混床运行周期优化策略与实践：基于多案例的深度剖析

引言

在混床运行优化方面，国内通过对混床再生工艺的改进，取得了显著成效。例如，开发了分步再生、同时再生等新型再生工艺，根据树脂的失效程度和离子交换特性，合理控制再生剂的加入顺序和用量，提高了树脂的再生效果，延长了混床的运行周期。通过优化混床的运行操作流程，实现了自动化控制，实时监测和调整混床的运行参数，确保混床始终处于最佳运行状态。

一、混床运行基本原理与关键影响因素

1.1 混床运行原理概述

混床，即混合离子交换床，是一种将阳离子交换树脂和阴离子交换树脂按照一定比例均匀混合装填于同一交换容器内的高效水处理设备 [1] 。在混床运行时，水从混床顶部进入，通过混合的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂层。水在流经树脂层的过程中，阳离子和阴离子的交换反应几乎同时进行 。水中的阳离子与阳离子交换树脂上的氢离子交换，阴离子与阴离子交换树脂上的氢氧根离子交换，而交换产生的氢离子和氢氧根离子又会结合生成水 。这一过程不断循环，使得水中的阴阳离子被逐步去除，从而实现对水质的深度净化。经过混床处理后的水，其电导率大幅降低，通常可达到极低的水平，如在电子工业等对水质要求极高的领域，混床出水的电导率可达到 0.1μS/cm 以下，硅含量也能控制在极低的范围内，满足了生产过程对高纯度水的严格要求。

1.2 影响混床运行周期的主要因素

1.2.1 进水水质

混床的进水水质是影响其运行周期的关键因素之一，不同水源的水质存在显著差异，这些差异会对混床的运行效果产生直接影响[2]。地表水作为常见的水源，其水质受自然环境和人类活动的双重影响。由于地表水中存在大量的悬浮物，如泥沙、藻类、植物碎屑等，这些悬浮物在进入混床后，会逐渐堆积在树脂表面，阻碍离子交换反应的进行。悬浮物还可能堵塞树脂的微孔结构，降低树脂的有效交换面积，导致混床的运行周期缩短 。地表水的有机物含量也相对较高，这些有机物包括腐殖酸、富里酸等，它们会与树脂发生吸附作用，使树脂的交换基团被覆盖，从而降低树脂的交换容量 。有机物还可能在混床内滋生微生物，进一步恶化水质，影响混床的运行周期。研究表明，当进水中的化学需氧量超过 5mg/L 时，混床的运行周期会明显缩短。

地下水中的离子含量相对较高，尤其是钙、镁等离子，这些离子会使水具有较高的硬度。高硬度的进水会使混床中的树脂迅速饱和，导致运行周期大幅缩短。

1.2.2 树脂性能

树脂作为混床实现离子交换的核心材料，其性能优劣对混床运行周期有着至关重要的影响。不同类型的树脂在结构和性能上存在显著差异，从而导致其在混床中的应用效果各不相同。凝胶型树脂是一种较为常见的离子交换树脂，其内部结构紧密，具有较高的交换容量。由于其孔道较小，在处理含有大分子有机物或胶体物质的进水时，容易受到污染。

大孔型树脂则具有独特的大孔结构，这种结构使其具有良好的抗污染性能。即使在处理含有较多有机物和胶体的进水时，大孔型树脂仍能保持相对稳定的性能 。某制药厂采用大孔型树脂的混床处理含有多种有机物的制药废水，混床运行周期能够稳定保持在 15~20 天左右。大孔型树脂的大孔结构为离子交换提供了更大的空间，有利于大分子物质的扩散和交换，减少了污染物在树脂内部的积累，从而延长了树脂的使用寿命和混床的运行周期。

树脂的交换容量是衡量其离子交换能力的重要指标，它直接关系到混床的运行周期。随着混床运行时间增加，其交换容量会逐渐下降，这主要是由于树脂受到污染、老化以及磨损等因素的影响[3]。当树脂受到重金属离子污染时，这些重金属离子会与树脂的交换基团发生强烈的结合，占据交换位点，导致树脂的交换容量降低 。对于老化的树脂，由于其内部结构的破坏和交换基团的脱落，交换容量会逐渐降低，此时可能需要更换新的树脂，以保证混床的正常运行周期。

