CN102309874B - 极性纤维过滤器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及极性纤维过滤器，其方案中，极性纤维过滤器由CO2曝气装置、耐压密封容器、渐进式极性纤维过滤层、减压抽滤装置共同组成，其中渐进式极性纤维过滤层由极性纤维压制而成。耐高温阴离子交换树脂的制备方法是将强碱型阴离子交换树脂置于高压反应器中，经过添加不同的溶液及特定的条件下制得耐高温阴离子交换树脂。在此基础上将高温废水通入极性纤维过滤器，在进口处向废水中通入足量CO2，将容器内压力降至0～0.5MPa，除去水中的非活性硅；再将高温废水通入装有耐高温阴离子交换树脂的离子交换器，脱除水中的活性硅。本发明具有脱硅精度高，为高温废水工业应用提供了基础。
Description
技术领域
本发明涉及水净化装置领域，以及阴离子交换树脂的制备方法和高温废水脱硅方法领域。
背景技术
随着环保节能意识的提高，人们越来越倾向于直接在高温环境中处理高温凝结水等工业高温废水，经过高纯处理的热水可直接作为锅炉补给水或采暖用水等。这样不仅可以减少降温换热设备的投入，还能通过利用水中的热能来节约大量标准煤。但是高温废水中通常含有硅，经过一段时间的沉积后会在锅炉内壁、阀门及弯头等处形成硅垢，严重影响设备的寿命与安全。所以，如何在高温环境下直接高纯脱除废水中的硅，就成了亟待解决的问题。
水中的所有的硅被称为“全硅”，它是由活性硅和非活性硅共同组成的。活性硅（或称反应性硅）是二氧化硅溶解于水所形成的硅酸，因此也称溶解硅。硅酸能用通常的钼黄或钼蓝比色而测得，可通过强碱性阴离子交换树脂将其除去。非活性硅（或称非反应性硅）是与钼酸盐试剂不起反应的那部分二氧化硅，用常规检测法是测不出来的，它是由全硅（用重量法或氢氟转化后测得）减去反应硅求得的，用离子交换或其他纯水法都只能除去一部分。在非活性硅中，能通过0.45μm的滤膜，但不能直接与钼酸铵发生反应的硅化合物，称为“胶体硅”；不能通过0.45μm的滤膜，也不能与钼酸铵直接发生反应的硅，称为“惰性硅”。
胶硅粒径较小，为10-9～10-6m，接近离子直径（＜10-9m）。在化学水处理过程中，离子交换树脂只能去除水中的可溶性离子，比如可溶性的硅酸盐及其他可溶性盐类在离子交换系统中可以绝大部分地去除。但胶硅一般由单分子的正硅酸聚合而成，在水中比较稳定，离子交换树脂无法与其进行离子交换将其去除。虽然含胶硅的水通过离子交换系统时，胶硅含量会有所降低，但这只是通过树脂的机械过滤及吸附作用将其部分去除（此时会大大加重阴离子交换树脂的负担，使其清洗再生频繁，而且如果再生条件不当，就会使树脂被胶硅污染），而大部分比较顺利地通过阳床、阴床和混床。
而胶体硅，往往随着条件的变化而变化。当水中含二氧化碳较多pH值和温度较低时，活性硅便会析出，并进一步聚合成胶体多硅酸；当水的pH值和温度较高时，胶体硅又会转变为活性硅
目前人们脱除水中的活性硅都是采用离子交换的手段，但目前应用的阴离子交换树脂普遍存在耐温较低的缺点，在60℃以上的环境中会立即失效、分解，所以，提高离子交换树脂的高温耐受力，也成为处理高温废水中硅杂质的一个难点。
发明内容
本发明的目的是为了克服水中胶体硅不易去除以及阴离子交换树脂耐温偏低的不足，提出包括极性纤维过滤器、耐高温阴离子交换树脂及精除高温废水全硅的方法的一整套高温废水脱硅技术。其不仅能够去除水中全硅，还能提高阴离子交换树脂的耐温性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：
（一）极性纤维过滤器是：由CO2曝气装置、耐压密封容器、渐进式极性纤维过滤层、减压抽滤装置共同组成，其中渐进式极性纤维过滤层由极性纤维压制而成。
极性纤维是按下述方法制得：
（1）在室温下，将粘胶基活性炭纤维毡裁剪成块状，浸泡在质量浓度为20～30%的过氧化氢溶液中1～2个小时后，取出晾干；
（2）将晾干后的活性炭纤维毡置于高温活化炉中，在高纯氮气保护下以100℃/h的速度缓慢升温至300-350摄氏度后恒温，通入氯气活化10-30min；
（3）活化完毕后关闭氯气，然后在氮气保护下自然冷却至常温，即得所需极性纤维。
