CN1401432A - 双极膜水解离法再生离子交换树脂的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种双极膜水解离法再生离子交换树脂的方法及装置，由阳极室、至少一组阴、阳离子树脂再生室和阴极室顺序组成电解槽，阴、阳离子树脂再生室之间由双级膜隔开，阳极室与阴离子树脂再生室之间由阴离子交换膜隔开，阳离子树脂再生室与阴极室由阳离子交换膜隔开，在阳极室和阴极室内分别置有阳极和阴极，在阳极和阴极之间外加直流电源；将需要再生的阳、阴离子树脂和纯水分别加入到阳、阴离子树脂再生室内，阴、阳极室装有硫酸钠水溶液，阴、阳离子树脂再生室最高串联排列200组，每组之间可以连接有浓水室，接通直流电源进行电解；将纯水直接离解成H+和OH－，实现阴、阳离子交换树脂的有效再生。再生过程简化，节省能源，利于环保。

Description

双极膜水解离法再生离子交换树脂的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种失效离子交换树脂再生的方法和装置。
技术背景
离子交换树脂是电力、电子、制药、化工等行业制备高纯水的主要材料。在离子交换水处理工艺中，通常采用阳、阴离子交换树脂，其交换反应为：
R  代表阳离子交换树脂母体骨架；
R′代表阴离子交换树脂母体骨架。
离子交换树脂交换失效后，要恢复其交换能力，必须对其进行再生。通常的方法是用一定浓度的强酸(如盐酸或硫酸)通入阳离子交换设备，对失效的阳树脂进行再生；用一定浓度的强碱(一般是氢氧化钠)通入阴离子交换设备，对失效的阴树脂进行再生。再生原理即是上式的逆反应。其缺点是酸碱再生药剂利用率低、大约有30～40％的酸碱被浪费了；再生操作步骤繁多，此外大量废酸碱液的排放，对环境造成污染。
技术内容
本发明要解决离子交换树脂再生过程复杂、浪费再生药剂、能耗大、大量酸碱液污染环境的问题。
本发明双极膜水解离法再生离子交换树脂的方法，其特征在于：
(a)、由阳极室、至少一组阴、阳离子树脂再生室和阴极室顺序组成电解槽，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双级膜隔开，阳极室与阴离子树脂再生室之间由阴离子交换膜隔开，阳离子树脂再生室与阴极室由阳离子交换膜隔开，在阳极室和阴极室内分别置有阳极和阴极，在阳极和阴极之间外加直流电源；
(b)、将需要再生的阴离子交换树脂和纯水加入到电解槽的阴离子树脂再生室内，将需要再生的阳离子交换树脂和纯水加入到电解槽的阳离子树脂再生室内；
(c)、阴极室和阳极室装有硫酸钠水溶液，接通直流电源进行电解；
(d)、阴、阳离子树脂再生室内的纯水直接离解成H+和OH-，OH-和H+分别直接与需要再生的阴离子交换树脂和阳离子交换树脂反应，实现阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的再生。
上述硫酸钠水溶液的浓度是0.05～1.0mol/L。
上述电解时间为3～5小时，电解过程中温度为12～50℃。
这种双极膜水解离法再生离子交换树脂的装置，包括一个电解槽，其特征在于：由阳极室、至少一组阴、阳离子树脂再生室和阴极室顺序组成电解槽，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双级膜隔开，阳极室与阴离子树脂再生室之间由阴离子交换膜隔开，阳离子树脂再生室与阴极室由阳离子交换膜隔开，在阳极室和阴极室内分别置有阳极和阴极，在阳极和阴极之间外加直流电源。
上述电解槽其中的阴离子树脂再生室和阳离子树脂再生室至少为一组，最高串联排列200组，每组之间可以连接有浓水室，浓水室与阴离子树脂再生室之间由阴离子交换膜隔开，阳离子树脂再生室与浓水室由阳离子交换膜隔开，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双极膜隔开。
上述阳极是钌钛板、钌钛网、钌钛多孔板或石墨板。
上述阴极是金属板、多孔铁板或导电的石墨板。
上述直流电源的电压是10～50V，电流强度为1.5～4.4A。
上述阳极或阴极与邻近的双极膜间距是1～9cm。
本发明采取的方法是在双极膜水解离法再生离子交换树脂的装置(简称电再生装置)内，将失效的阳离子交换树脂和纯水、阴离子交换树脂和纯水分别置于两个再生室中，利用水电解产生的H+和OH-离子可控制地再生失效的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的过程。