1.2.3 再生操作

再生操作是混床运行过程中的关键环节，它直接影响树脂的再生度，进而对混床的运行周期产生重要影响。再生操作主要包括多个步骤，每个步骤都有其关键参数需要严格控制[4]。在反洗时要彻底去除树脂层中的悬浮物、碎粒树脂以及其他杂质 。反洗流速是一个关键参数，若反洗流速过低，无法有效松动树脂层，杂质难以被去除；若反洗流速过高，则可能导致树脂流失。在混床再生时，将反洗流速控制在 10^～15m/h ，控制反洗时间在 15^～30 分钟能够使树脂层充分松动，有效去除杂质。

分层步骤是将混床中的阴阳离子交换树脂按照密度差异进行分离。影响分层效果的因素较多，树脂的失效程度、湿真密度差以及反洗强度等。树脂失效程度越大，分层越容易；阴阳树脂的湿真密度差越大，分层效果越好。在实际操作中，通过调整反洗强度和时间，可以改善分层效果。某化工企业在混床再生时，通过适当增加反洗强度，使阴阳树脂的分层界面更加清晰，提高了分层效果，有利于后续的再生操作。

再生操作的核心步骤，再生剂的浓度、用量和操作时间对树脂的再生度有着关键影响。以盐酸作为阳离子交换树脂的再生剂为例，当再生剂浓度过低时，树脂与再生剂之间的离子交换反应不充分，树脂的再生度无法达到要求；而当再生剂浓度过高时，可能会对树脂造成损害，影响树脂的使用寿命 。研究表明，对于强酸性阳离子交换树脂，适宜的盐酸再生剂浓度一般在 3%~5% 之间。

1.2.4 运行方式

混床常见的运行方式主要有氢型和氨型两种，这两种运行方式在工作特点和对混床运行周期的影响方面存在显著差异。氢型运行方式下，混床中的阳离子交换树脂以氢型（RH）形式存在，阴离子交换树脂以氢氧型（ROH）形式存在 。在离子交换过程中，水中的阳离子与阳离子交换树脂上的氢离子（H ）发生交换，阴离子与阴离子交换树脂上的氢氧根离子（OH ）发生交换，反应生成水。这种运行方式的优点是对水中的各种离子具有较强的去除能力，能够制备出高纯度的水，出水水质优良，电导率通常可达到极低水平，硅含量也能控制在极低范围内，在电子工业、制药等对水质要求极高的领域应用广泛。氢型运行方式也存在一些缺点，由于其对水中的氨也具有较强的交换能力，会消耗大量的阳离子交换树脂的交换容量 。氨型运行方式则有所不同，在这种运行方式下，混床中的阳离子交换树脂部分或全部转变为铵型（ RNH₄) ）。在运行过程中，铵型阳离子交换树脂主要对水中的钠离子等其他阳离子进行交换，而对氨的交换能力较弱，从而减少了对阳离子交换树脂交换容量的消耗。氨型运行方式下，混床的运行周期相对较长。

二、优化操作提高混床运行周期的策略

2.1 优化运行参数

2.1.1 调整混床运行流量

某公化水装置凝结水混床在初始运行时采用二运三备的模式，每台混床处理 50% 的凝结水流量，运行流量为 80^～110t/h ，混床运行周期仅为 4^～6 天，经研究发现，混床运行流量与运行周期之间存在显著的关联。当混床运行流量较大时，水与树脂的接触时间较短，离子交换反应无法充分进行 ，导致树脂的交换容量不能得到有效利用，部分离子未能被完全去除，从而使混床较快达到失效状态，运行周期缩短。为了延长混床运行周期，将运行模式改为三运二备，使每台混床的凝结水处理流量降低至 38% 。在总流量不变的情况下，每台混床的运行流量相应降低。通过实际运行监测发现混床运行周期显著延长。这是因为降低流量后，水在混床内的停留时间增加，离子交换反应更加充分，树脂能够更有效地去除水中的离子，从而延长了混床的运行周期 。

合理调整混床运行流量，不仅能够延长混床运行周期，提高树脂的利用效率，还能降低再生频率，减少酸碱等再生剂的消耗，降低生产成本和环境污染。

2.1.2 控制进水水质

进水水质对混床运行周期有着至关重要的影响，因此，加强水源监测与预处理是优化混床运行的关键环节。对于以地表水为水源的混床系统，由于地表水中存在大量的悬浮物、有机物和微生物等杂质，这些杂质会在混床运行过程中逐渐积累在树脂表面，堵塞树脂的微孔结构，降低树脂的交换容量，从而缩短混床的运行周期 。控制进水电导率等关键指标也是保证混床正常运行的重要措施。进水电导率反映了水中离子的总浓度，电导率越高，水中的离子含量越多，混床的离子交换负担就越重，运行周期就越短 。控制进水电导率，加强了对进水水质的监测，当发现进水电导率升高时，及时调整预处理工艺，如增加反渗透膜的清洗频率、更换活性炭等，以降低进水中的离子含量 。

