复床树脂体外电再生

1.1 特点
　　复床是指阳树脂和阴树脂分置于两个设备中，一为阳床，另一为阴床，以区别于这两种树脂混合同置于一个设备中的混床。又由于复床在水处理系统流程中位置靠前，承担绝大部分脱盐负载，所以与混床相比，其电再生有不同的特点。
1.1.1 阳床与阴床再生不同步
　　在复床水处理系统再生实践中，阳床与阴床再生往往不同步，需要在不同时刻分别再生。在混床树脂送人上述体外电再生器再生时，由于水电离产生的H+和OH-离子都得到利用，因而浓水室排水呈中性。在复床电再生时，若先再生阳床失效树脂，则利用了H+离子，未利用OH-离子，因而浓水室排水呈微碱性；若另一时刻再再生阴床失效树脂，则利了OH-离子，未利用H+离子，因而浓水室排水呈微酸性。这些微碱(或酸)性的排水，若能收集来再生相应的阴(或阳)床，则要另外增添再生设备及系统；若直接排放，则因分别再生阳床与阴床而增加体外电再生的耗电量。
1.1.2 要求体外电再生器的再生强度高
　　与混床相比，复床通常承担绝大部分脱盐负荷。如以一级复床与一级混床的串联脱盐系统为例，复床需承担90％脱盐负载。复床解联停用供再生的时间通常为8～24h，所以体外电再生的所有操作应在8h内完成。由于复床的脱盐负载大，在短时间的电再生强度也就大，因此复床体外电再生器应是高再生强度的电再生设备。
1.1.3 硬度离子在膜上结垢的影响
　　混床作为水处理系统中的精处理设备，主要用来除去水中残余NaCl盐分，因而失效阳树脂呈Na型；复床用来除去水中绝大部分盐分，因而失效阳树脂除有Na型外还有Ca，Mg型。在复床失效阳树脂进人体外电再生器再生时，由于再生室内有大量OH-离子的存在，离子交换膜的表面及其离子孔道就有可能被Ca(OH)2和Mg(OH)2沉淀物所阻塞，使离子交换膜丧失对离子的选择性迁移作用，因此，混床树脂再生用的体外电再生器不能直接用于复床失效阳树脂的电再生。
1.1.4 树脂表面无机和有机沉淀物的影响
　　复床在水处理系统流程中的位置靠前，若去除水中悬浮物和有机物的预处理设备工作不好，则会在树脂表面结有无机沉淀物和滋生有机物。在复床树脂电再生时，这些无机和有机沉淀物随树脂一起带人体外电再生器，这会严重污染或堵塞离子交换膜，影响再生效果，使体外电再生器不能正常工作，因此，这时需在树脂电再生之前，增加树脂擦洗工序，将树脂清洗干净后再送人体外电再生器。
2.2 原理
　　复床树脂与混床树脂相比，其体外电再生器的区别在于：复床树脂电再生器膜对构成中增添了双 极膜，这相当于在混床树脂电再生室中间插了双极膜，将其一分为二，一变为复床中阳床树脂电再生室，另一变为复床中阴床树脂电再生室。在直流电场作用下，水电离所产生的H+和OH-离子，分别进入各自的阳、阴离子再生室，与相应的失效树脂发生交换反应，使失效树脂相应转化为H型和OH型，实现电再生。同时，又避免发生对树脂电再生过程有危害的副反应，因为复床位于脱盐系统的前端，失效阳床树脂除了吸着了水中所含的大部分离子外，还吸着了水中所含的全部Ca2+和Mg2+离子，如果将这种树脂送人原来的混床电再生室中，那么电再生时水电离所生成的H+离子可与树脂上所含Ca2+，Mg2+和Na2+离子交换，交换下来的Ca2+和Mg2+离子就可能与水电离所生成的OH-离子发生反应，生成Ca(OH)2或Mg(OH)2沉淀，覆盖在树脂或膜的表面，堵塞孔道，影响后续的离子迁移、扩散和交换过程，最终使树脂电再生难以持续下去。
　　所谓双极膜是由阴离子交换树脂层、阳离子交换树脂层和中间界面亲水层所组成，在直流电场的作用下，它能将水直接电离为H+和OH-离子，并受电场力作用形成彼此反向的离子流。因此将一张双极膜插在原一个混床树脂再生室中间，就可将其分成复床再生用阴、阳床树脂各自再生的两个电再生室。只要将失效阳床的阳树脂和失效阴床的阴树脂，分别送入各自的阴、阳树脂体外电再生室，经一定再生时间，就能获得再生程度与酸碱化学再生相媲美的新鲜再生树脂。在树脂流动情况下，复床动态体外电再生原理示意图，如图2所示。

