硅（g/L）5.91.6≤10≤2.0127～5≤50≤0.5157～8≤20≤0.5表9－2表9－3中各水質(zhì)項目的意義如下：(1)磷酸鍋爐水中應(yīng)維持有一定量的磷酸根這主要是為了防止鈣垢但鍋水中磷酸根不能太少或過多。(2)pH值鍋爐水的pH值不應(yīng)低于，其原因是：1）pH值時，水對鍋爐鋼材的腐蝕增強；2)鍋爐水磷酸根與鈣離子的反應(yīng)，只有在pH值足夠高的條件下，才能生成易排除的水渣；3)為了抑制鍋爐水中硅酸鹽水解生成硅酸，應(yīng)減少硅酸在蒸汽中的溶解攜帶量。但鍋爐水的pH也不能太高，否則容易引起堿性腐蝕。(3)含鹽量(或含鈉量)和含硅量控制鍋爐水中含鹽量(或含鈉量)和含硅量是為了保證蒸汽品質(zhì)鍋爐水的最大允許含鹽量和含硅量不僅與鍋爐參數(shù)汽包內(nèi)部裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)而且還與運行工況有關(guān)，每臺鍋爐最好通過熱化學(xué)試驗來決定。三、鍋爐給水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)鍋爐給水水質(zhì)應(yīng)符合表－4的規(guī)定。表2－4 鍋爐水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)鍋爐壓力(MPa)硬度(μol/L)溶解氧(μg/L)鐵(μg/L)銅(μg/L)二氧化硅(μg/L)pH(25℃)聯(lián)氨(μg/L)油(mg/L)3.8～5.8≤3.0≤15≤50≤108.5～9.2—<1.05.9～12.6≤2.0≤7≤30≤5應(yīng)保證蒸汽中二氧化硅符合標(biāo)準(zhǔn)8.8～9.3或9.0～9.5(加熱器為鋼管)10～50或10～30(揮發(fā)性處理)<0.312.7～15.6≤2.0≤7≤20≤515.7～18.3≈0≤7≤20≤5注1．用石灰、鈉離子交換水為補給水的電廠，應(yīng)改為控制凝結(jié)水的pH值，最大不超過9.0。2.于液態(tài)排渣鍋爐和原設(shè)計為燃油的鍋爐其給水中的硬度和銅鐵的含量應(yīng)符合高一級鍋爐的規(guī)定。3.于有凝結(jié)水處理電廠的給水硬度應(yīng)為0μmol／L。表144中各水質(zhì)項目的意義如下：(1)硬度。為了防止鍋爐和給水系統(tǒng)中生成鈣、鎂水垢，所以應(yīng)監(jiān)督給水硬度。(2)溶解為了防止給水系統(tǒng)和鍋爐省煤器等發(fā)生氧腐蝕同時為了監(jiān)督除氧器的除氧效果，所以應(yīng)監(jiān)督給水中的溶解氧。(3)鐵和銅。為了防止在鍋爐爐管中產(chǎn)生鐵垢和銅垢，必須監(jiān)督給水中的鐵和銅的含量。給水中鐵和銅的含量，還可作為評價熱力系統(tǒng)金屬腐蝕情況的依據(jù)之一。(4)pH值為了防止鍋爐給水系統(tǒng)的二氧化碳腐蝕，給水的pH值應(yīng)制在表144規(guī)定的范圍內(nèi)。(5)聯(lián)氨。給水中加聯(lián)氨時，應(yīng)監(jiān)督給水中的過剩聯(lián)氨，以保證完全消除熱力除氧后殘留的溶解氧，并消除因發(fā)生給水泵不嚴(yán)等異常情況時，偶然漏入給水中的氧。(6)油。給水中如果含有油，油質(zhì)附著在爐管管壁上并受熱分解而生成一種導(dǎo)熱系數(shù)很小的附著物會危害爐管的安全同時會使鍋爐水中生成漂浮的水渣并促進泡沫的形成容易引起蒸汽品質(zhì)的劣化另外含油的小水滴被蒸汽攜帶到過熱器中會因生成附著物而導(dǎo)致過熱器管的過熱損壞。因此，對鍋爐給水中的含油量必須給以監(jiān)督。四、給水的各組成部分鍋爐的給水是由補給水汽輪機的凝結(jié)水疏水箱的疏水以及生產(chǎn)返回凝結(jié)水等幾部分組成的。為了確保鍋爐給水的品質(zhì)，對于給水各組成部分的水質(zhì)也應(yīng)監(jiān)督。汽輪機凝結(jié)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表25示。表95中項水質(zhì)的意義如下：(1)硬度冷卻水漏入凝結(jié)水中使凝結(jié)水中含有鈣鎂鹽類為了防止凝結(jié)水中的鈣、鎂鹽量過大，導(dǎo)致給水硬度不合格，所以對凝結(jié)水的硬度應(yīng)進行監(jiān)督。(2)溶解氧凝結(jié)水含氧量較大時(主要是凝汽器和凝結(jié)水泵的不嚴(yán)處漏入空氣造成的)，會引起凝結(jié)水系統(tǒng)的腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物還會影響給水水質(zhì)，所以應(yīng)監(jiān)督凝結(jié)水中的溶解氧。(3)導(dǎo)電率。為了能及時發(fā)現(xiàn)凝汽器的泄漏，還應(yīng)監(jiān)測凝結(jié)水的導(dǎo)電率。疏水和生產(chǎn)返回凝結(jié)水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以不影響給水質(zhì)量為前提，其標(biāo)準(zhǔn)如表26示。表2－5 汽輪凝結(jié)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)鍋爐壓力(MPa)硬度(μol/L)溶解氧(μg/L)電導(dǎo)率（氫離子交換后25℃）(μS/c)3.8～5.8≤3.0≤50—5.9～12.6≤2.0≤50—12.7～15.6≤2.0≤40≤0.315.7～18.3—≤30≤0.3表2－6 水和生產(chǎn)回水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)名稱硬度(μol/L)鐵(μg/L)油(mg/L)疏水≤5.0≤50—生產(chǎn)回水≤5.0≤100≤1（經(jīng)處理后）對于疏水和生產(chǎn)回水在送入給水系統(tǒng)以前應(yīng)監(jiān)督其水質(zhì)符合上述規(guī)定后方可送入給水系統(tǒng)，禁止不合格的水進入水汽系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐檢修后啟動時由于鍋爐水水質(zhì)一般較差常使蒸汽中雜質(zhì)含量較大如果使鍋爐的蒸汽品質(zhì)符合表141的規(guī)定準(zhǔn)后，再向汽輪機送汽，就需要鍋爐長時間排汽。這不僅使機爐長時間不能投入運行而且還會增大補給水率又會使給水水質(zhì)變壞所以機組啟動時的蒸汽標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬。第二節(jié)水、汽取樣的方法在水質(zhì)量監(jiān)督時從鍋爐及其熱力系統(tǒng)的各個部位取出能反映設(shè)備和系統(tǒng)中水汽質(zhì)量真實情況的代表性樣品是很重要的環(huán)節(jié)否則即使采用很精確的測定方法測得的數(shù)據(jù)也不能真正表達水汽品質(zhì)為了取得其有代表性的水汽樣品必須選擇合理的取樣點，正確地設(shè)計、安裝和使用取樣裝置。一、水的取樣1．鍋爐水取樣鍋爐水樣品一般是從汽包的連續(xù)排污管中取出的為了保證樣品的代表性盡量靠近排污管引出汽包的出口，并盡可能裝在引出汽包后的第一個閥門之前。2．凝結(jié)水取樣凝結(jié)水取點一般設(shè)在疑結(jié)水泵出口端的凝結(jié)水管道上。3．疏水取樣疏水一般在疏水箱中取樣，取樣常設(shè)在距疏水箱底20～0m處，用小管取出。4．給水取樣給水取樣點一般設(shè)在鍋爐給水泵之后省煤器以前的高壓給水管上為了監(jiān)督除氧器的運行情況除氧器出口給水也應(yīng)取樣為了保證樣品的代表性取樣點應(yīng)設(shè)在離出口不大于lm水流通暢處。由于鍋爐及其熱力系統(tǒng)中的水溫較高這樣既不便于取樣也不便于測定所以應(yīng)將取樣點的樣品引至取樣冷卻器(見圖2－)內(nèi)進行冷卻，一般冷卻到2530取樣器的取樣導(dǎo)管應(yīng)用不銹鋼管或紫銅管不能用普通鋼管和黃銅管以免樣品被金屬腐蝕產(chǎn)物污染。取樣管上靠近取樣冷卻器處裝有兩個閥門前面一個為截止閥后面一個通常用針形節(jié)流閥取樣器在工作中前一個閥門應(yīng)全開后面一個閥門用來調(diào)節(jié)樣品的流量一般調(diào)至203g／h樣的溫度一般用改變冷卻水流量的辦法調(diào)整樣品的流量和溫度調(diào)好后就可使樣品不斷地流出取樣時不再調(diào)動另外為了保證樣品的代表性機組每次啟動時必須將兩個閥門全部打開沖洗取樣器和冷卻器沖洗后將樣品的流量調(diào)至正常在機組正常運行期間，也應(yīng)定期進行這樣的沖洗。