浅谈电厂离子交换树脂的应用与再生优化

任晋杰

摘要：随着近几年来人们对电厂水处理技术的研究力度不断增加，随着化工材料技术的不断进步，离子交换树脂的种类、使用条件与范围也有较大的进展，但与国外先进国家所有的技术相比，我国在具体应用过程中依旧存在诸多问题，其中离子交换树脂的优化问题，耗酸、耗碱问题日益突出。本文就离子交换树脂的应用和再生优化进行简要分析。

关键词：离子交换树脂，应用，再生优化

1、电厂化学离子交换树脂的应用

在电厂中，各类树脂被应用于化学水处理、凝结水精处理、发电机内冷水处理、循环水处理等处理环节中。树脂失效时，需要将失效树脂有效再生，或用新的树脂来代替失效树脂。树脂再生要用合理的方法进行再生，否则会造成树脂的再利用率下降，树脂再生产生大量废液造成二次污染。因此，在实际生产中，要用最合理的再生方法再生失效树脂，降低再生比耗，促进节能降耗。

1.1 电厂化学离子交换树脂的分类及应用

1.1.1强酸性阳离子树脂

这类树脂含有大量的强酸性集团，强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。

电厂应用：水处理阳床、混床、凝结水精处理高速混床、发电机内冷水装置，用于去除水中阳离子含量和硬度，降低电导率。

1.1.2弱酸性阳离子树脂

这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中（如pH5-14）起作用。这类树脂亦是用酸进行再生（比强酸性树脂较易再生）。

电厂应用：循环水处理主要用于去除水中硬度，提高循环水的浓缩倍率。

1.1.3强碱性阴离子交换树脂

这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱（NaOH）进行再生。

电厂应用：水处理阴床、混床、凝结水精处理高速混床、发电机内冷水装置，用于去除水中阴离子含量。

1.1.4弱碱性阴离子树脂

这类树脂含有弱碱性基团，在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件（pH1-9）下工作。用Na₂CO₃、NH₄OH进行再生。

电厂应用：水处理阴床，用于去除水中阴离子含量。

1.2 离子交换树脂再生技术比选

目前，在软化和除盐工艺中，离子交换树脂的再生技术主要有NaCl再生法、酸碱再生法、CO2离子交换法、热交换法，它们在技术工艺、应用范围等方面各有特点。

1.2.1 NaCl再生法

在软化水处理中，阳离子交换树脂中可交换的阳离子（如Na⁺、H⁺）能把水中所含的钙、镁离子置换出来。

电厂应用：该方法可以再生电厂发电机内冷水装置中的钠型树脂。

1.2.2 酸碱再生法

失效的离子交换树脂分别通入一定浓度的强酸或强碱溶液，使其发生上述各式的逆反应，从而使失效树脂得到再生。

在酸碱再生过程中，影响树脂再生效果的因素有：再生剂的种类、浓度、用量、再生流速以及再生方式（流向）等。

电厂应用：该方法可以用于电厂水处理阴、阳、混床树脂再生，凝结水精处理混床树脂再生，发电机内冷水装置树脂再生。

1.2.3 热再生法

为减少再生剂耗量和对环境的污染，澳大利亚的D.Weiss等开发并研究了热再生法（SIROTHERM）^[1]，但是这种方法因为需要使用一种特制的含有铁核的磁性粉末树脂而未得到推广。

近年来，我国也开始了对于热再生树脂的研究。它在室温下可以从盐溶液中交换吸附一定的盐，用80℃以上的热水又可以使盐解离，将盐从树脂上洗下来^[2]。

电厂应用：暂无应用。

1.2.4 利用CO₂作再生剂再生离子交换树脂（CARIX工艺）

美国的Gray与Crosby首先提出了用CO₂作再生剂再生弱酸阳离子交换树脂，随后由R.kunin,B.Vassilion作了“应用CO₂再生羧基阳离子交换树脂”的研究，在Desal工艺中使用，继而又有K.Robert等众多学者进行了多方面的技术工艺研究。七十年代中期，C.Berger Wittmar和H.Sontheimer，证实了用CO₂再生弱酸树脂的可能性。后来，西德Karlsruhe核研究中心的Hoell博士及其同事们用丙烯酸为功能基的阴、阳树脂的混床取代单床系统，这样就形成了较为成熟的CARIX工艺（Carbon Dioxide Regenerated on Exchangers）。该工艺的反应机理如下：

R=(COOH^-)₂ 交换 R=(COO^-)₂Ca²⁺

+ CaSO₄ + 2H₂CO₃

R =(HCO₃^-)₂ 再生 R=SO₄^2-

2H

⁺+2HCO₃^-

CARIX工艺借助于自由酸形式的弱酸阳树脂和HCO₃^-型的阴离子交换剂，使在水中溶解的盐被碳酸取代，反应中放出了二氧化碳。再生过程为除盐过程的逆反应。在一定压力下，二氧化碳溶于水产生碳酸，它可以同时再生阴阳离子交换剂，且再生废液仅含有在除盐过程中欲除去的盐类。