（二）耐高温阴离子交换树脂的制备方法是：
（1）取一定体积强碱型阴离子交换树脂置于高压反应器中，向高压反应器中加入饱和NaCl溶液，加入量是强碱型阴离子交换树脂体积的1～4倍，浸泡15～20小时后排出溶液，然后用去离子水洗至流出液澄清；
（2）向高压反应器中加入四氢呋喃或二氯甲烷作为溶剂，加入量是高压反应器内树脂体积的2～3倍，浸泡2～3小时后，抽滤出溶剂；
（3）向高压反应器中加入三乙胺，加入量是高压反应器内树脂体积的2～3倍，搅拌1～3分钟后密封加热至90-100℃，反应8～15小时；
（4）反应完毕后将高压反应器内树脂滤净，以温度40～50℃的乙醇和温度40～50℃的去离子水交叉洗涤2～5次；
（5） 向高压反应器中加入质量分数为2～10%的HCl溶液，加入量是高压反应器内树脂体积的1～4倍，浸泡4～10小时，排空酸液后，用去离子水反复冲洗至中性；
（6）向高压反应器中加入质量分数为2～10%的NaOH溶液，加入量是高压反应器内树脂体积的1～4倍，浸泡4～10小时，排出碱液后，用去离子水反复冲洗至中性，即得耐高温阴离子交换树脂。
（三）利用前述（一）极性纤维过滤器和（二）耐高温阴离子交换树脂制备方法制备的耐高温阴离子交换树脂共同进行的精除高温废水全硅的方法是：将高温废水通入减压曝气凝聚极性纤维过滤器，在进口处向废水中通入足量CO2；开启减压抽滤装置，将容器内压力降至0～0.5Mpa，使水中活性硅部分转化为非活性硅，并除去水中的非活性硅；再将高温废水通入装有耐高温阴离子交换树脂的离子交换器，脱除水中的活性硅。
本发明的技术应用于高温废水脱硅的优势主要体现在：首先，高温废水在通入极性纤维过滤器时被通入大量CO2，以降低高温废水的pH值，然后通过极性纤维过滤层。减压装置能够降低过滤层孔隙内高温废水的压力，由于pH值的降低和压力的减小，打破了高温废水中活性硅和非活性硅的化学平衡，使水中的活性硅向胶体硅部分转化。过滤层所采用的极性纤维表面通过把发明处理后含有大量的极性官能团和酸性官能团，不仅能调节高温废水的pH值，对含有极性键的SiO2更有针对性的吸附能力。极性纤维滤层在过滤时处于渐进压实状态，滤层沿水流方向形成逐渐减小的过滤孔隙，滤层内部存在着同向絮凝作用，当高温废水通过滤层时，是以紊流状态流过，该状态能产生水流的速度梯度，使脱稳的胶体颗粒相互碰撞而凝聚为较大的颗粒，进而同惰性硅一起被滤层脱除掉。其次，通过本发明的阴离子树脂耐高温转化技术，制备出耐高温阴离子交换树脂脱除水中剩余的活性硅，解决了传统强碱型阴离子树脂在60℃以上即会失效、分解等问题。
本发明的有益效果是：
1．在国内首次制成了减压曝气凝聚的极性纤维过滤器，能够改变高温废水中活性硅和胶体硅的动平衡，将水中的活性硅部分转化为胶体硅，并通过极性纤维过滤层脱除水中非活性硅。
2．通过阴离子树脂耐温转化技术制得耐高温阴离子交换树脂，能够在90～100℃下工作，解决了传统强碱型阴离子树脂在60℃以上即会失效、分解等问题。
3．能够在不损失热能的前提下处理高温废水，特别适合高温凝结水、锅炉补给水的深度除硅。
4．处理精度高，能将高温废水中的全硅含量处理到ppb级别（≤10μg/L）。
5．设备简单成熟，易于再生和维护，容易实现工业化生产。
附图说明
附图是本发明极性纤维过滤器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详述：
实施例1，极性纤维过滤器。
参照附图，极性纤维过滤器由CO2曝气装置1、耐压密封容器2、容渐进式极性纤维过滤层3、减压抽滤装置共同组成。其中渐进式极性纤维过滤层由极性纤维压制而成。这里的极性纤维由粘胶基活性炭纤维在极性氧化剂（如次氯酸盐、重铬酸盐、硝酸、过氧化氢、臭氧）的活化下制得。
本发明中优选极性纤维的制备方法是：
（1）在室温下，将粘胶基活性炭纤维毡裁剪成合适大小，浸泡在质量分数30%的过氧化氢溶液中2个小时后，取出晾干；
（2）将晾干后的活性炭纤维毡置于高温活化炉中，在高纯氮气保护下以100℃/h的速度缓慢升温至300摄氏度后恒温，通入氯气活化30min；
（3）活化完毕后关闭氯气，然后在氮气保护下自然冷却至常温，即得所需极性纤维。
