双极膜填充床电渗析技术应用试验
摘要：将双极膜(BPM)和填充床电渗析(EDI)技术相结合，组装成三隔室BPM—EDI装置，将其应用于复床离子交换树脂的电再生。试验结果表明：当再生电压为60 V，再生时间为60 min时，该装置的电再生效果接近化学再生的效果，显示了良好的技术可行性。
关键词：双极膜(BPM) 填充床电渗析(EDI) 离子交换树脂 电再生
双极膜由阴离子交换树脂层(AL)、阳离子交换树脂层(CL)及中间界面亲水层组成，在直流电场作用下，它能将水直接离解成H+和OH-［1］。利用双极膜与其他阴、阳离子交换膜组合成的双极膜电渗析系统，能够在不引入组分的情况下将水溶液中的盐转化和分离成相应的酸和碱，用此原理对混床离子交换树脂电再生的试验研究显示了良好的技术可行性［2］，现将双极膜和填充床电渗析技术相结合，组装成三隔室BPM—EDI装置，应用于复床离子交换树脂的电再生。
1 原理
将阳离子交换膜、双极膜、阴离子交换膜按一定的顺序排列，并在双极膜两侧分别填充阴、阳两种离子交换树脂，就组成了双极膜三隔室填充床电渗析装置，其原理如图1所示。
在一定电压下，双极膜能把水直接离解成OH-和H+。阴树脂室内，在电场作用下阴树脂对水中阴离子起到吸附传导作用，使阴离子最终通过阴膜而进入浓水室，而双极膜对水离解产生的OH-在其他阴离子解吸时被阴树脂吸附，从而使树脂又具有了吸附和传导阴离子的活性，即得到再生；同理在阳树脂室内，阳离子在电场作用下，通过阳树脂的吸附传递最终通过阳膜进入浓水室，而双极膜对水离解产生的H+在其他阳离子解吸时被阳树脂吸附，使树脂得到再生。当所用原水含盐量较低时，在一定的电压下(大于装置极限电流的操作电压)，双极膜以及阴、阳膜和树脂颗粒界面层都发生不同程度的极化，而双极膜将更高效地将水离解为H+和OH-，使树脂室内的树脂得到更好的再生。
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2 试验装置与方法
2.1装置
双极膜三隔室EDI装置如图2所示，为三级三段组装。双极膜为上海化工厂特制；阴、阳离子交换膜采用上海化工厂生产的3361—BW和3362—BW；离子交换树脂采用南开大学化工厂生产的001×7阳树脂和201×7阴树脂；树脂室隔板为硬聚氯乙烯板，规格为400 mm×150 mm×5 mm，加工成无回路暗道式进出水隔板，以便填充树脂；电极分别采用钛涂钌(阳极)和不锈钢板(阴极)；0～100 V可控硅整流器；DDS—11A型电导仪；PHS—2C型酸度计。
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2.2 方法
在阴、阳树脂室内装入已用化学法再生的阴、阳树脂，通以自来水使其失效，其流程是先经阳树脂室，再进入阴树脂室，每5～10 min测定一次阴树脂室出水电导率，直到树脂失效。试验以新树脂经三酸三碱处理后初次通水所得交换容量E0为基准，而通电再生后树脂的交换容量为E，E/E0即为再生度。为了简化试验和计算，先确定树脂再生目标值，再取相同条件下树脂的失效时间T与新树脂失效时间T0进行比较。
3 试验结果与分析
首先进行新树脂的失效试验，原水电导率为550 μs/cm，水量为50 L/h，水温为16 ℃，试验结果见图3。
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以出水电导率＞90 μs/cm视为失效，处理时间(T0)为80 min。以下试验以出水电导率＜90 μs/cm为再生目标值。
3.1 操作电压与电流的关系
原水为经电渗析预处理的水，电导率为20 μs/cm，水温为16 ℃，各室流量为5 L/h，以10V为一档，从0～100 V逐步升高操作电压，测定不同电压时的电流强度，结果如图4所示。
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图4表明，当操作电压＜30 V时，电流随电压升高增长较慢，说明此时电压还不足以使双极膜发生水的离解；当电压＞30 V时，电流随电压的升高增长较快，表明此时已有水分子离解为H+和OH-来充当传递电流的介质，同时浓水室出水电导率急剧增大。在运行过程中，随电压升高，阳树脂室pH值有所降低(由5.27降至4.01)，阴树脂室出水pH值有所升高(由5.98升至7.81)，这说明随着操作电压的升高，双极膜对水的解离作用增强。浓水室与极水室pH值变化不大，在4.72～5.69范围内。
3.2电压对再生效果的影响
确定通电时间为50 min。试验过程中，浓水室的水直接排放，其他室的水回用。测定不同操作电压下的再生效果如图5所示。
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由图5可以看出，电压＜20 V时几乎无再生效果，当电压增加到40 V时有明显的再生效果，电压为60 V时的失效时间已接近化学再生的失效时间，电压为80 V以后变化不大，说明操作电压需增高到某一值，使水离解产生足够的H+和OH-离子，才可对树脂进行较彻底的再生，此试验装置再生电压设定为60 V为宜。
3.3通电时间对再生效果的影响
以60 V为操作电压，分别测定不同通电时间的再生效果，结果如图6所示。
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图6表明通电时间越长，再生效果越好。通电时间在20～60 min之间，与失效时间几乎成线性关系；通电时间＞60 min以后失效时间变化趋于平缓，表明再生时间设定为60 min为宜。
3.4其他因素对再生效果的影响
①树脂室内水流的流速大小直接影响水离解产生的H+和OH-与树脂的接触时间，从而影响再生效果。流速越小，水离解产生的H+和OH-与树脂的接触时间越长，越有利于树脂再生；但流速过小又不利于盐类离子向浓水室的迁移，且室内产生一定的紊流有利于树脂的再生，因此有一个最佳的流速，据混床离子交换树脂电再生的试验结果［2］，以0.5～1.0 cm/s为宜。
②再生用水的水质越好，越有利于再生。试验采用电渗析预处理水达到了预期效果，在生产上采用离子交换树脂除盐即可满足再生用水要求。
③进水水温升高，水的粘度会降低，溶液的电导率增加，有利于离子的迁移，也利于树脂再生；但过高的温度会损害离子交换膜和树脂，同时水温的升高也会增加再生费用。因此，若有废热可利用，在膜和树脂允许的温度范围内，可适当升高进水水温。
4 结论
①将双极膜(BPM)和填充电渗析(EDI)技术相结合应用于离子交换树脂的电再生，在技术上是可行的；
②再生电压是十分关键的参数，再生时间、水流流速、水质、水温对再生效果也有一定的影响；
③当再生电压为60 V、再生时间为60 min时，该装置的再生效果接近化学再生的效果。
参考文献：
［1］廖尚志，莫剑雄.双极膜的发展和应用［J］.水处理技术，1995，21(6)：311-317.
［2］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.
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