王方
(清華大學 熱能工程系，北京 100084)

　　摘　要：在簡述混床離子交換樹脂電再生技術的基礎上，著重討論復床離子交換樹脂的電再生技術的特點、原理和試驗研究結果及電再生器的結構。作者所發明的復床樹脂電再生器，可同時實現復床中失效陽床和陰床樹脂分別再生，再生效果很好；運行不消耗酸堿化學藥劑，無廢物排放，不污染水體和環境；只消耗少量電能和純水，經濟效益極好；操作簡單，使用方便。
　　關鍵詞：離子交換樹脂；電再生；膜技術；污染控制
　　中圖分類號：TQ425.23　　文獻標識碼：B　　文章編號：1009—2455(2004)06—0024—04

Electro-Regeneration Technology for Ion Exchange Resin in Combined Bed
WANG Fang
(Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing l00084，China)

　　Abstract：Based on a brief introduction to the electro-regeneration technology for ion exchange resins inmixed bed，the characteristics，principle and experimental results of the electro-regeneration technology for ion exchange resin in combined bed as well as the construction of the electro-regenerator are emphatically discussed.The electro-regenerator invented by the author has the following advantages：the ion exchange resins of the exhausted cation bed and anion bed in the combined bed can be regenerated at the same time，the result of which is very good；the operation does not consume any acid-alkali chemical except little electric energy and pure water and does not discharge any waste and，therefore，does not pollute the receiving water body and the environment；the economical benefit is very good，and the operation is simple and easy.
　　Key words：ion exchange resin；electro-regeneration；membrane technology；pollution control

　　約在十年前，作者在研究電去離子(EDl)工作過程中，發明了離子交換樹脂的電再生方法及裝置^[1-3]，當時限于條件沒有進行樹脂電再生試驗，而且由于國內大多數專業人員尚沒有接觸到EDI凈水技術，因此，這項發明未被得到重視和進一步開發。近年來，隨著EDI技術的推廣和普及，不少對樹脂再生有濃厚興趣的人，以各種目的和
方式進行了離子交換樹脂電再生試驗，試驗結果驗證了這項電再生技術的可行性，使這項技術趨于成熟，為其產業化打好扎實的基礎。
　　離子交換水處理的主要方式有混床和復床兩種，混床和復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上，著重討論復床樹脂電再生特點、原理和試驗研究結果及電再生器的結構。

1 混床樹脂電再生

　　在EDI過程中，水電離所產生的H⁺和OH^-離子，不斷地自再生填充在淡水室內的樹脂，這一自再生作用是EDI凈水設備得以連續出水且出水水質很高的關鍵因素。因此，如果制造出結構上類似于EDI凈水設備而其淡水室不填混床樹脂的電再生器，那么設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，水電離所產生的H⁺和OH^-離子不斷地電再生失效的混床樹脂，從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，從鹽基型轉為H和OH型樹脂，完成了再生過程。由于失效樹脂不流動，稱這種方式為靜態體外電再生。相應地，只要源源不斷地將失效混床樹脂送人樹脂體外電再生器，就有再生好的混床樹脂從其中徐徐流出，從而實現了混床樹脂的動態體外電再生，其工作原理示意如圖1所示。

　　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，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、清洗等復雜的步驟，只需用水力輸送失效混床樹脂至體外電再生器進行再生，不用酸、堿化學藥劑，對環境無污染，只消耗少量電能，使用方便，費用低廉，使傳統的離子交換處理工藝發生了根本性的變化。