本发明的电化学原理如下：
阳极反应：   ；或
阴极反应：
上述反应发生的同时，在直流电源的作用下，双极膜内部阴阳膜层的界面发生水解离， 产生的H+和OH-离子通过双极膜两侧的阳膜层和阴膜层分别向阴极和阳极方向迁移，H+进入阳离子树脂再生室与失效阳离子树脂中的阳离子(如Ca2+、Mg2+等)发生交换反应，从而使失效阳离子交换树脂得到再生。与此同时，从失效树脂上交换下来的阳离子(Ca2+、Mg2+等)在电场力的作用下向阴极室迁移；OH-进入阴离子树脂再生室与失效阴离子交换树脂中的阴离子(如Cl-、SO4 2-等)发生交换反应，从而使失效阳离子交换树脂得到再生，与此同时，从失效树脂上交换下来的阴离子在电场力的作用下向阳极室迁移。
有益效果：本发明利用一种新型离子交换膜——双极膜，将水电离成H+和OH-离子，再利用水电离出的H+再生失效的阳离子交换树脂，OH-离子再生阴离子交换树脂。再生效果好，其阴离子树脂工作交换容量大大优于火电厂现场的阴阳离子树脂工作交换容量；阳离子树脂工作交换容量与现场相当。采用电化学原理提供一种只消耗电能和水的方法，双极膜所需电压小于2V，导致整个电解槽的电压非常低，能耗很小，能有效地对离子交换树脂进行再生。并使离子交换树脂再生过程大大简化，节省再生药剂，节省能源，避免或减轻酸碱液排放，利于环境保护。
附图说明
图1是双极膜水解离再生离子交换树脂装置基本单元的示意图；
图2是两组阴、阳离子树脂再生室串联装置的结构示意图。
图中：1-阳极室、2-阴离子树脂再生室、3-阳离子树脂再生室、4-阴极室、5-阳极、6-阴极、7-阴离子交换膜、8-双极膜、9-阳离子交换膜、10-直流电源、11-阴离子交换树脂、12-阳离子交换树脂、13-纯水、14-浓水室。
具体实施方式
本发明双极膜水解离法再生离子交换树脂的方法：
(a)、由阳极室1、至少一组阴离子树脂再生室2、阳离子树脂再生室3和阴极室4顺序组成电解槽，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双级膜8隔开，再生室可以串联至200组，每组再生室之间可以连接浓水室14，阳极室1或浓水室14与阴离子树脂再生室2之间由阴离子交换膜7隔开，阳离子树脂再生室3与阴极室4或浓水室14由阳离子交换膜9隔开，在阳极室1和阴极室2内分别置有阳极5和阴极6，在阳极和阴极之间外加直流电源10；
(b)、将需要再生的阴离子交换树脂11和纯水13加入到电解槽的阴离子树脂再生室2内，将需要再生的阳离子交换树脂12和纯水13加入到电解槽的阳离子树脂再生室3内；
(c)、阴极室和阳极室装有0.05～1.0mol/L硫酸钠水溶液，接通直流电源进行电解，电解时间为3～5小时，温度为12～50℃。
(d)、阴、阳离子树脂再生室内的纯水13直接离解成H+和OH-，OH-和H+分别直接与需要再生的阴离子交换树脂11和阳离子交换树脂12反应，实现阴离子交换树脂11和阳离子交换树脂12的再生。
如图1所示，双极膜水解离法再生离子交换树脂装置的基本单元，由阳极室1、阴离子树脂再生室2、阳离子树脂再生室3和阴极室4顺序组成电解槽，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双极膜8隔开，阳极室与阴离子树脂再生室之间由阴离子交换膜7隔开，阳离子树脂再生室与阴极室由阳离子交换膜9隔开，在阳极室和阴极室内分别置有阳极5和阴极6，在阳极和阴极之间外加直流电源10，直流电源的电压是10～50V，电流强度为1.5～4.4A。
阳极5可选择钌钛板、钌钛网、钌钛多孔板或石墨板。阴极6可选择金属板、多孔铁板或导电的石墨板。阳极或阴极与邻近的双极膜8间距是1～9cm。
实施例二如图2所示：由两组再生室串联。电解槽其中的阴离子树脂再生室2和阳离子树脂再生室3至少为一组，最高串联排列200组，每组之间连接有浓水室14，阳极室1或浓水室14与阴离子树脂再生室2之间由阴离子交换膜7隔开，阳离子树脂再生室3与阴极室4或浓水室14由阳离子交换膜9隔开，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双极膜8隔开。
