離子交換樹脂的電再生技術(shù)(EDI)

1、離子交換樹脂的電再生技術(shù)（EDI）離子交換水處理的主要方式有混床和復(fù)床兩種，混床和復(fù)床樹脂的電再生各有不同的特點。下面將在簡述混床樹脂電再生的基礎(chǔ)上，著重討論復(fù)床樹脂電再生特點、原理和試驗研究結(jié)果及電再生器的結(jié)構(gòu)。1 混床樹脂電再生 在EDI過程中，水電離所產(chǎn)生的H+和OH-離子，不斷地自再生填充在淡水室內(nèi)的樹脂，這一自再生作用是EDI凈水設(shè)備得以連續(xù)出水且出水水質(zhì)很高的關(guān)鍵因素。因此，如果制造出結(jié)構(gòu)上類似于EDI凈水設(shè)備而其淡水室不填混床樹脂的電再生器，那么設(shè)法將失效的混床樹脂送入其中，并通電和通純水，使該電再生器運行一段時間，這些失效的混床樹脂就必然得到徹底再生。 在這一電再生器的再生室內(nèi)

2、，水電離所產(chǎn)生的H+和OH-離子不斷地電再生失效的混床樹脂，從其樹脂上置換下來的鹽類離子，又受電場作用不斷地被遷移至濃水室排出。失效混床陰、陽樹脂，從鹽基型轉(zhuǎn)為H、OH型樹脂，完成了再生過程。由于失效樹脂不流動，稱這種方式為靜態(tài)體外電再生。相應(yīng)地，只要源源不斷地將失效混床樹脂送入樹脂體外電再生器，就有再生好的混床樹脂從其中徐徐流出，從而實現(xiàn)了混床樹脂的動態(tài)體外電再生，其工作原理示意地如圖1所示。圖1 混床樹脂動態(tài)體外電再生原理示意圖1陰膜；2陽膜；3混床樹脂電再生室；4下部失效混床樹脂；5中部已部分再生的混床樹脂；6上部已再生混床樹脂。 混床樹脂體外電再生是在直流電場作用下，利用水作為再生劑，

3、用它代替酸堿再生失效混床樹脂，再生時不必采用分離、再生、混合、清洗等復(fù)雜的再生步驟，只需用水力輸送法將失效混床樹脂送入體外電再生器進(jìn)行再生，不用酸、堿化學(xué)藥劑，對環(huán)境無污染，只消耗少量電能，使用方便，費用低廉，使傳統(tǒng)的離子交換水處理工藝發(fā)生根本性的變化。 除了普通混床外，還有凝結(jié)水精處理用高速混床，這種混床通常在120 m/h的高流速下工作，樹脂失效后要靠水力輸送至專門的樹脂再生裝置進(jìn)行酸堿化學(xué)再生，再生后再回輸至原高速混床使用。這時將酸堿化學(xué)再生改用體外再生就很方便，因為輸送系統(tǒng)是現(xiàn)成的，只需將體外電再生器串聯(lián)在樹脂輸送系統(tǒng)中就可，由于電再生時陰、陽樹脂不必分離，所以也沒有酸堿化學(xué)再生時常見

4、的發(fā)生交叉污染的憂慮。 為獲得電子、醫(yī)藥或其他行業(yè)用電導(dǎo)率0.055S/cm（電阻率18.2 Mcm）的理論純水，在普通混床或EDI凈水設(shè)備后，通常還裝設(shè)拋光混床進(jìn)行最終的精處理。這種拋光混床用樹脂是相對密度很接近的陰樹脂和陽樹脂的混合物，由于無法將這種樹脂的陰、陽樹脂分離，不能用酸堿將它們分別再生，所以這種拋光樹脂失效后，棄之不用。如果采用電再生來再生這種廢的陰、陽樹脂，就可將其混合后，一起電再生為可用的新再生樹脂，變廢為寶，經(jīng)濟(jì)效益極高。 清華大學(xué)、天津大學(xué)、武漢大學(xué)和華北電力大學(xué)等高等院校與企業(yè)合作，組成五個研究團(tuán)隊，驗證了樹脂電再生的可行性。試驗證明，失效樹脂經(jīng)電再生后的再生度可達(dá)到與