圖9－11－樣品進口管；2－樣品出口管；3－冷卻水進口管；4－冷卻水出口管二、蒸汽的取樣蒸汽取樣時應(yīng)將樣品通過取樣冷卻器使其凝結(jié)成水取樣器中蒸汽的流量一般為20～0kg／。對樣品引出導(dǎo)管及冷卻器的要求，與水的取樣相同。為了免受取樣管中附著雜質(zhì)的污染，在機組啟動時也應(yīng)沖洗取樣裝置。(一)飽和蒸汽取樣飽和蒸汽中常攜帶著少量的鍋爐水水滴這些水滴在管內(nèi)分布得不一定很均勻這種特點使取得代表性樣品比較困難如蒸汽流速較低時一部分水滴會粘附在管壁上形成水膜，如果將一根管子插在蒸汽管道中心則樣品的濕度低分析結(jié)果的含鈉量(或含硅量)就較低如果將取樣管連在蒸汽管壁上取得樣品的濕度較大分析結(jié)果的含鈉量(或含硅量)就會偏高。要取得具有代表性的飽和蒸汽樣品，必須滿足以下幾個條件：(1)取樣點應(yīng)設(shè)在水分分布均勻的管道中實踐證明當(dāng)管內(nèi)飽和蒸汽的流速加快到一定程度時，管壁上的水膜就會被汽流扯碎，此流速稱為破膜速度(其大小隨蒸汽壓力增大而減小)當(dāng)管道內(nèi)飽和蒸汽流速超過破膜速度的～6倍時分就會均勻分布所以應(yīng)將取樣點設(shè)置在具有這樣流速的管道中。(2)取樣器進口的蒸汽速度應(yīng)與管內(nèi)的蒸汽流速相等否則飽和蒸汽在取樣器附近會發(fā)生汽流轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象汽流中一些慣性較大的水滴將被甩出或抽入取樣器從而使雜質(zhì)在樣品中的含量偏低或偏高。(3)取樣器應(yīng)裝設(shè)在蒸汽流動穩(wěn)定的管道內(nèi)，并且應(yīng)遠離閥門、彎頭等處。飽和蒸汽取樣器有以下幾種：(1)探針式取樣器(如圖－2所示)探針式取樣器是用一根較細的不銹鋼管制成這種取樣器是直接裝在汽包的飽和蒸汽引出管中的因為飽和蒸汽剛剛從汽包內(nèi)引出它攜帶的水分分布均勻，所以這種取樣器能取得有代表性的樣品。(2)乳頭式取樣器(如圖—3所示)乳頭式取樣器的結(jié)構(gòu)是本體是一根不銹鋼管管上開有幾個小孔每個小孔上焊著不銹鋼制成的乳頭這種取樣器應(yīng)裝在飽和蒸汽流速超過破膜速度56倍的管內(nèi)。此外，還有帶混合器的單乳頭取樣器和縫隙式取樣器等，這里不作介紹。(二)過熱蒸汽的取樣在過熱蒸汽中沒有水分它是單相介質(zhì)與飽和蒸汽比較容易取得代表性的樣品它的取樣點一般設(shè)在過熱蒸汽母管上一般采用乳頭式或縫隙式取樣器只要保證取樣孔中的蒸汽流速與蒸汽管道中的蒸汽速度相等即可。圖2－3乳頭式取器圖22探式飽和蒸汽冷卻器第三節(jié)水、汽質(zhì)量劣化的原因及處理當(dāng)鍋爐及其熱力系統(tǒng)中某種水汽樣品的測試結(jié)果顯示不良時首先應(yīng)檢查其取樣和測定操作是否正確必要時應(yīng)再次取樣測定進行核對當(dāng)確證水汽質(zhì)量不合格時應(yīng)分析其原因并采取措施使其恢復(fù)正常由于水汽質(zhì)量與鍋爐及其熱力系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)和運行工況等有關(guān)所以各種情況下造成劣化的原因不一下面我們將其常見的原因及處理方法介紹如下，以供參考。一、汽輪機凝結(jié)水水質(zhì)劣化的原因及處理(1)造成結(jié)水硬度或電導(dǎo)率不合格的主要原因是凝汽器銅管的漏泄其處理方法是及時查漏和堵漏。(2)造成凝結(jié)水溶解氧不合格的原因一般有以下兩點①凝汽器真空部分漏氣或凝汽器的冷卻度太大②凝結(jié)水泵在運行中不嚴(yán)密有空氣漏入如盤根漏氣其處理方法是①檢查凝汽器漏氣部位并堵漏或調(diào)節(jié)凝汽器的冷卻度②啟動備用水泵并及時檢修有故障的凝結(jié)水泵。二、給水水質(zhì)劣化的原因及處理(1)造成給水硬度、含鈉量(或電導(dǎo)率)、含硅量不合格的原因有以下兩點：①組成給水的凝結(jié)水補給水疏水或生產(chǎn)返回水的硬度含鈉量(或電導(dǎo)率)含硅量不合格例凝汽器銅管漏泄水質(zhì)較差的水漏入疏水系統(tǒng)熱用戶有不合格的水漏入蒸汽或凝結(jié)水系統(tǒng)中。②生水滲入給水系統(tǒng)中處理方法有①查明不合格的水源并采取措施使此水源水質(zhì)合格或減少其使用量例凝汽器銅管的查漏和堵漏查明疏水系統(tǒng)滲漏地點進行堵漏要求熱用戶查漏和堵漏等。②消除生水滲入給水系統(tǒng)的可能性。(2)造成給水溶解氧不合格的原因有以下兩點①除氧器運行不正常例如解吸出來的氣體不易排出等②除氧器內(nèi)部裝置有故障其處理方法是①調(diào)節(jié)除氧器的運行工況例如通過調(diào)整實驗來確定排汽閥的開度使解吸出來的氣體能通暢地排走②檢修除氧器的內(nèi)部裝置。(3)給水含鐵量或含銅量不合格的原因是組成給水的凝結(jié)水疏水或生產(chǎn)返回水的含鐵量不合格造成的例凝汽器銅管疏水箱熱用戶的有關(guān)管道生產(chǎn)返回水水箱腐蝕嚴(yán)重，含鐵或含銅量大的疏水進入疏水箱等都會造成各水源的含鐵或含銅量不合格等其處理方法是查明含鐵或含銅量大的水源并采取措施例對疏水箱返回水水箱涂防腐漆并進行定期排污和清洗或?qū)Ψ祷厮M行除鐵處理另外對疏水箱返回水箱內(nèi)不合格的水應(yīng)暫時排掉。除上述原因外，當(dāng)鍋爐連續(xù)排污擴容器送出的蒸汽通向除氧器時，如果蒸汽嚴(yán)重帶水，也會增加給水的含鈉量(或電導(dǎo)率)、含硅量。此時應(yīng)調(diào)整擴容器的運行。三、鍋爐水水質(zhì)劣化的原因及其處理(1)造成鍋爐水含鈉量(或電導(dǎo)率)、含硅量、堿度不合格的原因一般有以下兩點：①給水水質(zhì)不良②鍋爐排污量不夠或排污裝置有故障其處理方法是①參“給水水質(zhì)劣化的原因及處理(1)。②增加鍋爐的排污量或消除排污裝置的故障。(2)造成鍋爐水磷酸根不合格的原因有以下兩點①磷酸鹽的加藥量過多或不足②加藥設(shè)備存在缺陷或管道被堵塞其處理方法是①調(diào)節(jié)磷酸鹽的加藥量同時應(yīng)注意如果磷酸鹽濃度過高時應(yīng)增加鍋爐的排污量直至鍋爐水磷酸根合格為止如果磷酸根不足是由于給水硬度過高造成的，應(yīng)首先降低給水硬度。②檢修加藥設(shè)備或疏通堵塞的管道。四、汽品質(zhì)劣化的原因及處理造成蒸汽品質(zhì)劣化的原因一般有以下幾種①鍋爐給水品質(zhì)不良或鍋爐排污不正常使鍋爐水的含鈉量或含硅量超過標(biāo)準(zhǔn)②鍋爐的熱負荷太大水位太高蒸汽壓力和水位變化過快，造成蒸汽大量帶水。③噴水式蒸汽減溫器的減溫水水質(zhì)不良(例：凝汽器銅管漏泄使減溫用的凝結(jié)水水質(zhì)不良、軟化水或生水漏入減溫系統(tǒng))或表面式減溫器漏泄。④汽包內(nèi)部的汽水分離器或蒸汽清洗裝置有故障例如各分離元件的結(jié)合處不嚴(yán)密元件脫落或洗汽裝置不水平及有短路現(xiàn)象其處理方法是①查明不合格的水源并采取措施使此水源水質(zhì)合格或增加鍋爐的排污量以及消除排污裝置存在的缺陷②根據(jù)熱化學(xué)試驗的結(jié)果嚴(yán)格控制鍋爐的運行方式⑧查明造成噴水式蒸汽減溫器的減溫水水質(zhì)不合格的原因并采取相應(yīng)的措施。例：凝汽器銅管的查漏和堵漏。當(dāng)表面式減溫器漏泄時，應(yīng)停用減溫器或停爐檢修。④檢修汽水分離器或蒸汽清洗裝置，消除其存在的缺陷。另外，鍋爐加藥濃度過大或加藥速度太快也會造成蒸汽品質(zhì)劣化。第四節(jié)熱力設(shè)備腐蝕、結(jié)垢和積鹽的檢查監(jiān)督在熱力設(shè)備檢修前化學(xué)人員應(yīng)提出與水汽質(zhì)量有關(guān)的項目要求和計劃并會同有關(guān)人員在設(shè)備解體后對內(nèi)部進行詳細檢查記錄采樣和分析做出綜合判斷在化學(xué)人員檢查前，不能消除設(shè)備內(nèi)部沉積物，也不能在這些部位進行檢修工作。一、熱力設(shè)備檢查的部位和內(nèi)容(一)對水冷壁的檢查鍋爐大修時，為了掌握鍋爐爐管內(nèi)結(jié)垢和腐蝕的情況，有時應(yīng)對水冷壁進行割管檢查。1．割管的位割管部位應(yīng)按下列順序進行選擇：(1)若有發(fā)生爆管的，則在爆破口附近(包括爆破口)割??