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文章詳情
離子交換樹脂的再生
日期：2025-11-30 17:06
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摘要：
離子交換樹脂的再生工藝
作者在研究電去離子（EDI）工作過程時發(fā)現(xiàn)，在EDI凈水設(shè)備中，在直流電場作用下，水被電離為H＋和OH－離子，并被利用來再生填充在其底層的樹脂，因此，這部分樹脂是不斷得到電再生的新鮮樹脂，從而，保證出水水質(zhì)很好。由此聯(lián)想到，利用EDI凈水設(shè)備中這一電再生過程來再生混床中的混合離子交換樹脂，結(jié)果發(fā)明了離子交換樹脂電再生方法及裝置，開創(chuàng)性地找到了對環(huán)境無污染的離子交換樹脂綠色再生工藝[
1 混床樹脂電再生
為了將EDI凈水設(shè)備中樹脂可自再生的現(xiàn)象利...
離子交換樹脂的再生工藝
作者在研究電去離子（EDI）工作過程時發(fā)現(xiàn)，在EDI凈水設(shè)備中，在直流電場作用下，水被電離為H＋和OH－離子，并被利用來再生填充在其底層的樹脂，因此，這部分樹脂是不斷得到電再生的新鮮樹脂，從而，保證出水水質(zhì)很好。由此聯(lián)想到，利用EDI凈水設(shè)備中這一電再生過程來再生混床中的混合離子交換樹脂，結(jié)果發(fā)明了離子交換樹脂電再生方法及裝置，開創(chuàng)性地找到了對環(huán)境無污染的離子交換樹脂綠色再生工藝[
1 混床樹脂電再生
為了將EDI凈水設(shè)備中樹脂可自再生的現(xiàn)象利用來再生普通混床樹脂，作者設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)類似于EDI凈水設(shè)備的樹脂體外電再生器，只要源源不斷將普通混床中的失效樹脂，從原混床中抽出，再從體外電再生器進口送入，在直流電場的作用下，就有再生好的樹脂從其出口連續(xù)流出。在體外再生器內(nèi)，進行著樹脂的電再生過程。
原有混床樹脂的化學酸堿再生工藝非常復雜，常有分離、再生、混合、清洗等再生步驟。然而，在混床采用電再生時操作就很簡單，不必將陰、陽樹脂分離，用水力輸送法直接將原混床中失效樹脂送入體外電再生器，一邊將失效樹脂送入進行體外電再生，一邊又將再生好的樹脂送回原混床或其他儲器，實現(xiàn)了體外電再生器中樹脂的流態(tài)化電再生[2]。
清華大學、天津大學、武漢大學和華北電力大學等高等院校與企業(yè)合作，組成五個研究團隊，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到與化學法再生相媲美的程度[2]。
2 復床樹脂電再生
復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。復床樹脂與混床樹脂相比，其體外電再生裝置的區(qū)別在于：復床樹脂電再生裝置膜對構(gòu)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?yōu)閺痛仓嘘柎矘渲娫偕遥硪蛔優(yōu)閺痛仓嘘幋矘渲娫偕摇＿@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OH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Na+ 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，*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，在直流電場的作用下，它能將水直接電離為H＋和OH－離子，并形成H＋和OH－離子彼此反向的離子流。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。
河北建筑科技學院和華北電力大學組成的研究團隊，分別進行了利用雙極膜的復床樹脂電再生試驗。試驗表明，可分別將陰、陽失效樹脂電再生至接近化學再生的程度[2]。本文作者還發(fā)明了一種復床樹脂電再生的裝置[3]。
3 樹脂電再生法與化學再生法的對比評價
3.1 資源消耗
樹脂電再生法要消耗水和電。在樹脂電再生過程中，要用純水水力輸送和不斷沖洗失效樹脂，這部分純水從再生室流出使用后水質(zhì)仍很好，可分離出樹脂后反復利用。只有占總用水量10%的濃水室排水，因其含有電極室放出的少量Cl2等氣體，不能直接回用，但這種排水的平均含鹽量為每升幾百毫克，水質(zhì)一般優(yōu)于自來水，可用容器收集后再作它用。因此，樹脂電再生法基本上沒有水的損耗。水還同時作為再生劑用，而消耗于電離的水量就微乎其微了。要注意到，這時水電離的反應(yīng)產(chǎn)物H＋和OH－離子都得到利用，沒有未利用的副產(chǎn)品產(chǎn)生，即使在樹脂電再生中未得到利用的H＋或OH－離子，它們彼此復合又組成對環(huán)境無危害的水。樹脂電再生法的另一類資源消耗是電能，電能是樹脂電再生法的推動力。在電場的作用下，水電離為H＋和OH－離子，用雙極膜使水電離的能耗為79.9kJ·mol-1，這僅為水電解能耗的1/3，因為水電離時不必耗能在生成H2和O2氣體上。至于用于水力輸送樹脂的能耗也不多。因此，樹脂電再生法的能耗很低。
