混床離子交換樹脂電再生技術*

王 方，王明亞，王明太

（1.清華大學熱能工程系，北京100084；2.蘇州華清水處理技術有限公司，江蘇常熟215500）

混床離子交換樹脂電再生技術*

王 方1，王明亞2，王明太2

（1.清華大學熱能工程系，北京100084；2.蘇州華清水處理技術有限公司，江蘇常熟215500）

用H2O分子電離所產生的H+和OH-離子，用水這一再生劑，代替酸堿再生失效離子交換樹脂的體外電再生技術，使離子交換水處理變為一種綠色環保水處理技術。從電再生系統、原理、驗證和實驗及工程應用等幾方面，介紹了這項高科技創新技術。

離子交換樹脂電再生；電再生；混床；超純水

在制備純水或超純水的脫鹽系統中，通常都采用混床作為精處理設備，而在電子行業用的超純水制水系統中，更采用專用的拋光混床作為出水水質把關的終端設備，用拋光混床處理水，使出水電阻率接近理論純水的電阻率18.2 MΩ·cm。常用混床失效后，要用酸、堿再生失效的樹脂，使其恢復脫鹽能力。這種再生操作繁瑣，操作中還會排出大量廢酸、堿，這會嚴重污染環境。

隨著人們環境意識的提高，力圖探求其它無污染的再生樹脂工藝。有人用水蒸汽或高溫水進行樹脂熱再生，也有人將陽極插入陽樹脂和陰極插入陰樹脂來再生失效的樹脂，進行了樹脂電再生的嘗試[1]。這些沒有采用酸堿化學再生的方法，再生效果不好，未得到實際應用。1996年筆者在研究電去離子（EDI）凈水技術時，提出了描述電去離子過程的反應疊加模型[2]，發明了一種利用水的電離來再生樹脂的新方法[3-4]，這種樹脂再生法，以電能為推動力，用水作為再生劑，不用酸堿化學藥劑，操作簡化，也無廢物排放，不污染環境，稱之為離子交換樹脂電再生法，它是一種無污染的綠色再生工藝[5]。

1 再生系統介紹

離子交換樹脂電再生有復床和混床電再生2種方式，復床電再生時，陽床只利用H+離子再生失效陽樹脂，陰床只利用OH-離子再生失效陰樹脂，所以，復床的電再生過程比較單純，比較簡單。混床電再生時，陰、陽樹脂不分開，電離所產生的H+和OH-離子自行分別再生失效的陽、陰樹脂，所以，混床電再生過程比較復雜。因此，討論了混床的電再生，就可以理解復床的電再生。本文只討論混床的電再生。

混床離子交換樹脂體外電再生系統見圖1。

圖1 混床離子交換樹脂體外電再生系統Fig.1 System of outer electro-generation of resin in mixed bed

圖1中，體外電再生器的結構類似于EDI裝置，它相當于一個不填裝樹脂的空的EDI裝置。在普通混床失效從脫鹽系統解列后，不必將陰、陽樹脂分開，可直接用純水通過水力噴射器將失效混合樹脂抽吸入體外電再生器。只要源源不斷地將混床中的失效樹脂，從原混床抽出再送入體外電再生器，在直流電場的作用下，就有再生好的樹脂從出口徐徐連續流出。在體外電再生器內進行著樹脂的動態電再生過程。

這時電再生器內樹脂層的再生狀態見圖2。

圖2中，樹脂顆粒下層涂黑色表示完全失效，中層涂灰色表示已部分再生，上層空白為已再生。動態電再生時，樹脂層由完全失效層、部分再生過渡層和完全再生層所組成，在穩態條件下，這種分層分布狀態基本不變。混床動態電再生是比較理想的再生方式，由于處在流動狀態，有利于離子擴散傳質，也就是樹脂顆粒表面擴散層較薄，離子傳質速度較快，因此相應的再生延續時間較短。另外，由于樹脂電再生是一個連續過程，電再生室的體積可以設計的較小，相應的利用率較高，體外輸送裝備全部自控，操作極少。凝結水高速混床體外酸堿再生工藝是一項現在正在使用的成熟技術，可很方便地將其樹脂體外輸送技術引用過來。