；(2)經(jīng)外觀檢查，在有變色、脹粗、鼓包處割??；(3)如無上述情況，應(yīng)選擇熱負荷較大處和易發(fā)生結(jié)垢、腐蝕的地方(如焊口處)割取。一般割管的根數(shù)不得少于兩根(其中一根為監(jiān)視管)若為分段蒸發(fā)的鍋爐則割取的管段應(yīng)包括鹽段和凈段爐管。2．割取管的方法在每個選定的部位割取時割取管樣的長度不宜過短一般應(yīng)不少于5以避免在割管時產(chǎn)生的鐵渣沾染管樣中用以分析檢查的中間部位。割下的管子應(yīng)立刻在外壁上刻記該管樣的部位(如噴燃器區(qū)域等)管子在鍋爐中空間位置(如水汽的流向背火側(cè)與向火側(cè)等)管樣送至試驗室后再用鋸在管中間截取一段長為5~50m的管樣。注意不能用砂輪進行截取，以避免飛濺熔融的鐵屑粘附在管子內(nèi)表面將截下的管樣沿管軸方向?qū)Π肫书_分成向火側(cè)與背火側(cè)兩半除去截口的毛刺然后對這兩半管子分別進行檢查。3.垢量的定爐管上垢量(包括腐蝕產(chǎn)物)的測定通常有以下兩種方法：(1)測定垢的厚度用測微器千分尺或顯微鏡測量管樣上附著物的厚度注意因爐管的向火側(cè)與背火側(cè)垢量不同，應(yīng)分別測定。(2)求出單位面積爐管上垢的重量。其具體方法如下：1)將管樣表涂覆環(huán)氧樹脂，然后準(zhǔn)確稱重，記下管樣的重量(W1)和內(nèi)表面積（F。2)將管樣放入事先準(zhǔn)備好的燒杯中，燒杯內(nèi)盛有濃度為5％的鹽酸溶液，此鹽酸溶液內(nèi)含濃度為0.2％的若丁或03％烏托平)緩蝕劑將此燒杯在恒溫水浴內(nèi)加熱維持溫度為50℃左，浸泡至垢完全溶解或脫落。3)將管樣從燒杯中取出，然后用除鹽水沖洗干凈，最后在無水乙醇中浸一下，依靠乙醇揮發(fā)使之干燥，然后立即稱重(W2)。若沉積物中有銅，溶液中的銅可能鍍在管樣表面。發(fā)生這種現(xiàn)象時，先將管樣從酸液中取出，沖洗干凈后，再用濃度為0.5％的過硫銨溶液浸泡，使銅溶解后，再用除鹽水沖洗干凈后稱重。4)垢量的算。按下式可計算出爐管單位面積上沉積物的量W =1?W2(g/m2)D F式中 WD——爐管單位表面積上的垢量，g/2W1—酸浸泡前的管樣重量，g；W2—酸漫泡后的管樣重量，g；F—管樣的內(nèi)表面積，2。待酸洗法測定垢量后要檢查管樣的腐蝕狀況記錄腐蝕坑的形狀測量其面積和深度，并由監(jiān)視管計算出腐蝕速度(／a)。4．監(jiān)視管的制作取與運行設(shè)備規(guī)格、型號完全相同的一段新管，長約1.5m以上作監(jiān)視管。監(jiān)視管應(yīng)選擇其內(nèi)表面基本無腐蝕，紋痕，潰瘍點最少的。用作監(jiān)視管的內(nèi)表面如果較清潔只有一層很薄的氧化膜沒有明顯的鐵銹層可直接使用如果有鐵銹層則可在有緩蝕劑的濃度為5％的鹽中清洗然后用水沖洗凈并干燥備用。(二)汽包的檢查(1)汽包內(nèi)檢查部位與要求見表2－。表2－7 包內(nèi)部檢查部位與要求檢查部位測量與記錄內(nèi)容汽包內(nèi)壁水汽側(cè)顏色、有無黃點、水渣分布下降管水渣集結(jié)程度、厚度、顏色及分布給水槽內(nèi)外表面水渣、結(jié)垢和腐蝕速度百葉窗鐵銹厚度、顏色、有無黃點、有無鹽類附著物旋風(fēng)子內(nèi)外表面水渣、結(jié)垢和腐蝕速度，有無脫落及其它缺陷蒸汽孔板鐵銹厚度、顏色、有無黃點、有無鹽類附著物排污加藥管孔堵塞與否及外表腐蝕情況上升管有無集渣、腐蝕坑陷導(dǎo)汽管顏色、有無黃點、有無鹽類附著物（2）汽包采樣部位與要求見表28。表2－8 汽包樣部位與要求部位點方法與要求下降管2選擇水渣最厚與最薄的管內(nèi)壁采取水渣面積為20m×20m每個采樣點不少于4g，試樣應(yīng)有代表性。給水槽1沖洗護板2汽包壁1注將采集的樣品一部分用于化學(xué)分析一部分裝入試樣瓶封蓋保存試樣瓶應(yīng)貼上標(biāo)簽并注明爐號、采樣位置與日期。(三)對水冷壁下聯(lián)箱的檢查檢查聯(lián)箱內(nèi)及管口處的顏色結(jié)垢與結(jié)渣厚度以及堆積水渣的數(shù)量必要時還要割聯(lián)箱堵頭檢查同時刮取堵頭上的水渣烘干稱重(以g/2計算水渣量)并對其進行化學(xué)分析，以了解該運行周期排污及加藥等運行中存在的問題。(四)過熱器、再熱器的檢查大修時應(yīng)過熱器、再熱器的下彎頭進行割管檢查。其檢查內(nèi)容如下：(1)過熱器及再熱器管內(nèi)的顏色、有無腐蝕點及腐蝕點的分布位置。(2)有無鹽類附著物以及集結(jié)的程度、位置。除上述內(nèi)容外還應(yīng)對過熱器聯(lián)箱(中間聯(lián)箱過熱器出口聯(lián)箱)和減溫器內(nèi)積鹽情況進行檢查，以鑒定該周期蒸汽品質(zhì)監(jiān)督情況，汽水共騰或減溫器水質(zhì)不良所造成的問題。(五)省煤器的檢查首先應(yīng)對低溫省煤器入口管做割管檢查(其中一根為監(jiān)視管)，并檢測其腐蝕情況和垢量，由監(jiān)視管計算出腐蝕速度。如果低溫省煤器腐蝕嚴(yán)重，還應(yīng)對高溫省煤器做割管檢查。除上述內(nèi)容外還應(yīng)對省煤器聯(lián)箱的腐蝕情況進行檢查如聯(lián)箱內(nèi)的顏色有無腐蝕點及分布情況，并清理聯(lián)箱內(nèi)堆積的鐵渣。(六)對除氧器的檢查對除氧器內(nèi)部裝置的腐蝕情況進行檢查如果除氧器內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重確認(rèn)不足以使用一個大修周期時，應(yīng)更換。如果內(nèi)部裝置發(fā)生脫落、傾斜等故障，應(yīng)予以修復(fù)。(七)對汽輪機本體的檢查對汽輪機本體檢查的內(nèi)容包括對主汽門調(diào)速汽門高中壓轉(zhuǎn)子及各級隔板壁的積鹽和腐蝕情況進行檢查并取樣化驗各主要部位積鹽成分對積鹽嚴(yán)重的部位刮取垢樣計算積鹽量。對低壓缸的腐蝕情況應(yīng)仔細檢查如發(fā)現(xiàn)有損壞應(yīng)詳細描述其具體部位腐蝕特征及狀況。(八)對凝汽器檢查對凝汽器檢查的內(nèi)容包括：(1)檢查銅管汽側(cè)有無沖刷現(xiàn)象銅管與隔板處有無附著物抽管檢查空氣冷卻區(qū)有無氨蝕現(xiàn)象。(2)檢查銅管水側(cè)入口端有無沖蝕現(xiàn)象，銅管有無結(jié)垢，并測定垢的厚度及成分。(3)抽查銅管水側(cè)整個管段，有無異物堵塞及沖擊腐蝕和其它類型的腐蝕。(4)大修期間酌情對銅管進行渦流探傷若需更換銅管時應(yīng)選用保證質(zhì)量合格的產(chǎn)品，并抽樣進行渦流探傷、氨熏試驗。(九)其它部位的檢修工作熱力設(shè)備大修時還應(yīng)對蒸發(fā)器加熱器取樣器水箱進行必要的檢查發(fā)現(xiàn)問題要采取相應(yīng)的措施，加以解決。二、垢樣的采集及鑒定為了全面了解熱力設(shè)備腐蝕結(jié)垢和積鹽產(chǎn)物的成分和形成的原因必須對它們進行分析提供可靠的數(shù)據(jù)以便正確地采取防垢和防腐措施同時它也是制定鍋爐化學(xué)清洗方案不可缺少的環(huán)節(jié)。(一)垢樣的采取1.垢樣采的部位原則上講在熱力設(shè)備中凡是結(jié)垢的地方就屬于取樣的部位例如汽包內(nèi)壁水冷壁管省煤器進口聯(lián)箱過熱器等處但是由于熱力設(shè)備種類繁多熱力系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)垢或腐蝕可能在多處發(fā)生所以為了采集有代表性的試樣采樣部位應(yīng)由化學(xué)人員根據(jù)結(jié)垢腐蝕和熱力設(shè)備的運行工況等實際情況來確定。2．垢樣的集方法垢樣是在鍋爐檢修時以人工刮取或割管后刮取的方法獲得的為了取得有代表性的垢樣，應(yīng)遵守如下規(guī)定：(1)在取樣部位確定的基礎(chǔ)上如熱負荷相同或者對稱部位可多點采集等量的單個試樣混合成平均樣但對同一部位如果垢的顏色堅硬程度有明顯不同時則應(yīng)分別采取單個試樣。(2)采集樣品的重量應(yīng)不少于4g，片狀或塊狀的不均勻垢樣，一般不應(yīng)少于lg。(3)采樣用的刮取工具不應(yīng)過分的銳利和堅硬以防止刮樣時損壞金屬管壁帶入金屬屑?？捎闷胀ㄌ间摶虿讳P鋼制成的小鏟狀的工具。(4)割管采樣時若垢樣不易刮取可用車床將爐管外壁車薄然后再放在臺鉗上擠壓變形，使附著在管壁的垢樣脫落。(5)刮取的垢樣隨后即應(yīng)裝入專用的廣口瓶中存放貼上標(biāo)簽注明日期取樣部位鍋爐的編號、取樣人姓名等。(二)分析試樣的制備采集到的試樣，經(jīng)過破碎、縮分、研磨后，才能制成供分析用的分析試樣。