復床樹(shù)脂體外電再生

1.1 特點(diǎn)
　　復床是指陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂分置于兩個(gè)設備中，一為陽(yáng)床，另一為陰床，以區別于這兩種樹(shù)脂混合同置于一個(gè)設備中的混床。又由于復床在水處理系統流程中位置靠前，承擔絕大部分脫鹽負載，所以與混床相比，其電再生有不同的特點(diǎn)。
1.1.1 陽(yáng)床與陰床再生不同步
　　在復床水處理系統再生實(shí)踐中，陽(yáng)床與陰床再生往往不同步，需要在不同時(shí)刻分別再生。在混床樹(shù)脂送人上述體外電再生器再生時(shí)，由于水電離產(chǎn)生的H+和OH-離子都得到利用，因而濃水室排水呈中性。在復床電再生時(shí)，若先再生陽(yáng)床失效樹(shù)脂，則利用了H+離子，未利用OH-離子，因而濃水室排水呈微堿性；若另一時(shí)刻再再生陰床失效樹(shù)脂，則利了OH-離子，未利用H+離子，因而濃水室排水呈微酸性。這些微堿(或酸)性的排水，若能收集來(lái)再生相應的陰(或陽(yáng))床，則要另外增添再生設備及系統；若直接排放，則因分別再生陽(yáng)床與陰床而增加體外電再生的耗電量。
1.1.2 要求體外電再生器的再生強度高
　　與混床相比，復床通常承擔絕大部分脫鹽負荷。如以一級復床與一級混床的串聯(lián)脫鹽系統為例，復床需承擔90％脫鹽負載。復床解聯(lián)停用供再生的時(shí)間通常為8～24h，所以體外電再生的所有操作應在8h內完成。由于復床的脫鹽負載大，在短時(shí)間的電再生強度也就大，因此復床體外電再生器應是高再生強度的電再生設備。
1.1.3 硬度離子在膜上結垢的影響
　　混床作為水處理系統中的精處理設備，主要用來(lái)除去水中殘余NaCl鹽分，因而失效陽(yáng)樹(shù)脂呈Na型；復床用來(lái)除去水中絕大部分鹽分，因而失效陽(yáng)樹(shù)脂除有Na型外還有Ca，Mg型。在復床失效陽(yáng)樹(shù)脂進(jìn)人體外電再生器再生時(shí)，由于再生室內有大量OH-離子的存在，離子交換膜的表面及其離子孔道就有可能被Ca(OH)2和Mg(OH)2沉淀物所阻塞，使離子交換膜喪失對離子的選擇性遷移作用，因此，混床樹(shù)脂再生用的體外電再生器不能直接用于復床失效陽(yáng)樹(shù)脂的電再生。
1.1.4 樹(shù)脂表面無(wú)機和有機沉淀物的影響
　　復床在水處理系統流程中的位置靠前，若去除水中懸浮物和有機物的預處理設備工作不好，則會(huì )在樹(shù)脂表面結有無(wú)機沉淀物和滋生有機物。在復床樹(shù)脂電再生時(shí)，這些無(wú)機和有機沉淀物隨樹(shù)脂一起帶人體外電再生器，這會(huì )嚴重污染或堵塞離子交換膜，影響再生效果，使體外電再生器不能正常工作，因此，這時(shí)需在樹(shù)脂電再生之前，增加樹(shù)脂擦洗工序，將樹(shù)脂清洗干凈后再送人體外電再生器。
2.2 原理