圖2 體外電再生器內樹脂層的再生狀態Fig.2 Electro-regenerating state of resin layers in the outer electro-generator

混床樹脂靜態電再生是另一種再生方式，這時，將失效樹脂分批地從離子交換器中抽吸出來，填滿電再生室后，通電再生，如此間歇地進行。靜態電再生，結構簡單，產量低。

2 再生原理

離子交換樹脂電再生的原理是基于直流電場作用下水的解離

水電離反應中所產生的氫離子H+，可以當作酸使用，將失效陽樹脂再生為H型；所產生的氫氧離子OH-，可以當作堿使用，將失效的陰樹脂再生為OH型，從而完成了失效混床樹脂的再生。

電再生過程中所用的再生劑是純水，純水不含雜質，又非常純凈。多余的H+和OH-離子，會相互復合變成水分子，使水呈中性。同時沒有酸、堿化學再生時廢酸、廢堿的排放，因此，電再生過程非常單純，又完全環保，屬于綠色環保工藝。順便提及，電離所產生的H+和OH-離子，分別與失效陽、陰樹脂發生的再生反應，是在直流電場的參與下，不需人為干涉而自動進行的。因此電再生時陰、陽樹脂不必預先分開，這也是電再生技術能適用于再生拋光陰、陽樹脂的原因。

在通常情況下，水電離所產生的H+和OH-離子，極易相互復合而生成H2O分子。因此，水的電離反應沒有得到實際的工程應用。在EDI凈水設備中，在樹脂或膜與水界面上電勢梯度超過水的最低熱力勢時，水就會解離成H+和OH-離子[6]，由于水電離發生在樹脂或膜與水界面上，水電離所生成的H+和OH-離子很容易馬上與失效樹脂上的Na+和Cl-離子發生交換反應，它們遷移的路程極短，全部電離離子中發生復合的較少，在直流電場的作用下，交換反應所產生的產物Na+和Cl-離子，并不積累，又通過交換膜被迅速地遷移出淡水室，這避免了發生逆向交換反應，使后續交換反應能繼續進行。最終，使失效樹脂得到再生。

因此，在適當的工藝條件下，只要水不斷地電離出H+和OH-離子，又不斷地消耗于失效樹脂的再生，就不斷地進行著EDI凈水設備內樹脂的自行再生過程。當然，此時也有會發生未參與再生過程的H+和OH-離子不斷復合為H2O分子的過程。

由此可見，在EDI凈水設備中進行著樹脂的自再生過程。只要能制造出一個結構類似于EDI設備的電再生裝置，它具有容納失效樹脂的空間和電再生樹脂的功能，在適當的工藝條件下，它就可以將送入的其它混床失效樹脂電再生，完成了離子交換樹脂的電再生過程。

3 實驗和驗證

EDI凈水設備已在電子、電力、醫藥、化工等行業水處理工程中得到推廣應用。大家都知道，正在使用的EDI凈水設備中同時進行著電滲析、離子交換和電再生這三個過程。在EDI凈水設備調試、檢修及其它必要操作時，都免不了用加大操作電流來強化樹脂的自再生過程。這說明樹脂的電再生過程已在EDI凈水操作中得到了應用。現在問題在于，我們對樹脂電再生的機理和過程不夠了解，在應用中無法駕馭樹脂電再生這一過程。為此，必須找出控制樹脂電再生過程的工藝條件。