首先將采集到的試樣破碎成1m左右，用四分法將試樣縮分(若試樣數(shù)量少于8g可不縮分)。取出一部分縮分后的試樣(一般不少于2g)，放在瑪瑙研缽中磨細。氧化鐵垢、硅酸鹽垢等難溶垢樣應(yīng)磨細到012(120目)左右，碳酸鹽垢、磷酸鹽垢等易溶的試樣，磨到0.49(100目)左右即可。制備好的試樣，應(yīng)裝入貼有標(biāo)簽的稱量瓶中備用，沒有研磨的試樣，應(yīng)妥善保存，作為復(fù)核校對用。(三)垢樣的分解垢樣分解的目的是將固體試樣制成便于分析的溶液分解方法通常有酸溶法和熔融法兩種(詳見《火力發(fā)電廠垢和腐蝕產(chǎn)物分析方法》)。(四)預(yù)備試驗預(yù)備試驗是在試樣測定之前進行的準(zhǔn)備試驗包括主要成分的鑒定和對人工合成試樣的測定(從略)。通過預(yù)備試驗，可初步確定垢的主要成分，熟練分析操作。垢的主要分可通過一些簡易操作方法根據(jù)特征反應(yīng)進行定性的鑒別其方法如下：稱取0.5g樣，置于10L燒杯中，加50L蒸餾水，配制成懸濁液。然后進行如下試驗。1．水溶液驗(1)測定水溶液的pH值取澄清液230L用pH計測定水溶液的pH若pH值大于9，說明有氫氧化鈉、磷酸三鈉等強堿性鹽類存在，若pH值小于9，說明試樣中無強堿性水解鹽類存在。(2)硝酸銀試驗。取數(shù)滴澄清液，置于黑色滴板上，加23滴酸性酸銀，若有白色沉淀物生成，說明有水溶性氯化物存在。(3)氯化鋇試驗取數(shù)滴澄清液加2～3滴氯化溶液(10％)加兩滴鹽酸溶液(1+1)。若有白色沉淀物生成，而且加酸不溶解，說明有水溶性硫酸鹽存在。2．加酸試驗取少量帶懸濁物的試液注入試管中，加入l~2L濃鹽酸或濃硝酸，然后，分別加入其他試劑，根據(jù)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，可粗略地判斷垢和腐蝕產(chǎn)物有哪些成分，見表2－9。三、熱力設(shè)備大修化學(xué)檢查后的總結(jié)熱力設(shè)備大修檢查后應(yīng)對前一期的水汽質(zhì)量作出評價從中提出改進水處理(鍋內(nèi)、鍋外)和熱力設(shè)備運行工況的措施。由于目前的檢查方法和手段不十分完備因此評價只能是相對的評價的標(biāo)準(zhǔn)也是大家共同遵循的相對標(biāo)準(zhǔn)。目前評價一般可按表210所列的準(zhǔn)進行。表2－9 垢和腐蝕物的定性鑒別方法加入試劑現(xiàn) 象可能存在的成分鹽酸產(chǎn)生氣泡。碳酸鹽含量越高，泡沫越多碳酸鹽鹽酸和硝酸溶解緩慢，可看到魄不溶物硅酸鹽冷鹽酸（難溶）加硝（加熱后溶解）溶解后溶液呈淡黃色加5%硫氰酸銨溶液溶液變紅色或者加入5%亞鐵氰化鉀[K4Fe(CN)4]溶液數(shù)滴，溶液變藍色氧化鐵冷鹽酸（難溶）加硝（加熱后溶解）溶解后溶液呈淡黃綠色或淡藍色。取一部分溶液注入另一試管，加濃氨水，生成氫氧化鐵和氫氧化銅沉淀物。繼續(xù)加氨水，氫氧化銅溶解生成銅氨絡(luò)離子藍色加深另取數(shù)滴溶液加數(shù)滴5%亞鐵氰化鉀溶液，生成紅棕色沉淀物氧化銅鹽酸取一部分酸性溶液，加入1%鉬酸銨溶液，生成黃色的磷鉬黃沉淀物，加濃氨水至溶液呈堿性，黃色沉淀物溶解磷酸鹽鹽酸和硝酸取一部分酸溶液，加入10%氯化鋇溶液數(shù)滴，溶液混濁，有白色沉淀物生成硫酸鹽表2－0 熱力設(shè)備大修化學(xué)檢查評價標(biāo)準(zhǔn)類別設(shè)備一類二類三類汽包鍋爐裝置完好。無腐蝕，沉積物量小于15g/2②鍋爐裝置尚完好。無腐蝕，沉積物量小于45g/2鍋爐裝置有缺陷（有傾斜、脫落，有腐蝕痕跡。沉積物量大于45g/m2水冷壁無腐蝕坑點。沉積率小于60g/(m2·a)③基本無腐蝕坑點。沉積率60～100g/(m2·a)有腐蝕坑點。沉積率大于100g/(m2·a)過熱器無積鹽，下彎頭無腐蝕積鹽厚度小于0.1m腐蝕坑深小于0.2mm積鹽厚度大于0.1m腐蝕坑深大于0.2mm汽輪機無鹽類附著物有很（白霜一層附著物，腐蝕不明顯鹽類附著物厚大于0.3m，有明顯腐蝕凝汽器汽側(cè)無氨蝕，水側(cè)無泥垢，無腐蝕，無泄漏汽側(cè)有氨蝕跡象水側(cè)有薄層軟垢有輕微腐蝕有微漏汽水側(cè)有明顯腐蝕水側(cè)附著物大于0.3m有泄漏或因結(jié)垢而進行酸洗的省煤器無（或不明顯）腐蝕坑點略有明顯腐蝕坑點最深的小于0.2mm有明顯腐蝕坑點或坑點連片或坑點深度大于0.3mm①指監(jiān)視管段在一個大修間隔內(nèi)的情況，安裝監(jiān)視管時，應(yīng)進行化學(xué)清洗。②采用刮垢法。③指監(jiān)視管向火側(cè)垢量，除以兩大修之間的時間（a。第三章離子交換樹脂及離子交換基本原理離子交換水處理是通過離子交換劑除去水中呈離子態(tài)雜質(zhì)的水處理方法普遍應(yīng)用于水處理的離子交換劑的物質(zhì)是離子交換樹脂它直接影響著離子交換水處理的水質(zhì)水平和經(jīng)濟性。為此，需要討論離子交換樹脂及其在水處理中的基本原理。第一節(jié)離子交換樹脂及其性能一、離子交換樹脂概述(一)離子交換樹脂的組成離子交換樹脂主要由以下三個部分組成：（1）單體它是能聚合成高分子化合物的低分子有機物，是離子交換樹脂的主要成分，所以也稱為母體。（2）交聯(lián)劑它是能在線性結(jié)構(gòu)分子縮聚時起架橋作用，而使其分子中的基團相互鍵合成不溶的網(wǎng)狀體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。常用離子交換樹脂的交聯(lián)劑是二乙烯苯。交聯(lián)劑在離子交換樹脂內(nèi)的百分含量，稱為交聯(lián)度。即：交度=

樹脂內(nèi)聯(lián)劑含量g)樹脂的g)

×10%鍋爐水處理中應(yīng)用的離子交換樹脂的交聯(lián)度，一般在7％2％范圍內(nèi)。（3交換基團它是接在單體上的具有活性離子(可交換離子)的基團它可以由有離解能力的低分子[如硫酸H2SO4、有機胺N(CH3)3等]通過學(xué)反應(yīng)引接到樹脂內(nèi)；也可由帶有離解基團的單體(如甲基丙烯酸)直接聚合。(二)離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為三部分：(1)高分子骨架由交的高分子聚合物組成，如交聯(lián)的聚苯乙烯、聚丙烯酸等；(2)離子交換基團它在高分子骨架上帶有可交換的離子(稱為反離子)的離子型官能團[如―SO3Na―COOH―N(C3)3C1等]或帶極性的非離子型官能團[如―N(C3)2N(C3)H等](3)孔它是在干態(tài)和濕態(tài)的離子交換樹脂中都存在的高分子結(jié)構(gòu)中的孔(凝膠孔)和高分子結(jié)構(gòu)之間的孔(毛細孔)。離子交換樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖31所示。離子交換基團的結(jié)構(gòu)則如圖—2所示。由圖32中可以看出，在交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子基體(骨架)上，以化學(xué)鍵結(jié)合著許多交換基團這些交換基團也是由兩部分組成固定部分和活動部分交換基團中的固定部分被束縛在高分子的基體上不能自由移動所以稱為固定離子交換基團的活動部分則是與固定離子以離子鍵結(jié)合的符號相反的離子稱為反離子或可交換離子反離子在溶液中可以離解成自由移動的離子，在一定條件下，它能與符號相同的其他反離子發(fā)生交換反應(yīng)。圖3-1 子交換樹脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為了書寫上的方便，除了離子交換樹脂中交換基團以外的部分，都用符號R表示。R是英文樹脂”(Resin)的第一個字母。例如磺酸型聚苯乙烯樹脂通常用RSO3H來表示。(三)離子交換樹脂的分類1．按交換團的性質(zhì)分類根據(jù)交換基團的性質(zhì)不同離子交換樹脂可分為兩大類凡與溶液中陽離子進行交換反應(yīng)的樹脂稱為陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂可電離的反離子是氫離子及金屬離子凡與溶液中的陰離子進行交換反應(yīng)的樹脂稱為陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂可電離的反離子是氫氧根離子和酸根離子。離子交換樹脂同低分子酸堿一樣根據(jù)它們的電離度不同又可將陽離子交換樹脂分為強酸性樹脂和弱酸性樹脂；可將陰離子交換樹脂分為強堿性樹脂和弱堿性樹脂。