雙極膜填充床電滲析技術(shù)應(yīng)用試驗

論文作者：李福勤1楊云龍2李清雪1梁育群3摘要將雙極膜(BPM)和填充床電滲析(EDI)技術(shù)相結(jié)合，組裝成三隔室BPM—EDI裝置，將其應(yīng)用于復(fù)床離子交換樹脂的電再生。試驗結(jié)果表明：當(dāng)再生電壓為60V，再生時間為60min時，該裝置的電再生效果接近化學(xué)再生的效果，顯示了良好的技術(shù)可行性。

關(guān)鍵詞雙極膜(BPM)填充床電滲析(EDI)離子交換樹脂電再生

雙極膜由陰離子交換樹脂層(AL)、陽離子交換樹脂層(CL)及中間界面親水層組成，在直流電場作用下，它能將水直接離解成H+和OH-［1］。利用雙極膜與其他陰、陽離子交換膜組合成的雙極膜電滲析系統(tǒng)，能夠在不引入組分的情況下將水溶液中的鹽轉(zhuǎn)化和分離成相應(yīng)的酸和堿，用此原理對混床離子交換樹脂電再生的試驗研究顯示了良好的技術(shù)可行性［2］，現(xiàn)將雙極膜和填充床電滲析技術(shù)相結(jié)合，組裝成三隔室BPM—EDI裝置，應(yīng)用于復(fù)床離子交換樹脂的電再生。

1原理

將陽離子交換膜、雙極膜、陰離子交換膜按一定的順序排列，并在雙極膜兩側(cè)分別填充陰、陽兩種離子交換樹脂，就組成了雙極膜三隔室填充床電滲析裝置，其原理如圖1所示。

在一定電壓下，雙極膜能把水直接離解成OH-和H+。陰樹脂室內(nèi)，在電場作用下陰樹脂對水中陰離子起到吸附傳導(dǎo)作用，使陰離子最終通過陰膜而進入濃水室，而雙極膜對水離解產(chǎn)生的OH-在其他陰離子解吸時被陰樹脂吸附，從而使樹脂又具有了吸附和傳導(dǎo)陰離子的活性，即得到再生；同理在陽樹脂室內(nèi)，陽離子在電場作用下，通過陽樹脂的吸附傳遞最終通過陽膜進入濃水室，而雙極膜對水離解產(chǎn)生的H+在其他陽離子解吸時被陽樹脂吸附，使樹脂得到再生。當(dāng)所用原水含鹽量較低時，在一定的電壓下(大于裝置極限電流的操作電壓)，雙極膜以及陰、陽膜和樹脂顆粒界面層都發(fā)生不同程度的極化，而雙極膜將更高效地將水離解為H+和OH-，使樹脂室內(nèi)的樹脂得到更好的再生。

2試驗裝置與方法

裝置

雙極膜三隔室EDI裝置如圖2所示，為三級三段組裝。雙極膜為上海化工廠特制；陰、陽離子交換膜采用上海化工廠生產(chǎn)的3361—BW和3362—BW；離子交換樹脂采用南開大學(xué)化工廠生產(chǎn)的001×7陽樹脂和201×7陰樹脂；樹脂室隔板為硬聚氯乙烯板，規(guī)格為400mm×150mm×5mm，加工成無回路暗道式進出水隔板，以便填

充樹脂；電極分別采用鈦涂釕(陽極)和不銹鋼板(陰極)；0～100V可控硅整流器；DDS—11A型電導(dǎo)儀；PHS—2C型酸度計。

方法

在陰、陽樹脂室內(nèi)裝入已用化學(xué)法再生的陰、陽樹脂，通以自來水使其失效，其流程是先經(jīng)陽樹脂室，再進入陰樹脂室，每5～10min測定一次陰樹脂室出水電導(dǎo)率，直到樹脂失效。試驗以新樹脂經(jīng)三酸三堿處理后初次通水所得交換容量E0為基準(zhǔn)，而通電再生后樹脂的交換容量為E，E/E0即為再生度。為了簡化試驗和計算，先確定樹脂再生目標(biāo)值，再取相同條件下樹脂的失效時間T與新樹脂失效時間T0進行比較。