筆者[7]用產水量1 t/h的EDI凈水設備改裝成樹脂電再生器。為了找出控制樹脂電再生過程的工藝條件，考察了樹脂電再生的全過程，得到了混床樹脂電再生曲線（如圖3所示）。通常再生延續時間為7~10 h，可將鹽基型失效樹脂完全再生為H、OH型混合樹脂，失效樹脂經電再生的再生率可達到與化學再生法媲美的程度。從圖3可見，電再生曲線的前段，再生速率較快，再生延續時間較短，這時以樹脂本身的水解過程和離子的電滲析遷移過程為主，所以前段稱為水解—電滲析段；電再生曲線的后段，再生速率較低，再生延續時間較長，這時以水的電離過程和離子交換過程為主，所以后段稱為電離—離子交換段[8]。

對樹脂電再生全過程的研究為工程應用樹脂電再生奠定了基礎。國內不少研究者，受樹脂電再生這一發明的啟示，紛紛分別以不同方式用自制的試驗裝置研究樹脂電再生的工藝條件和實施方案，一般都先驗證樹脂電再生可行性。他們提出了一些實施樹脂電再生的建議，某些開拓性研究還促進了樹脂電再生技術的應用推廣。

圖3 出水電導率與再生延續時間的關系Fig.3 Curve of conductivity of outflow water vs regenerating duration time for electro-generation of resin in mixed bed

李福勤等[9]的試驗結果表明，樹脂電再生充分，樹脂電再生效果極好，顯示了樹脂電再生工藝有良好的可行性。確定實驗裝置樹脂再生電壓為30 V，樹脂電再生時間為40 min，計算得出淡水室流速為0.5~1.0 cm/s。

王建友等[10]的試驗表明，在一定的工藝條件下，用自制的EDI試驗裝置可將Na、Cl型樹脂電再生處理到接近乃至超過酸、堿再生的程度。

趙英等[11]也得出相類似的結果，失效的混床離子交換樹脂經電再生后，其陰樹脂交換容量可達到現場使用標準300 mmol/L。

鄒向群等[12]用分步再生方案將陽樹脂的再生率從3.5%提高88.7%；陰樹脂的再生率從1.7%提高到91.1%。

此外，不少研究生都以樹脂電再生相關題目相繼發表了他們的碩士學位論文[13-16]，他們從不同的研究角度驗證了樹脂電再生的可行性，提出了一些實施方法和建議，這將會對樹脂電再生的工程應用起促進作用。

4 工程應用

根據樹脂電再生的試驗研究結果，可以設計和制造出適合于各種不同工程應用的樹脂電再生器。在確保適用的樹脂再生率的前提下，這種樹脂電再生器的容量和再生延續時間必須滿足工程應用要求。混床離子交換樹脂電再生技術的工程應用可從如下幾個方面著手開發：

首先，應應用于拋光混床樹脂的再生，因為這種混床的陰、陽樹脂的相對密度相同，陰、陽樹脂混在一起，用水沖法無法將其分離，不能用酸堿分別再生。樹脂失效后，要更換新樹脂，舊樹脂廢棄不再生，填埋或焚燒。根據電再生試驗結果推斷，拋光混床樹脂用電再生也會有很好的再生效果。采用樹脂電再生技術就可以將該失效拋光樹脂再生，變廢為寶，循環使用，節約資源。電再生所用的再生劑為高純水，純度極高，不含雜質，從而也不往再生樹脂中帶入雜質，為避免大氣對樹脂再生品質的影響，這種再生系統后段需充惰性氣體N2加以保護。特別要指出，拋光樹脂價格昂貴，每1 m3樹脂要20萬左右，所以電再生拋光樹脂的經濟效益極好。

其次，將樹脂電再生技術應用于電廠凝結水精處理高速（120 m/h）混床，現有的高速混床樹脂再生是將失效樹脂用水力輸送至專門酸、堿再生系統去再生，樹脂再生后，再回輸至高速混床使用。這時將酸、堿化學再生改為樹脂電再生就很方便。因為樹脂輸送系統是現成的，僅需體外電再生器串聯在樹脂輸送系統中即可。由于電再生時陰、陽樹脂不必分離，所以也消除了酸堿化學再生時發生常見的樹脂交叉污染的憂慮。這種工程應用系統改造簡單，總體上只需將原體外再生系統與體外電再生裝置相連即可。這時應采取措施防止鐵離子對樹脂的污染。