表3—1中歸納了離子交換樹脂的類別。此外，還可以根據(jù)交換基團中反離子的不同，將離子交換樹脂冠以相應(yīng)的名稱，例如，氫型樹脂―SO3H鈉型樹脂―SO3Na鈣型樹脂―(S3)2Ca氧型樹脂氯型樹脂離子交換樹脂由鈉型變成氫型或者由氯型變成氫氧型稱為樹脂轉(zhuǎn)型。2．按離子換樹脂的孔型分類由于制造工藝的不同離子交換樹脂內(nèi)部形成不同的孔型結(jié)構(gòu)常見的產(chǎn)品有凝膠型樹表3-1 離交換樹脂的類別脂和大孔型樹脂兩種。圖3-2 離子換基團的結(jié)構(gòu)(1)凝膠型樹脂這種樹脂是均相高分子凝膠結(jié)構(gòu)，所以統(tǒng)稱凝膠型離子交換樹脂。在它所形成的球體內(nèi)部由單體聚合成的鏈狀大分子在交聯(lián)劑的連接下組成了空間結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)像排布錯亂的蜂巢，存在著縱橫交錯的“巷道。離子交換基團就分布在巷道的各個部位由巷道所構(gòu)成的空隙并非我們想像的毛細孔而是化學(xué)結(jié)構(gòu)中的空隙所以稱為化學(xué)孔或凝膠孔。其孔徑的大小與樹脂的交聯(lián)度和膨脹程度有關(guān)。交聯(lián)度愈大，孔徑就愈小。當(dāng)樹脂處于水合狀態(tài)時，大分子鏈?zhǔn)嫔欤滈g距離增大，凝膠孔就擴大；樹脂干燥失水時，凝膠孔就縮小。反離子的性質(zhì)、溶液的濃度及H值的變化都會引起凝膠孔徑的改變。凝膠孔的特點是孔徑極小，一般在30?以下它只能通過直徑很小的離子，直徑較大的分子通過時，則容易堵塞孔道而影響樹脂的交換能力。(2)大孔型樹脂這種樹脂在制造過程中，由于加入了致孔劑，因而形成大量的毛細孔道所以稱為大孔樹脂在大孔樹脂的球體中高分子的凝膠骨架被毛細孔道分割成非均相凝膠結(jié)構(gòu)它同時存在著凝膠孔和毛細孔其中毛細孔的體積一般為05L孔)／g個(樹脂)左右孔徑從幾十到上萬人比表面積從幾到幾百2／g由于這樣的結(jié)構(gòu)大孔型樹脂可以使直徑較大的分子通行無阻，所以用它去除水中高分子有機物具有良好的效果。大孔型樹脂由于孔隙占據(jù)一定的空間骨架的實體部分就相對減少離子交換基團含量也相應(yīng)減少所以交換能力比凝膠型樹脂低大孔型樹脂的吸附能力強與交換的離子結(jié)合較牢固，不容易充分恢復(fù)其交換能力。(四)離子交換樹脂產(chǎn)品的型號離子交換樹脂產(chǎn)品的型號是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB1317《子交換樹脂產(chǎn)品分類命名及型號》而制定的。表3-2分類代號表3-3骨架代號圖3-3凝膠型離子交換樹脂的型號圖3-4 大孔離子交換樹脂的型號表3-2分類代號表3-3骨架代號離子交換樹脂產(chǎn)品的型號主要由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成(見圖3—3)第一位數(shù)字代表產(chǎn)品交換基團的性質(zhì)稱為分類代號(表3—2)第位數(shù)字代表骨架的組成稱為骨架代號(表3—3)第三數(shù)字為順序號用以區(qū)別交換基團或交聯(lián)劑等的差異凝膠型樹脂的交聯(lián)度是在型號后用“X”號連接的阿拉伯?dāng)?shù)字表示；大孔樹脂在型號前標(biāo)以符號“D”加以區(qū)別，它不需標(biāo)明交聯(lián)度(見圖3―4)。例如00×7即為凝膠型強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂交聯(lián)度為7D1即大孔型弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂。目前應(yīng)用于工業(yè)鍋爐水處理的離子交換樹脂絕大多數(shù)是苯乙烯與二乙烯苯的共聚體，或丙烯酸與二乙烯苯的共聚體。為貯存和運輸安全生產(chǎn)廠家都把強型樹脂轉(zhuǎn)變成鹽型例如把強酸性陽樹脂轉(zhuǎn)變成Na型；強堿性陰樹脂轉(zhuǎn)變成C1型對弱型樹脂則大多保持H型或OH型。二、離子交換樹脂的性能這里僅介紹與離子交換水處理相關(guān)的樹脂的基本性能。(一)離子交換樹脂的物理性能1．外觀(1)顏色離子交換樹脂依其組成不同，呈現(xiàn)的顏色也各不相同：苯乙烯系均呈黃色，其他有赤褐色黑色等一般交聯(lián)劑多的原料中雜質(zhì)多的其制出的樹脂顏色就深些凝膠型樹脂呈透明或半透明狀態(tài)；大孔型樹脂由于毛細孔道對光的折射，則呈不透明狀態(tài)。(2)形狀離子交換樹脂均制成球形，且要求樹脂的圓球率(球狀顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)的百分率)應(yīng)達到90％以上對離子交換水處理而言樹脂的圓球率愈高愈好這樣的樹脂通水性好，即水流阻力小，且球形樹脂在一定容積內(nèi)裝載量最大。2．粒度樹脂粒度，可以用有效粒徑和均一系數(shù)表示。其測定方法參見國家標(biāo)準(zhǔn)B558—86。樹脂粒度的大小對離子交換水處理有較大影響粒度大交換速度慢粒度小樹脂的交換能力大但水通過樹脂層的壓力損失就大另外樹脂粒度相差很大將使小顆粒樹脂堵塞大顆粒樹脂間的空隙造成水流不勻和水流阻力增大這種情況還會影響反洗流速流速過大會沖走小顆粒樹脂；流速過小，不能松動大顆粒樹脂。一般樹脂的粒徑在0.～1.2m范圍。3．密度單位體積樹脂的質(zhì)量稱為離子交換樹脂的密度離子交換樹脂的密度可分為干態(tài)密度和濕態(tài)密度兩種水處理中樹脂都是在濕態(tài)下使用的故采用濕態(tài)密度具有實際意義的密度是濕真密度和濕視密度。(1)濕真密度指單位真體積(不包括樹脂顆粒間空隙的體積)內(nèi)濕態(tài)離子交換樹脂的質(zhì)量，單位是／L或k／L。濕真密度=

濕態(tài)樹脂質(zhì)量濕態(tài)樹脂的真體積

3-）濕態(tài)離子交換樹脂是指吸收了平衡水分并經(jīng)離心法除去了外部水分的樹脂離子交換樹脂的反洗強度、分層特性與濕真密度有關(guān)。一般濕真密度在1.0413g／L(或kg/L)之間且陽樹脂的濕真密度大于陰樹脂的濕真密度濕真密度是影響樹脂實際應(yīng)用性能的一個指標(biāo)。其測定方法見國家標(biāo)準(zhǔn)(《離子交換樹脂濕真密度測定方法》B83087)。(2)濕視密度指單位視體積內(nèi)緊密無規(guī)律排列的濕態(tài)離子交換樹脂的質(zhì)量，單位是g／L或k／L。

濕密度=

濕樹質(zhì)量濕樹脂的視積

（3-2）濕樹脂的視體積是指離子交換樹脂以緊密的無規(guī)律排列方式在量器中占有的體積包括樹脂顆粒的固有體積及顆粒間的空隙體積。濕視密度是用來計算離子交換器中裝載樹脂時所需濕樹脂量的主要數(shù)據(jù)。此值一般在0.~5gL(或kg/L)之間其測定方法見國家標(biāo)準(zhǔn)《離子交換樹脂濕視密度測定方法》B8318)。4．含水率樹脂的含水率是指在水中充分膨脹的濕樹脂中所含水分的百分?jǐn)?shù)。水率=樹脂質(zhì)量?干樹脂質(zhì)量×10%濕樹脂質(zhì)量

3-3）含水率和樹脂的類別結(jié)構(gòu)酸堿性交聯(lián)度交換容量離子型態(tài)等有關(guān)它可以反映離子交換樹脂的交聯(lián)度和網(wǎng)眼中的孔隙率樹脂含水率愈大表示樹脂的孔隙率愈大其交聯(lián)度愈小因此在樹脂的使用過程中可通過含水率變化了解樹脂性能的變化一般樹脂的含水率在40％6％之間。所以，在貯存樹脂時，冬季應(yīng)注意防凍。離子交換樹脂含水率的測定方法，參見國家標(biāo)準(zhǔn)B557—86。5．轉(zhuǎn)型膨率轉(zhuǎn)型膨脹率指離子交換樹脂從一種單一離子型轉(zhuǎn)為另一種單一離子型時體積變化的百分?jǐn)?shù)例如樹脂在交換和再生時體積都會發(fā)生變化經(jīng)長時間不斷的脹縮樹脂會發(fā)生老化現(xiàn)象從而影響樹脂的使用壽命轉(zhuǎn)型膨脹率的測定方法參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB91—9。6．耐磨性樹脂顆粒在使用中由于相互磨擦和脹縮作用會產(chǎn)生破裂現(xiàn)象所以耐磨性是影響其實用性能的指標(biāo)之一。一般，樹脂應(yīng)能保證每的耗損不超過3％～％。(二)離子交換樹脂的化學(xué)性能1．酸堿性離子交換樹脂是一種不溶性的高分子電解質(zhì)在水溶液中能發(fā)生電離例如各種離子交換樹脂在水溶液中電離時發(fā)生的反應(yīng)分別為：RS3H→RSO3+H+RCO→RCO-+H+上述電離過程使水溶液呈酸性或堿性其中強型(強酸性或強堿性)離子交換樹脂的電離能力大，其離子交換能力不受溶液pH值的影響；而弱型(弱酸性或弱堿性)離子交換樹脂的電離能力小在水溶液pH值低弱酸性樹脂不能電離或部分電離該樹脂在堿性溶液中有較高的電離能力；相反，弱堿性樹脂在酸性溶液中有較高的電離能力。表3—4列出了不同類型離子交換樹脂能有效地進行電離交換反應(yīng)的pH范圍。表3-4 各樹脂有效PH值范圍樹脂類型強酸性陽離子交換樹脂弱酸性陽離子交換樹脂強堿性陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂有效pH值范圍0—144～140—140—7離子交換樹脂也能進行水解反應(yīng)若其水解后樹脂的交換基團為弱酸或弱堿時則該樹脂的水解度就較大，例如：