实验实施例：在两个再生室中分别加入失效的阳离子交换树脂(强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂001×7型)和阴离子交换树脂(强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂201×7型)各350ml，在下述条件下实施直流电解：阳极：钌钛网，规格：150×150×2mm；阴极：铁板，规格：150×150×2mm；电极与膜的间距：1.5cm；膜间距：10mm；温度：15～50℃；电压：40V；电流强度：1.5～4.4A；通电时间：3.3h。
电解结束后，将再生好的阴阳离子交换树脂取出，进行小型水处理实验，实验采用美国材料与实验协会ASTM标准实验方法(阴离子实验水为10mmol/L的HCl/H2SO4水溶液；阳离子实验水为10mmol/L硬水溶液)。水处理结果显示：阳离子树脂交换柱和阴离子树脂交换柱的出水水质合格，阳树脂的工作交换容量为：645.9mmol/L.R；阴树脂的工作交换容量为：383.2mmol/L.R；在上述反应中，电流效率为84.3％。
当其它实验条件与上述相同，直流电源的电压为40V，电流强度：1.5～6.5A，通电时间为4.5h时，水处理结果显示：阴阳离子树脂的出水水质合格，阳树脂的工作交换容量为：924.5mmol/L.R；阴树脂的工作交换容量为：518.9mmol/L.R，电流效率为60％。

Claims (9)

1、一种双极膜水解离法再生离子交换树脂的方法，其特征在于：
(a)、由阳极室、至少一组阴、阳离子树脂再生室和阴极室顺序组成电解槽，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双级膜隔开，阳极室与阴离子树脂再生室之间由阴离子交换膜隔开，阳离子树脂再生室与阴极室由阳离子交换膜隔开，在阳极室和阴极室内分别置有阳极和阴极，在阳极和阴极之间外加直流电源；
(b)、将需要再生的阴离子交换树脂和纯水加入到电解槽的阴离子树脂再生室内，将需要再生的阳离子交换树脂和纯水加入到电解槽的阳离子树脂再生室内；
(c)、阴极室和阳极室装有硫酸钠水溶液，接通直流电源进行电解；
(d)、阴、阳离子树脂再生室内的纯水直接离解成H+和OH-，OH-和H+分别直接与需要再生的阴离子交换树脂和阳离子交换树脂反应，实现阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的再生。
2、根据权利要求1所述的双极膜水解离法再生离子交换树脂的方法，其特征在于：所述硫酸钠水溶液的浓度是0.05～1.0mol/L。
3、根据权利要求1或2所述的双极膜水解离法再生离子交换树脂的方法，其特征在于：所述电解时间为3～5小时，电解过程中温度为12～50℃。
4、一种双极膜水解离法再生离子交换树脂的装置，包括一个电解槽，其特征在于：由阳极室、至少一组阴、阳离子树脂再生室和阴极室顺序组成电解槽，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双级膜隔开，阳极室与阴离子树脂再生室之间由阴离子交换膜隔开，阳离子树脂再生室与阴极室由阳离子交换膜隔开，在阳极室和阴极室内分别置有阳极和阴极，在阳极和阴极之间外加直流电源。
5、根据权利要求4所述的双极膜水解离法再生离子交换树脂的装置，其特征在于：所述电解槽其中的阴离子树脂再生室和阳离子树脂再生室至少为一组，最高串联排列200组，每组之间连接有浓水室，浓水室与阴离子树脂再生室之间由阴离子交换膜隔开，阳离子树脂再生室与浓水室由阳离子交换膜隔开，阴离子树脂再生室与阳离子树脂再生室之间由双极膜隔开。
6、根据权利要求4或5所述的双极膜水解离法再生离子交换树脂的装置，其特征在于：所述阳极是钌钛板、钌钛网、钌钛多孔板或石墨板。
7、根据权利要求4或5所述的双极膜水解离法再生离子交换树脂的装置，其特征在于：所述阴极是金属板、多孔铁板或导电的石墨板。
8、根据权利要求4或5所述的双极膜水解离法再生离子交换树脂的装置，其特征在于：所述直流电源的电压是10～50V，电流强度为1.5～4.4A。
9、根据权利要求4或5所述的双极膜水解离法再生离子交换树脂的装置，其特征在于：所述阳极或阴极与邻近的双极膜间距是1～9cm。
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