王 方，王明亚，王明太

（1.清华大学热能工程系，北京100084；2.苏州华清水处理技术有限公司，江苏常熟215500）

混床离子交换树脂电再生技术*

王 方1，王明亚2，王明太2

（1.清华大学热能工程系，北京100084；2.苏州华清水处理技术有限公司，江苏常熟215500）

用H2O分子电离所产生的H+和OH-离子，用水这一再生剂，代替酸碱再生失效离子交换树脂的体外电再生技术，使离子交换水处理变为一种绿色环保水处理技术。从电再生系统、原理、验证和实验及工程应用等几方面，介绍了这项高科技创新技术。

离子交换树脂电再生；电再生；混床；超纯水

在制备纯水或超纯水的脱盐系统中，通常都采用混床作为精处理设备，而在电子行业用的超纯水制水系统中，更采用专用的抛光混床作为出水水质把关的终端设备，用抛光混床处理水，使出水电阻率接近理论纯水的电阻率18.2 MΩ·cm。常用混床失效后，要用酸、碱再生失效的树脂，使其恢复脱盐能力。这种再生操作繁琐，操作中还会排出大量废酸、碱，这会严重污染环境。

随着人们环境意识的提高，力图探求其它无污染的再生树脂工艺。有人用水蒸汽或高温水进行树脂热再生，也有人将阳极插入阳树脂和阴极插入阴树脂来再生失效的树脂，进行了树脂电再生的尝试[1]。这些没有采用酸碱化学再生的方法，再生效果不好，未得到实际应用。1996年笔者在研究电去离子（EDI）净水技术时，提出了描述电去离子过程的反应叠加模型[2]，发明了一种利用水的电离来再生树脂的新方法[3-4]，这种树脂再生法，以电能为推动力，用水作为再生剂，不用酸碱化学药剂，操作简化，也无废物排放，不污染环境，称之为离子交换树脂电再生法，它是一种无污染的绿色再生工艺[5]。

1 再生系统介绍

离子交换树脂电再生有复床和混床电再生2种方式，复床电再生时，阳床只利用H+离子再生失效阳树脂，阴床只利用OH-离子再生失效阴树脂，所以，复床的电再生过程比较单纯，比较简单。混床电再生时，阴、阳树脂不分开，电离所产生的H+和OH-离子自行分别再生失效的阳、阴树脂，所以，混床电再生过程比较复杂。因此，讨论了混床的电再生，就可以理解复床的电再生。本文只讨论混床的电再生。

混床离子交换树脂体外电再生系统见图1。

图1 混床离子交换树脂体外电再生系统Fig.1 System of outer electro-generation of resin in mixed bed

图1中，体外电再生器的结构类似于EDI装置，它相当于一个不填装树脂的空的EDI装置。在普通混床失效从脱盐系统解列后，不必将阴、阳树脂分开，可直接用纯水通过水力喷射器将失效混合树脂抽吸入体外电再生器。只要源源不断地将混床中的失效树脂，从原混床抽出再送入体外电再生器，在直流电场的作用下，就有再生好的树脂从出口徐徐连续流出。在体外电再生器内进行着树脂的动态电再生过程。

这时电再生器内树脂层的再生状态见图2。

图2中，树脂颗粒下层涂黑色表示完全失效，中层涂灰色表示已部分再生，上层空白为已再生。动态电再生时，树脂层由完全失效层、部分再生过渡层和完全再生层所组成，在稳态条件下，这种分层分布状态基本不变。混床动态电再生是比较理想的再生方式，由于处在流动状态，有利于离子扩散传质，也就是树脂颗粒表面扩散层较薄，离子传质速度较快，因此相应的再生延续时间较短。另外，由于树脂电再生是一个连续过程，电再生室的体积可以设计的较小，相应的利用率较高，体外输送装备全部自控，操作极少。凝结水高速混床体外酸碱再生工艺是一项现在正在使用的成熟技术，可很方便地将其树脂体外输送技术引用过来。

图2 体外电再生器内树脂层的再生状态Fig.2 Electro-regenerating state of resin layers in the outer electro-generator

混床树脂静态电再生是另一种再生方式，这时，将失效树脂分批地从离子交换器中抽吸出来，填满电再生室后，通电再生，如此间歇地进行。静态电再生，结构简单，产量低。

2 再生原理

离子交换树脂电再生的原理是基于直流电场作用下水的解离

水电离反应中所产生的氢离子H+，可以当作酸使用，将失效阳树脂再生为H型；所产生的氢氧离子OH-，可以当作碱使用，将失效的阴树脂再生为OH型，从而完成了失效混床树脂的再生。