RCOONa+2O→RCOOH+NaOHRNH2C1+O→RNH2OH+HCl所以，具有弱酸性基團和弱堿性基團的離子交換樹脂的鹽型，容易水解。2．選擇性離子交換樹脂對水中各種離子的交換能力是不相同的即有些離子易被離子交換樹脂吸著但吸著后要把它解吸下來就比較困難反之有些離子則難被離子交換樹脂吸著但易被解吸這種性能稱為離子交換的選擇性一般情況下離子交換樹脂優(yōu)先交換那些化合價數(shù)高的離子即化合價越大的離子被交換(吸附)的能力越強在同價離子中則優(yōu)先交換原子序數(shù)大的離子即通常在堿金屬及堿土金屬的離子中其原子序數(shù)越大則被交換(吸附)的能力越強。在常溫、低濃度水溶液中，各種離子交換樹脂對一些常見離子的選擇性順序分別為：強酸性陽離子交換樹脂e3>Al3Ca2>g2+>a+>弱酸性陽離子交換樹脂 H+>Fe3+>Al3+>Ca2+Mg2+>K+>a+強堿性陰離子交換樹脂 SO42->NO3->C1->OH->F->HCO3->HSiO3-弱堿性陰離子交換樹脂 OH->SO42->NO3->C1->HCO3->HSiO3-選擇性會影響樹脂的交換和再生過程，在實際應(yīng)用中是一個重要的化學(xué)性能。3．交換容量交換容量表示離子交換樹脂的交換能力即可交換離子量的多少通常用單位質(zhì)量或單位體積的樹脂所能交換離子的摩爾數(shù)表示。交換容量是離子交換樹脂最重要的性能指標(biāo)。(1)全交換容量指單位質(zhì)量的離子交換樹脂中全部離子交換基團的數(shù)量，其單位通常以ol／g表示。其測定方法參見國家標(biāo)準(zhǔn)(B19289)。(2)工作交換容量指一個周期中單位體積樹脂實現(xiàn)的離子交換量，即單位體積樹脂從再生型離子交換基團變?yōu)槭突鶊F的量影響工作交換容量的主要因素有樹脂種類粒度，原水水質(zhì)、出水水質(zhì)的終點控制，以及交換運行流速、樹脂層高度、再生方式等。交換容量的單位可用質(zhì)量表示單位和體積表示單位。交換容量的質(zhì)量表示單位E)：指單位質(zhì)量干樹脂的交換量，常以ol／kg(干樹脂)或mol／g(干樹脂)表示。一般出廠說明書使用質(zhì)量表示單位。交換容量的體積表示單位(Ev：指單位體積濕樹脂的交換量，常以ol／3(濕樹脂)、mol／L(濕樹脂)或mmol／L(濕樹脂)表示。一般離子交換器設(shè)計和運行都使用體積表示單位。兩種表單位之間的關(guān)系如下：EV=Em×1?含水×濕視密度

(4)式中 Ev—單位體積濕樹脂的交換容量，mol／L(濕樹脂)；E——單位質(zhì)量干樹脂的交換容量，mol／g(干樹)。工作交換容量是離子交換樹脂的重要工藝性能之一關(guān)于工作交換容量的計算以及工作交換容量特性曲線將在有關(guān)章節(jié)中再加以敘述?，F(xiàn)把一些常用離子交換樹脂的基本性能示于表—5中。表3-5一常用離子交換樹脂的基本功能型態(tài)凝膠型大孔型型號001X71201X7301D001D1D201D301顏 色淡黃至金黃色透明乳白色透明淡黃至金黃色透明透明淡黃色灰褐或深褐色不透明白色不透明白色至淡黃色不透明乳白色不透明全交換容量，l／g(干樹脂)4.2～4.59.0~10.03.0~4.05～94.09.03.0≥4.0工作交換容量，l／1.5—2.02.0—3.51.0 ～1.21.0~2.01.0～1.42.00.50.9~1.1濕真密度，g／c31.2～1.31.1～1.21.0~1.11.0~1.11.23~1.271.17~1.191.05~1.101.05~1.07濕視密度，g／c30.75~0.850.70~0.80.65~0.750.65~0.750.80~0.850.70~0.850.65~0.750.65~0.70含水率，％40~5040~6040~5040~6050~5540~4550~6055~65溶脹率，％Na→H+1.8~7.5H→Na+100~190Cl→OH+5～15OH→C1+12—20Na→H+5C1→OH+15OH→Cl+45允許PH值0~144~140~120~70~144~140~140~7允許溫度℃12012060~10080~10015010060~80100第二節(jié)離子交換基本原理一、離子交換反應(yīng)(一)可逆性離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)但是這種可逆反應(yīng)并不是在均相溶液中進行的而是在固態(tài)的樹脂和溶液接觸的界面間發(fā)生的。例如含有C2+的硬水通過RNa離子交換樹脂時，發(fā)生的交換反應(yīng)為：2RNa+a+R2a十2Na+由于上述反應(yīng)過程不斷消耗RNa型樹脂，并使它轉(zhuǎn)化為R2Ca型樹脂造成樹脂的交換能力減弱直至失去交換能力為恢復(fù)樹脂的交換能力可用一定濃度的食鹽水通過已失效的樹脂層，使樹脂由R2Ca型樹恢復(fù)為具有交換能力的RNa型樹脂，通常稱為再生。其再生反應(yīng)為：

R2a+2+2RNa+a上述兩個反應(yīng)實質(zhì)上是可逆的，故其反應(yīng)式可寫為：2RNa+a

?RCa十a(chǎn)+可見，當(dāng)水中Ca2+多樹脂中RNa型亦多時，上述反應(yīng)向右進行，即進行交換反應(yīng)；反之，上述反應(yīng)向左進行，則進行再生反應(yīng)。所以離子交換反應(yīng)是可逆的這種反應(yīng)的可逆性使離子交換樹脂可以反復(fù)使用是其在工業(yè)上應(yīng)用的基礎(chǔ)。離子交換樹脂的界面現(xiàn)象與膠體結(jié)構(gòu)相類似它們在水溶液中形成雙電層即固定離子層和可動離子層·(反離子層)，如圖35所示。當(dāng)不同種類的反離子進行交換反應(yīng)達到一定程度時就建立起離子交換平衡狀態(tài)由圖35以看出對于每一顆粒樹脂來說，其中的交換基團很難全部轉(zhuǎn)變成一種離子形式這就是樹脂的工作交換容量和再生交換容量小于全交換容量的原因之—在離子交換反應(yīng)中如果正反應(yīng)稱為交換過程其逆反應(yīng)則稱為再生過程。圖3-5離子交換反應(yīng)的界面過程在離子交換反應(yīng)中，如果正反應(yīng)稱為交換過程，其逆反應(yīng)則稱為再生過程二、離子交換速度離子交換平衡是某種具體條件下離子交換能達到的極限狀態(tài)它需要較長的時間才能達到在實際的離子交換水處理中通常希望交換器在高流速下進行交換與再生其反應(yīng)時間是有限的不可能使其達到平衡狀態(tài)為此研究離子交換速度及其影響的因素將具有重要的實踐意義。(一)離子交換速度的控制步驟水的離子交換過程是在水中的離子與離子交換樹脂中可交換基團之間進行的。一般認(rèn)為此過程是樹脂顆粒與水溶液接觸時有關(guān)的離子進行擴散和交換的過程其動力學(xué)過程一般可分為如下的五步，現(xiàn)以H型強酸性陽離子交換樹脂對水中Na+進行交換為例來說明(圖3—6)。(1)邊界水膜內(nèi)的擴散水中Na+向樹脂顆粒表面遷移，并擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面，如圖3—6中的①；(2)交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴散(或稱孔道擴散)Na+進入樹脂顆粒內(nèi)部的交聯(lián)網(wǎng)孔，并進行擴散，到達交換點，如圖36中的②；(3)離子交換Na+與樹脂交換基團上的可交換的H’進行交換反應(yīng)，如圖36中的⑧；(4)交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴散被交換下來的+在樹脂內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)孔中向樹脂表面擴散如圖36中的④；

