树脂催化去除水中溶解氧

Lewatit树脂催化去除水中溶解氧
技术信息
简介
通常使用加热系统或真空系统获得低残余氧含量的水。然而，这些方法主要的缺点在于需要很高的费用和大型设备。
另外一个可替待的方法是催化除氧。先将氢气注入待处理的水中，然后将待处理的水通过钯掺杂的树脂催化剂，根据下列化学反应式定量的除去水中的溶解氧：
2H₂＋O₂à 2H₂O
使用该方法，在使用化学等当量的氢气时，可以时水中残余氧的含量低于10μg/l.在全球使用该技术的设备中，Lewatit树脂催化剂都有被使用。
 
催化除氧的优势
与耗能的真空脱气方法相比，催化除氧的操作费用是其70％。操作费用相对较低是因为只需要加入少量的氢气：在每立方米含氧8g的水中，只需要加入1g的氢气。
操作过程环保干净，不需要额外的化学品。水是其唯一的反应产物。因此该系统非常适合来处理无矿物盐水的除氧。
这个系统可以在很宽的温度范围下使用而不会降低效率。
矿物盐也不会影响催化反应。
除了进水管，该系统不包含任何移动部件，不需要维护费用。
催化剂的结构
该催化剂是基于苯乙烯－二乙烯苯共聚合物的钯掺杂的离子交换树脂。有凝胶结构和大孔结构两种。

透明的凝胶型树脂（左）和不透明的大孔型树脂（右）
掺杂过程使钯以金属簇的形式分散在树脂球的外表面，如：直径在2－4nm的极细颗粒。因此反应物氢和氧可以快速的接近活性部位，使催化剂有着很高的催化效率。

横截面图（左）和分散的极细钯颗粒的SEM照片
 
反应机理
反应在树脂球横截面外侧的钯金属簇的表面发生。氢被吸附在金属表面。H－H键被弱化，从而形成可以和水中溶解的以三重态双自由基氧[?O-O?]反应的氢自由基[H?].
1.      H₂+Pd⁰à Pd⁰+2H?
2.      2H?+?O-O?à2HO-OH
3.      2H?+2HO-OHà2H₂0

氢分子分散在钯金属簇表面之后与水中溶解氧反应

氢和氧在树脂球表面进行反应
 
除氧催化剂
下列催化剂可以被使用在多种应用中：
Lewatit K 3433
类型：弱碱，大孔，游离碱型
应用：锅炉用水，海上注水，食品用水
Lewatit K 6333
类型：强碱，凝胶，氯型
应用：锅炉用水
Lewatit K 7333
类型：强碱，凝胶，氢氧根离子
应用：超纯水的生产
 
工厂设计
催化除氧工厂需要供氢设备，氢气分布器，氢气混合系统和催化床。在工厂中，静态的混合器延进水水流方向被固定在氢气分布器的垂直上方，如下图所示。氢气首先被分布器以小气泡的形式平稳的分散在水中，然后通过静态混合器完全溶解在水中。从混合起中流出的水不能含有任何气泡，以保证催化剂能发挥最佳功能。

工业催化除氧设备
氢储存能力
树脂的催化能力随着其分散的细钯颗粒表面吸附氢的能力增大而增大。只有当催化剂吸附氢饱和后，才能达到最大的催化能力。这需要花费一些时间，在启动之后延迟29min，待处理水中的残余氧含量达到<50μ/l时可达到。
相反的，如果氢的供应不连续，全催化能力在待处理水中的氧含量增高之前达到。
1立方米的催化剂可以吸附5－6g氢。因为1g氢可以还原8g氧，所以6m³的溶氧浓度为8g/m³(8mg/l)的水需要1m³催化剂所吸附的氢量。
启动过程中，为了加速催化剂吸附饱和的速度，推荐最开始的30min使用超过化学当量50％的氢
在停车时，推荐继续通过5－10个床体积的水通过树脂来使钯表面上吸附的氢解吸附。
 
操作信息
树脂催化剂是直径在0.4-1.3mm的球状粒子。
当树脂床直径大于500mm时，树脂床高至少是900mm。
在待处理水通过催化剂树脂床之前，必须使氢气完全溶解在水中，所以必须恰当的设计静态混合器。
25℃下，系统的压力至少为1.7bar，5℃时，系统压力至少是2.2bar。来维持氢气溶解于水中。通常推荐系统的压力在2.5-3bar之间。
催化剂中钯的含量是1g/l.在新催化剂启动时，在操作的最开始的时候，最少要损失1－3mg/l树脂。之后钯不会再损失。
 
性能数据
下列图表显示了残余氧浓度与进液氧浓度和LHSV（液时空速）的关系。通常，当残余氧浓度低于20μg/l时，推荐的LHSV最大为80。

氧残余浓度和液流速度（BV/h）的关系图
水温：20℃，进液氧浓度：8000ppb，流出液氧浓度：3－30ppb
 
可替代的还原剂
肼或者甲酸在没有催化剂的作用下与氧反应很慢，可以代替氢作为还原剂：
N₂H₄＋O₂à2H₂O+N₂
2HCO₂H＋O₂à2H₂O+2CO₂
与氢气相比，它们可以在常压下溶于水中。然而，其低性价比妨碍了其在工业中的应用。
 