电再生过程中所用的再生剂是纯水，纯水不含杂质，又非常纯净。多余的H+和OH-离子，会相互复合变成水分子，使水呈中性。同时没有酸、碱化学再生时废酸、废碱的排放，因此，电再生过程非常单纯，又完全环保，属于绿色环保工艺。顺便提及，电离所产生的H+和OH-离子，分别与失效阳、阴树脂发生的再生反应，是在直流电场的参与下，不需人为干涉而自动进行的。因此电再生时阴、阳树脂不必预先分开，这也是电再生技术能适用于再生抛光阴、阳树脂的原因。

在通常情况下，水电离所产生的H+和OH-离子，极易相互复合而生成H2O分子。因此，水的电离反应没有得到实际的工程应用。在EDI净水设备中，在树脂或膜与水界面上电势梯度超过水的最低热力势时，水就会解离成H+和OH-离子[6]，由于水电离发生在树脂或膜与水界面上，水电离所生成的H+和OH-离子很容易马上与失效树脂上的Na+和Cl-离子发生交换反应，它们迁移的路程极短，全部电离离子中发生复合的较少，在直流电场的作用下，交换反应所产生的产物Na+和Cl-离子，并不积累，又通过交换膜被迅速地迁移出淡水室，这避免了发生逆向交换反应，使后续交换反应能继续进行。最终，使失效树脂得到再生。

因此，在适当的工艺条件下，只要水不断地电离出H+和OH-离子，又不断地消耗于失效树脂的再生，就不断地进行着EDI净水设备内树脂的自行再生过程。当然，此时也有会发生未参与再生过程的H+和OH-离子不断复合为H2O分子的过程。

由此可见，在EDI净水设备中进行着树脂的自再生过程。只要能制造出一个结构类似于EDI设备的电再生装置，它具有容纳失效树脂的空间和电再生树脂的功能，在适当的工艺条件下，它就可以将送入的其它混床失效树脂电再生，完成了离子交换树脂的电再生过程。

3 实验和验证

EDI净水设备已在电子、电力、医药、化工等行业水处理工程中得到推广应用。大家都知道，正在使用的EDI净水设备中同时进行着电渗析、离子交换和电再生这三个过程。在EDI净水设备调试、检修及其它必要操作时，都免不了用加大操作电流来强化树脂的自再生过程。这说明树脂的电再生过程已在EDI净水操作中得到了应用。现在问题在于，我们对树脂电再生的机理和过程不够了解，在应用中无法驾驭树脂电再生这一过程。为此，必须找出控制树脂电再生过程的工艺条件。

笔者[7]用产水量1 t/h的EDI净水设备改装成树脂电再生器。为了找出控制树脂电再生过程的工艺条件，考察了树脂电再生的全过程，得到了混床树脂电再生曲线（如图3所示）。通常再生延续时间为7~10 h，可将盐基型失效树脂完全再生为H、OH型混合树脂，失效树脂经电再生的再生率可达到与化学再生法媲美的程度。从图3可见，电再生曲线的前段，再生速率较快，再生延续时间较短，这时以树脂本身的水解过程和离子的电渗析迁移过程为主，所以前段称为水解—电渗析段；电再生曲线的后段，再生速率较低，再生延续时间较长，这时以水的电离过程和离子交换过程为主，所以后段称为电离—离子交换段[8]。

对树脂电再生全过程的研究为工程应用树脂电再生奠定了基础。国内不少研究者，受树脂电再生这一发明的启示，纷纷分别以不同方式用自制的试验装置研究树脂电再生的工艺条件和实施方案，一般都先验证树脂电再生可行性。他们提出了一些实施树脂电再生的建议，某些开拓性研究还促进了树脂电再生技术的应用推广。

图3 出水电导率与再生延续时间的关系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]的试验结果表明，树脂电再生充分，树脂电再生效果极好，显示了树脂电再生工艺有良好的可行性。确定实验装置树脂再生电压为30 V，树脂电再生时间为40 min，计算得出淡水室流速为0.5~1.0 cm/s。

王建友等[10]的试验表明，在一定的工艺条件下，用自制的EDI试验装置可将Na、Cl型树脂电再生处理到接近乃至超过酸、碱再生的程度。

赵英等[11]也得出相类似的结果，失效的混床离子交换树脂经电再生后，其阴树脂交换容量可达到现场使用标准300 mmol/L。

邹向群等[12]用分步再生方案将阳树脂的再生率从3.5%提高88.7%；阴树脂的再生率从1.7%提高到91.1%。

此外，不少研究生都以树脂电再生相关题目相继发表了他们的硕士学位论文[13-16]，他们从不同的研究角度验证了树脂电再生的可行性，提出了一些实施方法和建议，这将会对树脂电再生的工程应用起促进作用。