圖3-6離子交換過程示意圖(5)邊界水膜內(nèi)的擴散被交換下來的H+擴散通過樹脂顆粒表面的邊界水膜層并進入水溶液中，如圖36的⑤。其中的①和⑤稱為液膜擴散步驟②和④稱為樹脂顆粒內(nèi)擴散步驟或稱孔道擴散步驟；③稱為交換反應(yīng)步驟。在步驟⑧中，Na+與H+的交換屬于離子間的化學(xué)反應(yīng)。與液膜擴散步驟的速度和孔道擴散步驟的速度相比，交換反應(yīng)步驟的速度很快，且可瞬間完成。因此，若離子的液膜擴散步驟的速度比孔道擴散步驟的速度快則孔道擴散步驟控制著離子交換的速度反之若孔道擴散步驟的速度比液膜擴散步驟的速度快則液膜擴散控制著離子交換的速度。一般來說當(dāng)樹脂相的交聯(lián)度和粒徑都較小而水相的離子濃度流速與擴散系數(shù)都較低時，離子交換的速度往往表現(xiàn)為液膜擴散控制；否則，表現(xiàn)為孔道擴散控制。在一級化學(xué)除鹽水處理設(shè)備中運行時離子交換速度一般受液膜擴散控制再生時離子交換速度一般受孔道擴散控制同樣在二級化學(xué)除鹽水處理設(shè)備中運行時離子交換速度亦受液膜擴散控制在液膜擴散控制時提高運行流速可以減小液膜厚度適當(dāng)提高交換速度，這對交換反應(yīng)是有利的，這就是高速混床的工作原理。(二)離子交換速度的影響因素(1)離子性質(zhì)離子水合徑越大或所帶電荷越多，液膜擴散速度就越慢。(2)樹脂的交聯(lián)度樹脂的交聯(lián)度大，其網(wǎng)孔就小，則其孔道擴散即顆粒內(nèi)擴散就慢。所以交聯(lián)度大的樹脂的交換速度通常受孔道擴散控制當(dāng)水中有半徑較大的反離子存在時，交聯(lián)度對交換速度的影響更為顯著。(3)樹脂的粒徑樹脂的粒徑愈小，交換速度愈快。這是由于孔道擴散距離縮短和液膜擴散的表面積增加之故；但是，樹脂的顆粒也不宜太小，因為顆粒太小會增加水流通過樹脂層的阻力，且在反洗中容易使樹脂流失。(4)樹脂的空隙度一來說，樹脂顆粒間的空隙度越小，離子交換速度就越快。(5)水中離子濃度由于擴散過程是依靠離子的濃度梯度而推動的，所以水溶液中離子濃度大小是影響擴散速度的重要因素當(dāng)水溶液中離子濃度在01ol／L以上時離子在水膜中的擴散很快整個離子交換速度受孔道擴散的控制這相當(dāng)于水處理工藝中樹脂再生時的情況若水中離子濃度在003ol／L時離子在水膜中的擴散很慢此時整個離子交換速度受液膜擴散控制這相當(dāng)于樹脂在進行離子交換軟化時的情況此外水溶液中離子濃度變化時，使樹脂膨脹或收縮也會影響孔道擴散速度。(6)水溶液的流速樹脂顆粒表面的水膜層厚度隨水的流速增加而減小，此時液膜擴散的速度將隨之增加，但孔道擴散的速度則基本上不受流速的影響。(7)水溶液的溫度升高水的溫度，能提高離子和分子的熱運動速度和降低水的粘度，因此在一定溫度范圍內(nèi)水溫愈高離子交換的速度愈快即提高水的溫度能同時加快液膜擴散和孔道擴散的速度。離子交換設(shè)備運行時，一般將水溫保持在20～40℃因為溫度太低會明顯降低離子交換的速度。第三節(jié)離子交換樹脂層的工作過程一、離子交換樹脂層內(nèi)的交換過程現(xiàn)在討論在裝有鈉型樹脂的離子交換柱中，自上而下地通過含有Ca2+的水時，鈉型樹脂層內(nèi)進行的交換過程和樹脂層內(nèi)發(fā)生的變化。若用白點表示離子交換樹脂層中的鈣型樹脂黑點表示鈉型樹脂通常情況的樹脂層組成如圖37中所示圖中以白點占白點加黑點之和的百分?jǐn)?shù)表示白點(鈣型樹脂)的飽和程度，即鈣型樹脂占樹脂總量的百分?jǐn)?shù)。若飽和程度為50，則Ca型脂占樹脂容量的50％；若飽和程度為10，則Na型樹脂全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃a型樹。在裝有鈉型樹脂的離子交換柱中，自上而下地通過含有C2+的水時，樹脂層的變化可分為以下三個階段。(1)交換帶的形成階段溶液一接觸樹脂，就開始發(fā)生離子交換反應(yīng)。隨著水的流動，溶液的組成和樹脂的組成不斷發(fā)生改變，即樹脂愈往上層，層中的C2+濃度就愈大；水愈往下流，水中的C2+濃度就愈小。當(dāng)水流至一定深度時，離子交換反應(yīng)達到平衡，樹脂及溶液中反離子Na+的濃度就不再改變了這時從樹脂上層交換反應(yīng)開始至下層交換平衡為止形成了一定高度的離子交換反應(yīng)區(qū)域稱為交換帶或工作層如果把交換帶中樹脂的組成作出曲線縱坐標(biāo)為樹脂層高度橫坐標(biāo)為樹脂的組成以％表示則交換帶的樹脂組成曲線如圖3—8上部所示。不難理解，在通水初期，由于離子交換反應(yīng)剛剛開始，交換帶尚未定型，經(jīng)一段時間后才形成一定高度的離子交換帶。(2)交換帶的移動階段隨著離子交換的進行，離子交換帶逐漸向下部樹脂層移動，這樣樹脂層中就形成了三個層或區(qū)域(圖3—7)換帶以上的樹脂層都為C2+所和它已失去交換能力水通過時水質(zhì)不發(fā)生變化此層稱為失效層接著是工作層此層內(nèi)鈣型樹脂和鈉型樹脂是混存的，上部鈣型樹脂多，下部鈉型樹脂多，水流經(jīng)這一層時，水中的Ca2+和型脂中的Na進行交換使出水中C+濃度由原水(進水)中Ca2濃度降至接近于0，此層是整個樹脂層中正在進行離子交換的層區(qū)，其層區(qū)高度即為交換帶的寬度；交換帶圖3-7交換柱內(nèi)樹脂狀態(tài)示意圖圖3-8樹層的交換帶形成（a樹脂狀態(tài)（b）樹脂飽和曲線及移動過程示意圖1-失效層；2-工作層；3-未交換層以下的樹脂層為尚未參與交換的樹脂層即其中全為鈉型樹脂稱為未交換層所以交換帶移動階段即是水處理中離子交換運行的中期階段，也就是離子交換的正常運行階段。(3)交換帶的消失階段由于交換帶沿水流方向以一定速度向前推移，致使失效層不斷增大，未交換層不斷縮小，當(dāng)交換帶的下端達到樹脂層底部時，C2+開始泄漏。如果繼續(xù)運行時使交換帶逐漸消失則出水中Ca2+度將逐漸增加當(dāng)樹脂層交換帶完全消失時，出水中的C2+濃度與水中的相等，整個樹脂層全部變?yōu)殁}型樹脂，即樹脂層全部失效。在實際水處理中，工作層下端到達樹脂層底部，微量的鈣離子開始泄漏，即Ca2穿透時，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)后就應(yīng)及時停止工作，避免出水水質(zhì)突然惡化，此時與工作層厚度相同的型樹脂層稱為保護層保護層厚度與交換帶寬度相等這層保護層起著保護出水水質(zhì)的作用。所以，交換帶的消失階段即為離子交換運行的末期階段。圖3－9交換器運行時經(jīng)過樹脂層的出水水質(zhì)變化曲線影響交換帶寬度的因素有離子交換樹脂的性能離子交換柱的結(jié)構(gòu)和離子交換的運行條件等。在一般正常運行條件下，交換帶寬度約為1020。應(yīng)當(dāng)指出，只有離子選擇性系數(shù)大于1時在樹脂層內(nèi)才能形成交換帶意即只有在離子交換過程中樹脂層內(nèi)才能形成交換帶。若離子選擇性系數(shù)小于l，通常是在離子交換樹脂的再生過程中，此時就不能形成一定的交換帶。交換器運行時經(jīng)過樹脂層的出水水質(zhì)變化曲線，如圖39所示。圖中的A點至B點是脂層內(nèi)交換過程的初期和中期階段的出水水質(zhì)此時水中C2+濃度幾乎接近零，且水質(zhì)穩(wěn)定；月點是Ca2+穿透點，此時已達到交換運行的終點；若繼續(xù)通水運行，則出水中Ca2+濃度很快增加，直至與進水中Ca2+濃相等時為止。BC段為樹脂層內(nèi)交換過程的末期的出水水質(zhì)變化曲線，由月點至F點的距離稱為水質(zhì)變化曲線“拖尾它間接反映了交換帶的寬度圖中ABDE的面積相當(dāng)于交換器內(nèi)樹脂層的工作交換容量在樹脂得到完全再生情況下面積ABCDE相當(dāng)于樹脂的全交換容量兩面積之比即為樹脂層樹脂的利用率。二、離子交換樹脂層內(nèi)的再生過程采用含一定化學(xué)物質(zhì)的水溶液使樹脂層內(nèi)失效(失去交換能力)的樹脂重新恢復(fù)交換能力，這種處理過程稱為樹脂的再生過程。再生能力或再生性能，通常用再生劑耗(分別稱為鹽耗、酸耗或堿耗)、再生劑比耗表示。再生劑耗是指在失效的樹脂中再生1摩爾交換基團所耗用的再生劑質(zhì)量，單位為g／ol。再生劑比耗表示再生單位體積樹脂用再生劑的量(ol／3)和該樹脂的工作交換容量(ol／3)的比值。