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双极膜离子交换树脂电再生项目建议书

王方，王明亚一、前言目前常用的离子交换树脂再生技术是传统的酸碱再生工艺。它分别利用酸再生阳树脂，利用碱再生阴树脂，自离子交换树脂发明使用以来，这个再生工艺一直没有改变过。该工艺运行简单，性能可靠，一直在电厂化水和化工厂纯水制备生产中得到广泛应用。在近年来，该工艺采用自动化控制技术进行技术改进，虽然降低了工人的劳动强度，但是由于再生时需要使用酸碱这种危险化工品，仍然造成了酸碱使用、存贮等过程中对人员安全形成巨大的威胁。不断有工人因操作不当或设备老化导致酸碱泄漏而造成的人身伤害事故发生，因此许多化工企业和电厂都设置了“酸碱泄露事故安全预案”，保障酸碱这种危险化工品的安全使用。酸碱再生树脂后，还会产生大量的废酸废碱，排放后会污染环境。据专家研究，在这种离子交换树脂化学再生过程中，酸或碱的实际利用率很低，以H2SO4为例，只利用其中2%的H+离子，而98%的SO42—离子没有得到应用，以NaOH为例，只利用了42.5%的OH—离子，而57.5%Na+离子没有得到利用，这种废酸废碱无法回用，只能排放，给当地环境造成危害；随着人们对环境要求的不断提高和新兴技术的不断涌现，传统的酸碱再生工艺已经越来越不符合当今时代的要求。二、双极膜树脂电再生项目简介双极膜树脂电再生技术是一种上世纪90年代初新兴的膜工艺技术，双极膜树脂电再生工艺技术属于环保技术领域，已经达到国际领先水平，国内外暂无相类似的技术。它由双极膜制备酸碱系统，酸碱存贮系统、树脂再生系统，废液回收系统四个系统构成。双极膜制备酸碱系统主要由双极膜、隔板、电极板等装置构成。其核心构成为双极膜。双极膜是阳离子交换层，阴离子交换层和中间亲水界面层复合而成。如图1所示：图1 双极膜水解离示意图在外加电场的条件下，理论上双极膜在电压达到0.83V时，就可以将中间亲水界面层吸收的水解离同时产生H+离子和OH—离子，通过必要的技术手段，将盐水（NaCl）中的阴阳离子Na+离子和Cl—离子分别引出，使得H+离子和Cl—离子结合形成酸（HCl），OH—离子和Na+离子结合形成碱（NaOH）。需要指出的是双极膜电离水产生酸碱工艺和用食盐电解产生烧碱和氯气的工艺两者有本质的不同： 1、双极膜电离水产生酸碱耗能低，在膜间电压0.83V时开始工作，产生酸碱，而电解法的膜间电压至少为2.1V以上。 2、双极膜电离水产生酸碱没有逸出功，不大量产生气体。而电解过程产生大量的气体。产生的酸碱经水泵收集至酸碱存贮系统备用。酸碱存贮系统的所收储的酸碱浓度为质量百分浓度3~5%，这个浓度的酸碱可以直接用于离子交换树脂的再生。由于酸碱浓度很低，所以使用十分安全，直接接触也不会灼伤皮肤。树脂再生系统：除了将原有的酸碱输送系统改造后，其它的设备和原有的设备相比变化不大，这便于工人的操作和管理，也便于设备的稳定运行。废液回收系统：当失效的离子交换树脂再生后，会产生了一定量的废酸废碱和部分破碎的树脂颗粒及杂质，根据具体情况，经废液处理后，除去杂质回收可作为盐水，再生制备酸碱。和常规再生失效离子交换树脂工艺相比，而双极膜树脂电再生工艺技术（又称离子交换树脂电再生技术）只消耗电能和少量盐，电再生是靠水电离得到的H+和OH—离子，用于再生离子交换树脂。生成的酸碱经树脂再生使用后，大部分回用重新制备成为酸碱使用。使得物料循环运行，减少了排废。双极膜电去离子装置电再生混床离子交换树脂的示意图如图2所示。