樹脂化學再生法中，酸和堿是再生劑。在樹脂化學再生時，酸和堿的利用都很不充分，僅利用酸解離出來的H＋離子和堿解離出來的OH－離子，其它離子態(tài)解離產(chǎn)物未被利用：以HCl或H2SO4為例，質(zhì)量百分比占97% 的Cl-離子或占98%的SO42-離子沒有得到利用；以NaOH為例，占58%Na+離子沒有得到利用。同時為達到滿意的再生效果，還必須采用2~3倍理論量的過量再生劑。酸堿的化學能是元素自然化合和人為加工制造時儲存起來的，它是樹脂化學再生法的推動力。因此，根據(jù)粗略估算，樹脂化學再生法耗能要比樹脂電再生的耗能大一個數(shù)量級。
3.2 對環(huán)境的影響
樹脂電再生法，無廢物排放，不污染環(huán)境，對生態(tài)環(huán)境無危害。樹脂化學再生法則相反，由于大量廢酸堿排放，嚴重的污染了環(huán)境，酸性廢水不加治理向自然排放，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重的危害。復床與混床相比，由于承載負荷大，再生頻繁，所產(chǎn)生的廢酸堿量約占兩者廢酸堿總量的90%，況且，復床中陽床和陰床失效樹脂再生的時間往往不同步，有錯位，所以廢酸堿液相互中和的機會減少，加劇了環(huán)境污染。
3.3 經(jīng)濟效益
用樹脂電再生法替代樹脂化學再生法，會獲得巨大的經(jīng)濟效益，前者用的是少量電和便宜的水，后者消耗的卻是昂貴的酸堿。作者曾對現(xiàn)正在使用樹脂化學再生法的某火電廠做過粗略的估算，該廠年耗酸堿費約300萬元，廢酸堿排放罰款40萬元，如改用樹脂電再生法，年耗電費約30萬元，僅是年耗酸堿費的10%，還可免去環(huán)保罰款。
3.4 管理操作
用樹脂電再生法替代樹脂化學再生法，會大大改善勞動條件，取消酸堿儲存和配置溶液系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，減輕系統(tǒng)腐蝕，操作簡便，易于實現(xiàn)**文明生產(chǎn)。
4 結(jié)論
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離子交換樹脂的體外電再生工藝，使離子交換水處理變?yōu)橐环N綠色環(huán)保水處理技術(shù)。這種體外電再生工藝，不使用有危險性的酸堿，改善了勞動條件；再生劑充分利用，不產(chǎn)生廢物和有毒、有害的物質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境無害，從生產(chǎn)工藝的源頭上就消除了污染；只消耗少量電能，使用方便，費用低廉，經(jīng)濟效益極好。這一樹脂綠色再生工藝的產(chǎn)業(yè)化，將會使傳統(tǒng)的水處理工藝發(fā)生根本性的變革，也使水處理技術(shù)這一化工應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容得到更新。因此，離子交換樹脂綠色再生工藝將成為綠色化學化工中新開創(chuàng)的一個重要領(lǐng)域。
1 混床樹脂電再生
為了將EDI凈水設(shè)備中樹脂可自再生的現(xiàn)象利用來再生普通混床樹脂，作者設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)類似于EDI凈水設(shè)備的樹脂體外電再生器，只要源源不斷將普通混床中的失效樹脂，從原混床中抽出，再從體外電再生器進口送入，在直流電場的作用下，就有再生好的樹脂從其出口連續(xù)流出。在體外再生器內(nèi)，進行著樹脂的電再生過程。
原有混床樹脂的化學酸堿再生工藝非常復雜，常有分離、再生、混合、清洗等再生步驟。然而，在混床采用電再生時操作就很簡單，不必將陰、陽樹脂分離，用水力輸送法直接將原混床中失效樹脂送入體外電再生器，一邊將失效樹脂送入進行體外電再生，一邊又將再生好的樹脂送回原混床或其他儲器，實現(xiàn)了體外電再生器中樹脂的流態(tài)化電再生[2]。
清華大學、天津大學、武漢大學和華北電力大學等高等院校與企業(yè)合作，組成五個研究團隊，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到與化學法再生相媲美的程度[2]。
2 復床樹脂電再生
