基本知识

超纯水设备方案设计指南 第二章 工艺及技术（二）温度调节、软化工艺

目录

2.2.3：温度调节（板式换热器）

2.2.4：树脂吸附工艺（软化器及特种树脂吸附）

2.2.3：温度调节（板式换热器）

纯水制备过程中需要温度调节的主要原因跟核心处理工艺反渗透相关。作为当下纯水制备主流核心处理工艺，RO系统的产水量跟温度息息相关，在恒定给水压力状态下，系统水温每下降1℃，产水量则下降约3%。下图为某品牌产水量标准化温度校正系数，

额定产水量/系数则为特定温度下的实际产水量参考，20℃时产水量为25℃时额定产水量的83.0%，5℃时为额定产水量的46.3%，可见维持一个良好的进水温度对整个系统的稳定运行至关重要。

备注：考虑到冬日低温对系统产水量的影响，设计者一般会按照RO膜25℃额定产水量的60-80%（8040膜约1T/H，4040膜约0.25T/H）来设计系统，以免造成设备设计产水量无法满足生产需要的情况。

板式换热器：由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器是液-液、液-汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。

板式换热器的局限：换热器的运行需要热源侧提供高温的液体或者蒸汽，如果采用电加热往往得不偿失，所以换热器一般只在冬季低温寒冷的北方地区，或者火力发电厂、大型化工厂等有多余热源的场景下使用，多用于大型工业用纯水、中水回用及产业园集中用水等项目。南方地区及大部分小型设备，在冬季或室温情况下系统产水量影响有限，不必过于执着最佳水温。

2.2.4：树脂吸附工艺（软化器及特种树脂吸附）

树脂吸附：利用树脂的化学性质和结构特点，使其与溶质发生吸附作用，从溶液中去除特定溶质的一种分离和纯化技术。树脂吸附的原理涉及吸附剂的化学性质、物理结构以及吸附过程中的交互作用。

纯水制备系统中的树脂吸附工艺主要分为树脂软化、特种树脂吸附、阴阳床（复床）及抛光混床工艺四种，其中树脂软化和特种树脂吸附往往作为预处理工艺存在。阴阳床工艺则越来越被反渗透工艺所替代，抛光混床工艺依然是18M以上超纯水制备的必须核心工艺。

纯水制备过程中的树脂吸附主要通过离子交换原理来实现，辅助以其他树脂吸附原理。常见的树脂吸附原理如下，

1、离子交换吸附原理：离子交换吸附是树脂吸附中最常见的一种原理。树脂表面通常带有阳离子交换基团（如-NH2、-NH3+等）或阴离子交换基团(如-OH、-COO-等），能够与溶液中的离子发生离子交换反应，将目标离子从溶液中吸附到树脂表面。离子交换吸附可以根据离子交换基团的类型和性质来选择合适的树脂。

2、配位吸附原理：配位吸附是指树脂表面的配位基团与目标物发生配位作用，形成配位键而实现吸附。常用的配位基团有酸性官能团（如羚基、酚基）和碱性官能团（如胺基、亚胺基），可以与溶液中的金属离子形成络合物，进行吸附。

3、氢键吸附原理：氢键吸附是指树脂表面的氢键供体与溶液中的氢键受体形成氢键结合，从而发生吸附作用。常见的氢键供体包括羟基(-OH)、胺基(-NH2)等，氢键受体可以是溶质分子中的惰性键或氮、氧等原子。

4、静电吸附原理：静电吸附是指树脂表面带有电荷的固体颗粒与溶液中的带有相反电荷的离子或极性分子发生静电相互作用，实现吸附。树脂表面的电荷性质可以通过控制pH值或添加电荷刻来改变，以调节吸附性能。

5、范德华吸附原理：范德华吸附是指树脂表面的非极性区域与溶液中的非极性溶质发生范德华相互作用，实现吸附。树脂表面通常具有疏水性基团，可以吸附疏水性物质。

6、多孔吸附原理：多孔吸附是指树脂内部的孔院对分子进行吸附。树脂材料通常具有一定的孔隙结构，可通过调节树脂的制备方法和条件来控制孔径和孔隙分布，以适应不同分子大小的吸附需求。

