雙極膜填充床電滲析技術應用試驗
摘要：將雙極膜(BPM)和填充床電滲析(EDI)技術相結合，組裝成三隔室BPM—EDI裝置，將其應用于復床離子交換樹脂的電再生。試驗結果表明：當再生電壓為60 V，再生時間為60 min時，該裝置的電再生效果接近化學再生的效果，顯示了良好的技術可行性。
關鍵詞：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，能夠在不引入組分的情況下將水溶液中的鹽轉化和分離成相應的酸和堿，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可行性［2］，現將雙極膜和填充床電滲析技術相結合，組裝成三隔室BPM—EDI裝置，應用于復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，在電場作用下陰樹脂對水中陰離子起到吸附傳導作用，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陰離子的活性，即得到再生；同理在陽樹脂室內，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-，使樹脂室內的樹脂得到更好的再生。
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2 試驗裝置與方法
2.1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的3361—BW和3362—BW；離子交換樹脂采用南開大學化工廠生產的001×7陽樹脂和201×7陰樹脂；樹脂室隔板為硬聚氯乙烯板，規格為400 mm×150 mm×5 mm，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)；0～100 V可控硅整流器；DDS—11A型電導儀；PHS—2C型酸度計。
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2.2 方法
在陰、陽樹脂室內裝入已用化學法再生的陰、陽樹脂，通以自來水使其失效，其流程是先經陽樹脂室，再進入陰樹脂室，每5～10 min測定一次陰樹脂室出水電導率，直到樹脂失效。試驗以新樹脂經三酸三堿處理后初次通水所得交換容量E0為基準，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 試驗結果與分析
首先進行新樹脂的失效試驗，原水電導率為550 μs/cm，水量為50 L/h，水溫為16 ℃，試驗結果見圖3。
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以出水電導率＞90 μs/cm視為失效，處理時間(T0)為80 min。以下試驗以出水電導率＜90 μs/cm為再生目標值。
3.1 操作電壓與電流的關系
原水為經電滲析預處理的水，電導率為20 μs/cm，水溫為16 ℃，各室流量為5 L/h，以10V為一檔，從0～100 V逐步升高操作電壓，測定不同電壓時的電流強度，結果如圖4所示。
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圖4表明，當操作電壓＜30 V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生水的離解；當電壓＞30 V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-來充當傳遞電流的介質，同時濃水室出水電導率急劇增大。在運行過程中，隨電壓升高，陽樹脂室pH值有所降低(由5.27降至4.01)，陰樹脂室出水pH值有所升高(由5.98升至7.81)，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4.72～5.69范圍內。
3.2電壓對再生效果的影響
確定通電時間為50 min。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。
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由圖5可以看出，電壓＜20 V時幾乎無再生效果，當電壓增加到40 V時有明顯的再生效果，電壓為60 V時的失效時間已接近化學再生的失效時間，電壓為80 V以后變化不大，說明操作電壓需增高到某一值，使水離解產生足夠的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定為60 V為宜。
3.3通電時間對再生效果的影響
以60 V為操作電壓，分別測定不同通電時間的再生效果，結果如圖6所示。
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圖6表明通電時間越長，再生效果越好。通電時間在20～60 min之間，與失效時間幾乎成線性關系；通電時間＞60 min以后失效時間變化趨于平緩，表明再生時間設定為60 min為宜。
3.4其他因素對再生效果的影響
①樹脂室內水流的流速大小直接影響水離解產生的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，且室內產生一定的紊流有利于樹脂的再生，因此有一個最佳的流速，據混床離子交換樹脂電再生的試驗結果［2］，以0.5～1.0 cm/s為宜。
②再生用水的水質越好，越有利于再生。試驗采用電滲析預處理水達到了預期效果，在生產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，可適當升高進水水溫。
4 結論
①將雙極膜(BPM)和填充電滲析(EDI)技術相結合應用于離子交換樹脂的電再生，在技術上是可行的；
②再生電壓是十分關鍵的參數，再生時間、水流流速、水質、水溫對再生效果也有一定的影響；
③當再生電壓為60 V、再生時間為60 min時，該裝置的再生效果接近化學再生的效果。
參考文獻：
［1］廖尚志，莫劍雄.雙極膜的發展和應用［J］.水處理技術，1995，21(6)：311-317.
［2］李福勤，李清雪，王冬云.混床離子交換樹脂電再生的試驗研究［J］.河北建筑科技學院學報，1999，16(4)：14-16.
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