復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。復床樹脂與混床樹脂相比，其體外電再生裝置的區(qū)別在于：復床樹脂電再生裝置膜對構(gòu)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?yōu)閺痛仓嘘柎矘渲娫偕遥硪蛔優(yōu)閺痛仓嘘幋矘渲娫偕摇＿@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OH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Na+ 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，*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，在直流電場的作用下，它能將水直接電離為H＋和OH－離子，并形成H＋和OH－離子彼此反向的離子流。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。
河北建筑科技學院和華北電力大學組成的研究團隊，分別進行了利用雙極膜的復床樹脂電再生試驗。試驗表明，可分別將陰、陽失效樹脂電再生至接近化學再生的程度[2]。本文作者還發(fā)明了一種復床樹脂電再生的裝置[3]。
3 樹脂電再生法與化學再生法的對比評價
3.1 資源消耗
樹脂電再生法要消耗水和電。在樹脂電再生過程中，要用純水水力輸送和不斷沖洗失效樹脂，這部分純水從再生室流出使用后水質(zhì)仍很好，可分離出樹脂后反復利用。只有占總用水量10%的濃水室排水，因其含有電極室放出的少量Cl2等氣體，不能直接回用，但這種排水的平均含鹽量為每升幾百毫克，水質(zhì)一般優(yōu)于自來水，可用容器收集后再作它用。因此，樹脂電再生法基本上沒有水的損耗。水還同時作為再生劑用，而消耗于電離的水量就微乎其微了。要注意到，這時水電離的反應(yīng)產(chǎn)物H＋和OH－離子都得到利用，沒有未利用的副產(chǎn)品產(chǎn)生，即使在樹脂電再生中未得到利用的H＋或OH－離子，它們彼此復合又組成對環(huán)境無危害的水。樹脂電再生法的另一類資源消耗是電能，電能是樹脂電再生法的推動力。在電場的作用下，水電離為H＋和OH－離子，用雙極膜使水電離的能耗為79.9kJ·mol-1，這僅為水電解能耗的1/3，因為水電離時不必耗能在生成H2和O2氣體上。至于用于水力輸送樹脂的能耗也不多。因此，樹脂電再生法的能耗很低。
樹脂化學再生法中，酸和堿是再生劑。在樹脂化學再生時，酸和堿的利用都很不充分，僅利用酸解離出來的H＋離子和堿解離出來的OH－離子，其它離子態(tài)解離產(chǎn)物未被利用：以HCl或H2SO4為例，質(zhì)量百分比占97% 的Cl-離子或占98%的SO42-離子沒有得到利用；以NaOH為例，占58%Na+離子沒有得到利用。同時為達到滿意的再生效果，還必須采用2~3倍理論量的過量再生劑。酸堿的化學能是元素自然化合和人為加工制造時儲存起來的，它是樹脂化學再生法的推動力。因此，根據(jù)粗略估算，樹脂化學再生法耗能要比樹脂電再生的耗能大一個數(shù)量級。
3.2 對環(huán)境的影響
樹脂電再生法，無廢物排放，不污染環(huán)境，對生態(tài)環(huán)境無危害。樹脂化學再生法則相反，由于大量廢酸堿排放，嚴重的污染了環(huán)境，酸性廢水不加治理向自然排放，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重的危害。復床與混床相比，由于承載負荷大，再生頻繁，所產(chǎn)生的廢酸堿量約占兩者廢酸堿總量的90%，況且，復床中陽床和陰床失效樹脂再生的時間往往不同步，有錯位，所以廢酸堿液相互中和的機會減少，加劇了環(huán)境污染。
3.3 經(jīng)濟效益
用樹脂電再生法替代樹脂化學再生法，會獲得巨大的經(jīng)濟效益，前者用的是少量電和便宜的水，后者消耗的卻是昂貴的酸堿。作者曾對現(xiàn)正在使用樹脂化學再生法的某火電廠做過粗略的估算，該廠年耗酸堿費約300萬元，廢酸堿排放罰款40萬元，如改用樹脂電再生法，年耗電費約30萬元，僅是年耗酸堿費的10%，還可免去環(huán)保罰款。
3.4 管理操作
用樹脂電再生法替代樹脂化學再生法，會大大改善勞動條件，取消酸堿儲存和配置溶液系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，減輕系統(tǒng)腐蝕，操作簡便，易于實現(xiàn)**文明生產(chǎn)。
4 結(jié)論
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離子交換樹脂的體外電再生工藝，使離子交換水處理變?yōu)橐环N綠色環(huán)保水處理技術(shù)。這種體外電再生工藝，不使用有危險性的酸堿，改善了勞動條件；再生劑充分利用，不產(chǎn)生廢物和有毒、有害的物質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境無害，從生產(chǎn)工藝的源頭上就消除了污染；只消耗少量電能，使用方便，費用低廉，經(jīng)濟效益極好。這一樹脂綠色再生工藝的產(chǎn)業(yè)化，將會使傳統(tǒng)的水處理工藝發(fā)生根本性的變革，也使水處理技術(shù)這一化工應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容得到更新。因此，離子交換樹脂綠色再生工藝將成為綠色化學化工中新開創(chuàng)的一個重要領(lǐng)域。