除了以上几种常见的吸附原理外，还有一些特殊的吸附原理，如光吸附原理、协同吸附原理等，它们通过特定的吸附机制实现对特定目标物质的选择性吸附。

树脂软化：利用钠离子型树脂的Na+置换原水中的Ca2+和Mg2+，以降低后段系统的进水硬度，降低系统的难溶盐（碳酸钙、硫酸钙、硫酸镁等）结构风险。

软化器：水流自上而下通过软化树脂层，原水中的Ca2+、Mg2+与树脂中的Na+产生离子交换而被吸附在树脂上以达到原水软化的目的。一般要求进水硬度≤200mg/L，以便出水水质达到软水的标准＜50mg/L。

软化树脂的再生一般分反洗、再生、置换、正洗四步，

步骤一：反洗

软化器在长期使用之后，原水会因为时间累计堆积很多污物，这部分物质会被软化树脂的上层部分拦截。这部分的污物需要通过处理，才能完全显露出离子交换软化树脂，软化树脂的再生效果才算真正保证。这个环节一般用时在10-15分钟，反洗流速为10m/h。

步骤二：吸盐（再生）

软化树脂的吸盐是指软化树脂罐体慢慢加入盐水的过程。在日常工作的应用中，要想获得比用盐水浸泡软化树脂取得更好的效果，可以将盐水（5-10%浓度）以缓慢的速度（6-8m/h）流过软化树脂，这样的再生效果会更理想。这个环节一般用时在30分钟左右，用盐量遵循等物质交换原则1molNaCl置换1mol软化树脂。

步骤三：慢冲洗（置换）

再生工序后再将原水以与刚刚盐水一样的流速，冲洗干净树脂中的盐份。因为在这个过程中会有非常多的钙镁离子与钠离子发生化学反应，进行了交换反应，因此这个过程中被视为软化树脂再生的关键环节，也有另外一种叫法“置换”。这个过程一般与吸盐的时间相同，时间在30分钟左右。

步骤四：快冲洗（正洗）

用与日常工作中相近的流速冲洗软化树脂，注意是用原水冲洗。这个时候我们需要将原先留存的盐份完整地进行冲洗，保证干净。这个过程的最后出水即为达标的软水。这个环节一般需要5-15分钟。

特种树脂吸附：随着树脂吸附工艺的不断发展和半导体超纯水对微量元素浓度的苛刻要求，以除硼树脂为代表的特种树脂在纯水制备、污水处理等方面日益发挥独特的作用。

除硼树脂：是一种具有高选择性吸附性能的材料，可以有效地从水中去除硼元素。其吸附原理主要基于树脂材料的特殊化学结构和吸附剂与溶液中溶质之间的相互作用（区别于传统离子交换树脂吸附原理）。除硼树脂通常是由具有吸附性能的功能基团和多孔结构组成。这些功能基团可以与硼元素形成化学键或静电作用力，从而将硼离子吸附在树脂表面。除硼树脂的多孔结构可以提供更大的表面积，增加吸附位点，从而提高吸附效率。

除硼树脂的再生：将吸附在树脂上的硼离子从树脂上解吸下来，使树脂恢复到初始的吸附状态，可以继续进行下一轮的吸附过程。其再生原理主要基于溶液中的竞争吸附剂和pH值的调控。通过改变溶液的pH值，可以改变树脂表面的电荷性质从而改变硼离子与树脂之间的相互作用。当溶液的pH值升高时，树脂表面的电荷变为负电荷，硼离子与树脂之间的静电作用力诚弱，从而使硼离子从树脂上解吸下来。

除硼树脂的再生过程还可以通过添加适当的竞争吸附剂来实现。竞争吸附剂与树脂表面的功能基团发生作用，将硼离子从树脂上取代下来。竞争吸附剂与确离子之间的相互作用力比树脂和确离子之间的作用力更强，从而实现硼离子的解吸。除硼树脂的再生过程可以通过循环多次进行，直到树脂的吸附性能下降到一定程度时，需要更换或再生树脂