普通混床和抛光混床的树脂再生问题思考

为了方便大家的理解，老规矩我们还是从最基本的定义开始讲解。

混床和抛光混床的定义及工作原理

（普通）混床工艺 ：混床是混合离子交换柱的简称，是针对离子交换技术所设计的设备。所谓混床，就是把一定比例的阳、阴离子交换树脂混合装填于同一交换装置中，对流体中的离子进行交换、脱除。由于阳树脂的比重比阴树脂大，所以在混床内阴树脂在上阳树脂在下。

混床工作原理 ：混床离子交换法,就是把阳、阴离子交换树脂放在同一个交换床中,并在运行前混合均匀。混床可以看作是由许多阳、阴树脂交错排列而组成的多级式复床。在混床中,由于阳、阴树脂是相互混合均匀的,所以阳、阴离子交换反应几乎是同时进行的。

普通混床的运行流速一般为设计为20-30BV/h或30-40m/h。

抛光混床工艺 ：抛光混床又称一次性混床。抛光树脂是由氢型强酸性阳离子交换树脂（H型）及氢氧型强碱性阴离子交换树脂（OH型）混合而成，（抛光）混床水中的H+离子与OH-离子立即生成电离度很低的水分子，可以使交换反应进行得十分彻底。一般用于超纯水处理系统末端，来保证系统出水水质维持用水标准。合理设计的超纯水系统抛光混床工艺出水水质电阻率都能达到18MΩ*cm以上。

抛光混床工作原理: 和普通混床工作原理几乎一致。

抛光混床的运行流速一般设计为30-40BV/h或40-60m/h。

相对抛光混床树脂选型而言，普通混床的树脂选型相对灵活，可以根据不同的进水水质及产水要求，选择最合适的树脂组合，一般多为强酸性阳离子交换树脂及强碱性阴离子交换树脂组合。网络上多有把混床和抛光混床完全等同，更有甚者可以把混床和复床概念混淆套用...（表示无语）...

通过上述的定义解释及工作原理对比，我们可以发现其实抛光混床与普通混床最大的区别就 是树脂的选型。这也就不难理解，在超纯水系统中当我们选用强碱性阴离子交换树脂（OH型）和强酸性阳离子交换树脂（H型）时， 很多人直接把混床和抛光混床画上等号。

编外内容：EDI对普通混床工艺的冲击（详见附录二）

特别是随着EDI设备的国产化和大量普及，以二级反渗透+EDI+抛光混床的18M超纯水制备工艺，大大降低了超纯水制备的操作难度，同时也导致普通混床的生存空间大大缩小。EDI设备有占地空间小，连续产水稳定，操作简单，无需酸碱再生及环保等显著特点。其实综合来看EDI设备和普通混床的综合运行成本是几乎相等，但是普通混床相对EDI而言有一个最大的优点， 初期设备成本低！

以一个5T/H产水量的设备而言，进口EDI装置的初期成本在5-6万元（国产约为2-3万元），而以20-30BV/H计算树脂装填量（200L左右）测算普通混床的设备成本只需要1-1.5万元，而且理论上产水量越大其相应的比例差距越大。这就是为什么在一些大型工业（电厂、矿场等高标准锅炉用水）及半导体产业用水大户还普遍使用多级混床+抛光混床/多级抛光混床的超纯水制备工艺。当工艺中同时出现混床和抛光混床的时候，显然我们不能简单的将普通混床和抛光混床画上等号，而是要细细的品味两者之间的区别。

其实我在文章中一直在不断给大家传递一个概念，就是水处理工艺的选择永远遵循着必要且经济这样一个原则，所以当很多人私下问我工艺流程的时候，往往我会问的很详细。

普通混床和抛光混床的再生问题

回过头来，我们再来理解在混床+抛光混床的工艺中，为什么普通混床需要再生，而抛光混床一般无需再生（终于进入主题了）。要理解上面的问题，我们要从两者的进出水质要求来对比，

普通混床

进水水质：二级反渗透/二级复床，我们取电导率5μs/cm和2μs/cm,分别假设CO2的浓度为5mg/L和4mg/L。

产水水质：我们取电阻率10MΩ*cm，换算成电导率0.1μs/cm

以某进口品牌混床阳树脂T-42（全交换量1.80 meq/ ml）和混床阴树脂A-23（全交换量1.30 meq/ ml）按照1：2的装填比例，考虑到水溶液中残留CO2的溶解平衡影响，虽然阴树脂全交换量大于阳树脂全交换量，但是在实际运行时，一般都是阴树脂先失效。

全交换量：树脂能完成的离子交换量的摩尔量和单位体积比值

工作交换量：实际运行中树脂能完成的离子交换摩尔量和单位体积比值，一般取值50-60%全交换量。市场上大多数混床阳树脂和阴树脂的工作交换量为0.8-1.0和0.4-0.6meq/ml。

单次交换量：为了确保每次运行的效果，一般以工作交换量的60%作为单次交换量，一般取值60%工作交换量。

混床树脂再生周期的计算

案例一：进水电导率5μs/cm，产水电阻率10MΩ*cm，CO2浓度5mg/L

TDS差值（估算）=2.5-0.05=2.45mg/L

阳离子浓度=2.45/58.5=0.042mmol/L=0.042meq/ml（以Na离子计）

阴离子浓度=2.45/58.5=0.042mmol/L=0.042meq/ml（以Cl离子计）

HCO3-浓度=5/44=0.114mmol/L=0.114meq/ml（碳酸盐平衡计算）

以20m3/H产水量混床设备为例，我们可选用1000L混合树脂（1：2），此时阴阳树脂的理论再生周期计算如下：

阳树脂再生周期=（333*1.8*0.6*0.6）/（20*0.042）=256.9H

阴离子再生周期=（667*1.3*0.6*0.6）/（20*0.156）=100.1H

通过计算，我们发现即使以1：2比例混合阳阴树脂，一般也都是阴树脂先失效。如果以每天10小时工作量计算，一般工作10天就需要进行一次再生。

案例二：进水电导率2μs/cm，产水电阻率10MΩ*cm，CO2浓度4mg/L

TDS差值（估算）=1.0-0.05=0.95mg/L

阳离子浓度=0.95/58.5=0.016mmol/L=0.016meq/ml（以Na离子计）

阴离子浓度=0.95/58.5=0.016mmol/L=0.016meq/ml（以Cl离子计）

HCO3-浓度=4/44=0.091mmol/L=0.091meq/ml（碳酸盐平衡计算）

以20m3/H产水量混床设备为例，我们可选用1000L混合树脂（1：2），此时阴阳树脂的理论再生周期计算如下：

阳树脂再生周期=（333*1.8*0.6*0.6）/（20*0.016）=404.6H

阴离子再生周期=（667*1.3*0.6*0.6）/（20*0.107）=145.9H

通过案例一和二的对比，我们可以直观发现混床树脂的失效多为阴离子树脂失效，且主要原因为碳酸盐平衡体系（含气相-液相平衡）造成的。也正是因为混床树脂的单次工作周期也就100多小时，其再生需求是必然的。

混床树脂再生周期经验公式：

再生周期=[树脂体积×树脂的工作交换容量×（0.5~0.6）]÷(进水流量×电导率÷50)

单位：再生周期h；树脂体积m3；树脂工作交换容量mmol/L；进水流量m3/h。

抛光混床

进水水质：普通混床或EDI产水，我们取电阻率10MΩ*cm和15MΩ*cm，换算成电导率分别为0.1和0.0067μs/cm。

产水水质：我们取电阻率18MΩ*cm，换算成电导率0.0556μs/cm。

以某进口品牌抛光混床（MB-106UP)的阳树脂T-46（全交换量1.80 meq/ ml）和阴树脂A-33（全交换量1.00 meq/ ml）按照1：2的预混装填比例。

备注：我们设定混床或EDI产水pH一般为6.7-7.0，简单计算HCO3-的浓度为0.2*10-7mol/L，此时碳酸盐的浓度极低（差进水离子总量1-2数量级）且气相CO2浓度处于极低状态，可以简单理解为CO2完全溶解于水溶液中，为了方便计算我们简单忽略此时的碳酸盐平衡计算，将进出水视为仅有NaCl的水溶液。

抛光混床树脂交换量计算

案例一：进水电阻率10MΩ*cm，产水电阻率18MΩ*cm

TDS差值（估算）=0.05-0.028=0.022mg/L

阳离子浓度=0.022/58.5=3.76*10-4mmol/L=3.76*10-4meq/ml（以Na离子计）

阴离子浓度=0.022/58.5=3.76*10-4mmol/L=3.76*10-4meq/ml（以Cl离子计）

阳树脂交换周期：1.8*0.6*0.6*222/20*3.76*10-4=19130h

阴树脂交换周期：1.0*0.6*0.6*444/20*3.76*10-4=21255h

考虑到实际上碳酸盐平衡及TOC脱除器碳化产生的CO2，实际上抛光混床树脂中阴树脂多表现为先失效。

通过上述案例的计算，我们可以清晰看到，加入抛光树脂需要再生，其再生周期长达19000+h，当树脂无需再生时，不需要乘安全系数0.6，所以理论交换量将达到30000+h，即使全年24小时运行且保守计算其交换容量，其再生周期也长达数年。而一般的树脂寿命多为1-3年，超过3年即使其还有离子交换的能力，也建议更换新树脂。

而当进水水质更优时（进水电阻率＞15MΩ*cm），其理论离子交换使用寿命更长（无意义），反过来要确保抛光树脂的使用寿命，更多放在确保进水水质的盐分含量及溶解CO2要在一定范围之内，包括考虑TOC脱除器可能带来碳化副产物CO2（电子行业多在TOC脱除器后接脱气膜装置）。

结论一：当抛光树脂的进水水质得到良好保证时（进水电阻率＞10MΩ*cm，且CO2控制在一定浓度时），抛光树脂无需再生。

案例二：进水水质电阻率1MΩ*cm，产水电阻率15MΩ*cm，CO2浓度2mg/L

阳树脂再生周期=1.8*0.6*0.6*222/20*0.017=423.1h

阴树脂再生周期=1.0*0.6*0.6*444/20*0.062=128.9h

我们发现，当我们的客户的进水水质较优，希望一步到位达到15M以上超纯水的时候，选择合适的抛光树脂是有可能达到此目的的，但是因为进水水质的原因，再生也是需要的（最近遇到一个客户，是小样实验性质的，直接说不需再生了，此种情况也是客观存在的），此时抛光树脂的作用和普通混床树脂的作用其实是类似的，只是其转型率相对较高，反应出来的也就是处理能力较强且终端产水水质更优。当然同等体积的抛光树脂也比普通混床树脂价格要更高。

但是并不是所有的抛光树脂都可再生

混床树脂再生的前提都是良好的分层，如果阴阳树脂在再生过程中不能良好分层，也就无所谓后面的酸碱洗，其再生效果也会极差，而达不到预期的处理效果。

为了应对越来越快速发展的电子产业，进口抛光树脂把重点发展方向放在更高品质的产水方面，比如均粒化阴阳抛光树脂（普通树脂和普通混床树脂的阴树脂要比阳树脂大，树脂结构造成的），此时的抛光树脂在进行离子交换时能更均匀快速的和阴阳离子交换，同时产生的OH和H快速结合成H20分子，以确保终端产水水质的质量。显然此类树脂是不可再生的。

进口抛光树脂抛弃的再生之路

抛光树脂的再生曾经在进口树脂中得到过推行，其当时的主要出发点还是以降低客户使用成本以获得更大的市场份额，最著名的就是曾经的6150和106，在这方面进口树脂厂家最终没得到预期的效果（财主不在乎那点钱，其他的还是选择国产替代）。随后UP6150和106UP应运而生，此时其产品则重点宣传其优质的产水质量，而明确其树脂无需再生！

国产抛光树脂的再生之路

单纯比较抛光树脂的产水水质，国产树脂与进口树脂依旧有所差距。当终端客户对产水水质没有过高要求且追求更高性价比时，抛光树脂的再生，也是可以被考虑的，毕竟其理论上亦是可行的。

结论二：抛光树脂在特定情况下，或可再生（有再生需求，同时需要确保此类抛光树脂条件允许再生）

实际上运用过程中，可再生抛光树脂的再生过程较之一般混床更为麻烦（原理相同，注意细节），甚至是空气中的CO2也会影响其再生后的处理效果。复杂的操作步骤和酸碱的大量使用，对操作人员的基本素质也提出了更高的要求，一旦处理不当，就只能降级使用甚至直接抛弃。所以个人一般是不建议对抛光树脂进行再生行为的。

