1、電去離子和樹脂電再生技術(shù)的研究進(jìn)展字體大?。捍?| 中 | 小 2007-09-17 13:42 - 閱讀：130 - 評論：0 電去離子和樹脂電再生技術(shù)的研究進(jìn)展摘要：本文先從電去離子凈水技術(shù)的原理、特點(diǎn)、發(fā)展歷史和進(jìn)展等方面介紹該技術(shù)的研究進(jìn)展，然后著重論述作者所發(fā)明的離子交換樹脂電再生技術(shù)的原理和5項(xiàng)可行性論證?！暗瓤紫短畛浯搽姖B析器”、“電去離子軟水方法及裝置”和“離子交換樹脂電再生方法及裝置”這三項(xiàng)專利技術(shù)，屬于市場前景廣闊、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益極好、社會迫切需求的高新技術(shù)，值得優(yōu)先開發(fā)，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化。關(guān)鍵詞：離子交換樹脂，電再生，電去離子（EDI），膜技術(shù)Advances in the

2、Electrodeionization and the Electro-regeneration Technology for Ion Exchange ResinWang Fang( Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084 )Abstract Firstly, the principle, characteristics, developing history and advances of the electrodeionization (EDI) are introduced in th

3、is paper. Secondly, the principle and the five terms of feasibility argumentation on the electro-regeneration for ion exchange resin technology, invented by the author, are discussed. Finally, the following three patent technologies, i.e. “the packed bed electrodialyser”, “the softening water method

4、 and apparatus by EDI” and “the method and apparatus for electro-regeneration of ion exchange resin”, are ripe high technologies with vast market prospect, good economical and environmental benefit, and urgently requisition. They are worth giving priority to develop and to realize industrialization.

5、Keyword ion exchange resin，electro-regeneration，EDI，membrane technology1 電去離子凈水技術(shù)1.1 原理 電去離子（electrodeionization, 簡稱EDI）凈水技術(shù)1,2 ，是一種將離子交換和電滲析膜技術(shù)相互有機(jī)地結(jié)合在一起、只用電來除去水中離子的脫鹽凈水的新方法，國內(nèi)稱之為填充床電滲析脫鹽法。圖1所示是EDI凈水設(shè)備工作原理圖。圖1 EDI凈水設(shè)備工作原理圖1陰離子交換膜；2陽離子交換膜；3陰離子交換樹脂；4陽離子交換樹脂；5濃水室；6淡水室 在一定的工藝和操作條件下，當(dāng)膜或樹脂與水的界面上極化過程發(fā)展到一定

6、程度時(shí)，水就電離為H+和OH離子，從而對樹脂實(shí)現(xiàn)動態(tài)電再生，這一過程是EDI技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。通俗地講，在普通電滲析的淡水室內(nèi)填充混合樹脂，實(shí)現(xiàn)了1）出水水質(zhì)變好，在進(jìn)水電導(dǎo)率 40 S/cm下，出水電導(dǎo)率在0.067 S/cm以下；2）設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，樹脂自行再生。優(yōu)點(diǎn)：1）連續(xù)出水，不設(shè)置備用設(shè)備；2）工作穩(wěn)定可靠，無人值守，易于自動化；3）自行再生，不消耗酸、堿，環(huán)境效益好；4）運(yùn)行成本低，易于普及推廣；5) 能除細(xì)菌和熱原，能除硅。 EDI與反滲透（RO）相結(jié)合的RO-EDI脫鹽系統(tǒng)3，將成為本世紀(jì)制備高純水用的主流脫鹽系統(tǒng)，將逐步代替離子交換，其市場占有率將不斷提高，估計(jì)未來可達(dá)85%

7、左右。1.2 發(fā)展歷史1）國外：1955年美國用EDI凈水設(shè)備處理放射性廢水；1987年美國millipore公司首先實(shí)現(xiàn)EDI凈水設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化；1991年Ionics公司進(jìn)行EDI凈水設(shè)備改型，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前提供EDI凈水設(shè)備產(chǎn)品和工程服務(wù)的美國公司：Electropure 、Millipore、Ionpure 、Ionics、E-cell公司（加拿大與日本合作，現(xiàn)已被美國通用電氣公司收購）。2）國內(nèi)：上世紀(jì)7080年代，實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入用自來水一步制備高純水的誤區(qū)；1984年，原子能研究所制得1103型純水器；19961997年，清華大學(xué)EDI及相關(guān)技術(shù)研究成果：電去離子純水器實(shí)用新型

