氯堿工業(yè)中高純水制備探討

史正學(xué)

（山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院 冶金化工系，山東 淄博 255065）

1 高純水在氯堿工業(yè)中的應(yīng)用

采用離子膜法制取燒堿過程中高純水的使用：向陰極液添加高純水與燒堿溶液混合，使其質(zhì)量分數(shù)維持在28%～30%；高純鹽酸生產(chǎn)用水；離子交換樹脂再生時需用高純水置換酸和堿；整流器冷卻用水；化驗室、電槽組裝及其他用水；泵密封用水。離子膜法制取燒堿所需高純水的主要指標如表1所示。

表1 高純水的主要指標

2 高純水的制取方法

2.1 高純水制取方法一

高純水制取方法一的工藝流程如圖1所示。

原水也被稱為一次水，含多種雜質(zhì)成分，如表2所示，其制取高純水的工藝流程如圖1所示。由圖1可知，原水通過深井泵打入原水池，在絮凝劑的作用下通過多介質(zhì)過濾器（由上而下）除去原水中的懸浮物、有機物及游離氯等，然后進入活性炭過濾器，繼續(xù)去除水中剩余的有機物、細菌及游離氯等，合格的過濾水經(jīng)過保安過濾器與阻垢劑混合后，通過高壓泵送入反滲透膜過濾器，去除水中大部分雜質(zhì)離子，濃水排放，淡水經(jīng)脫氣塔除去水中溶解的CO2后進入中間水箱，經(jīng)中間水泵送至陰陽混合離子交換器（簡稱混床），水由上而下，根據(jù)離子交換原理進一步去除水中剩余的陰、陽離子，合格的純水進入高純水儲罐，通過高純水泵送至各用戶。

表2 一次水成分

圖1 高純水制備方法一的工藝流程

2.2 高純水制取方法二

高純水制取方法二的工藝流程如圖2所示。

圖2 高純水制備方法二的工藝流程

方法二取消了方法一中的活性炭過濾器，增加了陰、陽樹脂交換器。

陽離子樹脂交換過程：

水通過陽離子樹脂床層時，水中的陽離子雜質(zhì)被樹脂吸附，本質(zhì)是雜質(zhì)陽離子與樹脂上的可交換離子（H+）進行交換達到去除的目的。交換下來的H+進入水中，使水的pH有所降低。

陰離子樹脂交換過程：

交換的結(jié)果是去除了水中的陰離子雜質(zhì)，水的pH接近中性。隨著交換過程的進行，樹脂的交換能力逐漸下降。當(dāng)接近樹脂的交換容量時，需對樹脂進行再生。陽樹脂用3%～5%的鹽酸進行再生，陰樹脂用2%～4%的堿液進行再生。再生的原理也是利用離子交換。

混床離子交換過程：

混床的作用是將陰、陽離子交換樹脂混合均勻后裝入交換器，除去水中剩余的陰、陽雜質(zhì)離子，同時生成水，混床出口水的pH幾乎不變。混床的再生比單床復(fù)雜，首先將混合的陰、陽離子樹脂分開，陰離子樹脂輕，在上層；陽離子樹脂重，在下層。有時為了利于分層，可加入少量堿液，然后分別向陰、陽樹脂層中通入堿液和酸液進行再生，最后將再生好的樹脂混勻即可重復(fù)使用。

方法二中增加的陰、陽離子樹脂單床交換器，在使用初期，陽離子樹脂與水界面處的pH較低，酸性較強，有利于水中弱堿性電解質(zhì)離子化，進而被去除；陰離子樹脂顆粒與水的界面處呈現(xiàn)出較強的堿性，有利于水中弱酸性電解質(zhì)離子化，進而被去除，降低了混床負荷，減少了混床再生次數(shù)，降低了污水的排放量，同時提高了高純水的質(zhì)量。

上述兩種方法都能滿足離子膜法制取燒堿中對高純水的要求，缺點在于產(chǎn)生的酸、堿廢液多，由于其中的雜質(zhì)離子多，不能循環(huán)使用。

2.3 高純水生產(chǎn)方法三

高純水生產(chǎn)方法三的工藝流程如圖3所示[1-4]。

圖3 高純水制備方法三工藝流程

方法三將電去離子（Electrodeionization，EDI）技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合，取代了陰、陽離子交換樹脂制取高純水的過程。通過這種技術(shù)制得的純水品質(zhì)高，長期看來能耗少且無酸、堿污水產(chǎn)生。EDI系統(tǒng)中使用的陰、陽離子樹脂再生時，利用了水電離產(chǎn)生的H+、OH-在電場作用下進行再生。

EDI技術(shù)在廢水治理、水的凈化、超純水的制備方面亦有應(yīng)用，在離子膜制取燒堿工藝中應(yīng)用較少。近30年，EDI技術(shù)發(fā)展較快，從最初的薄室混床、厚室混床發(fā)展到分層床和分床等，床型結(jié)構(gòu)不斷完善。

EDI技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合去除水中雜質(zhì)離子的過程主要涉及離子交換、傳質(zhì)及電場作用下水的電離。雙極膜分床去除雜質(zhì)離子的原理如圖4所示。

圖4 雙極膜分床去除雜質(zhì)離子

原水自上而下進入陽離子交換樹脂床層，水中的雜質(zhì)陽離子M+被樹脂交換吸附，同時在電場的作用下通過陽離子交換膜進入濃水室，樹脂上的H+被交換下來進入水中，使水的pH降低。隨著通電過程的進行，水中的雜質(zhì)陽離子越來越少，在恒定的電流負荷下，水在電場的作用下在雙極膜內(nèi)電離出H+及OH-，其中，H+通過陽離子交換膜進入陽離子交換樹脂床層，OH-通過陰離子交換膜進入陰離子交換樹脂床層，起到負載電流的作用，同時也是陰、陽樹脂床層顆粒在電場作用下的再生過程。原水經(jīng)過陽樹脂床層后，進入陰離子樹脂床層，通過離子交換及電場作用，水中的陰離子X-進入濃水室，其再生過程與陽離子樹脂再生過程類似。離開陰離子樹脂床層的水是合格水。

3 EDI技術(shù)的發(fā)展前景

EDI技術(shù)在凈化水的應(yīng)用中有一些限制條件，比如水的硬度、pH、游離氯的含量等，但環(huán)保無污染，無論是工藝還是結(jié)構(gòu)設(shè)計，都在不斷地完善，大有取代膜法凈化水的趨勢。