本文讨论以美国Ionpure公司生产的电去离子净水设备，进行混床离子交换树脂静态电再生实验结果，并探讨了这种电再生技术在电去离子净水设备、普通混床、高速混床和抛光混床方面的应用。实验表明，作者所发明了树脂电再生技术在技术上可行，可取得与酸、碱化学再生相媲美的树脂再生效果。实验成功为这一技术的应用奠定了实施基础，有望实现其产业化。
[关键词]离子交换树脂；电再生；电去离子（EDI）；膜技术
1 前言
水电离所产生的H+和OH—离子，不断自再生离子交换树脂，这是电去离子（EDI）过程中最关键的核心过程。在EDI净水设备中，利用这一水电离再生树脂的过程，使其本身设备出口处永远保留一层不断在再生的新鲜树脂（称为保护层），从而使出水水质很好。作者在研究EDI过程中曾提出，利用这一水电离再生树脂的过程来再生原来装在离子交换器中失效树脂的构思，发明了一个类似于内部不填树脂的空EDI净水设备的装置，作为失效树脂体外再生用的电再生器。用这个电再生器代替原有离子交换器的酸碱再生系统，可实现树脂的电再生。
离子交换树脂体外电再生技术[1~3] ，*电来电离水，*电离产生的H+和OH—离子来再生树脂，不用酸碱，对环境无污染，再生只消耗电，经济效益极好，又加改善了再生时的工作条件，使离子交换树脂再生技术变为绿色无污染又富有吸引力的高科技环保技术。
不少人对离子交换树脂电再生技术感兴趣，他们各自利用自己的条件，自己对该技术的了解，进行了树脂电再生技术的试验研究[4~7] 。这些试验研究都是选用自制的试验装置完成的，试验装置的材料和结构因受种种条件限制而不够满意，试验的目的也有所不同，但都在不同程度上验证了树脂电再生的可行性，为了克服他们对树脂电再生技术试验研究的欠缺，我们选用当今世界上结构最完善的EDI净水设备产品，作为树脂电再生的实验装置，这必定比自制的实验装置更恰当更好。因为这种EDI净水产品已凝结了前人的经验，所选定的工艺参数对树脂电再生最合适，用它得出的实验研究结果必定具有权威性和代表性。
2 实验
2.1 方法
EDI净水产品的淡水室填充有阴、阳混合离子交换树脂。如果不给EDI净水设备通电而让含有一定量NaCl的水流入淡水室，那么过了一定时间后，树脂将完全失效，阴、阳树脂将分别转为Na型和Cl型。此时改用反渗透（RO）出水冲洗，待冲去残余的NaCl溶液后，再给EDI净水设备供电，控制好电压、电流等参数，使EDI净水设备淡水室内进行着水的电离过程，使电离所产生的H+和OH—离子不断地再生着失效的阴、阳离子交换混合树脂，连续或定期记录EDI净水设备进、出水的电导率和再生延续时间，直至出水电导率至0.067 μS/cm以下（电阻率15 MΩ·cm以上）为止。
由于离子交换树脂电再生过程受EDI净水设备工作参数的影响，所以要确定各个工作参数之间的关系，并找出对再生延续时间影响最大的工作参数。
2.2 EDI净水设备
采用美国Ionpure IP-LX10X EDI净水设备膜堆，其产水量为0.55～1.65 t/h（额定值为1 t/h）。淡水室间距为10mm，室内填有阳、阴混合树脂。与其他品牌EDI净水设备不同，其浓水室（间距为5mm）内填充有导电树脂，因此浓水室电阻较小，从而不必往浓水室中加盐，连接浓水室的管路系统也得到简化。
2.3 制水系统
离子交换树脂电再生实验用制水系统如图1所示。经RO装置处理后的初级纯水，其电导率可达13 μS/cm，而再经EDI净水设备处理的高纯水，则小于0.067 μS/cm。往原水箱中加NaOH是要除去水中游离CO2，这时反应所生成的NaCO3又被后续的RO装置除去。往中间水箱中加NaCl，是为了制备4~8% NaCl溶液，在NaCl溶液通过EDI净水设备淡水室后，淡水室内填装的树脂就转为Na和Cl型，使EDI净水设备完全失效。失效后的EDI净水设备可供电再生实验用。
图1 1 t/h RO-EDI脱盐系统
2.4 结果与分析
在不同的电压和电流下，进行了10余次EDI净水设备失效电再生实验。
实验结果表明，再生延续时间的长短主要取决于再生所用的电流的大小，再生所用的电流越大，树脂电再生的时间就越短。本实验所用的Ionpure产品，在其浓水室中填充有导电树脂，其运行时浓水室的电阻较小，在一定电压下所相应的电流就较大，其最大电流可达10 A，因而再生延续时间较短。实验得出，调节实验所用的电压和电流，在7～10 h内可将Ionpure产品中盐基型失效树脂完全再生为H、OH型混合树脂。这时，往再生后Ionpure产品内再送入RO出水，其产水电导率可在0.067 μS/cm以下。