4 工程应用

根据树脂电再生的试验研究结果，可以设计和制造出适合于各种不同工程应用的树脂电再生器。在确保适用的树脂再生率的前提下，这种树脂电再生器的容量和再生延续时间必须满足工程应用要求。混床离子交换树脂电再生技术的工程应用可从如下几个方面着手开发：

首先，应应用于抛光混床树脂的再生，因为这种混床的阴、阳树脂的相对密度相同，阴、阳树脂混在一起，用水冲法无法将其分离，不能用酸碱分别再生。树脂失效后，要更换新树脂，旧树脂废弃不再生，填埋或焚烧。根据电再生试验结果推断，抛光混床树脂用电再生也会有很好的再生效果。采用树脂电再生技术就可以将该失效抛光树脂再生，变废为宝，循环使用，节约资源。电再生所用的再生剂为高纯水，纯度极高，不含杂质，从而也不往再生树脂中带入杂质，为避免大气对树脂再生品质的影响，这种再生系统后段需充惰性气体N2加以保护。特别要指出，抛光树脂价格昂贵，每1 m3树脂要20万左右，所以电再生抛光树脂的经济效益极好。

其次，将树脂电再生技术应用于电厂凝结水精处理高速（120 m/h）混床，现有的高速混床树脂再生是将失效树脂用水力输送至专门酸、碱再生系统去再生，树脂再生后，再回输至高速混床使用。这时将酸、碱化学再生改为树脂电再生就很方便。因为树脂输送系统是现成的，仅需体外电再生器串联在树脂输送系统中即可。由于电再生时阴、阳树脂不必分离，所以也消除了酸碱化学再生时发生常见的树脂交叉污染的忧虑。这种工程应用系统改造简单，总体上只需将原体外再生系统与体外电再生装置相连即可。这时应采取措施防止铁离子对树脂的污染。

最后，再将电再生技术应用于锅炉补给水处理及其它采用混床的场合，这种工程应用市场容量最大，经济和环保效益都极好。

5 结语

用水电离所产生的H+和OH-离子，用水这一再生剂，代替酸碱再生离子交换树脂的体外电再生技术，使离子交换水处理变为一种绿色环保水处理技术。实施这一创新技术的可行性，已由EDI装置的工程实践和许多试验所验证。这一离子交换树脂绿色再生工艺的产业化，将会使传统的离子交换技术发生根本性的变化，同时产生巨大的经济和环保效益。

[1]王方.国际通用离子交换技术手册[M].北京：科学技术文献出版社，2000：116-123.

[2]王方.电去离子过程的反应叠加的实用模型[J].清华大学学报：自然科学版，1998，38（7）：107-110.

[3]王方.离子交换树脂的电再生方法及装置：中国发明专利，ZL96120791.4[P].1996-11-29.

[4]王方.混床离子交换树脂的电再生法[J].工业水处理，1997，17（2）：1-3.

[5]王方.离子交换树脂的绿色再生工艺[J].工业水处理，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，杨斌斌，杨建永，等.混床离子交换树脂静态电再生实验及应用[J].净水技术，2006，25（3）：20-22；29.

[8]王方.混床离子交换树脂电再生过程解析[J].电力环境保护，2008，24（1）：53-56.

[9]李福勤，李清雪，王冬云.混床离子交换树脂电再生的试验研究[J].河北建筑科技学院学报，1999，16（4）：14-16.

[10]王建友.电去离子（EDI）高纯水新技术及其研究进展[J].上海化工，2000，25（21）：15-19.

[11]赵英，路光杰，尹连庆.火电厂离子交换树脂电再生可行性探讨[J].电力科学与工程，2002，（4）：73-75.

[12]邹向群，钱勤，陈志和.树脂电再生的试验研究[J].工业水处理，2003，23（8）：45-50；58.

[13]赵菲.火电厂离子交换树脂电再生的实验研究[D].北京：华北电力大学，2002.

[14]李福勤.离子交换树脂电再生实验研究[D].太原：太原理工大学，2002.

[15]苏继春.离子交换树脂的电渗析膜技术再生方法研究[D].武汉：武汉理工大学，2002.

[16]王颖.铝型强酸弱碱混合树脂电再生的试验研究[D].大连：大连交通大学，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年毕业于清华大学，主要从事工业水处理技术的研究与开发。电话：010-62786321，E-mail：wangfang@mail.tsinghua.edu.cn。