史正學(xué)

（山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院 冶金化工系，山東 淄博 255065）

1 高純水在氯堿工業(yè)中的應(yīng)用

采用離子膜法制取燒堿過程中高純水的使用：向陰極液添加高純水與燒堿溶液混合，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在28%～30%；高純鹽酸生產(chǎn)用水；離子交換樹脂再生時(shí)需用高純水置換酸和堿；整流器冷卻用水；化驗(yàn)室、電槽組裝及其他用水；泵密封用水。離子膜法制取燒堿所需高純水的主要指標(biāo)如表1所示。

表1 高純水的主要指標(biāo)

2 高純水的制取方法

2.1 高純水制取方法一

高純水制取方法一的工藝流程如圖1所示。

原水也被稱為一次水，含多種雜質(zhì)成分，如表2所示，其制取高純水的工藝流程如圖1所示。由圖1可知，原水通過深井泵打入原水池，在絮凝劑的作用下通過多介質(zhì)過濾器（由上而下）除去原水中的懸浮物、有機(jī)物及游離氯等，然后進(jìn)入活性炭過濾器，繼續(xù)去除水中剩余的有機(jī)物、細(xì)菌及游離氯等，合格的過濾水經(jīng)過保安過濾器與阻垢劑混合后，通過高壓泵送入反滲透膜過濾器，去除水中大部分雜質(zhì)離子，濃水排放，淡水經(jīng)脫氣塔除去水中溶解的CO2后進(jìn)入中間水箱，經(jīng)中間水泵送至陰陽(yáng)混合離子交換器（簡(jiǎn)稱混床），水由上而下，根據(jù)離子交換原理進(jìn)一步去除水中剩余的陰、陽(yáng)離子，合格的純水進(jìn)入高純水儲(chǔ)罐，通過高純水泵送至各用戶。

表2 一次水成分

圖1 高純水制備方法一的工藝流程

2.2 高純水制取方法二

高純水制取方法二的工藝流程如圖2所示。

圖2 高純水制備方法二的工藝流程

方法二取消了方法一中的活性炭過濾器，增加了陰、陽(yáng)樹脂交換器。

陽(yáng)離子樹脂交換過程：

水通過陽(yáng)離子樹脂床層時(shí)，水中的陽(yáng)離子雜質(zhì)被樹脂吸附，本質(zhì)是雜質(zhì)陽(yáng)離子與樹脂上的可交換離子（H+）進(jìn)行交換達(dá)到去除的目的。交換下來(lái)的H+進(jìn)入水中，使水的pH有所降低。

陰離子樹脂交換過程：

交換的結(jié)果是去除了水中的陰離子雜質(zhì)，水的pH接近中性。隨著交換過程的進(jìn)行，樹脂的交換能力逐漸下降。當(dāng)接近樹脂的交換容量時(shí)，需對(duì)樹脂進(jìn)行再生。陽(yáng)樹脂用3%～5%的鹽酸進(jìn)行再生，陰樹脂用2%～4%的堿液進(jìn)行再生。再生的原理也是利用離子交換。

混床離子交換過程：

混床的作用是將陰、陽(yáng)離子交換樹脂混合均勻后裝入交換器，除去水中剩余的陰、陽(yáng)雜質(zhì)離子，同時(shí)生成水，混床出口水的pH幾乎不變。混床的再生比單床復(fù)雜，首先將混合的陰、陽(yáng)離子樹脂分開，陰離子樹脂輕，在上層；陽(yáng)離子樹脂重，在下層。有時(shí)為了利于分層，可加入少量堿液，然后分別向陰、陽(yáng)樹脂層中通入堿液和酸液進(jìn)行再生，最后將再生好的樹脂混勻即可重復(fù)使用。

方法二中增加的陰、陽(yáng)離子樹脂單床交換器，在使用初期，陽(yáng)離子樹脂與水界面處的pH較低，酸性較強(qiáng)，有利于水中弱堿性電解質(zhì)離子化，進(jìn)而被去除；陰離子樹脂顆粒與水的界面處呈現(xiàn)出較強(qiáng)的堿性，有利于水中弱酸性電解質(zhì)離子化，進(jìn)而被去除，降低了混床負(fù)荷，減少了混床再生次數(shù)，降低了污水的排放量，同時(shí)提高了高純水的質(zhì)量。

上述兩種方法都能滿足離子膜法制取燒堿中對(duì)高純水的要求，缺點(diǎn)在于產(chǎn)生的酸、堿廢液多，由于其中的雜質(zhì)離子多，不能循環(huán)使用。

2.3 高純水生產(chǎn)方法三

高純水生產(chǎn)方法三的工藝流程如圖3所示[1-4]。

圖3 高純水制備方法三工藝流程

方法三將電去離子（Electrodeionization，EDI）技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合，取代了陰、陽(yáng)離子交換樹脂制取高純水的過程。通過這種技術(shù)制得的純水品質(zhì)高，長(zhǎng)期看來(lái)能耗少且無(wú)酸、堿污水產(chǎn)生。EDI系統(tǒng)中使用的陰、陽(yáng)離子樹脂再生時(shí)，利用了水電離產(chǎn)生的H+、OH-在電場(chǎng)作用下進(jìn)行再生。

EDI技術(shù)在廢水治理、水的凈化、超純水的制備方面亦有應(yīng)用，在離子膜制取燒堿工藝中應(yīng)用較少。近30年，EDI技術(shù)發(fā)展較快，從最初的薄室混床、厚室混床發(fā)展到分層床和分床等，床型結(jié)構(gòu)不斷完善。

EDI技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合去除水中雜質(zhì)離子的過程主要涉及離子交換、傳質(zhì)及電場(chǎng)作用下水的電離。雙極膜分床去除雜質(zhì)離子的原理如圖4所示。

圖4 雙極膜分床去除雜質(zhì)離子

原水自上而下進(jìn)入陽(yáng)離子交換樹脂床層，水中的雜質(zhì)陽(yáng)離子M+被樹脂交換吸附，同時(shí)在電場(chǎng)的作用下通過陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入濃水室，樹脂上的H+被交換下來(lái)進(jìn)入水中，使水的pH降低。隨著通電過程的進(jìn)行，水中的雜質(zhì)陽(yáng)離子越來(lái)越少，在恒定的電流負(fù)荷下，水在電場(chǎng)的作用下在雙極膜內(nèi)電離出H+及OH-，其中，H+通過陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陽(yáng)離子交換樹脂床層，OH-通過陰離子交換膜進(jìn)入陰離子交換樹脂床層，起到負(fù)載電流的作用，同時(shí)也是陰、陽(yáng)樹脂床層顆粒在電場(chǎng)作用下的再生過程。原水經(jīng)過陽(yáng)樹脂床層后，進(jìn)入陰離子樹脂床層，通過離子交換及電場(chǎng)作用，水中的陰離子X-進(jìn)入濃水室，其再生過程與陽(yáng)離子樹脂再生過程類似。離開陰離子樹脂床層的水是合格水。

3 EDI技術(shù)的發(fā)展前景

EDI技術(shù)在凈化水的應(yīng)用中有一些限制條件，比如水的硬度、pH、游離氯的含量等，但環(huán)保無(wú)污染，無(wú)論是工藝還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都在不斷地完善，大有取代膜法凈化水的趨勢(shì)。