基本知识

软水器（树脂软化）和阻垢剂加药工艺对比

正文：

在水处理系统，特别是以RO工艺为核心工艺的纯水系统中，树脂软化和阻垢剂加药都是常见的预处理工艺，其相应的装置（设备）分别称为软水器（软化器）和阻垢剂加药装置。接下来我们将从设备定义、工艺原理、设备及运行成本等多个角度做简单的对比，方便大家更好理解相关工艺及后期合理选择。

一、软水器和阻垢剂加药装置的简单定义

软水器（离子交换/树脂软化软水器）

全自动软水器是一种运行和再生操作过程全自动控制的离子交换软水器，利用钠型阳离子交换树脂去除水中钙镁离子，降低原水硬度，以达到软化硬水的目的 从而避免碳酸盐在管道、容器、锅炉产生结垢现象。

已广泛应用于各种蒸汽锅炉、热水锅炉、热交换器、蒸汽冷凝器、空调、直燃机等设备及系统的循环补给水中。此外还用作生活水处理，食品、电镀、医药、化工、印染、纺织、电子等工业水处理以及作为脱盐系统的前置处理。经过单级或多级软水器处理后的产水硬度可大幅度降低。（来源：百度百科）

阻垢剂加药装置

阻垢剂加药装置是一种用于给工业生产用水加药的设备，它的作用是防止水中的矿物质和杂质聚集在管道中形成垢，从而延长管道使用寿命、提高工业生产效率。

装置主要由加药泵、加药罐、加药管道和加药泵控制柜组成，控制柜通过 PLC进行控制,其原理是通过向管道中加入阻垢剂药剂，使其与水中的矿物质和其他杂质发生化学反应，变为不易结垢的物质，从而防止垢的形成。

什么是阻垢剂？

阻垢剂是一系列用于阻止结晶矿物盐的沉淀和结垢形成的化学药剂。大多数阻垢剂是一些专用有机合成聚合物（比如聚丙烯酸、羧酸、聚马来酸、有机金属磷酸盐、聚膦酸盐、膦酸盐、阴离子聚合物等），这些聚合物的分子量在2000－10000道尔顿不等。

阻垢剂阻碍了RO进水和浓水中盐结晶的生长，因而可以容许难溶盐在浓水中超过饱和溶解度。阻垢剂的使用可代替加酸，也可以配合加酸使用。

阻垢剂的另一种作用是分散，用来阻止膜面上污染物的聚集和沉积。需要分散作用处理的污染物有：矿物质结垢，金属氧化物和氢氧化物（铁、锰和铝），聚合硅酸，胶体物质（指那些无定型悬浮颗粒，可能含有土、铁、铝、硅、硫和有机物），生物性污染物等

二、树脂软化和阻垢剂工作原理

（一）树脂软化工作原理

树脂软化工艺是用离子交换树脂中的Na+置换原水中构成难溶盐结构的Ca2+和Mg2+，以防止难溶盐的饱和析出（结垢），进而提高系统的难溶盐极限回收率。

水处理用离子交换树脂是由空间网状结构母体（以R表征）与附属在母体上的活性功能团构成的不溶性高分子化合物。带有酸性功能团的交换树脂称为阳离子交换树脂，当活性功能团的可交换离子为Na+时，树脂称为钠型阳离子交换树脂（以RNa表征）。

交换树脂的置换反应遵循如下两项原则：

①各离子浓度相等的低含盐量水体中，阳离子交换树脂交换阳离子的选择性次序为

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>H+

②水体中各离子浓度不相等时，高浓度离子将被优先交换。

备注：一般而言，Ca2+、Mg2+浓度远高于Fe3+、Al3+离子浓度。

软化过程反应式，向右表示软化过程，向左表示再生过程，置换单位为摩尔

2RNa+Ca2+(Mg2+)⇄R2Ca(Mg)+2Na+

备注：在树脂软化过程中，钙、镁和钠进行等毫克当量（meq，我们在ROSA设计软件视频讲解中多次提及，就是摩尔量/电荷数）交换，软化过程以后水中整体含盐量（mg/L）会有所上升。

（二）树脂软化的几个工艺参数

①交换流速

交换流速V 应在 20-30m/h 范围之内，水体硬度较高时，流速应取低值。

②容器直径

在系统产水量Q已知条件下，交换器直径L(m)应为:

L=2√(S/π）=2√〔Q/（V*π）〕

③树脂交换量

国产001*7的湿态树脂的全交换量为 2.0mol/L，密度为0.85kg/L，工作交换量指数约为0.8。因此，树脂交换量为 2.0*0.8/0.85=1.88mol/kg

④周期制水量

软化器设计中的一个基本关系：

树脂装填量(m³)*树脂交换量(meq/m³)=周期制水量(m³)*原水硬度(meq/m³)

备注：在实际设计软水器再生周期时，在④关系式中树脂交换量=完全交换量*工作交换指数*安全系数，其中工作交换指数取值0.6-0.8，安全系数取值0.6-0.8。以经验而言，国产树脂周期制水设计为40%完全交换量，进口树脂设计为60%完全交换量则比较安全。