8、專利（ZL96244874.5）；等空隙填充床電滲析器實(shí)用新型專利（ZL97221361.9）；電去離子軟水方法及所用裝置發(fā)明專利（ZL97116340.5）；離子交換樹脂的電再生方法及裝置發(fā)明專利 （ZL 96120791.4）；用反應(yīng)疊加實(shí)用模型解釋EDI過程。1996年至今，以下等單位參與EDI研究：天津大學(xué)和軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院； 杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心； 外資湖州歐美公司(卷式EDI凈水設(shè)備)。1.3 進(jìn)展 我國已開始進(jìn)入EDI產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的門檻，EDI產(chǎn)品在其最大用戶火力發(fā)電廠內(nèi)剛開始使用，電網(wǎng)內(nèi)有120 t/h EDI凈水設(shè)備，寶鋼自備電站有240t/h EDI凈水設(shè)備，山東有67家

9、自備電站使用EDI產(chǎn)品。這些產(chǎn)品基本上是從國外進(jìn)口的，中國是個(gè)大國，不是進(jìn)口多少套EDI凈水設(shè)備就能滿足要求，市場很大，產(chǎn)品利潤空間還不小。利用國內(nèi)離子交換膜等國產(chǎn)材料，生產(chǎn)出價(jià)廉而性能與國外產(chǎn)品相媲美的產(chǎn)品，將有望逐步提高國產(chǎn)EDI產(chǎn)品市場占有率。 在制造國產(chǎn)的EDI凈水設(shè)備時(shí)，除吸收國外他人之長外，應(yīng)采用國內(nèi)材料，因地制宜，并利用自主的知識產(chǎn)權(quán)。作者所發(fā)明的“等孔隙填充床電滲析器”是一種較好的EDI凈水設(shè)備，它除具有其它EDI凈水設(shè)備的一系列優(yōu)點(diǎn)外，還具有填充床孔隙均勻一致，流阻小，流速快，使用壽命長等特點(diǎn)。業(yè)已證實(shí)，等孔隙填充可使EDI凈水設(shè)備的漂洗電再生時(shí)間大大縮短。等孔隙填充技術(shù)已成

10、為當(dāng)今研制EDI凈水設(shè)備時(shí)，比較現(xiàn)實(shí)、方便且效果又較好的填充技術(shù)。 在EDI凈水設(shè)備的淡水室中，以陽離子交換樹脂，代替通常填裝的陰、陽離子交換樹脂，就制得電去離子軟水器4 。將它放在納濾反滲透設(shè)備或傳統(tǒng)的電滲析器之后，作為軟化處理系統(tǒng)中的精處理軟化設(shè)備之用，這些設(shè)備共同組成了毋需鹽再生的連續(xù)軟水系統(tǒng)。這種連續(xù)軟水系統(tǒng)，運(yùn)行只消耗電，可無人值守，實(shí)現(xiàn)了軟水自動化的變革。我國有50萬臺工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水要用軟水，國民經(jīng)濟(jì)中其他行業(yè)對軟水也有不小的需求，他們對推廣自動化操作、無人值守、不用鹽再生只消耗電的電去離子軟水器懷有濃厚的興趣。盡管軟水器產(chǎn)品價(jià)位不高，但市場好，需求量大，推廣電去離子軟水器也會有很

11、好的經(jīng)濟(jì)效益。2 離子交換電再生技術(shù)2.1 體外電再生系統(tǒng)5，6 在EDI凈水設(shè)備運(yùn)行時(shí)，膜和樹脂與水的界面上不斷地進(jìn)行著水的電離，電離所產(chǎn)生的H+和OH離子不斷地再生著失效的離子交換樹脂，結(jié)果在樹脂層底部形成一層由新鮮樹脂組成的保護(hù)層，從而使EDI凈水設(shè)備的出水水質(zhì)很好。因此，EDI凈水設(shè)備運(yùn)行中能再生失效樹脂是其固有的特性，這一特性能否利用來再生普通離子交換器中的失效樹脂？可否設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)類似于EDI凈水設(shè)備而又讓樹脂在其中流動暢快的體外電再生器？回答是肯定的。這時(shí)，只要源源不斷地將失效樹脂從體外電再生器進(jìn)口送入，在直流電場的作用的下就有再生好的樹脂從出口連續(xù)流出，在體外電再生器內(nèi)，進(jìn)行著

