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雙極膜離子交換樹(shù)脂電再生項(xiàng)目建議書(shū)

王方，王明亞一、前言目前常用的離子交換樹(shù)脂再生技術(shù)是傳統(tǒng)的酸堿再生工藝。它分別利用酸再生陽(yáng)樹(shù)脂，利用堿再生陰樹(shù)脂，自離子交換樹(shù)脂發(fā)明使用以來(lái)，這個(gè)再生工藝一直沒(méi)有改變過(guò)。該工藝運(yùn)行簡(jiǎn)單，性能可靠，一直在電廠(chǎng)化水和化工廠(chǎng)純水制備生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在近年來(lái)，該工藝采用自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，雖然降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是由于再生時(shí)需要使用酸堿這種危險(xiǎn)化工品，仍然造成了酸堿使用、存貯等過(guò)程中對(duì)人員安全形成巨大的威脅。不斷有工人因操作不當(dāng)或設(shè)備老化導(dǎo)致酸堿泄漏而造成的人身傷害事故發(fā)生，因此許多化工企業(yè)和電廠(chǎng)都設(shè)置了“酸堿泄露事故安全預(yù)案”，保障酸堿這種危險(xiǎn)化工品的安全使用。酸堿再生樹(shù)脂后，還會(huì)產(chǎn)生大量的廢酸廢堿，排放后會(huì)污染環(huán)境。據(jù)專(zhuān)家研究，在這種離子交換樹(shù)脂化學(xué)再生過(guò)程中，酸或堿的實(shí)際利用率很低，以H2SO4為例，只利用其中2%的H+離子，而98%的SO42—離子沒(méi)有得到應(yīng)用，以NaOH為例，只利用了42.5%的OH—離子，而57.5%Na+離子沒(méi)有得到利用，這種廢酸廢堿無(wú)法回用，只能排放，給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成危害；隨著人們對(duì)環(huán)境要求的不斷提高和新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的酸堿再生工藝已經(jīng)越來(lái)越不符合當(dāng)今時(shí)代的要求。二、雙極膜樹(shù)脂電再生項(xiàng)目簡(jiǎn)介雙極膜樹(shù)脂電再生技術(shù)是一種上世紀(jì)90年代初新興的膜工藝技術(shù)，雙極膜樹(shù)脂電再生工藝技術(shù)屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，國(guó)內(nèi)外暫無(wú)相類(lèi)似的技術(shù)。它由雙極膜制備酸堿系統(tǒng)，酸堿存貯系統(tǒng)、樹(shù)脂再生系統(tǒng)，廢液回收系統(tǒng)四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。雙極膜制備酸堿系統(tǒng)主要由雙極膜、隔板、電極板等裝置構(gòu)成。其核心構(gòu)成為雙極膜。雙極膜是陽(yáng)離子交換層，陰離子交換層和中間親水界面層復(fù)合而成。如圖1所示：圖1 雙極膜水解離示意圖在外加電場(chǎng)的條件下，理論上雙極膜在電壓達(dá)到0.83V時(shí)，就可以將中間親水界面層吸收的水解離同時(shí)產(chǎn)生H+離子和OH—離子，通過(guò)必要的技術(shù)手段，將鹽水（NaCl）中的陰陽(yáng)離子Na+離子和Cl—離子分別引出，使得H+離子和Cl—離子結(jié)合形成酸（HCl），OH—離子和Na+離子結(jié)合形成堿（NaOH）。需要指出的是雙極膜電離水產(chǎn)生酸堿工藝和用食鹽電解產(chǎn)生燒堿和氯氣的工藝兩者有本質(zhì)的不同： 1、雙極膜電離水產(chǎn)生酸堿耗能低，在膜間電壓0.83V時(shí)開(kāi)始工作，產(chǎn)生酸堿，而電解法的膜間電壓至少為2.1V以上。 2、雙極膜電離水產(chǎn)生酸堿沒(méi)有逸出功，不大量產(chǎn)生氣體。而電解過(guò)程產(chǎn)生大量的氣體。產(chǎn)生的酸堿經(jīng)水泵收集至酸堿存貯系統(tǒng)備用。酸堿存貯系統(tǒng)的所收儲(chǔ)的酸堿濃度為質(zhì)量百分濃度3~5%，這個(gè)濃度的酸堿可以直接用于離子交換樹(shù)脂的再生。由于酸堿濃度很低，所以使用十分安全，直接接觸也不會(huì)灼傷皮膚。樹(shù)脂再生系統(tǒng)：除了將原有的酸堿輸送系統(tǒng)改造后，其它的設(shè)備和原有的設(shè)備相比變化不大，這便于工人的操作和管理，也便于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。