5、化學(xué)法再生相媲美的程度4。2 復(fù)床樹脂體外電再生2.1 特點 復(fù)床是指陽樹脂和陰樹脂分置于兩個設(shè)備中，一為陽床，另一為陰床，以區(qū)別于這兩種樹脂混合同置于一個設(shè)備中的混床。又由于復(fù)床在水處理系統(tǒng)流程中位置靠前，承擔(dān)絕大部分脫鹽負(fù)載，所以與混床相比，其電再生有不同的特點：1）陽床與陰床再生不同步 在復(fù)床水處理系統(tǒng)再生實踐中，陽床與陰床再生往往不同步，需要在不同時刻分別再生。在混床樹脂送入上述體外電再生器再生時，由于水電離產(chǎn)生的H+和OH-離子都得到利用，因而濃水室排水呈中性。在復(fù)床電再生時，若先再生陽床失效樹脂，則利用了H+離子，未利用OH-離子，因而濃水室排水呈微堿性；若另一時刻再再生陰床失效樹

6、脂，則利用了OH-離子，未利用H+離子，因而濃水室排水呈微酸性。這些微堿（或酸）性的排水，若能收集來再生相應(yīng)的陰（或陽）床，則要另外增添再生設(shè)備及系統(tǒng)；若直接排放，則因分別再生陽床與陰床而增加體外電再生的耗電量。2）要求體外電再生器的再生強度高 與混床相比，復(fù)床通常承擔(dān)絕大部分脫鹽負(fù)載。如以一級復(fù)床與一級混床的串聯(lián)脫鹽系統(tǒng)為例，復(fù)床需承擔(dān)90 脫鹽負(fù)載，也就是水中絕大部分鹽分都要靠復(fù)床除去。復(fù)床解聯(lián)停用供再生的時間通常為824h，所以體外電再生的所有操作應(yīng)在8 h內(nèi)完成。由于復(fù)床的脫鹽負(fù)載大，在短時間內(nèi)的電再生強度也就大，因此復(fù)床體外電再生器應(yīng)是高再生強度的電再生設(shè)備。3）硬度離子在膜上結(jié)垢的

7、影響 混床作為水處理系統(tǒng)中的精處理設(shè)備，主要用來除去水中殘余NaCl鹽分，因而失效陽樹脂呈Na型；復(fù)床用來除去水中絕大部分鹽分，因而失效陽樹脂除有Na型外還有Ca、Mg型。在復(fù)床失效陽樹脂進(jìn)入體外電再生器再生時，由于再生室內(nèi)有大量OH-離子的存在，離子交換膜的表面及其離子孔道就有可能被Ca(OH)2和Mg(OH)2沉淀物所阻塞，使離子交換膜喪失對離子的選擇性遷移作用，因此，混床樹脂再生用的體外電再生器不能直接用于復(fù)床失效陽樹脂的電再生。4) 樹脂表面無機和有機沉淀物的影響 由于復(fù)床在水處理系統(tǒng)流程中的位置靠前，若除去水中懸浮物和有機物的預(yù)處理設(shè)備工作不好，則會在樹脂表面結(jié)有無機沉淀物和滋生有機

8、物。在復(fù)床樹脂電再生時，這些無機和有機沉淀物隨樹脂一起帶入體外電再生器，這會嚴(yán)重污染或堵塞離子交換膜，影響再生效果，使體外電再生器不能正常工作，因此，這時需在樹脂電再生之前，增加樹脂擦洗工序，將樹脂清洗干凈后再送入體外電再生器再生。2.2 原理 復(fù)床樹脂與混床樹脂相比，其體外電再生器的區(qū)別在于：復(fù)床樹脂電再生器膜對構(gòu)成中增添了雙極膜，這相當(dāng)于在混床樹脂電再生室中間插了雙極膜，將其一分為二，一變?yōu)閺?fù)床中陽床樹脂電再生室，另一變?yōu)閺?fù)床中陰床樹脂電再生室。這時，在直流電場作用下，水電離所產(chǎn)生的H+和OH-離子，分別進(jìn)入各自的陽、陰離子再生室，與相應(yīng)的失效樹脂發(fā)生交換反應(yīng)，使失效樹脂相應(yīng)轉(zhuǎn)化為H型和O

9、H型，實現(xiàn)電再生。同時，又避免發(fā)生對樹脂電再生過程有危害的副反應(yīng)，因為復(fù)床位于脫鹽系統(tǒng)的前端，失效陽床樹脂除了吸著了水中所含的大部分離子外，還吸著了水中所含的全部Ca2+和Mg2+離子，如果將這種樹脂送入原來的混床電再生室中，那么電再生時水電離所生成的H 離子可與樹脂上所含Ca2+、Mg2+和Na+ 離子交換，交換下來的Ca2+和Mg2+離子就可能與水電離所生成的OH離子發(fā)生反應(yīng)，生成Ca(OH)2或Mg(OH)2沉淀，覆蓋在樹脂或膜的表面，堵塞孔道，影響后續(xù)的離子遷移、擴散和交換過程，最終使樹脂電再生難以持續(xù)下去。 所謂雙極膜是由陰離子交換樹脂層、陽離子交換樹脂層和中間界面親水層所組成，在直