12、樹脂的電再生過程。這樣，就利用這種體外電再生器代替了原來離子交換器再生所用的酸、堿再生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了失效離子交換樹脂的體外電再生。 這種離子交換樹脂體外電再生構(gòu)思是作者在研究EDI凈水設(shè)備中工作過程時(shí)形成的，這一體外電再生系統(tǒng)正確性的直接驗(yàn)證是由目前正在使用的近萬套EDI凈水設(shè)備所提供的，這些EDI凈水設(shè)備能可靠地運(yùn)行不就是樹脂電再生正在EDI凈水設(shè)備中進(jìn)行的例證嗎？然而，人們并不滿足于這種驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了種種實(shí)驗(yàn)裝置，演示了樹脂電再生過程，測定了有關(guān)數(shù)據(jù)，論證了實(shí)施樹脂電再生的可行性。2.2 可行性論證1）河北建筑科技學(xué)院 李福勤等7受本樹脂電再生法這一發(fā)明的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了淡水室為200mm100m

13、m10mm的 EDI凈水設(shè)備試驗(yàn)裝置，測定了影響混床離子交換樹脂電再生的有關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)證實(shí)，該試驗(yàn)裝置可使樹脂充分再生，樹脂再生的效果極好，試驗(yàn)顯示了樹脂電再生技術(shù)有良好的可行性。確定該試驗(yàn)裝置的再生電壓為30V，再生時(shí)間為40min，計(jì)算得出淡水室流速為0.51.0cm/s。 用雙極膜進(jìn)行復(fù)床離子交換樹脂電再生的試驗(yàn)研究，被列為河北省2000年科技攻關(guān)指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（00213093）。雙極膜是陽離子交換樹脂層、陰離子交換樹脂層和中間界面親水層所組成，在直流電場的作用下，它能將水電離成H+和OH離子。李福勤等8用雙極膜（上海產(chǎn)）將淡水室一分為二，雙極膜兩側(cè)分別填充陰、陽樹脂，用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行復(fù)

14、床離子交換樹脂電再生可行性的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)再生電壓為60V和再生時(shí)間為60min時(shí)，該樹脂電再生裝置可將失效樹脂再生至接近化學(xué)再生的程度，顯示了樹脂電再生技術(shù)有良好的可行性。2）天津大學(xué) 王建友等9曾在自制的EDI凈水設(shè)備中填充鹽基型混床樹脂試驗(yàn)樹脂電再生的可行性，以電導(dǎo)率為1018S/cm的RO出水作為該EDI凈水設(shè)備的進(jìn)水，通電運(yùn)行約18 h，產(chǎn)品水電導(dǎo)率由3.3S/cm下降至0.067S/cm以下，使混床樹脂得到有效的再生。因此，在一定的工藝條件下，用EDI凈水設(shè)備可將Na、Cl型樹脂電再生處理到接近乃至超過酸、堿再生的程度10 。3）北京國電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司和華北電力大

15、學(xué) 國家電力公司對離子交換樹脂電再生技術(shù)的研究和開發(fā)工作，是由本文作者作為樹脂電再生專利發(fā)明人建議、北京國電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司申辦的，并將它列為2001年國家電力公司科技基金項(xiàng)目（SP-2001-02-25）。由于某種原因，專利發(fā)明人未參加此研究開發(fā)工作。 用自制的試驗(yàn)裝置得出的研究結(jié)果表明，離子交換樹脂經(jīng)電再生后其工作交換容量可達(dá)到現(xiàn)場使用標(biāo)準(zhǔn)（300 mmol/L以上）。他們還用雙極膜進(jìn)行復(fù)床離子交換樹脂電再生試驗(yàn)11，12 。試驗(yàn)表明，國產(chǎn)膜不能滿足使用要求，而用日本膜可得到令人滿意的電再生效果。 用自制的試驗(yàn)裝置得出的研究結(jié)果表明，混床離子交換樹脂經(jīng)電再生后其工作交換容量可達(dá)到現(xiàn)場使

