混床離子交換樹脂靜態電再生
以美國Ionpure公司生產的電去離子凈水設備，進行混床離子交換樹脂靜態電再生實驗結果，并探討了這種電再生技術在電去離子凈水設備、普通混床、高速混床和拋光混床方面的應用。實驗表明，作者所發明了樹脂電再生技術在技術上可行，可取得與酸、堿化學再生相媲美的樹脂再生效果。實驗成功為這一技術的應用奠定了實施基礎，有望實現其產業化。
[關鍵詞]離子交換樹脂；電再生；電去離子（EDI）；膜技術
1 前言
水電離所產生的H+和OH―離子，不斷自再生離子交換樹脂，這是電去離子（EDI）過程中關鍵的核心過程。在EDI凈水設備中，利用這一水電離再生樹脂的過程，使其本身設備出口處永遠保留一層不斷在再生的新鮮樹脂（稱為保護層），從而使出水水質很好。作者在研究EDI過程中曾提出，利用這一水電離再生樹脂的過程來再生原來裝在離子交換器中失效樹脂的構思，發明了一個類似于內部不填樹脂的空EDI凈水設備的裝置，作為失效樹脂體外再生用的電再生器。用這個電再生器代替原有離子交換器的酸堿再生系統，可實現樹脂的電再生。
離子交換樹脂體外電再生技術[1~3] ，靠電來電離水，靠電離產生的H+和OH―離子來再生樹脂，不用酸堿，對環境無污染，再生只消耗電，經濟效益極好，又加改善了再生時的工作條件，使離子交換樹脂再生技術變為綠色無污染又富有吸引力的高科技環保技術。
不少人對離子交換樹脂電再生技術感興趣，他們各自利用自己的條件，自己對該技術的了解，進行了樹脂電再生技術的試驗研究[4~7] 。這些試驗研究都是選用自制的試驗裝置完成的，試驗裝置的材料和結構因受種種條件限制而不夠滿意，試驗的目的也有所不同，但都在不同程度上驗證了樹脂電再生的可行性，為了克服他們對樹脂電再生技術試驗研究的欠缺，我們選用當今上結構完善的EDI凈水設備產品，作為樹脂電再生的實驗裝置，這必定比自制的實驗裝置更恰當更好。因為這種EDI凈水產品已凝結了前人的經驗，所選定的工藝參數對樹脂電再生合適，用它得出的實驗研究結果必定具有性和代表性。
2 實驗
2.1 方法
EDI凈水產品的淡水室填充有陰、陽混合離子交換樹脂。如果不給EDI凈水設備通電而讓含有一定量NaCl的水流入淡水室，那么過了一定時間后，樹脂將完全失效，陰、陽樹脂將分別轉為Na型和Cl型。此時改用反滲透（RO）出水沖洗，待沖去殘余的NaCl溶液后，再給EDI凈水設備供電，控制好電壓、電流等參數，使EDI凈水設備淡水室內進行著水的電離過程，使電離所產生的H+和OH―離子不斷地再生著失效的陰、陽離子交換混合樹脂，連續或定期記錄EDI凈水設備進、出水的電導率和再生延續時間，直至出水電導率至0.067 μS/cm以下（電阻率15 MΩ?cm以上）為止。
由于離子交換樹脂電再生過程受EDI凈水設備工作參數的影響，所以要確定各個工作參數之間的關系，并找出對再生延續時間影響大的工作參數。
2.2 EDI凈水設備
采用美國Ionpure IP-LX10X EDI凈水設備膜堆，其產水量為0.55～1.65 t/h（額定值為1 t/h）。淡水室間距為10mm，室內填有陽、陰混合樹脂。與其他品牌EDI凈水設備不同，其濃水室（間距為5mm）內填充有導電樹脂，因此濃水室電阻較小，從而不必往濃水室中加鹽，連接濃水室的管路系統也得到簡化。
2.3 制水系統