催化剂失活
汞，镉或者硫化物污染物会造成催化剂不可逆失活。腐殖酸或者细菌的生长也会造成催化剂失活。
确定腐殖酸是否会影响催化剂性能的最好方法是用通过100ml催化剂树脂床运行几千个床体积的待除氧的水。
然后含有15mg肼/l的氧饱和的水溶液以80BV/h的LHSV的速度通过树脂催化剂。如果残余氧浓度在5min之内降低到< 20μg/l，说明该没有明显的污染。
如果残余氧浓度降低得非常慢或者根本没有下降，说明有污染发生，原水必须先通过适合的吸附剂处理，如：Lewatit MP 62 WS或活性炭。
 
应用：
催化法从水中除去溶解氧已经被应用在多个领域，如：化学工业中的生产用水，锅炉补给水，热循环水，超纯水，饮用水生产和海上油井注入水。
 
联系方式
有关Lewatit离子交换树脂的进一步信息可以从Bayer化工集团获得。
离子交换树脂
Tel. +49-214-30-31300
Fax. +49-214-30-66428
Internet:www.lewatit.com
 
 
 
 
除氧催化剂参考列表
 
Lewatit K 3433
产品信息
Lewatit ?  K 3433 是一类球珠态的弱碱性大孔钯掺杂聚合物树脂。
其被设计用于催化去除水中溶解的氧。将一种适当的还原剂如：氢气，溶解于待处理的水中，然后通过催化树脂床。
通过这种方法，在流速达到80m/h，温度达到120℃ 的水中残留氧浓度低于20ppb。
应用：
? 特别适用于除去饮用水生产过程中水中溶解的氧
? 特别适用于除去海上油田注水用海水中溶解氧
? 去除锅炉进水以及热循环过程中的氧
概要：

离子迁移类型:	游离碱/Pd
官能团:	叔胺
聚合物类型:	交联聚苯乙烯
结构	大孔
外观形态	灰色，不透明

物化特性：

粒径*	min  90%	mm	0.4-1.25
有效粒径*		mm	0.58-0.68
均一系数		max.	1.6
堆积密度		g/l	670
密度		g/ml	1.02
水含量		%	50-55
稳定稳定范围		℃	-20-120
推荐储存温度		℃	1－40
操作pH范围			5－14
树脂床高		min.mm	900
比压损失	大约15℃	kPa*h/m2	1.1
最大压力损失		kPa	250
树脂床膨胀	反洗（20℃）	大约m/h	3
树脂床膨胀	20℃，m/h	大约％	30
推荐空塔空间		BV	1
储存时间		年	2

*这些数据是特定值，需要持续监测。
 
Lewatit K 6333
产品信息
Lewatit ?  K 6333 是一类球珠态的强碱性凝胶型钯掺杂聚合物树脂。
其被设计用于催化去除水中溶解的氧。将一种适当的还原剂如：氢气，溶解于待处理的水中，然后通过催化树脂床。
通过这种方法，在流速达到80m/h，温度达到70℃ 的水中残留氧浓度低于20
μg/l。
应用：
所有需要除氧水的工业应用。
操作信息：汞，镉，硫化物，有机污染物（如腐殖酸盐）等中毒或者微生物的生长会使其失去催化活性。只有存在足够的溶解还原剂存在的情况下，最大的催化活性才会被保持。
 
概要：

离子迁移类型:	Cl－/Pd
官能团:	季胺I型
聚合物类型:	交联聚苯乙烯
结构	凝胶
外观形态	灰色，半透明

物化特性：

粒径*	min  90%	mm	0.4-1.25
有效粒径*		mm	0.52
均一系数		max.	1.6
堆积密度		g/l	650－750
密度		g/ml	1.08
水含量		%	45－49
稳定稳定范围		℃	1－70
推荐储存温度		℃	1－40
操作pH范围			5－10
树脂床高		min.mm	900
比压损失	大约15℃	kPa*h/m2	1.1
最大压力损失		kPa	150
树脂床膨胀	反洗（20℃）	大约m/h	8
树脂床膨胀	20℃，m/h	大约％	10
推荐空塔空间		BV	1
储存时间		年	2

*这些数据是特定值，需要持续监测。
 
Lewatit K 7333
产品信息
Lewatit ?  K 7333 是一类球珠态的强碱性凝胶型钯掺杂聚合物树脂。
其被设计用于催化去除水中溶解的氧。将一种适当的还原剂如：氢气，溶解于待处理的水中，然后通过催化树脂床。
通过这种方法，在流速达到80m/h，温度达到40℃ 的水中残留氧浓度低于20μg/l。
应用：
特别适用于超纯水的生产过程中去除水中溶解的氧。
操作信息：汞，镉，硫化物，有机污染物（如腐殖酸盐）等中毒或者微生物的生长会使其失去催化活性。只有存在足够的溶解还原剂存在的情况下，最大的催化活性才会被保持。
概要：

离子迁移类型:	OH－/Pd
官能团:	季胺I型
聚合物类型:	交联聚苯乙烯
结构	凝胶
外观形态	浅黄色，半透明

物化特性：

粒径*	min  90%	mm	0.4-1.25
有效粒径*		mm	0.52
均一系数		max.	1.6
堆积密度		g/l	650－750
密度		g/ml	1.08
水含量		%	63－68
稳定稳定范围		℃	1－40
推荐储存温度		℃	1－30
操作pH范围			5－14
树脂床高		min.mm	900
比压损失	大约15℃	kPa*h/m2	1.1
最大压力损失		kPa	150
树脂床膨胀	反洗（20℃）	大约m/h	8
树脂床膨胀	20℃，m/h	大约％	10
推荐空塔空间		BV	1
氯含量		max.mg/l	300
储存时间		年	2
推荐储存条件			干燥室内

*这些数据是特定值，需要持续监测。