16、用標(biāo)準(zhǔn)（300 mmol/L以上），而再生效果的重現(xiàn)性差，在相同的試驗(yàn)條件下重復(fù)6次試驗(yàn)，所測得的再生后樹脂工作交換容量分別為288, 321, 163, 179, 204, 196 mmol/L。他們還發(fā)現(xiàn)，樹脂破碎程度隨著試驗(yàn)次數(shù)增多逐漸明顯，而這會影響樹脂再生效果。因此，測定了再生樹脂的耐磨率，一般樹脂的耐磨率的正常值為95%，而再生后的樹脂的測定值僅為19.6%（陽樹脂）和3.7%（陰樹脂）。他們在論文13中驚呼：“使用過的樹脂在進(jìn)行耐磨率實(shí)驗(yàn)時(shí)，基本沒有完整的圓形顆粒，絕大部分已成粉末”。他們把產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因歸結(jié)為樹脂的電再生所致，即認(rèn)為，“樹脂顆粒發(fā)生了再生失效再生的循環(huán)過程，

17、導(dǎo)致樹脂顆粒無數(shù)次的膨脹收縮膨脹，從而使樹脂易破裂，理化性能下降，再生效果不穩(wěn)定?！?本文作者在用EDI凈水設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行10余次樹脂電再生試驗(yàn)時(shí)并未觀察到試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和樹脂破裂等現(xiàn)象，至今也沒看到其他在進(jìn)行樹脂電再生時(shí)發(fā)生樹脂破裂的報(bào)道。從事水處理的專業(yè)人士都知道，正常的樹脂合格產(chǎn)品，放于水處理設(shè)備中使用時(shí)，由于使用損耗，年補(bǔ)充率為715左右；在正常情況下，不會發(fā)生樹脂使用幾次就基本變成粉末的情況。國內(nèi)外有近萬套EDI凈水設(shè)備在運(yùn)行，也未見經(jīng)短期使用樹脂就變成粉末的報(bào)道。所以，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因不能歸結(jié)為樹脂的電再生所致。上述電再生試驗(yàn)中樹脂僅經(jīng)歷6次電再生就破裂成末的現(xiàn)象實(shí)在令人費(fèi)解，有些

18、人推測，上述電再生試驗(yàn)所用的樹脂可能是偽劣樹脂，或者是再生樹脂（報(bào)廢樹脂經(jīng)加工處理后再用），也可能在樹脂的保管和使用方面出了差錯。4）武漢藝達(dá)水處理工程有限公司和武漢大學(xué) 鄒向群等14用自制的直徑200mm、高400mm圓柱形樹脂電再生裝置進(jìn)行樹脂電再生的試驗(yàn)研究。電再生裝置的中間隔室，裝載比例不同的已使用一年的凝膠型混合陰、陽樹脂，隔室兩側(cè)面分別為均相陰、陽離子交換膜。樹脂電再生試驗(yàn)時(shí)，失效樹脂從裝置頂部間斷送入，相應(yīng)的已再生好的樹脂從裝置底部間斷排出，進(jìn)水為電導(dǎo)率2S/cm的一級除鹽水。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可見，用直流電對失效離子交換樹脂可以進(jìn)行一定程度的再生，再生過程中的電流效

19、率隨樹脂再生度的提高而下降。表1中序號2、4、5樹脂再生度的數(shù)據(jù)，還表明樹脂再生度可逐步提高，如按序號2中陽樹脂從3.5%提高到44.3，其次按序號4中陽樹脂從49.4提高到57.5，再按序號5中陽樹脂從85.4提高到88.7，這樣分三步從很低的再生度3.5提高到很高的再生度88.7，這也間接說明該試驗(yàn)裝置高度不夠，樹脂在試驗(yàn)裝置內(nèi)停留時(shí)間不夠長，以致不能一步就實(shí)現(xiàn)樹脂徹底再生。5）清華大學(xué)和保定環(huán)工機(jī)械電子有限公司表1 陽、陰樹脂電再生的試驗(yàn)結(jié)果14序號樹脂再生度 / 陽與陰樹脂體積比再生電流/A再生時(shí)間/ h再生前再生后1陽樹脂3.531.71：1.53.04.34.0陰樹脂1.727.5

