用在线硼分析技术优化离子交换工艺监测

简介

有效管理离子交换（IX，Ion exchange）树脂床，对于实现超纯水（UPW，Ultrapure Water）系统的最 佳性能来说至关重要。再生和更换离子交换树脂时采取的预防性维护（PM，Preventative Maintenance）计划具有固定的实施频率和很强的时效性；与之相比，在混合树脂床和抛光环路树脂床后面连续实时监测超纯水水质则是更好的控制策略。

如果在基于时间的树脂更换再生之前，树脂床即将耗尽，有害离子污染物就会进入超纯水。相反，如果过于频繁地再生或更换树脂，则会不必要地增加运营成本。由于离子亲和性的差异，用在线型硼浓度分析仪来检测离子交换的有效性，要优于用在线型二氧化硅分析仪来达到同样目的。

按固定时间间隔

再生树脂床的缺点

有许多方法可用来确定何时应再生主混合床树脂和更换抛光环路树脂。虽然没有任何一种方法能在所有应用中都达到最 佳效果，但有一种方法已被证明有很大的不足之处，那就是按照固定频率和基于时间来再生和更换树脂的方法。基于时间的树脂再生方法可能会导致三种结果，其中两种结果不利于提高工艺产出和降低运营成本。

实时在线分析技术能够连续监测主混合床树脂和抛光环路树脂，从而及时发现树脂即将耗尽的迹象。但在此技术发明之前，人们大多采用有固定实施频率的、基于时间的预防性维护（PM）方法来再生和更换离子交换树脂。这使得人们过于依赖这种按照固定时间间隔来再生主混合床树脂的传统方法。

这种传统方法会导致以下三种结果之一：

再生/更换太早

再生/更换太晚

再生/更换恰逢其时

图1是某工厂管理离子交换床的示例。左边的绿箭头表示未充分利用树脂床容量，右边的红箭头表示树脂床正在耗尽。黑箭头表示树脂再生（或树脂更换）的最 佳时间点，此点的位置会因不同的用户和工艺而异。

再生太早

如果太早再生树脂，就无法充分利用树脂床的容量。当只有一部分（有时是很小一部分）树脂含有饱和的离子污染物时，却再生整个树脂床，就会浪费树脂。过度再生还会加快树脂的降解（物理降解和化学降解）。没必要地过早更换树脂，必然会增加运营成本和材料成本。这种太早再生树脂的错误结果通常被归类为生产商风险，即因产生不必要的废料和运营成本而损害生产工艺。

再生太晚

如果太晚再生树脂，则会使离子污染物从主混合床树脂中释放出来，进入抛光环路树脂。然而这种情况并不常见，因为绝大多数依赖基于时间的树脂再生计划的用户都会采取非常保守的方法来避免发生这种情况，但这只会导致比过早再生树脂还要低下的运营效率。这种错误结果通常被归类为消费者风险，即向工艺下游传递缺陷。

再生恰逢其时

从实际角度来看，以恰如其分的固定时间频率来再生树脂是极其困难的，甚至是做不到的。许多因素会影响树脂清除离子杂质的能力，而这些因素本身都是变量。二氧化碳浓度、温度、进水中的污染物浓度、上游水处理工艺、树脂年龄等都是变量，都会影响树脂床的有效使用寿命。人们进行了树脂的特性研究，试图利用数据来准确评估树脂的预期使用寿命，但可变的影响因素太多，限制了研究方法的成功。

污染

如果想要有效地管理混合床树脂，就必须监测树脂床的实际性能。如果缺少对分析数据的充分评估，就会导致运营效率低下和不必要的风险。只有采用分析技术，才能有效地监测树脂性能，因为分析技术可以检测到最 先从即将耗尽的树脂床中释放出来的污染物，可以以万亿分之一（ppt）浓度级别来监测污染物，以排除污染下游抛光树脂的可能性。

Sievers® Boron Ultra在线型超纯水（UPW）硼分析仪能够测量低ppt浓度的硼，从而发现树脂耗尽的最 早迹象。人们通常在此类应用中使用二氧化硅分析仪，但有关文献已充分证明，硼总是先于二氧化硅从即将耗尽的混合床树脂中释放出来。此外，在线型二氧化硅分析仪的检测限较高，这意味着当二氧化硅分析仪报告定量结果时，二氧化硅和硼已经从树脂床中出来很久了。

成本效益高、风险低的树脂管理方法应具备以下特点：

能够连续监测潜在污染物

对即将耗尽的树脂床释放的第 一批污染物具有高敏感性

定量结果为万亿分之一（ppt）浓度单位，以避免污染下游

离子交换树脂床的在线硼监测技术已在全 球范围内被应用。此技术能够减少抛光环路树脂的污染物负荷，延长主混合床树脂再生之间的运行时间，为用户节省大量的生产成本，同时大大降低释放污染物的风险。

结论

卓有成效的树脂管理要求根据明确且可测量的指标参数来评估树脂床的实际性能，而基于时间的方法无法满足要求，这是因为此法虽然可以避免污染下游工艺，但必须付出运营成本过高的代价。只有进行连续的在线硼监测，才能在规避风险的同时最 大限度地提高工艺效率和降低运营成本。