在当今信息化时代,微电子的产品周期每两年翻一番,对高纯水的要求也变得越来越高(见表1),从而促进了纯水处理技术的一次又一次的变革,水处理工艺越来越先进,脱气装置也不例外。
自然界中的水除了含有盐分、胶体、颗粒、微生物外,还溶解有很多气体,比如氧气,二氧化碳、氮气、甲烷等,由于一般水厂采用氯气消毒,从而产生氯仿、三卤甲烷(THM)等卤代烃。有些气体的存在对集成电路的生产有着严重的影响,有些气体影响着其他后续设备的运行周期和产品水质。从而,形形色色的脱气工艺产生了。
在锅炉、电厂等行业,溶解氧的存在是造成热力设备(如汽轮机等)腐蚀的主要原因,导致锅炉在运行或停用期间的氧腐蚀,所以国家对锅炉的补给水溶解氧也作出了相应规定,比如:锅炉额定蒸发量大于6m3/h的锅炉均要除氧,额定蒸发量小于6m3/h的锅炉应尽量除氧,而且16MPa以下的锅炉给水溶解氧含量必须小于lOOppb,1.6-2.5MPa的锅炉和供汽轮机用汽的锅炉给水含氧量必须小于50ppb,而一般高压锅炉的溶解氧含量需要小于7ppb。由此可以看出,锅炉电力行业中,溶解氧含量已接近微电子行业的要求,脱气也成了其补给水处理的一项重要工艺。
技术背景
1、 道尔顿分压定律
混合气体中气体的总压力和每种气体的分压遵循道尔顿分压定律,其具体含义是,气体的总压P总等于组成该混合气体的分压的总和,混合气体中各种组份的分压又与其所占的摩尔分数成正比,所以道尔顿分压定律可以用以下两个方程式来表示:
其中ni为对应气体的摩尔分数
根据该定律,我们可以在混合气体的组份含量(摩尔分数,见表2)与组分分压之间方便地进行互算。
2 、亨利定律
亨利定律定义了水中气体的溶解度与溶液表面该气体的分压成正比。其表达式为:
其中E为亨利系数,见表4
NA为溶液中气体的摩尔分数
P为溶液上方该气体的分压
根据该定律和表4中的数据,只要知道溶液上方气体的分压,就能计算出水中溶解的气体的含量。
根据该定律,我们也可以按照气体的分压和表3计算出该气体的溶解度。比如从表2可知,空气中的氧气含量或分压为20.99%,则在25℃时空气中1升水中的氧气溶解量为V=0.02831×20.99%=0.00594升。再根据下面的克拉帕龙方程式计算出该1升水中的氧气含量为8.5毫克,即8.5ppm:
式中:P为气体压力[Pa,这里为一个大气压,等于101325Pa
MV为气体的体积[m3]
km为气体的质量[g]
M为气体的摩尔质量[g/mol,氧气为32g/m01]
R为气体常数[8.314J/(K·mol)]
T为开氏温度[K]
催化原理
化学反应能否进行要根据自由能的变化,但仅仅根据自由能的变化还不能判断反应能否完成,因为化学反应的完成还取决于反应的能垒,即如果反应能垒很高,则必须为其提供一定的能量,越过能垒,完成反应。该能垒被称为活化能。而催化剂的作用就是降低该活化能,使之在相对不苛刻的环境下发生化学反应。
比如氢气和氧气的化学反应:
水中溶解氧的标准电极电位
由此计算出的自由能变化
式中F为法拉第常数96500C
Rn为参与反应的电子数,本式中等于2,
由于ΔG<0,而且很大,所以反应应能非常快地自动进行,但是在常温下反应却始终不可能完成,必须有火花等将之引燃,反应所产生的能量才能将反应继续下去。某种涂钯的树脂能起到催化剂作用,使氢气和氧气在常温下就能够化合生成水。据此原理,通过向溶解有氧气的水中通人适量氢气,在与催化剂的充分接触后,化合生成水,从而起到除氧的目的。
3 、五种常见的脱气装置
按照脱氧器工艺,我们可以分为大气式、真空式、膜分离式、棚旨催化方式;热力式五大类,大气式又可以分为鼓风式、抽风式、鼓泡式。在以往的工艺过程中,最常用的脱气方式是鼓风式和真空式 |