20、2陽樹脂3.544.31：1.52.14.311.0陰樹脂1.732.23陽樹脂1731.01：1.32.83.69.5陰樹脂30.557.04陽樹脂49.457.51：21.41.815.1陰樹脂14.832.55陽樹脂85.488.71：22.83.85.0陰樹脂88.491.1 與上述試驗(yàn)研究中采用自制樹脂電再生裝置不同，這次試驗(yàn)采用EDI凈水設(shè)備的產(chǎn)品，即采用美國Ionpure公司的1 t/h EDI凈水設(shè)備。由于EDI凈水設(shè)備產(chǎn)品所選定的結(jié)構(gòu)與材料及工藝參數(shù)對實(shí)現(xiàn)樹脂電再生比較合適，產(chǎn)品性能比較完善，所以選定選用EDI凈水設(shè)備產(chǎn)品作為樹脂靜態(tài)電再生的試驗(yàn)裝置比上述自制的樹脂電再生試驗(yàn)

21、裝置更可靠更完善。在這次試驗(yàn)中，用RO裝置的出水（電導(dǎo)率約14.5 S/cm）作為樹脂電再生用EDI凈水設(shè)備的進(jìn)水，連續(xù)通水和通電，使EDI凈水設(shè)備淡水室內(nèi)的失效陰、陽混合樹脂電再生，直至出水電導(dǎo)率達(dá)到0.067 S/cm為止，記錄EDI凈水設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)出水電導(dǎo)率與再生延續(xù)時(shí)間的關(guān)系曲線（如圖2所示）。 試驗(yàn)表明，EDI凈水設(shè)備的進(jìn)水水質(zhì)越好，樹脂電再生的時(shí)間越短。本試驗(yàn)所用的Ionpure產(chǎn)品，在其濃水室內(nèi)填充有導(dǎo)電樹脂，因而在運(yùn)行時(shí)濃水室的電阻較小，在一定電壓下相應(yīng)的電流就較大，最大電流可達(dá)10 A，比上述的試驗(yàn)裝置所用的電流都大，結(jié)果可縮短再生時(shí)間。該Ionpure產(chǎn)品經(jīng)10余次失效再

22、生的樹脂電再生試驗(yàn)得出，在710 h內(nèi)可將Ionpure產(chǎn)品內(nèi)鹽基型失效樹脂完全再生為H、OH型混合樹脂。這時(shí)，往Ionpure產(chǎn)品內(nèi)再送入RO出水，其產(chǎn)水電導(dǎo)率可在0.067 S/cm以下。再生延續(xù)時(shí)間的長短主要取決于再生所用的電流的大小。本試驗(yàn)的詳細(xì)結(jié)果待發(fā)表。電導(dǎo)率/Scm1時(shí)間/min圖2 EDI凈水設(shè)備出水電導(dǎo)率與再生延續(xù)時(shí)間的關(guān)系曲線2.3 前景 離子交換樹脂體外電再生是綠色水處理工藝，是現(xiàn)有離子交換水處理的工藝變革，適用于老廠改造。只需廢除酸、堿再生系統(tǒng)，待原有的離子交換器失效后，將樹脂輸送到體外電再生器，樹脂電再生后，回輸?shù)皆x子交換器即可。由于離子交換水處理是水除鹽系統(tǒng)使用最

23、廣最通用的處理方式，如火力發(fā)電廠鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)有90 以上均用離子交換法（近年來，推廣RO技術(shù)，離子交換法的占有率有所下降），所以，這種離子交換樹脂電再生的改造市場容量很大，按所消耗的酸、堿量估算，國內(nèi)市場為2030億元。另外，還可出口占領(lǐng)國際大市場。因此，推廣樹脂電再生技術(shù)有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。3 結(jié)論 在高純水制備系統(tǒng)中，用EDI代替混床組成RO-EDI系統(tǒng)，由于這種系統(tǒng)是本世紀(jì)主流脫鹽系統(tǒng)，所以EDI生產(chǎn)行業(yè)是個(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)，有廣闊的發(fā)展前景。這種EDI凈水設(shè)備國外已產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)尚未批量生產(chǎn)。當(dāng)務(wù)之急是增加投資，吸取國外諸家之長，利用自主的知識產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)EDI凈水設(shè)備的批量生產(chǎn)，逐步提高國產(chǎn)品的份額。 開發(fā)電去離子軟水設(shè)備是我國應(yīng)用EDI凈水技術(shù)的特色，值得大力推廣。 對離子交換樹脂電再生技術(shù)可行性的研究表明，失效樹脂可用電再生技術(shù)再生。為使樹脂電再生能在工程上實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)法縮短電再生時(shí)間，適當(dāng)擴(kuò)大體外電再生器填充樹脂的