廢液回收系統(tǒng)：當(dāng)失效的離子交換樹(shù)脂再生后，會(huì)產(chǎn)生了一定量的廢酸廢堿和部分破碎的樹(shù)脂顆粒及雜質(zhì)，根據(jù)具體情況，經(jīng)廢液處理后，除去雜質(zhì)回收可作為鹽水，再生制備酸堿。和常規(guī)再生失效離子交換樹(shù)脂工藝相比，而雙極膜樹(shù)脂電再生工藝技術(shù)（又稱(chēng)離子交換樹(shù)脂電再生技術(shù)）只消耗電能和少量鹽，電再生是靠水電離得到的H+和OH—離子，用于再生離子交換樹(shù)脂。生成的酸堿經(jīng)樹(shù)脂再生使用后，大部分回用重新制備成為酸堿使用。使得物料循環(huán)運(yùn)行，減少了排廢。雙極膜電去離子裝置電再生混床離子交換樹(shù)脂的示意圖如圖2所示。圖2 雙極膜電去離子裝置電再生混床離子交換樹(shù)脂的示意圖 1—稀鹽水罐；2—極水罐；3—雙極膜電去離子裝置；4—稀堿再生液罐；5—稀酸再生液罐；6—混床中陰樹(shù)脂再生部分；7—混床中陽(yáng)樹(shù)脂再生部分雙極膜電去離子裝置利用從稀鹽水罐泵出的稀鹽水，分別產(chǎn)生的3~5%酸和堿，（一般為鹽酸和氫氧化鈉）分別存入稀酸及稀堿再生罐備用。當(dāng)失效的混床離子交換樹(shù)脂再生時(shí)，先將混床中的失效陰陽(yáng)樹(shù)脂分層，再分別取出稀酸及稀堿直接再生，期間無(wú)需將酸液或堿液沖稀配制，再生后產(chǎn)生的廢水經(jīng)處理后，存入稀鹽水罐回用。三、雙極膜樹(shù)脂電再生工藝有如下特點(diǎn)從經(jīng)濟(jì)性上分析1）運(yùn)行費(fèi)用低：電再生過(guò)程耗能極低，在膜間電壓0.83V時(shí)，雙極膜就可以使水解離產(chǎn)生H+和OH—離子，且沒(méi)有氣體的逸出功消耗，電解水的能耗為 198.5KJ／mol，而雙極膜水解離的能耗僅為 79.9KJ／mol，故不發(fā)生氫氣和氧氣逸出的相變。和離子膜法制備酸堿相比（目前市場(chǎng)上的燒堿多用這種方法制得），當(dāng)膜間電壓加至2.1V時(shí)，氯化鈉才開(kāi)始電解，離子膜法的最終產(chǎn)物為燒堿和氯氣，需要?dú)怏w逸出功，因此和本技術(shù)有本質(zhì)的不同。經(jīng)測(cè)算約消耗120度電，可以同時(shí)生產(chǎn)1噸3%的酸和堿，在市場(chǎng)上1噸30%鹽酸的價(jià)格為400元/噸，1噸30%氫氧化鈉的價(jià)格為800元/噸。用電再生法生產(chǎn)1噸30%的酸和堿的耗能為1200度電。若廠(chǎng)用電為0.2元/度電計(jì)算，則費(fèi)用為240元。遠(yuǎn)低于用化學(xué)酸堿再生法（1200元）的運(yùn)行費(fèi)用。 2）降低了企業(yè)排污成本：電再生過(guò)程產(chǎn)生等摩爾數(shù)量的H+和OH—離子，這兩者最終結(jié)合后產(chǎn)生中性的鹽，無(wú)廢酸堿排放，不污染環(huán)境。其中產(chǎn)生的大部分鹽水經(jīng)處理后，可以回用。減少了對(duì)環(huán)境物料的排放。排污費(fèi)用基本為零。從安全性分析1）使用酸堿的濃度低，安全性好直接制備供樹(shù)脂再生濃度的酸堿，改變了原有的酸堿再生工藝，不需要用水力噴射器沖稀勾兌，一步到位，減少了操作步驟。 2）無(wú)需儲(chǔ)備高濃度酸堿，減少了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用樹(shù)脂酸堿再生工藝需要存貯高濃度酸堿，每年必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的維護(hù)，需要更換被腐蝕的閥門(mén)、管件、罐體，對(duì)地面、廠(chǎng)房進(jìn)行涂漆防腐處理等。有人測(cè)算，每年的酸堿腐蝕設(shè)備維護(hù)費(fèi)用就約數(shù)十萬(wàn)元，用電再生工藝用的是低濃度酸堿，對(duì)設(shè)備的腐蝕程度降低。可以大量節(jié)約費(fèi)用。 3）對(duì)操作人員的安全性好每年不少化工廠(chǎng)和電廠(chǎng)都會(huì)發(fā)生因酸堿管路或閥門(mén)的泄漏導(dǎo)致的人員傷害的事故。因此“酸堿泄露事故安全預(yù)案”也是不少化工廠(chǎng)和電廠(chǎng)每年進(jìn)行安全培訓(xùn)的必修科目。當(dāng)用電再生工藝后，由于所用的酸堿濃度很低約為3%~5%，對(duì)人體基本上傷害輕微，不會(huì)灼傷人體皮膚，人員操作安全性大大的提高。 4）符合安全生產(chǎn)的需要酸堿是化工危險(xiǎn)品，需要特定的槽車(chē)安全運(yùn)輸。