最后，再將電再生技術應用于鍋爐補給水處理及其它采用混床的場合，這種工程應用市場容量最大，經濟和環保效益都極好。

5 結語

用水電離所產生的H+和OH-離子，用水這一再生劑，代替酸堿再生離子交換樹脂的體外電再生技術，使離子交換水處理變為一種綠色環保水處理技術。實施這一創新技術的可行性，已由EDI裝置的工程實踐和許多試驗所驗證。這一離子交換樹脂綠色再生工藝的產業化，將會使傳統的離子交換技術發生根本性的變化，同時產生巨大的經濟和環保效益。

[1]王方.國際通用離子交換技術手冊[M].北京：科學技術文獻出版社，2000：116-123.

[2]王方.電去離子過程的反應疊加的實用模型[J].清華大學學報：自然科學版，1998，38（7）：107-110.

[3]王方.離子交換樹脂的電再生方法及裝置：中國發明專利，ZL96120791.4[P].1996-11-29.

[4]王方.混床離子交換樹脂的電再生法[J].工業水處理，1997，17（2）：1-3.

[5]王方.離子交換樹脂的綠色再生工藝[J].工業水處理，2005，25（12）：5-8.

[6]Simions R.Electric field effects on proton transfer between ionizable groups and water in ion exchange membranes[J].Electrochim.acta，1984，29（2）：151-158.

[7]王方，楊斌斌，楊建永，等.混床離子交換樹脂靜態電再生實驗及應用[J].凈水技術，2006，25（3）：20-22；29.

[8]王方.混床離子交換樹脂電再生過程解析[J].電力環境保護，2008，24（1）：53-56.

[9]李福勤，李清雪，王冬云.混床離子交換樹脂電再生的試驗研究[J].河北建筑科技學院學報，1999，16（4）：14-16.

[10]王建友.電去離子（EDI）高純水新技術及其研究進展[J].上海化工，2000，25（21）：15-19.

[11]趙英，路光杰，尹連慶.火電廠離子交換樹脂電再生可行性探討[J].電力科學與工程，2002，（4）：73-75.

[12]鄒向群，錢勤，陳志和.樹脂電再生的試驗研究[J].工業水處理，2003，23（8）：45-50；58.

[13]趙菲.火電廠離子交換樹脂電再生的實驗研究[D].北京：華北電力大學，2002.

[14]李福勤.離子交換樹脂電再生實驗研究[D].太原：太原理工大學，2002.

[15]蘇繼春.離子交換樹脂的電滲析膜技術再生方法研究[D].武漢：武漢理工大學，2002.

[16]王穎.鋁型強酸弱堿混合樹脂電再生的試驗研究[D].大連：大連交通大學，2007.

The Electro-regeneration Technology for Ion Exchange Resin in the Mixed Bed

WANG Fang1，WANG Ming-ya2，WANG Ming-tai2
（1.Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Suzhouhuaqing water treatment technology Co.，Ltd.，Jiangsu Changshu 215500，China）

outer electro-regeneration technology for ion exchange resin is a green environmental protection water-treatment technology.Instead of using acid and alkali to regenerate the exhausted ion exchange resin，the technology uses water as regenerant，which is electro-dissociated to produce H+and OH-ions.In this paper.the innovative technology with high science was introduced from aspects of system，principle，experiment，verification test and engineering application of the electro-regeneration technology

Electro-regeneration of ion exchange resin；Electro-deionization；Mixed bed；Ultrapure water

TQ425.2

A

1671-0460（2010）05-0563-04

2010-08-13

王 方（1938-），男，浙江平湖人，教授，1962年畢業于清華大學，主要從事工業水處理技術的研究與開發。電話：010-62786321，E-mail：wangfang@mail.tsinghua.edu.cn。