图2 双极膜电去离子装置电再生混床离子交换树脂的示意图 1—稀盐水罐；2—极水罐；3—双极膜电去离子装置；4—稀碱再生液罐；5—稀酸再生液罐；6—混床中阴树脂再生部分；7—混床中阳树脂再生部分双极膜电去离子装置利用从稀盐水罐泵出的稀盐水，分别产生的3~5%酸和碱，（一般为盐酸和氢氧化钠）分别存入稀酸及稀碱再生罐备用。当失效的混床离子交换树脂再生时，先将混床中的失效阴阳树脂分层，再分别取出稀酸及稀碱直接再生，期间无需将酸液或碱液冲稀配制，再生后产生的废水经处理后，存入稀盐水罐回用。三、双极膜树脂电再生工艺有如下特点从经济性上分析1）运行费用低：电再生过程耗能极低，在膜间电压0.83V时，双极膜就可以使水解离产生H+和OH—离子，且没有气体的逸出功消耗，电解水的能耗为 198.5KJ／mol，而双极膜水解离的能耗仅为 79.9KJ／mol，故不发生氢气和氧气逸出的相变。和离子膜法制备酸碱相比（目前市场上的烧碱多用这种方法制得），当膜间电压加至2.1V时，氯化钠才开始电解，离子膜法的最终产物为烧碱和氯气，需要气体逸出功，因此和本技术有本质的不同。经测算约消耗120度电，可以同时生产1吨3%的酸和碱，在市场上1吨30%盐酸的价格为400元/吨，1吨30%氢氧化钠的价格为800元/吨。用电再生法生产1吨30%的酸和碱的耗能为1200度电。若厂用电为0.2元/度电计算，则费用为240元。远低于用化学酸碱再生法（1200元）的运行费用。 2）降低了企业排污成本：电再生过程产生等摩尔数量的H+和OH—离子，这两者最终结合后产生中性的盐，无废酸碱排放，不污染环境。其中产生的大部分盐水经处理后，可以回用。减少了对环境物料的排放。排污费用基本为零。从安全性分析1）使用酸碱的浓度低，安全性好直接制备供树脂再生浓度的酸碱，改变了原有的酸碱再生工艺，不需要用水力喷射器冲稀勾兑，一步到位，减少了操作步骤。 2）无需储备高浓度酸碱，减少了设备维护费用树脂酸碱再生工艺需要存贮高浓度酸碱，每年必须对设备进行必要的维护，需要更换被腐蚀的阀门、管件、罐体，对地面、厂房进行涂漆防腐处理等。有人测算，每年的酸碱腐蚀设备维护费用就约数十万元，用电再生工艺用的是低浓度酸碱，对设备的腐蚀程度降低。可以大量节约费用。 3）对操作人员的安全性好每年不少化工厂和电厂都会发生因酸碱管路或阀门的泄漏导致的人员伤害的事故。因此“酸碱泄露事故安全预案”也是不少化工厂和电厂每年进行安全培训的必修科目。当用电再生工艺后，由于所用的酸碱浓度很低约为3%~5%，对人体基本上伤害轻微，不会灼伤人体皮肤，人员操作安全性大大的提高。 4）符合安全生产的需要酸碱是化工危险品，需要特定的槽车安全运输。国家反恐形势的严峻态势，天气等自然灾害的发生，会使得酸碱等危化品的运输发生困难，这是影响企业安全稳定生产的因素。使用电再生技术彻底摆脱了酸碱运输的难题，企业化水的生产不再受天气、安全等外部环境的干扰，这是对企业安全生产最大的贡献。从环保角度分析1）制水车间基本实现“零排放” 用电再生工艺制备后的酸碱基本回用，少量排放，再生后产生的废酸碱中和后形成的盐水，经处理后再次回用重新制备成为酸碱备用。这样循环使用。无需排废。 2）符合当前的环保形势随着新的环保法的实施，国家对大气污染和水污染的管理越加严格。原来不需要治理的项目也要求治理了，比较典型的如“反渗透浓水的回收”。本项目符合环保的形势，产生的酸碱废水经处理后循环利用，不再外排。和当前形势相互呼应，有相当的现实意义。