3試驗結(jié)果與分析

首先進行新樹脂的失效試驗，原水電導(dǎo)率為550μs/cm，水量為50L/h，水溫為16℃，試驗結(jié)果見圖3。

以出水電導(dǎo)率＞90μs/cm視為失效，處理時間(T0)為80min。以下試驗以出水電導(dǎo)率＜90μs/cm為再生目標(biāo)值。

操作電壓與電流的關(guān)系

原水為經(jīng)電滲析預(yù)處理的水，電導(dǎo)率為20μs/cm，水溫為16℃，各室流量為5L/h，以10V為一檔，從0～100V逐步升高操作電壓，測定不同電壓時的電流強度，結(jié)果如圖4所示。

圖4表明，當(dāng)操作電壓＜30V時，電流隨電壓升高增長較慢，說明此時電壓還不足以使雙極膜發(fā)生水的離解；當(dāng)電壓＞30V時，電流隨電壓的升高增長較快，表明此時已有水分子離解為H+和OH-來充當(dāng)傳遞電流的介質(zhì)，同時濃水室出水電導(dǎo)率急劇增大。在運行過程中，隨電壓升高，陽樹脂室pH值有所降低(由降至)，陰樹脂室出水pH值有所升高(由升至)，這說明隨著操作電壓的升高，雙極膜對水的解離作用增強。濃水室與極水室pH值變化不大，在～范圍內(nèi)。

電壓對再生效果的影響

確定通電時間為50min。試驗過程中，濃水室的水直接排放，其他室的水回用。測定不同操作電壓下的再生效果如圖5所示。

由圖5可以看出，電壓＜20V時幾乎無再生效果，當(dāng)電壓增加到40V時有明顯的再生效果，電壓為60V時的失效時間已接近化學(xué)再生的失效時間，電壓為80V以后變化不大，說明操作電壓需增高到某一值，使水離解產(chǎn)生足夠的H+和OH-離子，才可對樹脂進行較徹底的再生，此試驗裝置再生電壓設(shè)定為60V為宜。

通電時間對再生效果的影響

以60V為操作電壓，分別測定不同通電時間的再生效果，結(jié)果如圖6所示。

圖6表明通電時間越長，再生效果越好。通電時間在20～60min之間，與失效時間幾乎成線性關(guān)系；通電時間＞60min以后失效時間變化趨于平緩，表明再生時間設(shè)定為60min為宜。

其他因素對再生效果的影響

①樹脂室內(nèi)水流的流速大小直接影響水離解產(chǎn)生的H+和OH-與樹脂的接觸時間，從而影響再生效果。流速越小，水離解產(chǎn)生的H+和OH-與樹脂的接觸時間越長，越有利于樹脂再生；但流速過小又不利于鹽類離子向濃水室的遷移，且室內(nèi)產(chǎn)生一定的紊流有利于樹脂的再生，因此有一個最佳的流速，據(jù)混床離子交換樹脂電再生的試驗結(jié)果［2］，以～cm/s為宜。

②再生用水的水質(zhì)越好，越有利于再生。試驗采用電滲析預(yù)處理水達(dá)到了預(yù)期效果，在生產(chǎn)上采用離子交換樹脂除鹽即可滿足再生用水要求。

③進水水溫升高，水的粘度會降低，溶液的電導(dǎo)率增加，有利于離子的遷移，也利于樹脂再生；但過高的溫度會損害離子交換膜和樹脂，同時水溫的升高也會增加再生費用。因此，若有廢熱可利用，在膜和樹脂允許的溫度范圍內(nèi)，可適當(dāng)升高進水水溫。

4結(jié)論

①將雙極膜(BPM)和填充電滲析(EDI)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于離子交換樹脂的電再生，在技術(shù)上是可行的；

②再生電壓是十分關(guān)鍵的參數(shù)，再生時間、水流流速、水質(zhì)、水溫對再生效果也有一定的影響；

③當(dāng)再生電壓為60V、再生時間為60min時，該裝置的再生效果接近