淺談離子交換樹脂在純水處理系統(tǒng)中的作用原理

熊濤

摘要：離子交換樹脂在水處理、食品工業(yè)、制藥、合成化學、環(huán)境保護等領域運用廣泛，其中水處理領域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產(chǎn)量的90%，主要運用于火力發(fā)電廠、原子能、半導體、電子工業(yè)等純水處理上，以下主要以半導體行業(yè)超純水的制備來介紹離子交換樹脂的運用。

關鍵詞：離子交換樹脂;交換原理;樹脂再生

1離子交換樹脂介紹

離子交換樹脂（Ion Exchange Resin）是一種高分子量，帶有官能性基團（有交換離子的活性基團）的多聚物，結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀的不溶性高分子化合物，通常為球形顆粒物。離子交換樹脂可以根據(jù)其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂。

2離子交換設備及工作原理

在半導體行業(yè)中制備純水的工藝中，由于水量較大，水質(zhì)對于電導率、Si及B的指標很低，樹脂交換是常用的處理工藝;常分成兩個階段：預處理階段和精處理階段。

2.1陽床（H Tower）

陽床作為陽離子樹脂交換的場所，內(nèi)部重要結(jié)構(gòu)主要由進水散水管、集水板、上層CC2型BD水帽和下層BD水帽組成，結(jié)構(gòu)如下圖1;塔體常采用碳鋼內(nèi)襯膠以達到防腐的作用，樹脂裝填分上下兩層，上層水帽安裝完成后裝填少量體積的陽離子樹脂作為惰性樹脂，下層安裝完成水帽后，裝填約10公分厚度的玻璃球作為承托層，然后裝填強酸性陽離子樹脂;下層為樹脂離子交換的主要場所，當離子交換過程進行時，部分樹脂發(fā)生破碎產(chǎn)生損耗，上層樹脂可通過旁側(cè)連通管閥門控制為下層樹脂進行補充，以調(diào)節(jié)下層樹脂的填充率，達到長期的交換效果。

2.2陰床（OH Tower）

陰床為陰離子樹脂交換的場所，內(nèi)部同樣主要由進水散水管、集水板以及上中下三層水帽組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，陰床也常采用碳鋼內(nèi)襯膠結(jié)構(gòu)，陰樹脂裝填分三層進行，上層水帽安裝檢查完畢后裝填少量體積的陰離子樹脂作為惰性樹脂，為后續(xù)的損傷的樹脂進行補充，中層充填強堿性陰離子樹脂，下層充填一定體積弱堿型陰離子樹脂，中層和下層作為陰離子交換的主要場所進行交換反應。

2.3混床（Mixed Bed）

混床是針對離子交換技術設計的另外一種設備，主要用于降低水中的堿度和硬度，使其成為軟化水或者去離子水;混床將一定比例的陽、陰離子交換樹脂混合裝填于同一交換裝置中，對水中的陰、陽離子進行交換去除，一般混床的樹脂裝填比例為1：2或者1：1.5，由于陽樹脂比重大于陰樹脂，所以混床中陰樹脂在上陽樹脂在下;混床一般設置在電滲析器或者RO之后，對誰進一步進行脫鹽處理，混床具有出水水質(zhì)優(yōu)良，出水接近中性，回收率高等優(yōu)點;混床外殼常采用優(yōu)質(zhì)304不銹鋼或者碳鋼內(nèi)襯膠制造，內(nèi)部主要由進水散水管、進藥分散器、BD型水帽及集水板等組成。

3樹脂的再生過程和原理

隨著處理水量的加大，樹脂交換逐漸飽和，當樹脂工作交換容量降低時，處理能力降低，而離子交換樹脂最大的特點是失效后可以通過再生而進行反復使用，這也大大的降低了水處理的成本[2]。

3.1再生過程和原理

樹脂失效后再生的方式有多種，大致可分為靜態(tài)再生和動態(tài)再生兩類，靜態(tài)再生是在容器內(nèi)用酸堿藥劑浸泡樹脂，使之恢復到原來的工作狀態(tài)，可分為體內(nèi)再生和體外再生;動態(tài)再生是使用酸堿藥劑反復進行沖洗進行，有順流再生、逆流再生以及對流再生三種方式，順流再生過程酸堿藥液進入方向與交換時工作水流的方向一致，自上而下的再生方式是上層部分的樹脂再生程度高，越往下層再生程度越低，這種再生方式導致酸堿藥液的利用效率降低，進而導致處理水質(zhì)不好。

3.1.1陽、陰床再生

陽床和陰床再生的步驟相同，只是所用的再生液、再生流量和再生液濃度不同，其再生的操作步驟分為產(chǎn)水降流、反沖洗、逆流再生和正沖洗。

3.1.2混床再生

混床再生主要是進行分步處理，先將已失效的混床用水進行反洗，由于陰離子交換樹脂較輕而上浮與陽離子交換樹脂分開，進行陰離子樹脂再生時，NaOH再生劑從混床上部加入，再生廢液從陰陽樹脂分解面的排液管排出，為了避免NaOH向下進入陽樹脂層，從上部加入再生劑的同時，用原水從下往上通過陽樹脂層作為支持層;在進行陽離子交換樹脂再生時，HC1再生劑從從底部加入，廢酸再生液同樣在陰陽離子交換樹脂分界面排出，同時從混床上部通入一定量的純水，在分別再生結(jié)束后，混床上下同時通入純水清洗樹脂;最后通入氮氣將兩種樹脂進行充分混合，拋光床一般不進行再生，而是每隔幾年失效后進行樹脂更換。

3.1.3影響再生的因素

通常離子樹脂再生的效率受到再生劑的選擇、用量、流速以及再生劑溫度的影響

3.1.3.1再生劑的選擇

再生劑主要有陽離子樹脂再生劑和陰離子再生劑，陽離子樹脂再生劑主要有HC1溶液、H2SO4溶液、HNO3溶液，陰離子樹脂再生劑主要有NaOH溶液和堿性NaC1濃液等。

3.1.3.2再生劑用量

理論上分析，再生劑的用量與樹脂工作交換容量相當，但由于交換反應是可逆的，再生劑用量需要遠遠超過理論用量才能滿足再生要求，再生劑的用量增加可以提高交換樹脂的再生程度，但增加一定程度后，再生程度提高很少，所以過多的再生劑的用量是不經(jīng)濟的，實際再生過程中再生劑的用量為理論計算量的3～4倍，樹脂的工作交換容量可以恢復到原來的70%～80%。

3.1.3.3再生劑流速

再生劑適合控制在保證再生反應充分的流速，流速的選擇主要取決于離子的擴散速度，同時與離子的價態(tài)有關，一般離子的價態(tài)越高，需要反應的時間越長，加快再生劑的流速有利于離子的擴散，但減少了再生劑與樹脂的接觸時間，再生效果反而可能降低，流速太小則不利于離子擴散，再生效果也會受到影響。

3.1.3.4再生劑的溫度

提高再生劑的溫度，能同時加快離子的內(nèi)擴散和外擴散，提升溫度同時能大大改善對樹脂中鐵、銅以及其氧化物和硅雜質(zhì)的清除程度，但由于樹脂的熱穩(wěn)定性的限制，再生劑的溫度不宜過高，所以再生劑的溫度一般控制在25～40℃最為適合。

參考文獻：

[1]聞瑞梅，王在忠主編.《高純水的制備及檢測技術》 科學出版社.

[2]徐兵華，徐愛春，杜喜波編.《復床樹脂再生操作工藝優(yōu)化》 河南化工.

（作者單位：江蘇中電創(chuàng)新環(huán)境科技有限公司）