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    離子交換樹脂的再生

    日期:2022-06-22 15:36
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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)工作過程時發現,在EDI凈水設備中,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,保證出水水質很好。由此聯想到,利用EDI凈水設備中這一電再生過程來再生混床中的混合離子交換樹脂,結果發明了離子交換樹脂電再生方法及裝置,開創性地找到了對環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凈水設備中樹脂可自再生的現象利...
                                     離子交換樹脂的再生工藝
    作者在研究電去離子(EDI)工作過程時發現,在EDI凈水設備中,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,保證出水水質很好。由此聯想到,利用EDI凈水設備中這一電再生過程來再生混床中的混合離子交換樹脂,結果發明了離子交換樹脂電再生方法及裝置,開創性地找到了對環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凈水設備中樹脂可自再生的現象利用來再生普通混床樹脂,作者設計了一個結構類似于EDI凈水設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流出。在體外再生器內,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,實現了體外電再生器中樹脂的流態化電再生[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。復床樹脂與混床樹脂相比,其體外電再生裝置的區別在于:復床樹脂電再生裝置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。這時,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,*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,水質一般優于自來水,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,這時水電離的反應產物H+和OH-離子都得到利用,沒有未利用的副產品產生,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,其它離子態解離產物未被利用:以HCl或H2SO4為例,質量百分比占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量級。
    3.2  對環境的影響
       樹脂電再生法,無廢物排放,不污染環境,對生態環境無危害。樹脂化學再生法則相反,由于大量廢酸堿排放,嚴重的污染了環境,酸性廢水不加治理向自然排放,對生態環境產生嚴重的危害。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,加劇了環境污染。
    3.3  經濟效益
        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,使系統簡化,減輕系統腐蝕,操作簡便,易于實現安全文明生產。
    4  結論
        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為一種綠色環保水處理技術。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,不產生廢物和有毒、有害的物質,對生態環境無害,從生產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,經濟效益極好。這一樹脂綠色再生工藝的產業化,將會使傳統的水處理工藝發生根本性的變革,也使水處理技術這一化工應用技術的基礎內容得到更新。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的一個重要領域。
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