　　復床樹(shù)脂與混床樹(shù)脂相比，其體外電再生器的區別在于：復床樹(shù)脂電再生器膜對構成中增添了雙 極膜，這相當于在混床樹(shù)脂電再生室中間插了雙極膜，將其一分為二，一變?yōu)閺痛仓嘘?yáng)床樹(shù)脂電再生室，另一變?yōu)閺痛仓嘘幋矘?shù)脂電再生室。在直流電場(chǎng)作用下，水電離所產(chǎn)生的H+和OH-離子，分別進(jìn)入各自的陽(yáng)、陰離子再生室，與相應的失效樹(shù)脂發(fā)生交換反應，使失效樹(shù)脂相應轉化為H型和OH型，實(shí)現電再生。同時(shí)，又避免發(fā)生對樹(shù)脂電再生過(guò)程有危害的副反應，因為復床位于脫鹽系統的前端，失效陽(yáng)床樹(shù)脂除了吸著(zhù)了水中所含的大部分離子外，還吸著(zhù)了水中所含的全部Ca2+和Mg2+離子，如果將這種樹(shù)脂送人原來(lái)的混床電再生室中，那么電再生時(shí)水電離所生成的H+離子可與樹(shù)脂上所含Ca2+，Mg2+和Na2+離子交換，交換下來(lái)的Ca2+和Mg2+離子就可能與水電離所生成的OH-離子發(fā)生反應，生成Ca(OH)2或Mg(OH)2沉淀，覆蓋在樹(shù)脂或膜的表面，堵塞孔道，影響后續的離子遷移、擴散和交換過(guò)程，最終使樹(shù)脂電再生難以持續下去。
　　所謂雙極膜是由陰離子交換樹(shù)脂層、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂層和中間界面親水層所組成，在直流電場(chǎng)的作用下，它能將水直接電離為H+和OH-離子，并受電場(chǎng)力作用形成彼此反向的離子流。因此將一張雙極膜插在原一個(gè)混床樹(shù)脂再生室中間，就可將其分成復床再生用陰、陽(yáng)床樹(shù)脂各自再生的兩個(gè)電再生室。只要將失效陽(yáng)床的陽(yáng)樹(shù)脂和失效陰床的陰樹(shù)脂，分別送入各自的陰、陽(yáng)樹(shù)脂體外電再生室，經(jīng)一定再生時(shí)間，就能獲得再生程度與酸堿化學(xué)再生相媲美的新鮮再生樹(shù)脂。在樹(shù)脂流動(dòng)情況下，復床動(dòng)態(tài)體外電再生原理示意圖，如圖2所示。

2.3 試驗研究結果
　　1992年美國Millipore公司設計了利用雙極膜的EDI技術(shù)并申報了專(zhuān)利[4]。據報道，在原水的電導率為1μS/cm的條件下，雙極膜界面電壓降大于1 V，測得電流效率低于30％，雙極膜水解離子所產(chǎn)生的H+和OH-離子的質(zhì)量濃度可達到104mg/L以上，而原水中雜質(zhì)離子的質(zhì)量濃度僅為10-2～10-5mg/L，兩者離子的質(zhì)量濃度相差106～109倍。這一比例與傳統的化學(xué)再生相比，要高出2～5個(gè)數量級，所以，這時(shí)樹(shù)脂的再生度應比化學(xué)再生法高。
　　河北建筑科技學(xué)院完成了混床離子交換樹(shù)脂電再生的試驗研究后，又與河北電力設備廠(chǎng)及太原理工大學(xué)合作，進(jìn)行了利用雙極膜的復床樹(shù)脂電再生試驗(河北省2000年科學(xué)技術(shù)研究攻關(guān)指導計劃項目00213093)[5]。他們采用了國產(chǎn)雙極膜及其它材料，按照Millipore公司利用雙極膜的EDI技術(shù)，制造了在雙極膜兩側分別填裝陰、陽(yáng)樹(shù)脂的EDI裝置。復床離子交換樹(shù)脂電再生的試驗結果表明，當再生電壓為60V和再生時(shí)間為60min時(shí)，該試驗裝置樹(shù)脂電再生的效果接近化學(xué)再生的效果，顯示了良好的技術(shù)可行性。
　　華中科技大學(xué)曹連成和鄧泳南，也進(jìn)行了利用雙極膜的復床樹(shù)脂電再生試驗(1999年湖北省科委重點(diǎn)科技計劃項目992P1202)[6]，得出與上述試驗相同的結論。