实施例2，一种耐高温阴离子交换树脂的制备方法是：
（1）取1L强碱型阴离子交换树脂（201×7MB型号，GB13660-92 DL519-93 SH2605.06-97）置于高压反应器中，向高压反应器中加入2L的饱和NaCl溶液，浸泡18小时后倒出溶液，然后用去离子水洗至流出液澄清；
（2）向高压反应器中加入2L的四氢呋喃，浸泡2小时，抽出四氢呋喃；
（3）向高压反应器中加入2L的三乙胺，搅拌2分钟后密封加热至100℃，反应10小时；
（4）反应完毕后将树脂滤净，以40℃的乙醇和40℃的去离子水交叉洗涤3次；
（5） 向高压反应器中加入2L的质量分数5%HCl溶液，浸泡8小时，排空酸液后，用去离子水反复冲洗洗至中性；
（6）向高压反应器中加入2L的质量分数4%NaOH溶液，浸泡8小时，排空碱液后，用去离子水反复冲洗洗至中性，即得耐高温阴离子交换树脂。
实施例3，另一种耐高温阴离子交换树脂的制备方法是：
（1）取1L强碱型阴离子交换树脂（201×7MB型号，GB13660-92 DL519-93 SH2605.06-97）置于高压反应器中，向高压反应器中加入3L的饱和NaCl溶液，浸泡15小时后倒出溶液，然后用去离子水洗至流出液澄清；
（2）向高压反应器中加入2.5L的二氯甲烷，浸泡2.5小时，抽出二氯甲烷；
（3）向高压反应器中加入3L的三乙胺，搅拌2.5分钟后密封加热至95℃，反应12小时；
（4）反应完毕后将树脂滤净，以45℃的乙醇和50℃的去离子水交叉洗涤3次；
（5） 向高压反应器中加入4L质量分数为10%的HCl溶液，浸泡6小时，排空酸液后，用去离子水反复冲洗洗至中性；
（6）向高压反应器中加入4L的质量分数10%NaOH溶液，浸泡6.5小时，排空碱液后，用去离子水反复冲洗洗至中性，即得耐高温阴离子交换树脂。
实施例4，利用实施例1极性纤维过滤器和实施例2或3制备的耐高温阴离子交换树脂共同进行精除高温废水全硅的方法（即用于高温凝结水、锅炉补给水及高纯水处理等高温废水中全硅的脱除）：
高温废水通入减压曝气凝聚极性纤维过滤器，在进口处向废水中通入足量CO2；开启减压抽滤装置，将容器内压力降至0.1Mpa，使水中活性硅部分转化为非活性硅，并除去水中的非活性硅；再将高温废水通入装有耐高温阴离子交换树脂的混床，脱除水中的活性硅。
典型应用实施例5：北京某公司的锅炉进水处理装置，在使用了上述技术后，装置处理的锅炉进水处理前后的全硅含量某日全天监测数据（监测每8小时一次）：
| 全硅含量（μg/L） | 00：00 | 8：00 | 16：00 |
| 进水 | 76.01 | 111.73 | 54.13 |
| 出水 | 5.42 | 6.03 | 5.02 |
典型应用实施例6：河南某尼龙厂的锅炉进水处理装置，在使用了该技术后，装置处理的锅炉进水处理前后的全硅含量某日全天监测数据（监测每4小时一次）：
| 全硅含量（μg/L） | 00：00 | 04：00 | 08：00 | 12：00 | 16：00 | 20：00 |
| 进水 | 30.23 | 35 | 36.04 | 28.22 | 24.13 | 27.61 |
| 出水 | 3.78 | 4.1 | 3.98 | 3.24 | 3.11 | 3.67 |
本发明给出的参数值是比例值，同比例的放大或者缩小，同样属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种极性纤维过滤器，其特征是：由CO2曝气装置、耐压密封容器、渐进式极性纤维过滤层、减压抽滤装置共同组成，其中渐进式极性纤维过滤层由极性纤维压制而成；所述的极性纤维是按下述方法制得：
（1）在室温下，将粘胶基活性炭纤维毡裁剪成块状，浸泡在质量浓度为20～30%的过氧化氢溶液中1～2个小时后，取出晾干；
（2）将晾干后的活性炭纤维毡置于高温活化炉中，在高纯氮气保护下以100℃/h的速度缓慢升温至300-350摄氏度后恒温，通入氯气活化10-30min；
（3）活化完毕后关闭氯气，然后在氮气保护下自然冷却至常温，即得所需极性纤维。
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