它反映了樹脂的再生性能，是離子交換運行經(jīng)濟性的重要指標(biāo)。由于樹脂工作交換容量并不隨比耗正比地增加因此在一定條件下應(yīng)通過工作交換容量隨比耗變化的趨勢確定一個既經(jīng)濟又實用的再生劑比耗不同的樹脂不同的離子交換工藝這種經(jīng)濟比耗也不同。在一般情況下，各種樹脂的再生劑耗、再生劑比耗如表36所示。表3-6各種離子交換樹脂的再生劑耗和比耗樹 脂再生工藝再生劑耗，g／mol比 耗強酸性陽樹脂順流NaCl100~120HCl≥73H2SO4 100~150NaCl~2HCl≥2H2SO42～3對流NaCl80~100HCl50~55H2SO4≤70NaCl~1.4HCl1.4~1.5，H2SO4<1.9弱酸性陽樹脂38~43.8(HCl)1.05~1.20(HCl)強堿性陰樹脂順流80~1202～3逆流(對流)液堿60~65固堿48~60液堿1.5～1.6固堿1.2～1.4弱堿性陰樹脂44~481.1～1.2第四節(jié)離子交換樹脂的使用一、離子交換樹脂的選用在離子交換水處理的設(shè)計中應(yīng)根據(jù)原水的水質(zhì)對出水水質(zhì)的要求離子交換樹脂基本性能及離子交換設(shè)備性能通過技術(shù)經(jīng)濟比較合理地選用離子交換樹脂根據(jù)離子交換水處理要求，一般從以下幾方面考慮樹脂的選用。(一)交換容量樹脂交換容量越大表示其所能交換的離子量就越多相應(yīng)地處理的水量亦越大一般同類型骨架組成的離子交換樹脂(苯乙烯樹脂)中弱型樹脂的交換容量大于強型樹脂(表3—7)，但弱型樹脂的機械強度一般較差些。表3-7苯乙烯系弱型與強型樹脂交換容量的比較樹脂類型全交換容量，mmol／g(干樹脂)工作交換容量，mmol／g(濕樹脂)陽樹脂弱酸≥9.02.3～2.5強酸≥4.50.8～1.1陰樹脂弱堿≥5.00.641.0強堿≥3.50.35～0.45另外同類型樹脂的交換容量一般隨著交聯(lián)度變小而增大而樹脂的機械強度要降低些這將導(dǎo)致樹脂會過早地損耗因此對于水處理用的離子交換樹脂在盡可能選擇有高交換容量的同時，還要考慮樹脂有足夠的機械強度。(二)原水的水質(zhì)原水(進水)的水質(zhì)關(guān)系到離子交換水處理過程中要去除離子的性質(zhì)根據(jù)要去除離子的性質(zhì)來選用樹脂是至關(guān)重要的。對于只需去除水中交換吸附較強的陽離子(如Fe3+1+a2+2+時不管是強酸性陽樹脂還是弱酸性陽樹脂它們對原水中交換吸附較強的陽離子均有較強的交換能力，但因弱酸性陽樹脂的交換容量大于強酸性陽樹脂而用酸再生陽離子交換樹脂時由選擇性順序可知以再生弱酸性陽樹脂最容易例如在軟化水處理中若水的碳酸鹽硬度比較大(尤其是堿性水)，則選用弱酸性陽樹脂較為經(jīng)濟、合理。若必須去除原水中吸附性較弱的陽離子(如K+、Na+和陰離子(如HCO3-、HSiO3-)時，則必須選用強酸性或強堿性樹脂。因此，對于高硬度或高含鹽量的原水水處理，在選用強酸性(或強堿性)樹脂處理之前，應(yīng)先通過弱酸性(或弱堿性)樹脂處理，這樣選用樹脂在水處理實踐中是經(jīng)濟合理的。若原水中含有較多的有機物時，則應(yīng)當(dāng)選用抗氧化性好，且強度亦高的大孔型樹脂。(三)出水的水質(zhì)在軟化水處理中，可選用強酸性陽樹脂或與弱酸性陽樹脂組合使用。在除鹽水處理中一定要選用強型樹脂以除去交換吸附能力較弱的離子或者與弱型樹脂組合使用，這在除鹽水處理系統(tǒng)中頗為重要。(四)水處理設(shè)備的類型不同類型的設(shè)備要求選用不同性能的樹脂例如移動床流動床要求選用耐磨強度高的樹脂。對于混床中兩種樹脂，則應(yīng)選用其濕真密度相差大的樹脂。二、離子交換樹脂的保管在新樹脂使用前與舊樹脂停用時均需采用適當(dāng)?shù)谋９艽胧┓駝t會直接影響樹脂的使用壽命和其交換容量。(一)新樹脂的保管(1)保持樹脂的水分樹脂在出廠時，其含水率是飽和的，在貯存保管過程中，必須防止水分消失如發(fā)現(xiàn)樹脂變干時切忌將樹脂直接置于水中浸泡而應(yīng)將它置于飽和的食鹽水中浸泡，使樹脂緩慢膨脹，然后再逐漸稀釋食鹽溶液。此外樹脂的貯存時間不宜過長最好不要超過一尤其是陰離子交換樹脂可能因交換基團的分解，而顯著降低樹脂的交換容量。(2)防止樹脂受凍和受熱一般貯存脂的環(huán)境溫度為5～0若在0℃下會使樹脂內(nèi)水分冰凍使樹脂體積增大造成樹脂脹裂而喪失交換能力若溫度低于5又無保溫的條件，這時可選用一定濃度的食鹽溶液，將樹脂置于其中浸泡，便可達到防凍目的。樹脂長期處于高溫條件下，則容易引起樹脂變形、交換基團分解和微生物污染。(3)防止樹脂劣化樹貯存時，一定要避免與鐵容器、氧化劑和油類物質(zhì)直接接觸，以防樹脂被污染或被氧化降解，而造成樹脂劣化。(二)舊樹脂的保管若離子交換樹脂在使用過程中有較長時間停用，則其保管要采取下列措施：(1)樹脂轉(zhuǎn)型通常把脂轉(zhuǎn)變成Cl型或Na型長期貯存，故可將陰樹脂、陽樹脂用食鹽溶液轉(zhuǎn)型，陽樹脂不宜以Ca或H型長期存放；(2)濕法存放在交換器將停用的樹脂浸沒于水中保存；(3)防止霉變交換器內(nèi)長期存放樹脂，其表面容易滋長微生物，發(fā)生霉變，尤其在溫度較高的條件下因此必須定期進行換水和用水反沖洗同時亦可用1.5％甲醛溶(福爾馬林液)浸泡消毒。三、新樹脂投運前的預(yù)處理新樹脂常含有溶劑未參加聚合反應(yīng)的物質(zhì)和少量低聚合物還可能吸著鐵鋁銅等重金屬離子。當(dāng)樹脂與水、酸、堿或其他溶液相接觸時，上述可溶性雜質(zhì)就會轉(zhuǎn)入溶液中，在使用初期污染出水水質(zhì)。所以，新樹脂在投運前要進行預(yù)處理。(一)陽樹脂的預(yù)處理陽樹脂預(yù)處理步驟如下：首先使用飽和食鹽水取其量約等于被處理樹脂體積的兩倍將樹脂置于食鹽溶液中浸泡180時，然后放盡食鹽水，用清水漂洗凈，使排出水不帶黃色；其次再用2~4％NaOH溶液其量與上相同在其中浸泡24小時(或作小流量清洗)，放盡堿液后，沖洗樹脂直至排出水接近中性為止；最后用5％HCl溶液·量亦與上述相同，浸泡4~8小時，盡酸液，用清水漂流至中性。(二)陰樹脂的預(yù)處理其預(yù)處理方法中的第一步與陽樹脂預(yù)處理方法中的第一步相同，而后用5％HCl浸泡48小時后放盡酸液用水清洗至中性最后使用2％％NaOH溶液浸泡48小時后，放盡堿液，用清水洗至中性。四、離子交換樹脂的裝填(一)離子交換器的清理與檢查交換樹脂裝填入交換器前，必須做好下述工作：(1)徹底清掃和清洗離子交換器和水力裝卸器等；(2)各通流部位，要求不跑漏樹脂； .(3)交換器水壓試驗合格，并測定正常流量下設(shè)備的壓差，為測定樹脂層壓差作準(zhǔn)備。(二)離子交換樹脂的裝填(1)用水力裝卸器裝填樹脂時，用澄清水裝填陽樹脂，用除鹽水裝填陰樹脂。在裝填樹脂前，先往交換器中加入一定高度(如1m左右)的水層，以免樹脂直接沖擊交換器底部裝置和墊層。(2)按設(shè)計要求量裝填完后，測量樹脂高度，符合要求后即封閉交換器。對樹脂層進行反洗沉降排水后再打開交換器平整樹脂層將漂至樹脂層上面的細顆粒樹脂刮去并再補裝填入樹脂，使樹脂層高度達到設(shè)計要求。(3)對于大孔樹脂，尤其是弱酸樹脂，應(yīng)檢查有否軟球和透明球，因它們易粘在通流部位，影響正常使用，必須除去。第五節(jié)離子交換樹脂的變質(zhì)、污染與復(fù)蘇一、離子交換樹脂的變質(zhì)離子交換樹脂在水處理系統(tǒng)運行的過程中由于氧化或降解樹脂結(jié)構(gòu)遭受破壞這是一種不可逆的樹脂的劣化，稱為樹脂的變質(zhì)。(一)陽離子交換樹脂的氧化1．陽樹脂化的原因和現(xiàn)象陽樹脂氧化的主要原因是由于水中有氧化劑如游離氯硝酸根等水中重金屬離子能起催化作用當(dāng)溫度高時樹脂受氧化劑侵蝕更為嚴(yán)重其結(jié)果是使樹脂交換基團降解和交換骨架斷裂，樹脂顏色變淡和其體積增大。2．防止樹被氧化的方法(1)活性炭過濾用活性炭過濾水進行脫氯是防止樹脂被氧化的常用方法，其原理是基于吸附作用，并在被吸附的活性炭表面上進行下面的化學(xué)反應(yīng)。其反應(yīng)為：C—+HOClCO—+HCl活性炭脫氯是一種簡單、經(jīng)濟、行之有效的方法，故得到普遍應(yīng)用。(2)化學(xué)還原法化學(xué)原法是在含有余氯的水中投加一量還原劑(如SO2或Na2SO3)進行脫氯。(3)選用高交聯(lián)度的大孔陽樹脂。(4)避免使用質(zhì)量差的鹽酸其中有氧化劑會對陽樹脂造成危害。(二)強堿性陰樹脂的降解1．降解的因及過程在離子交換水處理系統(tǒng)中強堿性陰