10、流電場的作用下，它能將水直接電離為H和OH離子，并受電場力作用形成彼此反向的離子流。因此將一張雙極膜插在原一個混床樹脂再生室中間，就可將其分成復(fù)床再生用陰、陽床樹脂各自再生的兩個電再生室。只要將失效陽床的陽樹脂和失效陰床的陰樹脂，分別送入各自的陰、陽樹脂體外電再生室，經(jīng)一定再生時間，就能獲得再生程度與酸堿化學(xué)再生相媲美的新鮮再生樹脂。在樹脂流動情況下，復(fù)床動態(tài)體外電再生原理示意圖，如圖2所示。 圖2 復(fù)床樹脂動態(tài)體外電再生原理示意圖1陰膜；2陽膜；3下部失效陽樹脂；4中部已部分再生的陽樹脂；5上部已再生陽樹脂；6雙極膜； 7上部已再生陰樹脂；8中部已部分再生的陰樹脂；9下部失效陰樹脂。2.3

11、試驗研究結(jié)果 1992年美國Millipore公司設(shè)計了利用雙極膜的EDI技術(shù)并申報了專利5。據(jù)報道，在原水的電導(dǎo)率為1 S/cm的條件下，雙極膜界面電壓降大于1 V，測得電流效率低于30 %，雙極膜水解離所產(chǎn)生的H+和OH-離子的濃度可達(dá)到104 mg/L以上，而原水中雜質(zhì)離子濃度僅為10-210-5 mg/L，兩者離子濃度相差106109倍。這一比例與傳統(tǒng)的化學(xué)再生相比，要高出25個數(shù)量級，所以，這時，樹脂的再生度應(yīng)比化學(xué)再生法高。 河北建筑科技學(xué)院的幾位青年教師，在受作者樹脂電再生發(fā)明的啟發(fā)下，完成了混床離子交換樹脂電再生的試驗研究后，又與河北電力設(shè)備廠工程師及太原理工大學(xué)教師合作，進(jìn)行

12、了利用雙極膜的復(fù)床樹脂電再生試驗（河北省2000年科學(xué)技術(shù)研究攻關(guān)指導(dǎo)計劃項目00213093）6。他們采用了國產(chǎn)雙極膜及其它材料，按照Millipore公司利用雙極膜的EDI技術(shù)，制造了在雙極膜兩側(cè)分別填裝陰、陽樹脂的EDI裝置。復(fù)床離子交換樹脂電再生的試驗結(jié)果表明，當(dāng)再生電壓為60 V和再生時間為60 min時，該試驗裝置樹脂電再生的效果接近化學(xué)再生的效果，顯示了良好的技術(shù)可行性。華中科技大學(xué)曹練成和鄧泳南，也進(jìn)行了利用雙極膜的復(fù)床樹脂電再生試驗（1999年湖北省科委重點科技計劃項目992P1202）7，得出與上述試驗相同的結(jié)論。 北京國電龍源環(huán)保工程有限公司和華北電力大學(xué)，把利用雙極膜進(jìn)

13、行復(fù)床樹脂電再生作為實施樹脂電再生技術(shù)的重點來進(jìn)行開發(fā)。他們實施樹脂電再生技術(shù)的工作是由本文作者作為樹脂電再生專利發(fā)明人建議、北京國電龍源環(huán)保工程有限公司申辦的，并將它列為2001年國家電力公司科技基金項目（SP-2001-02-25）。試驗結(jié)果表明，對陰樹脂的再生效果很好，達(dá)到或超過堿再生的效果，而對陽樹脂的再生效果稍差8。他們沒有進(jìn)一步深入研究，去查找原因，改進(jìn)陽樹脂的再生效果，卻放棄了利用雙極膜直接進(jìn)行樹脂電再生的研究，改而進(jìn)行用雙極膜制備酸、堿的試驗，用制得的酸、堿來分別再生復(fù)床中的陽床和陰床，認(rèn)為這是最合適于復(fù)床樹脂再生的方法。利用雙極膜制備酸、堿這個課題尚有不少問題要解決，看來似乎