将失效树脂电再生时EDI净水设备出水作为其进水反复再利用实验的结果表明，EDI净水设备的进水水质越好，树脂电再生的时间就越短。
Ionpure EDI 净水设备失效后的电再生典型曲线如图2所示。它是在电压100V和电流5A下测得的。从图2可知，在再生延续时间约为120min（图上与此相应的出水电导率为1μS/cm）以前，EDI净水设备出水电导率随再生延续时间的变化率较大，而在以后就变得很小，将曲线分前、后段来分析，其原因如下：
在前段；出水的电导率较高，相应地出水中所含离子浓度较高，因此不能发生极化作用所致的水的电离。这时EDI净水设备中淡水室的离子，在外加直流电场的作用下，通过离子交换膜向浓水室迁移，受电渗析作用，淡水室离子浓度降低，而浓水室离子浓度相应增高。淡水室中离子浓度的降低，又破坏了失效的盐基型离子交换树脂的水解平衡，从而盐基型树脂的水解不断延续下去。树脂水解的结果，原来与树脂上活性基团相结合的Na+与Cl—不断进入水中，而失效盐基型树脂再生为H或OH型树脂。所以这时树脂的电再生是电渗析作用和水解作用参与下进行的，而不是在水直接电离出H+和OH—离子参与下，它们与树脂上活性基团相结合的Na+和Cl—离子发生离子交换所致。因此，这一段再生速率较快，再生延续时间较短，称此为水解—电渗析段。
在后段；出水的电导率较低，相应地水中所含离子稀少，在水与离子交换膜或树脂颗粒界面上，就会发生水的电离。这时水电离所生成的H+和OH—离子，参与同树脂上活性基团相结合的Na+和Cl—的离子交换，使失效盐基型树脂再生为H或OH型树脂。由于此时所生成的H+和OH—离子浓度低，其离子活动范围又很小（如离子活动范围稍大，就可能发生生成水的复合过程），且要扩散到树脂颗粒内部才能发生交换，所以这一段再生速率较低，而再生延续时间较长，称此段为电离—离子交换段。
电导率/μS·cm－1
时间/min
图2 EDI净水设备出水电导率与再生延续时间的关系曲线
3 应用
3.1 EDI 净水设备
EDI 净水设备膜堆在出厂或长期停用时，通常采用注入NaCl溶液来抑制微生物生长和进行防冻防护，这时EDI内填充的离子交换树脂均呈盐基型，不具有交换能力，需通电使水电离，将阴、阳树脂分别再生成OH、H型，为此常用初级脱盐水（电导率约10 μS/cm）或高纯水以较低的流量和压力冲洗，洗去膜堆内的NaCl溶液，然后在继续通水下通电，保持合适的流量和压力使树脂得到电再生。从通电进行树脂电再生至产水水质达到电导率下降至0.067 μS/cm以下电再生结束，常需要7~10 h左右。电再生时间的长短，主要取决所用电流的大小，也与浓室是否填树脂和其他结构因素有关。
EDI净水设备在不稳定的变工况运行时常采用树脂电再生操作。因为EDI净水设备连续工作、出水水质好，都与淡水室内底层离子交换层为新鲜再生态分不开的，当保护层由于某种原因（如过载）被破坏时，出水水质就恶化。为此，用减少进水量来降低负载。这时，底层的离子交换树脂得到电再生，使得保护层修复并加厚，最终出水水质又变好。
3.2 普通混床
普通混床用于由初级脱盐水制备高纯度脱盐水的系统中，所以一般的脱盐系统中都少不了采用普通混床（或其代用装置EDI净水设备）。混床用酸、碱化学再生时再生操作很复杂，常有分离、再生、混合、清洗等再生步骤；再生停用时间也很长，常在7~30天左右；由于混床作为脱盐系统中的精处理设备，脱盐负载很轻，而习惯选用较大的容器。当混床采用电再生时，不需将阴、阳树脂分离，用水力输送方法直接将失效树脂送入体外电再生器中，按静态电再生方法再生。体外电再生器的可充填的体积，以1~2m3为宜，否则再生次数过多。当然，应开发混床的动态电再生技术，一边将失效树脂送入体外电再生，另一边又将再生好树脂送回原交换器或其它贮器中，而在体外电再生器内进行着树脂的流态化电再生。
3.3 凝结水精处理用高速混床
火力发电厂凝结水精处理用混床通常在约120 m/h的高流速下工作，树脂失效后要输送至专门的树脂再生装置进行酸、碱化学再生。为使阴、阳树脂彻底分离，避免发生交*污染，还要设法采取某些措施。再生后的树脂再回输至原高速混床使用。这时，改用电再生就十分简便，只需将输出的失效树脂送到体外电再生器内再生，并将再生后的树脂回输至原高速混床即可，由于电再生时阴、阳树脂不必分离，所以也没有发生交*污染的忧虑。