四、集成了双极膜电再生技术的离子交换工艺和其他水处理工艺的比较目前电厂化水处理中和离子交换工艺竞争的有反渗透工艺、电去离子制备纯水工艺等。双极膜电再生技术主要应用于离子交换工艺，它使得传统的离子交换工艺焕发了新春，使得原有离子交换工艺摆脱的传统用酸用碱等危险化学品的困扰，酸碱盐循环使用，减少了废酸废碱的排放。成为一个安全环保的绿色工艺。 1、和反渗透工艺比较反渗透工艺，是一种压力驱动膜工艺，主要依靠水泵加压使水通过反渗透膜，截留下盐分。它有出水水质好，不用酸碱，管理方便的优点，和离子交换工艺相比它也有不少缺点： 1）反渗透工艺产生的浓水不便于回收，自用水量约15~30%，远远超过离子交换工艺的自用水量。 2）反渗透工艺为防止浓水中的钙镁离子在反渗透膜上结垢，需要不断添加阻垢剂、抗氧化剂等多种药剂，这不仅增大了浓水回收的难度，也增加的运行成本。 3）反渗透不适合直接制备超纯水，在电厂化水制备中，必须和其他工艺结合，如混床离子交换工艺、电去离子制备纯水工艺等，产水才能达到电厂用水的要求。不能像离子交换树脂工艺那样一步到位。 4）反渗透工艺的投资成本和运行成本都比较高。下表是反渗透工艺和离子交换工艺的比较 2、和电去离子制备纯水工艺比较电去离子制备纯水工艺是一种电驱动膜工艺，可以制备高纯水。该技术有占地面积小，自动化程度高，不用酸碱，出水水质好等优点，和离子交换工艺相比它也有缺点： 1）电去离子制备纯水工艺，适于制备高纯水，必须有前端的预处理，最好是使用反渗透工艺，一般用来代替离子交换的混床精处理工艺，从多年的使用经验看，电去离子制备纯水工艺最好配备两级反渗透系统，所以虽然该工艺的投资成本不高，但所有的配置加在一起，是离子交换树脂工艺投资成本的2~3倍。集成了双极膜电再生技术离子交换工艺，使得该工艺也不再外购酸碱再生树脂，避免了因使用酸碱危险化工品的种种问题。和反渗透总结：本项目技术先进，利用当今最新的双极膜技术，用电和少量的盐再生失效的离子交换树脂，产生废水循环使用，没有排废。本项目的优点： 1）稀酸碱再生剂需要多少，生产多少，没有酸碱再生剂的购置和长期贮运问题，浓酸碱属危险的化学品，要用专人审批购置，要使用特殊的防爆车辆运输，要专门的危险品库贮存，非常不便； 2）环保效益好，出水呈中性； 3）以百分质量浓度≤5%的稀酸碱运行，工人劳动条件有所改善； 4）操作有所简化，设备使用费用低，利于推广； 5）本发明产品特别适用于边疆和西部地区等酸碱供应困难的地区； 6）特别适用于火力发电厂或核电厂使用，尤其适合于老厂节能减排技改时使用。本项目技术采用当前先进的双极膜技术，来改进传统的混床的再生工艺，尤其适用于在火力发电厂使用。四、情况分析结合晋城阳煤电厂的具体情况，和电再生项目的工作原理，进行数据分析。目前电厂的补给水系统由前置反渗透系统+阴床+阳床+混床组成，出水水量50m3/h，出水指标为电导率<0.2μS/cm，硅<20μg/L。晋城阳煤电厂用酸碱量统计表及分析表1阳床再生统计从上表看出：#1阳床和#2阳床用酸为1.17-1.46吨，平均用酸1.19吨。只有在2013.10.19同时存在两组阳床再生的问题表2阴床再生统计从上表看出：#1阴床和#2阴床用碱为1.16-1.17吨，平均用碱1.167吨只有在2013.10.19同时存在两组阴床再生的问题表3混床再生统计混床再生次数约15~20天再生一次。从上面电厂树脂酸碱再生时，使用酸碱情况可以看出，阳床用酸1.19吨（平均值），阴床用碱1.16吨（平均值），混床用酸0.19吨，用碱0.5吨。

清华大学 2021-04-13