國(guó)家反恐形勢(shì)的嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)，天氣等自然災(zāi)害的發(fā)生，會(huì)使得酸堿等危化品的運(yùn)輸發(fā)生困難，這是影響企業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)的因素。使用電再生技術(shù)徹底擺脫了酸堿運(yùn)輸?shù)碾y題，企業(yè)化水的生產(chǎn)不再受天氣、安全等外部環(huán)境的干擾，這是對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)最大的貢獻(xiàn)。從環(huán)保角度分析1）制水車(chē)間基本實(shí)現(xiàn)“零排放” 用電再生工藝制備后的酸堿基本回用，少量排放，再生后產(chǎn)生的廢酸堿中和后形成的鹽水，經(jīng)處理后再次回用重新制備成為酸堿備用。這樣循環(huán)使用。無(wú)需排廢。 2）符合當(dāng)前的環(huán)保形勢(shì) 隨著新的環(huán)保法的實(shí)施，國(guó)家對(duì)大氣污染和水污染的管理越加嚴(yán)格。原來(lái)不需要治理的項(xiàng)目也要求治理了，比較典型的如“反滲透濃水的回收”。本項(xiàng)目符合環(huán)保的形勢(shì)，產(chǎn)生的酸堿廢水經(jīng)處理后循環(huán)利用，不再外排。和當(dāng)前形勢(shì)相互呼應(yīng)，有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。四、集成了雙極膜電再生技術(shù)的離子交換工藝和其他水處理工藝的比較目前電廠(chǎng)化水處理中和離子交換工藝競(jìng)爭(zhēng)的有反滲透工藝、電去離子制備純水工藝等。雙極膜電再生技術(shù)主要應(yīng)用于離子交換工藝，它使得傳統(tǒng)的離子交換工藝煥發(fā)了新春，使得原有離子交換工藝擺脫的傳統(tǒng)用酸用堿等危險(xiǎn)化學(xué)品的困擾，酸堿鹽循環(huán)使用，減少了廢酸廢堿的排放。成為一個(gè)安全環(huán)保的綠色工藝。 1、和反滲透工藝比較反滲透工藝，是一種壓力驅(qū)動(dòng)膜工藝，主要依靠水泵加壓使水通過(guò)反滲透膜，截留下鹽分。它有出水水質(zhì)好，不用酸堿，管理方便的優(yōu)點(diǎn)，和離子交換工藝相比它也有不少缺點(diǎn)： 1）反滲透工藝產(chǎn)生的濃水不便于回收，自用水量約15~30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)離子交換工藝的自用水量。 2）反滲透工藝為防止?jié)馑械拟}鎂離子在反滲透膜上結(jié)垢，需要不斷添加阻垢劑、抗氧化劑等多種藥劑，這不僅增大了濃水回收的難度，也增加的運(yùn)行成本。 3）反滲透不適合直接制備超純水，在電廠(chǎng)化水制備中，必須和其他工藝結(jié)合，如混床離子交換工藝、電去離子制備純水工藝等，產(chǎn)水才能達(dá)到電廠(chǎng)用水的要求。不能像離子交換樹(shù)脂工藝那樣一步到位。 4）反滲透工藝的投資成本和運(yùn)行成本都比較高。下表是反滲透工藝和離子交換工藝的比較 2、和電去離子制備純水工藝比較電去離子制備純水工藝是一種電驅(qū)動(dòng)膜工藝，可以制備高純水。該技術(shù)有占地面積小，自動(dòng)化程度高，不用酸堿，出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，和離子交換工藝相比它也有缺點(diǎn)： 1）電去離子制備純水工藝，適于制備高純水，必須有前端的預(yù)處理，最好是使用反滲透工藝，一般用來(lái)代替離子交換的混床精處理工藝，從多年的使用經(jīng)驗(yàn)看，電去離子制備純水工藝最好配備兩級(jí)反滲透系統(tǒng)，所以雖然該工藝的投資成本不高，但所有的配置加在一起，是離子交換樹(shù)脂工藝投資成本的2~3倍。集成了雙極膜電再生技術(shù)離子交換工藝，使得該工藝也不再外購(gòu)酸堿再生樹(shù)脂，避免了因使用酸堿危險(xiǎn)化工品的種種問(wèn)題。和反滲透總結(jié)：本項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)，利用當(dāng)今最新的雙極膜技術(shù)，用電和少量的鹽再生失效的離子交換樹(shù)脂，產(chǎn)生廢水循環(huán)使用，沒(méi)有排廢。本項(xiàng)目的優(yōu)點(diǎn)： 1）稀酸堿再生劑需要多少，生產(chǎn)多少，沒(méi)有酸堿再生劑的購(gòu)置和長(zhