浅析离子交换树脂的绿色再生工艺

离子交换水处理技术经历了百余年的发展历程，至今已成为软化和脱盐处理中占主导地位的水处理方式。离子交换树脂工作失效后能用酸碱盐化学药剂再生后反复使用，这是这种水处理方式的优点，但树脂再生所带来的环境污染又迫切需要解决。

作者在研究电去离子（EDI）工作过程时发现，在EDI净水设备中，在直流电场作用下，水被电离为H＋ 和OH－离子，并被利用来再生填充在其底层的树脂，因此，这部分树脂是不断得到电再生的新鲜树脂，从而，保证出水水质很好。由此联想到，利用EDI净水设备中这一电再生过程来再生混床中的混合离子交换树脂，结果发明了离子交换树脂电再生方法及装置，开创性地找到了对环境无污染的离子交换树脂绿色再生工艺[1] 。

1 混床树脂电再生

为了将EDI净水设备中树脂可自再生的现象利用来再生普通混床树脂，作者设计了一个结构类似于EDI净水设备的树脂体外电再生器，只要源源不断将普通混床中的失效树脂，从原混床中抽出，再从体外电再生器进口送入，在直流电场的作用下，就有再生好的树脂从其出口连续流出。在体外再生器内，进行着树脂的电再生过程。

原有混床树脂的化学酸碱再生工艺非常复杂，常有分离、再生、混合、清洗等再生步骤。然而，在混床采用电再生时操作就很简单，不必将阴、阳树脂分离，用水力输送法直接将原混床中失效树脂送入体外电再生器，一边将失效树脂送入进行体外电再生，一边又将再生好的树脂送回原混床或其他储器，实现了体外电再生器中树脂的流态化电再生[2]。

清华大学、天津大学、武汉大学和华北电力大学等高等院校与企业合作，组成五个研究团队，验证了树脂电再生的可行性。试验证明，失效树脂经电再生后的再生度可达到与化学法再生相媲美的程度[2]。

2 复床树脂电再生

复床是指阳树脂和阴树脂分置于两个设备中，一为阳床，另一为阴床，以区别于这两种树脂混合同置于一个设备中的混床。复床树脂与混床树脂相比，其体外电再生装置的区别在于：复床树脂电再生装置膜对构成中增添了双极膜，这相当于在混床树脂电再生室中间插了双极膜，将其一分为二，一变为复床中阳床树脂电再生室，另一变为复床中阴床树脂电再生室。这时，在直流电场作用下，水电离所产生的H＋ 和OH－离子，分别进入各自的阳、阴离子再生室，与相应的失效树脂发生交换反应，使失效树脂相应转化为H型和OH型，实现电再生。同时，又避免发生对树脂电再生过程有危害的副反应，因为复床位于脱盐系统的前端，失效阳床树脂除了吸着了水中所含的大部分Na+ 离子外，还吸着了水中所含的全部Ca2+ 和Mg2+ 离子，如果将这种树脂送入原来的混床电再生室中，那么电再生时水电离所生成的H＋离子，可与树脂上所含Ca2+ 、Mg2+ 和Na+ 离子交换，交换下来的Ca2+ 和Mg2+ 离子就可能与水电离所生成的OH-离子发生反应，生成Ca(OH)2或Mg(OH)2沉淀，覆盖在树脂或膜的表面，堵塞孔道，影响后续的离子迁移、扩散和交换过程，最终使树脂电再生难以持续下去。

所谓双极膜是由阴离子交换树脂层、阳离子交换树脂层和中间界面亲水层所组成，在直流电场的作用下，它能将水直接电离为H＋ 和OH－离子，并形成H＋ 和OH－离子彼此反向的离子流。因此，将一张双极膜插在原一个混床树脂再生室中间，就可将其分成复床再生用阴、阳床树脂各自再生的两个电再生室。

河北建筑科技学院和华北电力大学组成的研究团队，分别进行了利用双极膜的复床树脂电再生试验。试验表明，可分别将阴、阳失效树脂电再生至接近化学再生的程度[2]。本文作者还发明了一种复床树脂电再生的装置[3]。

3 树脂电再生法与化学再生法的对比评价

3.1 资源消耗

树脂电再生法要消耗水和电。在树脂电再生过程中，要用纯水水力输送和不断冲洗失效树脂，这部分纯水从再生室流出使用后水质仍很好，可分离出树脂后反复利用。只有占总用水量10% 的浓水室排水，因其含有电极室放出的少量Cl2等气体，不能直接回用，但这种排水的平均含盐量为每升几百毫克，水质一般优于自来水，可用容器收集后再作它用。因此，树脂电再生法基本上没有水的损耗。水还同时作为再生剂用，而消耗于电离的水量就微乎其微了。要注意到，这时水电离的反应产物H＋ 和OH－离子都得到利用，没有未利用的副产品产生，即使在树脂电再生中未得到利用的H＋ 或OH－离子，它们彼此复合又组成对环境无危害的水。树脂电再生法的另一类资源消耗是电能，电能是树脂电再生法的推动力。在电场的作用下，水电离为H＋ 和OH－离子，用双极膜使水电离的能耗为79.9 kJ·mol-1，这仅为水电解能耗的1/3，因为水电离时不必耗能在生成H2和O2气体上。至于用于水力输送树脂的能耗也不多。因此，树脂电再生法的能耗很低。

树脂化学再生法中，酸和碱是再生剂。在树脂化学再生时，酸和碱的利用都很不充分，仅利用酸解离出来的H＋离子和碱解离出来的OH－离子，其它离子态解离产物未被利用：以HCl或H2SO4为例，质量百分比占97% 的Cl-离子或占98% 的SO42-离子没有得到利用；以NaOH为例，占58% Na+离子没有得到利用。同时为达到满意的再生效果，还必须采用2~3倍理论量的过量再生剂。酸碱的化学能是元素自然化合和人为加工制造时储存起来的，它是树脂化学再生法的推动力。因此，根据粗略估算，树脂化学再生法耗能要比树脂电再生的耗能大一个数量级。

3.2 对环境的影响

树脂电再生法，无废物排放，不污染环境，对生态环境无危害。树脂化学再生法则相反，由于大量废酸碱排放，严重的污染了环境，酸性废水不加治理向自然排放，对生态环境产生严重的危害。复床与混床相比，由于承载负荷大，再生频繁，所产生的废酸碱量约占两者废酸碱总量的90%，况且，复床中阳床和阴床失效树脂再生的时间往往不同步，有错位，所以废酸碱液相互中和的机会减少，加剧了环境污染。

3.3 经济效益

用树脂电再生法替代树脂化学再生法，会获得巨大的经济效益，前者用的是少量电和便宜的水，后者消耗的却是昂贵的酸碱。作者曾对现正在使用树脂化学再生法的某火电厂做过粗略的估算，该厂年耗酸碱费约300万元，废酸碱排放罚款40万元，如改用树脂电再生法，年耗电费约30万元，仅是年耗酸碱费的10%，还可免去环保罚款。

3.4 管理操作

用树脂电再生法替代树脂化学再生法，会大大改善劳动条件，取消酸碱储存和配置溶液系统，使系统简化，减轻系统腐蚀，操作简便，易于实现安全文明生产。

4 结论

在直流电场作用下，利用水作为再生剂，用它代替酸碱再生失效离子交换树脂的体外电再生工艺，使离子交换水处理变为一种绿色环保水处理技术。这种体外电再生工艺，不使用有危险性的酸碱，改善了劳动条件；再生剂充分利用，不产生废物和有毒、有害的物质，对生态环境无害，从生产工艺的源头上就消除了污染；只消耗少量电能，使用方便，费用低廉，经济效益极好。这一树脂绿色再生工艺的产业化，将会使传统的水处理工艺发生根本性的变革，也使水处理技术这一化工应用技术的基础内容得到更新。因此，离子交换树脂绿色再生工艺将成为绿色化学化工中新开创的一个重要领域。

参考文献:
[1] 王 方. 离子交换树脂的电再生方法及装置［P］．中国发明专利 ZL 96120791.4，1996-11-29．
[2] 王 方．离子交换树脂电再生的试验研究［J］．精细化工，2004，21（8）：71～75．
[3] 王 方．复床离子交换树脂电再生装置［P］．中国实用新型专利 ZL 200420009028.3, 2004-5-14．