关于火电厂离子交换树脂电再生可行性探讨

　　近年来,人们依据电渗析法和离子交换法各自的优点,将电渗析与离子交换技术结合起来,创造了一种新的水处理技术———EDI(电去离子)技术。EDI内混合阴、阳离子交换树脂,不用化学药剂再生而是依靠电再生[1]。这种技术取得了良好的经济和环保效益,同时也提示我们,既然EDI内树脂依靠电再生,那能否利用电能直接再生失效的离子交换树脂这一问题。同时,近年来又有人提出将水电离来再生失效的离子交换树脂[2],这种方法只消耗电能。如果该技术能运用到实践中去,则避免了酸碱再生的弊端,将产生重大意义。正是受二者启发,本文作者进行了有关混床电再生失效离子交换树脂的实验研究。

1　实验原理

用初级除盐水将失效的离子交换树脂输送入已改装好的普通电渗析再生室。由于初级除盐水所含盐分不多,它们在极限电流下不能完全承担导电任务,导致有少量水电离产生h+和OH-来承担余下的导电任务,这些盐分的阴阳离子和h+,OH-,在直流电场的作用下,分别向两侧迁移,h+一旦进入失效树脂的外电层中,就可能与Ca2+,Mg2+,ＮA+等离子发生置换反应,从而使阳树脂得到再生,转变为h型。由于被置换下来的Ca2+,Mg2+,ＮA+只需移动很短的距离,就到了阳膜边界,它们受阳膜上活性基团的吸引,加速通过阳膜进入浓水室而被除去。因此,使该再生反应得以顺利进行。而该反应的顺利进行又促使弱电解质的水不断电离,使混床内的失效阳离子交换树脂得到充分再生。同样,被HCO3-,Cl-,SO42-饱和的失效阴离子交换树脂也被水电离产生的OH-所代替,从而使阴离子交换树脂也得到了再生。

2　实验装置与方法

2.1　实验装置

电再生装置。采用单级三隔室离子交换树脂再生装置,如图1所示,其组成与普通电渗析器相仿,分别为阴、阳极室和再生室。其中再生室尺寸为160mm×160mm×10mm,内填完全失效的阴、阳离子交换树脂(2:1),极室为160mm×160mm×70mm,采用两个300mm×300mm×500mm的水箱,用蠕动泵进行循环,以调整再生室温度。阳极采用150mm×150mm×1.2mm钌钛网,阴极采用150mm×150mm×2mm多孔铁板。采用100Ｖ,30A硅整流器,装有电压表,电流表,以测量各工况下的电压和电流,进出水口水质用ＤＤＳ-11A电导率仪测定。离子交换膜采用上海化工厂生产的3361ＢＷ,3362ＢＷ异相膜,离子交换树脂采用上海罗门哈斯化工有限公司生产的001×7苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂和201×7苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂。

水处理实验装置。离子交换柱25mm×1800mm有机玻璃材料制作

2.2　实验方法

事先在再生室中装入用化学方法完全失效的阴、阳离子交换树脂,极室通入一定浓度硫酸钠溶液,接通电源,调整电压,随时监测电压电流变化,并密切注意再生室温度,控制在50℃以内。再生结束后,用高纯水取出树脂,进行小型水处理实验,以此作为评价再生效果的指标(实验采用美国材料与实验协会ASTM标准实验方法)。

3　实验结果与分析

3.1　实验现象

图2表示了在不同通电量下的再生效果。

由图2看出,混床树脂电再生基本趋势是随着通电量的增加,工作交换容量也逐渐增加,并且能够达到现场标准,即300mmol/L以上。但是,随着实验次数增加,出现了几个严重的问题。

(1)再生时间长

在50Ｖ电压下进行再生,发现电流增长缓慢,达到预定通电量10A·h时,最大电流仅为1.1A,共计再生时间达10.33h。净水实验显示,树脂工作交换容量为320.8mmol/L,达到了现场标准。但再生时间过长,不利于生产实践。