離子交換樹脂電再生實驗用制水系統如圖1所示。經RO裝置處理后的初級純水，其電導率可達13 μS/cm，而再經EDI凈水設備處理的高純水，則小于0.067 μS/cm。往原水箱中加NaOH是要除去水中游離CO2，這時反應所生成的NaCO3又被后續的RO裝置除去。往中間水箱中加NaCl，是為了制備4~8% NaCl溶液，在NaCl溶液通過EDI凈水設備淡水室后，淡水室內填裝的樹脂就轉為Na和Cl型，使EDI凈水設備完全失效。失效后的EDI凈水設備可供電再生實驗用。
1 t/h RO-EDI脫鹽系統
2.4 結果與分析
在不同的電壓和電流下，進行了10余次EDI凈水設備失效電再生實驗。
實驗結果表明，再生延續時間的長短主要取決于再生所用的電流的大小，再生所用的電流越大，樹脂電再生的時間就越短。本實驗所用的Ionpure產品，在其濃水室中填充有導電樹脂，其運行時濃水室的電阻較小，在一定電壓下所相應的電流就較大，其大電流可達10 A，因而再生延續時間較短。實驗得出，調節實驗所用的電壓和電流，在7～10 h內可將Ionpure產品中鹽基型失效樹脂完全再生為H、OH型混合樹脂。這時，往再生后Ionpure產品內再送入RO出水，其產水電導率可在0.067 μS/cm以下。
將失效樹脂電再生時EDI凈水設備出水作為其進水反復再利用實驗的結果表明，EDI凈水設備的進水水質越好，樹脂電再生的時間就越短。
Ionpure EDI 凈水設備失效后的電再生典型曲線如圖2所示。它是在電壓100V和電流5A下測得的。從圖2可知，在再生延續時間約為120min（圖上與此相應的出水電導率為1μS/cm）以前，EDI凈水設備出水電導率隨再生延續時間的變化率較大，而在以后就變得很小，將曲線分前、后段來分析，其原因如下：
在前段；出水的電導率較高，相應地出水中所含離子濃度較高，因此不能發生極化作用所致的水的電離。這時EDI凈水設備中淡水室的離子，在外加直流電場的作用下，通過離子交換膜向濃水室遷移，受電滲析作用，淡水室離子濃度降低，而濃水室離子濃度相應增高。淡水室中離子濃度的降低，又破壞了失效的鹽基型離子交換樹脂的水解平衡，從而鹽基型樹脂的水解不斷延續下去。樹脂水解的結果，原來與樹脂上活性基團相結合的Na+與Cl―不斷進入水中，而失效鹽基型樹脂再生為H或OH型樹脂。所以這時樹脂的電再生是電滲析作用和水解作用參與下進行的，而不是在水直接電離出H+和OH―離子參與下，它們與樹脂上活性基團相結合的Na+和Cl―離子發生離子交換所致。因此，這一段再生速率較快，再生延續時間較短，稱此為水解―電滲析段。
在后段；出水的電導率較低，相應地水中所含離子稀少，在水與離子交換膜或樹脂顆粒界面上，就會發生水的電離。這時水電離所生成的H+和OH―離子，參與同樹脂上活性基團相結合的Na+和Cl―的離子交換，使失效鹽基型樹脂再生為H或OH型樹脂。由于此時所生成的H+和OH―離子濃度低，其離子活動范圍又很?。ㄈ珉x子活動范圍稍大，就可能發生生成水的復合過程），且要擴散到樹脂顆粒內部才能發生交換，所以這一段再生速率較低，而再生延續時間較長，稱此段為電離―離子交換段。
電導率/μS?cm－1
時間/min
EDI凈水設備出水電導率與再生延續時間的關系曲線
3 應用
3.1 EDI 凈水設備