2.3 试验研究结果
　　1992年美国Millipore公司设计了利用双极膜的EDI技术并申报了专利[4]。据报道，在原水的电导率为1μS/cm的条件下，双极膜界面电压降大于1 V，测得电流效率低于30％，双极膜水解离子所产生的H+和OH-离子的质量浓度可达到104mg/L以上，而原水中杂质离子的质量浓度仅为10-2～10-5mg/L，两者离子的质量浓度相差106～109倍。这一比例与传统的化学再生相比，要高出2～5个数量级，所以，这时树脂的再生度应比化学再生法高。
　　河北建筑科技学院完成了混床离子交换树脂电再生的试验研究后，又与河北电力设备厂及太原理工大学合作，进行了利用双极膜的复床树脂电再生试验(河北省2000年科学技术研究攻关指导计划项目00213093)[5]。他们采用了国产双极膜及其它材料，按照Millipore公司利用双极膜的EDI技术，制造了在双极膜两侧分别填装阴、阳树脂的EDI装置。复床离子交换树脂电再生的试验结果表明，当再生电压为60V和再生时间为60min时，该试验装置树脂电再生的效果接近化学再生的效果，显示了良好的技术可行性。
　　华中科技大学曹连成和邓泳南，也进行了利用双极膜的复床树脂电再生试验(1999年湖北省科委重点科技计划项目992P1202)[6]，得出与上述试验相同的结论。
　　北京国电龙源环保有限公司和华北电力大学，把利用双极膜进行复床树脂电再生作为实施树脂电再生技术的重点来进行开发。试验结果表明，对阴树脂的再生效果很好，达到或超过碱再生的效果，而对阳树脂的再生效果稍差[7]。
2.4 电再生器的结构
　　作者根据开发离子交换树脂电再生的实践，申报了“复床离子交换树脂电再生装置”实用新型专利[8]，用它作为“离子交换树脂电再生方法及装置”发明专利的补充。该实用新型专利，除提出双极膜将原混床用树脂电再生室一分为二，将它分为复床中阳床树脂的电再生室和阴床树脂的电再生室以外，还提出在浓水室内按等空隙法填充导电树脂。这可降低浓水室电阻，提高电流效率，也省去了浓水循环或浓水加盐等麻烦措施。
　　图3是复床离子交换树脂电再生器(双膜对)的剖面示意图。由图3可知，复床离子交换树脂电再生器主要包括膜堆、电极装置和端部夹紧装置三部分，膜堆的基本单元为膜对，膜堆由若干个膜对组合而成，每个膜对依次有阴离子交换膜、阴床树脂电再生空心隔板、双极膜、阳床树脂电再生空心隔板、阳离子交换膜和浓水室空心隔板各1张按固定的程序交替排列组成。在阴床和阳床树脂电再生室的人口，分别与失效的阴床和阳床树脂出口相连接，用纯水按水力输送法将失效阴、阳树脂分别送入阴床树脂电再生室空心隔板和阳床树脂电再生室空心隔板的空腔中，直至树脂填满再生室为止。浓水室空心隔板空腔中已填满导电树脂、以降低树脂电再生器工作时浓水室的电阻。阴床树脂电再生室空心隔板厚为10～20mm；阳床树脂电再生室空心隔板厚为10～20mm；浓水室空心隔板厚为5mm。这些隔板均用硬质聚丙烯制成。阴离子交换膜和阳离交换膜可用异相膜制成，这种膜和双极膜均为柔性材料；它们与上述刚性隔板压紧在一起，靠膜的形变，达到密封，不漏水。并联排列的膜对数越多，单台复床离子交换树脂电再生器可电再生失效树脂的数量就越大。

　　电极装置设置在膜堆外侧两端，包括正电极隔板、正电极、正电极室、负电极、负电极室和负电极室隔板。
　　夹紧装置设置在电极装量外侧两端，包括左右夹紧板以及16对螺栓，按一定顺序拧紧螺栓上的螺母，就可将若干个膜对、电极隔板和左右夹紧板压紧成一个整体装置。
　　因此，在膜对中树脂或膜(特别是双极膜)与水的界面上，因极化作用发生水的电离，水电离所生成的H+和OH-离子，分别与失效树脂上的离子发生交换反应，同时，从失效阴树脂上交换下来的这些离子，又受电场力的作用通过离子交换膜进入浓水室排出。最终失效树脂转换为H，OH型，得到电再生。