小问题：“抛光树脂”的抛光是什么意思？①或者②

①“抛光”是指树脂在生产过程中的一种表面处理工艺

②“抛光”是指树脂在超纯水系统中往往处于末端处理，起到相当于抛光的作用（类似于汽车美容的末端抛光）

附录一：混床设备结构图及再生流程（作者：温州润新公司）

混床的设备结构

混床设备的壳体与压力式过滤器相似，为圆柱形密闭容器。壳体中常装置有上部进水装置、下部配水装置和压缩空气装置；对于体内再生的混床，还设有上部进碱装置、下部进酸装置、中部配水和排废装置。

壳体上通常设有上中下三个窥视镜，下面一个设在阴、阳树脂分界处，用来观察再生时树脂的分层情况；中间一个用来观察阴树脂的层高及运行时混合树脂的状况；上面一个观察反洗分层时，树脂的膨胀状况。

混床设备及管路系统示意图

球阀应用于混床除盐系统的阀门结构图

上图采用F109球阀控制器与13个陶瓷硬密封球阀、吸酸吸碱射流器、电阻率仪及压缩空气气源组合，通过控制不同球阀的启闭状态，可组合应用于水处理混床系统，实现制取纯水、反冲洗树脂、静置分层、吸碱、吸酸、洗酸碱、排水、混合、正洗等多种功能。

混床的再生操作流程

混床的再生与单层树脂的再生有较大不同，其主要的再生和运行操作方法简要介绍如下。

（一）反洗分层

混床运行至失效后，再生前首先需将阳、阴树脂分离，并且分离的程度是再生效果的首要关键。目前较为常用的是采用水力筛分法将阳、阴树脂分层，这种方法就是借反洗的水力将树脂悬浮起来，使树脂层达到一定的膨胀率，然后利用阳、阴树脂的湿真密度差，密度较大的阳树脂沉降快，先落到下层；密度较小的阴树脂沉降慢，落在上层，从而达到分层的目的。控制得当，两层树脂间会有一明显的分界面。

反洗操作时应注意：刚开始反洗时，流速宜小，待树脂层松动后，再逐渐加大流速至20m/h左右，使整个树脂层膨胀率达到50%以上，反洗时间一般10min～20min。

阳、阴树脂是否能明显分层，除了与树脂的湿真密度差和反洗水的流速有关外，还与树脂的失效程度有关。树脂失效程度大，容易分层，反之则不易。这是由于树脂吸着不同的离子后，其密度会增大，尤其是失效的阴树脂湿真密度（例如SO42-型）接近于未失效的阳树脂（H型），导致分层困难。此外，H型树脂和OH型树脂有时会产生互相粘结（即抱团）的现象，也会造成分层困难。

为了使分层较为容易，可以在分层前先通入适量NaOH再生液，将阴树脂再生成OH型，阳树脂转变为Na型，以此增加两种树脂的密度差，同时消除树脂的粘结现象。

（二）再生

混床的再生方法主要有二种：体内再生和体外再生，后一种方法目前已较少采用，下面主要介绍体内再生方法。

体内再生就是树脂在交换器内进行再生。根据进酸、进碱和清洗的步骤不同，又可分为两步处理法和同步处理法。

A两步处理法（分步处理法）：

大多数混床采用碱和酸分步通过阴、阳树脂层两步处理法，其过程示意如图，具体操作方法如下。

混床体内两步再生法过程示意图

①阴树脂进碱： 反洗分层完成后，将交换器中的水放至树脂表面上约10cm处，从上部送入2%～4%NaOH再生液对阴树脂进行再生，同时从底部进除盐水通入阳树脂，以减少碱液污染阳树脂的可能性，再生废液从阴、阳树脂分界的中排排出；

②进碱后清洗： 碱再生液进完后，用除盐水以上述同样的流向和流速上下同时通过树脂层，清洗至排出水的碱度降至（OH-）0.5mmol/L以下；

③阳树脂进酸： 从底部送入3%～5%酸再生液（通常用HCl）对阳树脂进行再生，同时从上部进小流量的除盐水清洗阴树脂，并避免酸液进入阴树脂层，再生废液仍从阴、阳树脂分界处排出；