2 復床樹脂體外電再生

2.1 特點
　　復床是指陽樹脂和陰樹脂分置于兩個設備中，一為陽床，另一為陰床，以區別于這兩種樹脂混合同置于一個設備中的混床。又由于復床在水處理系統流程中位置靠前，承擔絕大部分脫鹽負載，所以與混床相比，其電再生有不同的特點。
2.1.1 陽床與陰床再生不同步
　　在復床水處理系統再生實踐中，陽床與陰床再生往往不同步，需要在不同時刻分別再生。在混床樹脂送人上述體外電再生器再生時，由于水電離產生的H⁺和OH^-離子都得到利用，因而濃水室排水呈中性。在復床電再生時，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脂，則利了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的陰(或陽)床，則要另外增添再生設備及系統；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。
2.1.2 要求體外電再生器的再生強度高
　　與混床相比，復床通常承擔絕大部分脫鹽負荷。如以一級復床與一級混床的串聯脫鹽系統為例，復床需承擔90％脫鹽負載。復床解聯停用供再生的時間通常為8～24h，所以體外電再生的所有操作應在8h內完成。由于復床的脫鹽負載大，在短時間的電再生強度也就大，因此復床體外電再生器應是高再生強度的電再生設備。
2.1.3 硬度離子在膜上結垢的影響
　　混床作為水處理系統中的精處理設備，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。在復床失效陽樹脂進人體外電再生器再生時，由于再生室內有大量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床失效陽樹脂的電再生。
2.1.4 樹脂表面無機和有機沉淀物的影響
　　復床在水處理系統流程中的位置靠前，若去除水中懸浮物和有機物的預處理設備工作不好，則會在樹脂表面結有無機沉淀物和滋生有機物。在復床樹脂電再生時，這些無機和有機沉淀物隨樹脂一起帶人體外電再生器，這會嚴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人體外電再生器。
2.2 原理
　　復床樹脂與混床樹脂相比，其體外電再生器的區別在于：復床樹脂電再生器膜對構成中增添了雙 極膜，這相當于在混床樹脂電再生室中間插了雙極膜，將其一分為二，一變為復床中陽床樹脂電再生室，另一變為復床中陰床樹脂電再生室。在直流電場作用下，水電離所產生的H⁺和OH^-離子，分別進入各自的陽、陰離子再生室，與相應的失效樹脂發生交換反應，使失效樹脂相應轉化為H型和OH型，實現電再生。同時，又避免發生對樹脂電再生過程有危害的副反應，因為復床位于脫鹽系統的前端，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，如果將這種樹脂送人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Na²⁺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^-離子發生反應，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，影響后續的離子遷移、擴散和交換過程，最終使樹脂電再生難以持續下去。
　　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，經一定再生時間，就能獲得再生程度與酸堿化學再生相媲美的新鮮再生樹脂。在樹脂流動情況下，復床動態體外電再生原理示意圖，如圖2所示。

2.3 試驗研究結果
　　1992年美國Millipore公司設計了利用雙極膜的EDI技術并申報了專利^[4]。據報道，在原水的電導率為1μS/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％，雙極膜水解離子所產生的H⁺和OH^-離子的質量濃度可達到10⁴mg/L以上，而原水中雜質離子的質量濃度僅為10^-2～10^-5mg/L，兩者離子的質量濃度相差10⁶～10⁹倍。這一比例與傳統的化學再生相比，要高出2～5個數量級，所以，這時樹脂的再生度應比化學再生法高。
　　河北建筑科技學院完成了混床離子交換樹脂電再生的試驗研究后，又與河北電力設備廠及太原理工大學合作，進行了利用雙極膜的復床樹脂電再生試驗(河北省2000年科學技術研究攻關指導計劃項目00213093)^[5]。他們采用了國產雙極膜及其它材料，按照Millipore公司利用雙極膜的EDI技術，制造了在雙極膜兩側分別填裝陰、陽樹脂的EDI裝置。復床離子交換樹脂電再生的試驗結果表明，當再生電壓為60V和再生時間為60min時，該試驗裝置樹脂電再生的效果接近化學再生的效果，顯示了良好的技術可行性。
　　華中科技大學曹連成和鄧泳南，也進行了利用雙極膜的復床樹脂電再生試驗(1999年湖北省科委重點科技計劃項目992P1202)^[6]，得出與上述試驗相同的結論。
　　北京國電龍源環保有限公司和華北電力大學，把利用雙極膜進行復床樹脂電再生作為實施樹脂電再生技術的重點來進行開發。試驗結果表明，對陰樹脂的再生效果很好，達到或超過堿再生的效果，而對陽樹脂的再生效果稍差^[7]。
2.4 電再生器的結構
　　作者根據開發離子交換樹脂電再生的實踐，申報了“復床離子交換樹脂電再生裝置”實用新型專利^[8]，用它作為“離子交換樹脂電再生方法及裝置”發明專利的補充。該實用新型專利，除提出雙極膜將原混床用樹脂電再生室一分為二，將它分為復床中陽床樹脂的電再生室和陰床樹脂的電再生室以外，還提出在濃水室內按等空隙法填充導電樹脂。這可降低濃水室電阻，提高電流效率，也省去了濃水循環或濃水加鹽等麻煩措施。
　　圖3是復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，膜堆由若干個膜對組合而成，每個膜對依次有陰離子交換膜、陰床樹脂電再生空心隔板、雙極膜、陽床樹脂電再生空心隔板、陽離子交換膜和濃水室空心隔板各1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人口，分別與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電再生室空心隔板和陽床樹脂電再生室空心隔板的空腔中，直至樹脂填滿再生室為止。濃水室空心隔板空腔中已填滿導電樹脂、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厚為10～20mm；陽床樹脂電再生室空心隔板厚為10～20mm；濃水室空心隔板厚為5mm。這些隔板均用硬質聚丙烯制成。陰離子交換膜和陽離交換膜可用異相膜制成，這種膜和雙極膜均為柔性材料；它們與上述剛性隔板壓緊在一起，靠膜的形變，達到密封，不漏水。并聯排列的膜對數越多，單臺復床離子交換樹脂電再生器可電再生失效樹脂的數量就越大。