(2)重现性差

通过实验发现,在相同的实验条件下,再生效果重现性较差。为了避免离子交换膜渗漏对电再生的影响,每次实验均采用新的离子交换膜,在电压50Ｖ,通电量10A·h条件下再生树脂,重复6次实验,所测得的树脂工作交换容量分别为:287.5,320.8,162.5,179.2,204.2,195.8mmol/L。可见,树脂工作交换容量的变化并没有明确的趋势,忽高忽低。在163.5和320.8mmol/L之间波动,最大值与最小值之间相差近2倍。重现性不好,是电再生中存在的一个严重问题。

(3)树脂理化性能严重下降

在实验中发现,随着实验次数的增多,树脂破碎程度逐渐明显,这将影响到树脂的再生效果。因此,作了有关树脂理化性能测试,结果见表1。

　　很明显,树脂的全交换容量和耐磨率大幅度下降。使用过的树脂在进行耐磨率实验时,基本没有完整的圆形颗粒,绝大部分已成粉末。而树脂理化性能的大幅度降低,必然导致再生效果不稳定,重现性不好。

(4)阴、阳树脂再生不平衡

阴、阳混合树脂(阴阳比为2:1)在电再生过程中,再生程度不平衡。树脂再生完成后,分开净水,结果表明阴树脂再生比较彻底,达到了火电厂现场标准300mmol/L,而阳树脂的再生程度则非常低,远远低于现场要求。

3.2　原因分析

EDI中树脂是用电来再生的,它可以连续运行很长时间。本实验中却发现了诸多严重问题,下面通过对比混床再生与EDI中树脂电再生来分析原因。

(1)EDI中填充的是h型和OH型离子交换树脂,在EDI中制取纯水和超纯水时,电渗析可以忽略[3]。只考虑离子交换作用。投运不久,淡水室即可出现如图3所示的离子交换层谱。

当欲处理水从失效层流到工作层底部时,由于失效树脂已饱和,不可能再参与离子交换,故欲处理水中的离子,在通过失效树脂层时不被吸收,而是受直流电场的作用横向迁移,待到达工作层底部时,全部离子已经迁移出淡水室。由于在保护层中,电解质离子极少,易发生浓差极化,使水解离成h+和OH-,从而使保护层中的树脂保持为h型和OH型。而在失效层和工作层中,由于离子浓度相对较高,不易发生浓差极化,水解离现象基本不发生。

在混床电再生中,填充的树脂为完全失效的盐型树脂,树脂处于乱层状态,无法形成保护层,故其再生是发生在整个再生室内。只有水解离产生h+和OH-的量足够多时,树脂才能达到充分的再生,而水解离本身是比较困难的。故要使所有树脂均再生好,需要足够的时间及较大的水解离速度。

(2)混床再生过程中,水解离产生的h+和OH-与失效的阴、阳树脂发生置换反应使其再生。由于h+和OH-相对于其它阳离子和阴离子而言,其迁移速度较快,这必然导致一部分h+和OH-未再生失效的离子交换树脂,就已经迁移出再生室;另外,被置换下来的阴阳离子如不能及时迁移走,则可能再次进入离子交换树脂母体骨架活性集团的电势范围,又把h+和OH-置换出来。因此,树脂颗粒发生了再生-失效-再生的循环过程,导致树脂颗粒无数次的膨胀-收缩,从而使树脂易破裂,理化性能下降,再生效果不稳定。且h+是所有离子中迁移速度最快的,直接迁移出再生室的h+大大多于OH-,从而导致阳离子再生效果低于阴离子。而在EDI中,由于被再生的树脂仅为工作室中一小部分,故树脂理化性能所受影响非常小,能保证EDI的持续稳定运行。

4　小　结

在本实验条件下,利用水解离直接再生离子交换树脂,存在再生时间长,重现性差,树脂理化性能大幅度下降以及阴、阳离子交换树脂再生不平衡等缺点,运用到火电厂的可行性还有待于进一步研究。由于水解离在本质上是微观电化学行为,较难用试验手段对其深入研究,因此必须加强水解离的基础研究,完善水解离理论,以指导生产实践。