④进酸后清洗： 酸再生液进完后，用除盐水以第③步同样的流向和流速通过树脂层，清洗至排出水的酸度降至（H+）0.5mmol/L以下；

⑤整体正洗： 从上部进除盐水，底部排水，一直洗至排出水电导率小于1.5μS/cm。清洗过程中，有时为了消除死角，也可以进行一次2min～3min的短时间反洗来提高清洗效果。

B同步处理法：

就是再生时同时将碱从上部进入阴树脂层，酸从底部进入阳树脂层，再生废液从阴、阳树脂分界处排出，其再生时间的长短取决于阴树脂的再生时间，清洗过程与两步法相同。此法的优点是再生时间短，缺点是不易控制，若要得到满意的再生效果，需要精心设计的再生系统和精确的操作。

采用体内再生，应注意避免酸、碱对运行时的出水污染，设计时应注意酸、碱液与出水的隔离，例如在连接出水管的进酸管上应设置两个阀门。

另外，阴、阳树脂的装填量应恰好使两种树脂交界于中排处。否则分层后，若阴树脂低于中排或阳树脂高于中排，都会使这部分树脂得不到再生，从而影响工作交换容量。

混床再生的再生剂比耗，一般阳树脂为理论量的2倍，阴树脂为理论量的3倍。

（三）阴、阳树脂混合

树脂经再生和清洗后，在投入运行前必须将分层的树脂重新混合均匀。为了更好地使树脂混合均匀，可采用从底部通入压缩空气的办法进行搅拌混合，所用的压缩空气应经过净化处理，防止压缩空气中的油类杂质污染树脂。

树脂混合前，应把交换器中的水面下降到树脂层表面上100mm～150mm处。混合时，通入的压缩空气压力一般为0.1MPa～0.15MPa，流量为（2.5～3.0）m3/(㎡?s) ，混合时间视树脂是否混合均匀为准，一般为0.5min～1.0min，压缩空气通入时间过长易磨损树脂。

有的混床在树脂混合后，往往下层阴、阳树脂的比例比较接近于预期的混合比，而上层树脂的混合比相差较大，原因多数是由于树脂混合后排水不及时或排水速度不够，以致树脂沉降过程中又重新分层。为了使树脂整体混合均匀，除了通入适当的压缩空气，并保持一定时间外，在关闭压缩空气时应及时以足够大的排水速度，迫使树脂迅速降落，同时还可在顶部进水，加速树脂沉降，避免其重新分离。

（四）正洗

混合后的树脂层，在投入运行前还需用除盐水进行正洗。一般正洗流速为10m/h～20m/h，洗至出水合格后才能投入制水运行。正洗初期，如果排出水较混浊，可排入地沟，待排水变清后，可回收利用。

（五）制水运行

当混床正洗至出水电导率≤0.2μS/cm、硅含量≤20μg/L时，即可转入制水运行，操作方法与普通固定床相同，但可以采用比单层床更高的运行流速。

对混床而言，树脂层的高度和运行流速在一定范围内，对出水电导率的影响不大，但树脂层高过低时（如低于0.6m），则提高流速将会明显影响出水水质。

混床运行流速过慢，树脂颗粒表面形成较厚的边界水膜，影响离子交换速度，会降低出水水质；而流速过快时，会因离子来不及扩散到树脂内部进行交换就被水流带出，使出水电导率升高，并且过快的流速，增加了保护层厚度，降低树脂的工作交换容量。因此，一般混床运行流速取40m/h～60m/h较为合适。

混床的出水水质较为稳定，电导率通常可达到0.1μS/cm以下。一般情况下，进水水质和树脂的再生程度，对出水电导率的影响不大，但对周期制水量有明显影响。由于混床中的树脂再生度不高，交换容量利用率较低，要保证一定的制水周期，进水电导率和含硅量不宜过高，一般宜控制混床进水水质为：电导率≤10μS/cm、硅含量≤100μg/L。

间断运行对混床的出水质量影响较小。与单层床一样，交换器停用后再投入运行时，刚开始出水电导率往往会不合格，需要进行短时间的正洗，才能使出水合格。不过混床达到合格的正洗时间一般只需3min～5min，而单层床通常需10min以上。

混床的运行终点较为明显，当接近交换器失效时，出水电导率上升较快，因此比较容易通过在线监测电导率及时启动再生，方便自动控制。

附录二：二级反渗透+EDI与二级反渗透+混床生产高纯水全方位对比（作者：未知，来源：环保摩尔圈）