EDI 凈水設備膜堆在出廠或長期停用時，通常采用注入NaCl溶液來抑制微生物生長和進行防凍防護，這時EDI內填充的離子交換樹脂均呈鹽基型，不具有交換能力，需通電使水電離，將陰、陽樹脂分別再生成OH、H型，為此常用初級脫鹽水（電導率約10 μS/cm）或高純水以較低的流量和壓力沖洗，洗去膜堆內的NaCl溶液，然后在繼續通水下通電，保持合適的流量和壓力使樹脂得到電再生。從通電進行樹脂電再生至產水水質達到電導率下降至0.067 μS/cm以下電再生結束，常需要7~10 h左右。電再生時間的長短，主要取決所用電流的大小，也與濃室是否填樹脂和其他結構因素有關。
EDI凈水設備在不穩定的變工況運行時常采用樹脂電再生操作。因為EDI凈水設備連續工作、出水水質好，都與淡水室內底層離子交換層為新鮮再生態分不開的，當保護層由于某種原因（如過載）被破壞時，出水水質就惡化。為此，用減少進水量來降低負載。這時，底層的離子交換樹脂得到電再生，使得保護層修復并加厚，終出水水質又變好。
3.2 普通混床
普通混床用于由初級脫鹽水制備高純度脫鹽水的系統中，所以一般的脫鹽系統中都少不了采用普通混床（或其代用裝置EDI凈水設備）?；齑灿盟?、堿化學再生時再生操作很復雜，常有分離、再生、混合、清洗等再生步驟；再生停用時間也很長，常在7~30天左右；由于混床作為脫鹽系統中的精處理設備，脫鹽負載很輕，而習慣選用較大的容器。當混床采用電再生時，不需將陰、陽樹脂分離，用水力輸送方法直接將失效樹脂送入體外電再生器中，按靜態電再生方法再生。體外電再生器的可充填的體積，以1~2m3為宜，否則再生次數過多。當然，應開發混床的動態電再生技術，一邊將失效樹脂送入體外電再生，另一邊又將再生好樹脂送回原交換器或其它貯器中，而在體外電再生器內進行著樹脂的流態化電再生。
3.3 凝結水精處理用高速混床
火力發電廠凝結水精處理用混床通常在約120 m/h的高流速下工作，樹脂失效后要輸送至專門的樹脂再生裝置進行酸、堿化學再生。為使陰、陽樹脂徹底分離，避免發生交叉污染，還要設法采取某些措施。再生后的樹脂再回輸至原高速混床使用。這時，改用電再生就十分簡便，只需將輸出的失效樹脂送到體外電再生器內再生，并將再生后的樹脂回輸至原高速混床即可，由于電再生時陰、陽樹脂不必分離，所以也沒有發生交叉污染的憂慮。
3.4 高純水制備用拋光混床
采用普通混床或RO-EDI系統可制備得電導率在0.067 μS/cm以下的高純水，為獲得電子、醫藥或其他行業用電導率0.055 μS/cm（電阻率18.2 MΩ?cm）的理論純水，通常還需經拋光混床進行終的精處理。拋光樹脂出水水質很高，必須采用相對密度很接近的陰、陽樹脂混合物才能制得，這種特殊樹脂，無法將其陰、陽樹脂分離，樹脂使用失效后，棄之不再生，每年更換一次。如采用電再生來再生這種更換下來的廢樹脂，將失效的陰、陽樹脂混合在一起電再生為合用的新再生樹脂，則可變廢為寶，經濟效益極高。
4 結論
利用美國Ionpure公司的EDI凈水設備產品，進行混床離子交換樹脂的靜態電再生實驗表明，在施加正常的電壓和電流下，通以RO裝置的產水，可在7～10 h內將失效EDI凈水設備電再生。也就是將EDI凈水設備內填充的失效陰、陽混合樹脂靜態電再生。再生后的EDI凈水設備投入使用時，出水電導率在0.067 μS/cm以下，這說明樹脂靜態電再生的再生程度可與酸、堿化學再生相媲美。
再生延續時間的長短主要取決于再生所用的電流的大小。EDI凈水設備的進水水質越好，樹脂電再生的時間就越短。