3.4 高纯水制备用抛光混床
采用普通混床或RO-EDI系统可制备得电导率在0.067 μS/cm以下的高纯水，为获得电子、医药或其他行业用电导率0.055 μS/cm（电阻率18.2 MΩ·cm）的理论纯水，通常还需经抛光混床进行最终的精处理。抛光树脂出水水质很高，必须采用相对密度很接近的阴、阳树脂混合物才能制得，这种特殊树脂，无法将其阴、阳树脂分离，树脂使用失效后，弃之不再生，每年更换一次。如采用电再生来再生这种更换下来的废树脂，将失效的阴、阳树脂混合在一起电再生为合用的新再生树脂，则可变废为宝，经济效益极高。
4 结论
利用美国Ionpure公司的EDI净水设备产品，进行混床离子交换树脂的静态电再生实验表明，在施加正常的电压和电流下，通以RO装置的产水，可在7～10 h内将失效EDI净水设备电再生。也就是将EDI净水设备内填充的失效阴、阳混合树脂静态电再生。再生后的EDI净水设备投入使用时，出水电导率在0.067 μS/cm以下，这说明树脂静态电再生的再生程度可与酸、碱化学再生相媲美。
再生延续时间的长短主要取决于再生所用的电流的大小。EDI净水设备的进水水质越好，树脂电再生的时间就越短。
离子交换树脂电再生技术，除在EDI净水设备使用中已得到应用外，还可应用于普通混床、高速混床和抛光混床。本实验的成功为开发这三种混床采用电再生技术奠定了实施的基础，有望实现其产业化。
参考文献
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Experiment and application on the static electro-regeneration technology
of ion exchange resin in the mixed bed
Wang Fang1,Yang Binbin2 ,Yang Jianyong2 ,Hou Pu2
(1.Departmant of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China；
2.Baoding huangong machinery electron Co. Ltd.，Baoding 071000，China)
Abstract： The experiment on the static electro-regeneration technology of ion exchange resin in the mixed bed for the EDI product, producing by US Ionpure Technologies Inc., are introduced. The application of the technology on the EDI, the ordinary mixed bed, the high-speed mixed bed and the polising mixed bed, are discussed as well. The experiment indicates that the electro-regeneration for ion exchange resin technology, invented by the author, is engineering feasible, and the degree of regeneration for ion exchange resin, obtained by electricity is as same as by acid-alkali. The success of experiment establishes a engineering foundation for the application of technology, and promotes its industrialization.
Key words： ion exchange resin; electro-regeneration ; EDI; membrane technology |