2.2 改进再生工艺

2.2.1 保证再生剂质量与用

再生剂的质量与用量对混床再生效果和运行周期起着关键作用。再生剂的浓度和纯度是影响再生效果的重要因素。在实际运行中，以某电厂为例，该厂在混床再生过程中，起初由于对再生剂质量把控不严，使用的盐酸和氢氧化钠浓度不稳定，且含有较多杂质 。在一次再生操作中，使用的盐酸浓度比标准浓度低了 2%，氢氧化钠中杂质含量超出标准 5%，导致树脂再生不充分，混床运行周期从原本的 10^～12 天缩短至 6~8 天。这是因为再生剂浓度过低，无法提供足够的离子驱动力，使树脂与再生剂之间的离子交换反应不彻底，树脂的交换容量不能得到有效恢复；而再生剂中的杂质会在再生过程中与树脂发生不良反应，占据树脂的交换位点，降低树脂的再生度 。

为了解决这一问题，该厂加强了对再生剂质量的检测与控制。在采购再生剂时，严格按照质量标准选择供应商，要求供应商提供详细的产品质量检测报告，确保盐酸和氢氧化钠的浓度符合要求，纯度达到 99% 以上。在再生剂储存和使用过程中，定期对其浓度和纯度进行检测 。通过这些措施，保证了再生剂的质量稳定，使树脂的再生度得到显著提高。在后续的运行中，混床运行周期稳定在 12^～15 天，提高了生产效率，降低了生产成本。

2.2.2 优化再生步骤

在混床再生过程中，各个步骤的优化对于提高树脂再生度和延长混床运行周期至关重要。树脂擦洗是再生前的重要步骤，它能够有效去除树脂表面和内部的污染物，恢复树脂的活性。在实际操作中，可采用空气擦洗和水擦洗相结合的方式。某电厂在混床树脂擦洗时，先通入压缩空气进行擦洗，空气流速控制在 15~20L/（min·m²），擦洗时间为 10^～15 分钟，使树脂在空气的搅拌下相互摩擦，去除表面的污垢和杂质 。然后进行水擦洗，水的流速控制在 8^～10m/h ，擦洗时间为 15^～20 分钟，进一步冲洗掉被松动的污染物 。通过空气和水交替擦洗的方式，能够更彻底地清洁树脂，提高树脂的再生效果，混床树脂的再生度提高了 15%左右，混床运行周期延长了 3^～5 天。

置换步骤同样需要精细控制。置换是用除盐水将残留在树脂层中的再生剂和反应产物冲洗掉，以提高树脂的再生效果。置换流速和时间的控制对置换效果有着重要影响。若置换流速过快，再生剂和反应产物无法被充分冲洗掉，会残留在树脂层中，影响树脂的性能；若置换流速过慢，则会延长再生时间，降低生产效率 。

三、结论

研究通过对混床运行周期的深入研究，明确了进水水质、树脂性能、再生操作和运行方式等是影响混床运行周期的关键因素。进水水质中的悬浮物、有机物、离子含量和电导率等对混床运行周期有着显著影响，悬浮物和有机物会污染树脂，降低树脂的交换容量，高离子含量和电导率会使树脂更快达到饱和状态，缩短运行周期 。不同类型的树脂在交换容量、抗污染性能等方面存在差异，凝胶型树脂交换容量高但抗污染能力弱，大孔型树脂抗污染性能好但交换容量相对较低，树脂的污染和老化也会导致其交换容量下降，进而影响混床运行周期 。

参考文献：

[1] 王江山 . 混床制水量异常降低分析及对策 [J] 工程技术电子刊 .024.11 ：133-134

[2] 李建平 . 炼化企业混床中排装置损坏原因分析及处理 [J] 化学工程与装备 .2021.9 ：185-186

[3] 马运娟 . 离子交换树脂处理性能的原因及措施 [J] 氮肥技术 .2024.03 ：43-45

[4] 周小林 . 离子交换树脂运行中存在的问题及解决对策 [J] 云南化工 .2024.03 ：97-98

作者简介：李建平（1973 年11 月），男，高级工程师，研究方向：化学水处理和循环水处理