離子交換樹脂電再生技術，除在EDI凈水設備使用中已得到應用外，還可應用于普通混床、高速混床和拋光混床。本實驗的成功為開發這三種混床采用電再生技術奠定了實施的基礎，有望實現其產業化。
[關鍵詞]離子交換樹脂；電再生；電去離子（EDI）；膜技術
1 前言
水電離所產生的H+和OH―離子，不斷自再生離子交換樹脂，這是電去離子（EDI）過程中關鍵的核心過程。在EDI凈水設備中，利用這一水電離再生樹脂的過程，使其本身設備出口處永遠保留一層不斷在再生的新鮮樹脂（稱為保護層），從而使出水水質很好。作者在研究EDI過程中曾提出，利用這一水電離再生樹脂的過程來再生原來裝在離子交換器中失效樹脂的構思，發明了一個類似于內部不填樹脂的空EDI凈水設備的裝置，作為失效樹脂體外再生用的電再生器。用這個電再生器代替原有離子交換器的酸堿再生系統，可實現樹脂的電再生。
離子交換樹脂體外電再生技術[1~3] ，靠電來電離水，靠電離產生的H+和OH―離子來再生樹脂，不用酸堿，對環境無污染，再生只消耗電，經濟效益極好，又加改善了再生時的工作條件，使離子交換樹脂再生技術變為綠色無污染又富有吸引力的高科技環保技術。
不少人對離子交換樹脂電再生技術感興趣，他們各自利用自己的條件，自己對該技術的了解，進行了樹脂電再生技術的試驗研究[4~7] 。這些試驗研究都是選用自制的試驗裝置完成的，試驗裝置的材料和結構因受種種條件限制而不夠滿意，試驗的目的也有所不同，但都在不同程度上驗證了樹脂電再生的可行性，為了克服他們對樹脂電再生技術試驗研究的欠缺，我們選用當今上結構完善的EDI凈水設備產品，作為樹脂電再生的實驗裝置，這必定比自制的實驗裝置更恰當更好。因為這種EDI凈水產品已凝結了前人的經驗，所選定的工藝參數對樹脂電再生合適，用它得出的實驗研究結果必定具有性和代表性。
2 實驗
2.1 方法
EDI凈水產品的淡水室填充有陰、陽混合離子交換樹脂。如果不給EDI凈水設備通電而讓含有一定量NaCl的水流入淡水室，那么過了一定時間后，樹脂將完全失效，陰、陽樹脂將分別轉為Na型和Cl型。此時改用反滲透（RO）出水沖洗，待沖去殘余的NaCl溶液后，再給EDI凈水設備供電，控制好電壓、電流等參數，使EDI凈水設備淡水室內進行著水的電離過程，使電離所產生的H+和OH―離子不斷地再生著失效的陰、陽離子交換混合樹脂，連續或定期記錄EDI凈水設備進、出水的電導率和再生延續時間，直至出水電導率至0.067 μS/cm以下（電阻率15 MΩ?cm以上）為止。
由于離子交換樹脂電再生過程受EDI凈水設備工作參數的影響，所以要確定各個工作參數之間的關系，并找出對再生延續時間影響大的工作參數。
2.2 EDI凈水設備
采用美國Ionpure IP-LX10X EDI凈水設備膜堆，其產水量為0.55～1.65 t/h（額定值為1 t/h）。淡水室間距為10mm，室內填有陽、陰混合樹脂。與其他品牌EDI凈水設備不同，其濃水室（間距為5mm）內填充有導電樹脂，因此濃水室電阻較小，從而不必往濃水室中加鹽，連接濃水室的管路系統也得到簡化。
2.3 制水系統
離子交換樹脂電再生實驗用制水系統如圖1所示。經RO裝置處理后的初級純水，其電導率可達13 μS/cm，而再經EDI凈水設備處理的高純水，則小于0.067 μS/cm。往原水箱中加NaOH是要除去水中游離CO2，這時反應所生成的NaCO3又被后續的RO裝置除去。往中間水箱中加NaCl，是為了制備4~8% NaCl溶液，在NaCl溶液通過EDI凈水設備淡水室后，淡水室內填裝的樹脂就轉為Na和Cl型，使EDI凈水設備完全失效。失效后的EDI凈水設備可供電再生實驗用。