　　電極裝置設置在膜堆外側兩端，包括正電極隔板、正電極、正電極室、負電極、負電極室和負電極室隔板。
　　夾緊裝置設置在電極裝量外側兩端，包括左右夾緊板以及16對螺栓，按一定順序擰緊螺栓上的螺母，就可將若干個膜對、電極隔板和左右夾緊板壓緊成一個整體裝置。
　　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生交換反應，同時，從失效陰樹脂上交換下來的這些離子，又受電場力的作用通過離子交換膜進入濃水室排出。最終失效樹脂轉換為H，OH型，得到電再生。

3 結論

　　在直流電場作用下，利用雙極膜可使水電離的性能，將雙極膜插入原混床樹脂電再生室中間，就將該室分為陽床樹脂電再生室和陰床樹脂電再生室，可實現復床樹脂電再生。試驗表明：失效復床樹脂經電再生器所獲得的樹脂再生度，可與酸堿化學再生相媲美；運行不消耗酸堿化學藥劑，無廢物排放，不污染水體和環境；只消耗少量電能和純水，能耗低，經濟效益極好；操作簡單，使用方便。復床樹脂電再生技術有待于進行工程試驗，以便盡早用于實踐，得到產業化。

參考文獻：
［1］王方.離子交換樹脂的電再生方法及裝置[P].中國專利：ZL96120791.4，1996-11-29。
［2］王方.混床離子交換樹脂的電再生法[J]. 工業水處理，1997，17(2)：1-3。
［3］王方.離子交換樹脂的電再生法[J].膜科學與技術，2002，22(6)：9-13。
［4］Millipore Corporation.Process for purifying resin utilizing bipolar interface [P].EP：0519504 AI.1992-12-23.
［5］李福勤，楊云龍，李清雪，等.以極膜填充床電滲析技術應用試驗[J].中國給水排水，2001，17(10)：74-76。
［6］曹連城，鄧泳南.雙極膜填充床電滲析技術應用試驗[J].武漢工業學院學報，2002，21(3)：69-71。
［7］趙英，路光杰，尹連慶，等.雙極膜電再生離子交換樹脂的試驗研究[J].華北電力大學學報，2003，30(1)：96-99。
［8］王方.復床離子交換樹脂電再生裝置[P].中國專利：ZL，200420009028.3，2004-05-14。

作者簡介： 王方(1938-)，男，浙汁平湖人，教授，電活(010)62786321，wangfang＠mail.tsinghua.edu.cn。