　　北京國電龍源環(huán)保有限公司和華北電力大學(xué)，把利用雙極膜進(jìn)行復床樹(shù)脂電再生作為實(shí)施樹(shù)脂電再生技術(shù)的重點(diǎn)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。試驗結果表明，對陰樹(shù)脂的再生效果很好，達到或超過(guò)堿再生的效果，而對陽(yáng)樹(shù)脂的再生效果稍差[7]。
2.4 電再生器的結構
　　作者根據開(kāi)發(fā)離子交換樹(shù)脂電再生的實(shí)踐，申報了“復床離子交換樹(shù)脂電再生裝置”實(shí)用新型專(zhuān)利[8]，用它作為“離子交換樹(shù)脂電再生方法及裝置”發(fā)明專(zhuān)利的補充。該實(shí)用新型專(zhuān)利，除提出雙極膜將原混床用樹(shù)脂電再生室一分為二，將它分為復床中陽(yáng)床樹(shù)脂的電再生室和陰床樹(shù)脂的電再生室以外，還提出在濃水室內按等空隙法填充導電樹(shù)脂。這可降低濃水室電阻，提高電流效率，也省去了濃水循環(huán)或濃水加鹽等麻煩措施。
　　圖3是復床離子交換樹(shù)脂電再生器(雙膜對)的剖面示意圖。由圖3可知，復床離子交換樹(shù)脂電再生器主要包括膜堆、電極裝置和端部夾緊裝置三部分，膜堆的基本單元為膜對，膜堆由若干個(gè)膜對組合而成，每個(gè)膜對依次有陰離子交換膜、陰床樹(shù)脂電再生空心隔板、雙極膜、陽(yáng)床樹(shù)脂電再生空心隔板、陽(yáng)離子交換膜和濃水室空心隔板各1張按固定的程序交替排列組成。在陰床和陽(yáng)床樹(shù)脂電再生室的人口，分別與失效的陰床和陽(yáng)床樹(shù)脂出口相連接，用純水按水力輸送法將失效陰、陽(yáng)樹(shù)脂分別送入陰床樹(shù)脂電再生室空心隔板和陽(yáng)床樹(shù)脂電再生室空心隔板的空腔中，直至樹(shù)脂填滿(mǎn)再生室為止。濃水室空心隔板空腔中已填滿(mǎn)導電樹(shù)脂、以降低樹(shù)脂電再生器工作時(shí)濃水室的電阻。陰床樹(shù)脂電再生室空心隔板厚為10～20mm；陽(yáng)床樹(shù)脂電再生室空心隔板厚為10～20mm；濃水室空心隔板厚為5mm。這些隔板均用硬質(zhì)聚丙烯制成。陰離子交換膜和陽(yáng)離交換膜可用異相膜制成，這種膜和雙極膜均為柔性材料；它們與上述剛性隔板壓緊在一起，靠膜的形變，達到密封，不漏水。并聯(lián)排列的膜對數越多，單臺復床離子交換樹(shù)脂電再生器可電再生失效樹(shù)脂的數量就越大。

　　電極裝置設置在膜堆外側兩端，包括正電極隔板、正電極、正電極室、負電極、負電極室和負電極室隔板。
　　夾緊裝置設置在電極裝量外側兩端，包括左右?jiàn)A緊板以及16對螺栓，按一定順序擰緊螺栓上的螺母，就可將若干個(gè)膜對、電極隔板和左右?jiàn)A緊板壓緊成一個(gè)整體裝置。
　　因此，在膜對中樹(shù)脂或膜(特別是雙極膜)與水的界面上，因極化作用發(fā)生水的電離，水電離所生成的H+和OH-離子，分別與失效樹(shù)脂上的離子發(fā)生交換反應，同時(shí)，從失效陰樹(shù)脂上交換下來(lái)的這些離子，又受電場(chǎng)力的作用通過(guò)離子交換膜進(jìn)入濃水室排出。最終失效樹(shù)脂轉換為H，OH型，得到電再生。