1 t/h RO-EDI脫鹽系統
2.4 結果與分析
在不同的電壓和電流下，進行了10余次EDI凈水設備失效電再生實驗。
實驗結果表明，再生延續時間的長短主要取決于再生所用的電流的大小，再生所用的電流越大，樹脂電再生的時間就越短。本實驗所用的Ionpure產品，在其濃水室中填充有導電樹脂，其運行時濃水室的電阻較小，在一定電壓下所相應的電流就較大，其大電流可達10 A，因而再生延續時間較短。實驗得出，調節實驗所用的電壓和電流，在7～10 h內可將Ionpure產品中鹽基型失效樹脂完全再生為H、OH型混合樹脂。這時，往再生后Ionpure產品內再送入RO出水，其產水電導率可在0.067 μS/cm以下。
將失效樹脂電再生時EDI凈水設備出水作為其進水反復再利用實驗的結果表明，EDI凈水設備的進水水質越好，樹脂電再生的時間就越短。
Ionpure EDI 凈水設備失效后的電再生典型曲線如圖2所示。它是在電壓100V和電流5A下測得的。從圖2可知，在再生延續時間約為120min（圖上與此相應的出水電導率為1μS/cm）以前，EDI凈水設備出水電導率隨再生延續時間的變化率較大，而在以后就變得很小，將曲線分前、后段來分析，其原因如下：
在前段；出水的電導率較高，相應地出水中所含離子濃度較高，因此不能發生極化作用所致的水的電離。這時EDI凈水設備中淡水室的離子，在外加直流電場的作用下，通過離子交換膜向濃水室遷移，受電滲析作用，淡水室離子濃度降低，而濃水室離子濃度相應增高。淡水室中離子濃度的降低，又破壞了失效的鹽基型離子交換樹脂的水解平衡，從而鹽基型樹脂的水解不斷延續下去。樹脂水解的結果，原來與樹脂上活性基團相結合的Na+與Cl―不斷進入水中，而失效鹽基型樹脂再生為H或OH型樹脂。所以這時樹脂的電再生是電滲析作用和水解作用參與下進行的，而不是在水直接電離出H+和OH―離子參與下，它們與樹脂上活性基團相結合的Na+和Cl―離子發生離子交換所致。因此，這一段再生速率較快，再生延續時間較短，稱此為水解―電滲析段。
在后段；出水的電導率較低，相應地水中所含離子稀少，在水與離子交換膜或樹脂顆粒界面上，就會發生水的電離。這時水電離所生成的H+和OH―離子，參與同樹脂上活性基團相結合的Na+和Cl―的離子交換，使失效鹽基型樹脂再生為H或OH型樹脂。由于此時所生成的H+和OH―離子濃度低，其離子活動范圍又很?。ㄈ珉x子活動范圍稍大，就可能發生生成水的復合過程），且要擴散到樹脂顆粒內部才能發生交換，所以這一段再生速率較低，而再生延續時間較長，稱此段為電離―離子交換段。
電導率/μS?cm－1
時間/min
EDI凈水設備出水電導率與再生延續時間的關系曲線
3 應用
3.1 EDI 凈水設備
EDI 凈水設備膜堆在出廠或長期停用時，通常采用注入NaCl溶液來抑制微生物生長和進行防凍防護，這時EDI內填充的離子交換樹脂均呈鹽基型，不具有交換能力，需通電使水電離，將陰、陽樹脂分別再生成OH、H型，為此常用初級脫鹽水（電導率約10 μS/cm）或高純水以較低的流量和壓力沖洗，洗去膜堆內的NaCl溶液，然后在繼續通水下通電，保持合適的流量和壓力使樹脂得到電再生。從通電進行樹脂電再生至產水水質達到電導率下降至0.067 μS/cm以下電再生結束，常需要7~10 h左右。電再生時間的長短，主要取決所用電流的大小，也與濃室是否填樹脂和其他結構因素有關。