14、很簡單，實際上很難實施，所以，利用雙極膜制備酸堿要達(dá)到實用階段，還可能要落在復(fù)床電再生產(chǎn)業(yè)化之后實現(xiàn)。另一方面，他們已放棄利用雙極膜直接進(jìn)行樹脂電再生的研究，而且在這方面他們的研究還遲于他人的研究，但是他們卻去申報“雙極膜水解離法再生離子交換樹脂的方法和裝置”發(fā)明專利，聲稱雙極膜水解離法優(yōu)于化學(xué)再生法，試圖獲得利用雙極膜電再生樹脂的專利權(quán)。這使人疑惑，這是商業(yè)上的炒作，還是另有其它原因。2.4 電再生器的結(jié)構(gòu) 本文作者根據(jù)開發(fā)離子交換樹脂電再生的實踐，不失時機地申報了“復(fù)床離子交換樹脂電再生裝置”實用新型專利9，用它作為“離子交換樹脂電再生方法及裝置”發(fā)明專利的補充。該實用新型專利，除提出雙極

15、膜將原混床用樹脂電再生室一分為二，將它分為復(fù)床中陽床樹脂的電再生室和陰床樹脂的電再生室以外，還提出在濃水室內(nèi)按等空隙法填充導(dǎo)電樹脂。這可降低濃水室電阻，提高電流效率，也省去了濃水循環(huán)或濃水加鹽等麻煩措施。 圖3 是復(fù)床離子交換樹脂電再生器（雙膜對）的剖面示意圖。由圖3可知，復(fù)床離子交換樹脂電再生器主要包括膜堆、電極裝置和端部夾緊裝置三部分，膜堆的基本單元為膜對18，膜堆由若干個膜對18組合而成，每個膜對18依次有陰離子交換膜 5、陰床樹脂電再生空心隔板6、雙極膜7、陽床樹脂電再生空心隔板8、陽離子交換膜9和濃水室空心隔板10各一張按固定的程序交替排列組成。在陰床和陽床樹脂電再生室的入口，分別與

16、失效的陰床和陽床樹脂出口相連接，用純水按水力輸送法將失效陰、陽樹脂分別送入陰床樹脂點再生室空心隔板6和陽床樹脂電再生室空心隔板8的空腔中，直至樹脂填滿再生室為止。濃水室空心隔板10 空腔中已填滿導(dǎo)電樹脂13、以降低樹脂電再生器工作時濃水室的電阻。陰床樹脂電再生室空心隔板6，厚為1020 mm；陽床樹脂電再生室空心隔板8，厚為1020 mm；濃水室空心隔板10 ，厚為5 mm。這些隔板均用硬質(zhì)聚丙烯制成。陰離子交換膜 5 和陽離子交換膜9可用異相膜制成，這種膜和雙極膜7均為柔性材料，它們與上述剛性隔板壓緊在一起，靠膜的形變，達(dá)到密封，不漏水。并聯(lián)排列的膜對18 數(shù)越多，單臺復(fù)床離子交換樹脂電再生

17、器可電再生失效樹脂的數(shù)量就越大。 電極裝置設(shè)置在膜堆外側(cè)兩端，包括正電極隔板2、正電極3、正電極室4、負(fù)電極 14、負(fù)電極室 15和負(fù)電極室隔板16。 夾緊裝置設(shè)置在電極裝置外側(cè)兩端，包括左右夾緊板（1，17）以及16對螺栓 19，按一定順序擰緊螺栓上的螺母，就可將若干個膜對18、電極隔板（2，16）和左右夾緊板（1，17）壓緊成一個整體裝置。 圖3 復(fù)床離子交換樹脂電再生器（雙膜對）的剖面示意圖1左夾緊板；2正電極隔板；3正電極；4正電極室；5陰離子交換膜；6陰床樹脂電再生室空心隔板；7雙極膜；8陽床樹脂電再生室空心隔板；9陽離子交換膜；10濃水室空心隔板；11陰離子交換樹脂；12陽離子交換樹脂；13導(dǎo)電樹脂；14負(fù)電極；15負(fù)電極室；16負(fù)電極隔板；17右夾緊板；18膜對；19螺栓。 因此，在膜對中樹脂或膜（特別是雙極膜）與水的界面上，因極化作用發(fā)生水的電離，水電離所生成的H+ 和OH 離子，分別與失效樹脂上的離子發(fā)生交換反應(yīng)，同時