电厂应用：可用于循环水处理中弱酸树脂的再生。

表1.1各种再生方法的比较

再生方法	电厂应用	优点	缺点
Nacl再生法	处理发电机内冷水装置中的钠型离子交换树脂。	①可以减少软化水量而节省再生剂用量和设备容量；②可以降低锅炉水碱度而减少排污水量损失和热量损失。	①只适用于钠型树脂
酸碱再生法	电厂水处理阴、阳、混床树脂再生，凝结水精处理混床树脂再生，发电机内冷水装置树脂再生。	①再生效率高；②工艺成熟。	①再生费用大，系统复杂；②有二次污染产生，酸碱再生产生大量废液。
热交换法	适合处理特制的含铁核的磁性粉末树脂。电厂无应用。	①再生不需酸碱；②避免了再生废液对环境的污染。	①处理的树脂特殊，未得到广泛应用。
CARIX工艺	循环水处理中弱酸树脂的再生。	①环保效益好；②日常运行费用低，维护工作量小；③无二次污染。	①只能除去碳酸盐硬度。

综上所述，传统的酸碱再生法虽然在不断更新发展，但它仍有一定的缺陷。再生药剂利用率低，为达到满意的再生效果，必须采用2~3倍的过量再生药剂，导致再生费用的增加，从而排放的废液进一步污染水体，造成水处理恶性循环。从长远的环境效益来说，酸碱再生是不可取的。

从环保角度看，人们对CARIX工艺给以很高的评价，CARIX工艺的着眼点主要在于避免再生时的水体污染。这种方法的环保效益好，同时还可以适当降低再生费用。

2、电厂化学离子交换树脂的再生优化

电厂循环水处理主要用弱酸树脂去除水中的硬度，以往电厂循环水处理中弱酸树脂一直用硫酸进行再生处理，会造成酸的浪费，也会产生大量的酸废液，可以改为用CARIX工艺再生，这样处理效果会更好。

2.1 CARIX工艺装置

实验装置如图2.1所示。该装置为用CO₂再生的部分脱盐离子交换混床系统。其中交换柱是由4个内径为100mm、高1000mm的交换离子柱构成，诸内填充阴树脂和阳树脂之比为2：1的混合树脂，选用201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，选用D113打孔弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂作为阳树脂。CO₂溶解器4内可通以CO₂气体，使其溶解于柱塞泵3打来的水中，在水被CO₂溶解饱和后，CO₂饱和水就可供再生使用。

图2.1 脱盐实验装置

1-原水箱 2-CO₂储罐 3-柱塞泵 4-CO₂溶解器 5-混合床 6-压力表 7-安全阀 8-减压阀

该设备的创新设计需要精密计算，准确实验，设备外壳也需要采用抗压强度高、耐高温、耐腐蚀的材料制作。这套设备在火电厂日后的化学水处理中将会发挥出更多的重要作用。

研究人员通过实验发现，在原水中cl^-=5.8mmol/L的情况下，产水量达20个BV（容体积）以前，产水cl^-浓度在2.2~2.5mmol/L范围内，之后逐渐升高。在原水中cl^-=6.6mmol/L的情况下，产水量达15个BV时，产水HCO₃^-浓度达到最高值3.6mmol/L，之后逐渐下降，在产水量达24个BV时将至最低值2.8mmol/L，而当产水量达30个BV时，HCO₃^-浓度又逐渐升高。这种实验结果说明：一般原水经用CO₂再生的脱盐离子交换混床处理后，可使含盐量降低一半，即脱盐率达到50%左右。因此，此方法适用于既要部分降低水的含盐量又要减少水中某种离子（如同时降低水的硬度和NO₃^-离子）时使用。而后，中国原子能科学研究院和西德Karlsruhe核研究中心合作改进了CARIX工艺，用Mg(OH)₂代替CaCO₃作为化学辅助剂在再生过程中加入再生液中时，原有的再生效率大大提高^[3]。

采用该方法，主要在于它能避免再生时造成水体污染，避免酸碱浪费，总的来说对水质要求不是很高时可以使用。而电厂循环水处理主要去除水中的硬度，提高循环水的浓缩倍率，故该工艺可替代硫酸用于处理电厂循环水，对弱酸树脂进行再生处理。

3、结语

在电厂中，离子交换树脂作为离子交换器和制取合格除盐水系统运行中最为关键的一个环节，如果发生问题，会造成除盐水产水水质不合格问题，加大资源浪费，更甚者会制约锅炉蒸汽质量。因此，需要根据不同的离子交换树脂，改进对应的再生设备，达到再生目的，并能节能降耗，促进工业行业的可持续发展。

总而言之，随着我国社会经济的进一步提升，电厂化学水处理技术逐渐得到了人们的高度重视。各种技术创新将会改善以往电厂水处理当中存在的很多不足，相关人员更是需要对其深入研究，促使电厂整体经济效益最大化。

参考文献

[1] Weiss D.etal: Anion-exchange process with thermal regeneration Part I, The place of a demineralization plant in an overall system of water management in arid areas, J. Inst. Engr. Australia,1965(37): 193~222.

[2] 何卫冰, 医用复合材料与热再生树脂的研究, 南开大学, 1998.

[3] 马甲申, 马·哈·汗勒, 斯哈·埃勃勒, 二氧化碳再生离子交换法的新进展, 工业水处理, 1994, 14(5): 1~5.

[4] 赵英, 路光杰, 尹连庆等. 火电厂离子交换树脂电再生可行性探讨, 电力情报, 2003, 1 .

[5] 赵英, 尹连庆, 庆路光杰等. 双极膜水解离制备酸碱中试验材料的优化，膜科学与技术(已录用), 2003, 3.