EDI凈水設備在不穩定的變工況運行時常采用樹脂電再生操作。因為EDI凈水設備連續工作、出水水質好，都與淡水室內底層離子交換層為新鮮再生態分不開的，當保護層由于某種原因（如過載）被破壞時，出水水質就惡化。為此，用減少進水量來降低負載。這時，底層的離子交換樹脂得到電再生，使得保護層修復并加厚，終出水水質又變好。
3.2 普通混床
普通混床用于由初級脫鹽水制備高純度脫鹽水的系統中，所以一般的脫鹽系統中都少不了采用普通混床（或其代用裝置EDI凈水設備）?；齑灿盟?、堿化學再生時再生操作很復雜，常有分離、再生、混合、清洗等再生步驟；再生停用時間也很長，常在7~30天左右；由于混床作為脫鹽系統中的精處理設備，脫鹽負載很輕，而習慣選用較大的容器。當混床采用電再生時，不需將陰、陽樹脂分離，用水力輸送方法直接將失效樹脂送入體外電再生器中，按靜態電再生方法再生。體外電再生器的可充填的體積，以1~2m3為宜，否則再生次數過多。當然，應開發混床的動態電再生技術，一邊將失效樹脂送入體外電再生，另一邊又將再生好樹脂送回原交換器或其它貯器中，而在體外電再生器內進行著樹脂的流態化電再生。
3.3 凝結水精處理用高速混床
火力發電廠凝結水精處理用混床通常在約120 m/h的高流速下工作，樹脂失效后要輸送至專門的樹脂再生裝置進行酸、堿化學再生。為使陰、陽樹脂徹底分離，避免發生交叉污染，還要設法采取某些措施。再生后的樹脂再回輸至原高速混床使用。這時，改用電再生就十分簡便，只需將輸出的失效樹脂送到體外電再生器內再生，并將再生后的樹脂回輸至原高速混床即可，由于電再生時陰、陽樹脂不必分離，所以也沒有發生交叉污染的憂慮。
3.4 高純水制備用拋光混床
采用普通混床或RO-EDI系統可制備得電導率在0.067 μS/cm以下的高純水，為獲得電子、醫藥或其他行業用電導率0.055 μS/cm（電阻率18.2 MΩ?cm）的理論純水，通常還需經拋光混床進行終的精處理。拋光樹脂出水水質很高，必須采用相對密度很接近的陰、陽樹脂混合物才能制得，這種特殊樹脂，無法將其陰、陽樹脂分離，樹脂使用失效后，棄之不再生，每年更換一次。如采用電再生來再生這種更換下來的廢樹脂，將失效的陰、陽樹脂混合在一起電再生為合用的新再生樹脂，則可變廢為寶，經濟效益極高。
4 結論
利用美國Ionpure公司的EDI凈水設備產品，進行混床離子交換樹脂的靜態電再生實驗表明，在施加正常的電壓和電流下，通以RO裝置的產水，可在7～10 h內將失效EDI凈水設備電再生。也就是將EDI凈水設備內填充的失效陰、陽混合樹脂靜態電再生。再生后的EDI凈水設備投入使用時，出水電導率在0.067 μS/cm以下，這說明樹脂靜態電再生的再生程度可與酸、堿化學再生相媲美。
再生延續時間的長短主要取決于再生所用的電流的大小。EDI凈水設備的進水水質越好，樹脂電再生的時間就越短。
離子交換樹脂電再生技術，除在EDI凈水設備使用中已得到應用外，還可應用于普通混床、高速混床和拋光混床。本實驗的成功為開發這三種混床采用電再生技術奠定了實施的基礎，有望實現其產業化。