⑤软化水产水指标

当原水总硬度不高于5mmol/L，经过一级软化以后可降至0.03mol/L（以CaCO3记）；当原水总硬度高于5mmol/L而小于10mmol/L时，可通过二级软化达到预期效果；更高硬度的原水需要通过双碱法等工艺预处理，否则过高的硬度会造成软水器再生周期过短、设备承压过高等情况。

备注：

①实际系统的软化效果达不到上述计算，一般进水硬度200mg/L的原水，出水硬度在20mg/L左右，而硬度超过300mg/L时，则往往达不到50mg/L的预取软化效果（树脂软化的预期效果下限）。

②总硬度是指水中Ca2+、Mg2+的总量，它包括暂时硬度和永久硬度。水中Ca2+、Mg2+以酸式碳酸盐形式存在的部分，因其遇热即形成碳酸盐沉淀而被除去，称之为暂时硬度；而以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在的部分，因其性质比较稳定，不能够通过加热的方式除去，故称为永久硬度。

当水中的硬度主要由Ca2+引起时，总硬度5mmol/L对应总硬度500mg/L以CaCO3记对应Ca2+含量为200mg/L，相关的水质报告要看清楚，以防出现偏差，经典的LSI公式网上流传的两个版本就是因为公式中一个是钙硬度（以CaCO3记），一个是钙含量（单纯表述Ca2+含量）

（三）阻垢剂的工作原理

无机垢的形成过程可分为下面3个步骤:

①形成过饱和溶液；②生成晶核；③晶核成长，形成晶体；

上述3个步骤中有一个遭到破坏，结垢过程即被减缓或抑制。阻垢剂的作用就是有效阻止这些步骤中的一个或几个，以达到阻垢目的。

阻垢剂干扰晶体生长的机理有如下几种说法：

①螯合增溶作用

螯合增溶作用是指阻垢剂与水中Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+等高价金属离子络合成稳定的水溶性螯合物，使水中游离态钙、镁离子的浓度相应降低，这样就好像使CaCO3等物质的溶解度增大了，本来会析出溶液的CaCO3等物质实际上没有形成沉淀。

所谓阈限效应阻垢是指只需向溶液中加入少量的阻垢剂，就能稳定溶液中大量的结垢离子，它们之间不存在严格的化学计量关系，当阻垢剂的量增至过大时，其稳定阻垢作用并无明显改进。

②晶格畸变作用

晶体正常形成的过程是微粒子(离子、原子或分子)根据特定的晶格方式进行十分有规则的排列，从而形成外形规则、熔点固定、致密坚固的物质结构。所谓晶格畸变是指在晶体生长的过程中，常常会由于晶体外界的一些原因，而使得晶体存在空位、错位等缺陷或形成镶嵌构造等畸变，其结果使同一晶体的各个晶面发育不等。晶体中这种局部组分的差异会导致晶体内部的应力，晶体本身与镶嵌物质脱胀系数的不同也会导致应力。这些应力使晶体不稳定。当环境发生某些变化时，大晶体便会碎裂成小晶体。

阻垢剂分子由于吸附在位于晶体活性生长点的晶格点阵上，使晶体不能按照晶格排列正常生长，使晶体发生畸变，使晶体的内部应力增大导致晶体破裂，从而防止微晶沉积成垢，达到阻垢目的。

③吸附与分散作用

阻垢分散剂属于阴离子有机化合物，可因物理化学吸附作用而吸附于胶体颗粒及微晶粒子上，在颗粒表面形成新的双电层，改变颗粒表面原来的电荷状况。于是，因同性电荷相排斥而使它们稳定地分散在水体中。

阻垢剂对常见无机难溶盐的阻垢系数M值（上浮）如下：

CaCO3：1.8；数值应用对象LSI公式

CaSO4：2.3；数值应用对象Ksp公式

SiO2（硅酸盐）：2.9；数值应用对象溶解度数值

备注：阻垢剂对系统微生物同样有一定作用的抑制效果，有效程度并没有明确概述。

阻垢剂加药量

阻垢剂成分复杂，且在高回收率系统中会在浓水侧累积，所以阻垢剂在注入系统前应该保证得到充分混合，且浓度不易过高。阻垢剂的典型添加量为2-6ppm，自来水原水一般取值3ppm，水质较差时取值5ppm。同时加药泵运行频率相对较高更合适，建议的频率是最少5秒钟一次。

阻垢剂加药点

加药点设在RO进水保安过滤器之前，通过在过滤器中的缓冲时间及RO高压泵的搅拌作用来促进混合。如果系统采用加酸调节pH，推荐加酸点要在上游足够远的地方，在到达阻垢剂注入点之前已经完全混合均匀。

三、软水器和阻垢剂加药装置的设备成本及运行成本

我们假设如下水样，分别计算相应的软化器设备及加药装置规模及其成本：

（A)5T/H，原水硬度200ppm（打字比较方便=mg/L)，产水硬度20ppm

（B)10T/H，原水硬度300ppm，产水硬度50ppm

（一）软水器：水样（A)

①罐体规格：交换流速取值V=25m/h，Q=5T/H根据公式

L=2√(S/π）=2√〔Q/（V*π）〕

得直径L=0.505m≈500mm，常见罐体为500*1750mm，简称2069

②树脂装填量：约为罐体体积得1/2-2/3则为170-230L,我们取值200L

③周期制水量：根据计算公式：

树脂装填量(m³)*树脂交换量(meq/m³)=周期制水量(m³)*原水硬度(meq/m³)

200*2.0*系数Y=X*〔（200-20）/100*2〕

系数Y：国产取0.4（0.6*0.6），进口取0.6（0.8*0.8），具体参考厂家。

则X=44.45或66.67，相应的再生周期分别为8.9和13.3h（小时），基本符合一般10h再生周期设计经验。

④设备成本：

罐体：500*1750mm，FRP材质，单价629元（参考）

多路阀：时间型；单价550元（参考）

盐箱：单价180元（参考）

树脂费用：200L*（5-8元；国产）=1000元

设备材料成本：≈629+550+180+1000=2359元；综合成本：2500+

⑤再生盐成本：

每小时理论耗盐摩尔量=5*1000*〔（200-20）/100*2〕/1000=18mol

每小时理论耗盐质量=18*58.5=1053g

每小时实际耗盐质量=1053*2.5=2632.5g；吨水耗盐量=526.5g约等于1.5元。

备注：为保证再生效果，再生耗盐约为理论耗盐2-3倍；水处理软化盐市场价2-4元/kg

（二）软水器：水样（B)

①罐体规格：交换流速取值V=20m/h，Q=10T/H根据公式

L=2√(S/π）=2√〔Q/（V*π）〕

得直径L=0.798m≈800mm，常见罐体为750*1850或900*1850mm，简称3072或3672，我们选择750*1850mm。

②树脂装填量：约为罐体体积得1/2-2/3则为408-547L,我们取值500L。

③周期制水量：500*2.0*系数Y=X*〔（300-50）/100*2〕，

则X=80或120，相应的再生周期分别为8和12h（小时），同样基本符合一般10h再生周期设计经验。

④设备成本：

罐体：750*1850mm，FRP材质，单价1245元（参考）

多路阀：时间型；单价1299元（参考）

盐箱：单价350元（参考）

树脂费用：500L*（5-8元；国产）=2500元

设备材料成本：≈1245+1299+350+2500=5394元；综合成本：5500+

⑤再生盐成本：

每小时理论耗盐摩尔量=10*1000*〔（300-50）/100*2〕/1000=50mol

每小时理论耗盐质量=50*58.5=2925g

每小时实际耗盐质量=2925*2.5=7312.5g；吨水耗盐量=731.3g约等于2.2元。

备注：为保证再生效果，再生耗盐约为理论耗盐2-3倍；水处理软化盐市场价2-4元/kg

（三）阻垢剂加药装置：水样（A)

①设备成本：

加药箱：250元

Seko计量泵：450元

控制系统（集成）：300元

设备材料成本：≈250+450+300=900元；综合成本：1200+

②药剂成本：取值3ppm

每小时阻垢剂质量=5*1000*3=15g

每小时阻垢剂费用=0.015*8=0.12元；吨水阻垢剂费用=0.024元

备注：阻垢剂单价：国产6-10元/千克；进口10-25元/千克。

（四）阻垢剂加药装置：水样（B)

①设备成本：

加药箱：250元

Seko计量泵：450元

控制系统（集成）：300元

设备材料成本：≈250+450+300=900元；综合成本：1200+

②药剂成本：取值5ppm

每小时阻垢剂质量=10*1000*5=50g

每小时阻垢剂费用=0.05*8=0.4元；吨水阻垢剂费用=0.04元

备注：阻垢剂单价：国产6-10元/千克；进口10-25元/千克。

小结：

软水器及阻垢剂加药装置对比

软水器：从本质上降低了钙镁离子的结垢风险；设备初期成本较高；吨水运行成本较高

阻垢剂加药装置：以化学的方式干扰无机盐晶体的形成；设备初期成本一般；吨水运行成本低。

备注：软水器（树脂软化）对硅酸盐（SiO2）的去除几乎不起作用，而阻垢剂在硅酸盐结垢分散作用方面效果明显，此种状况下，阻垢剂是标配。

近年来随着阻垢剂国产化程度越来越高，吨水药剂费用已到了极低的程度（国产阻垢剂最新价格才4600元/吨）；同时无论是工业盐还是食用盐价格都大幅度上涨，原先1元/千克的工业盐已不常见，普通水处理专用软化盐市场价已接近3元/千克，未来可能会更高。无论是客户还是生产商，都有必要根据市场的变化合理配置工艺。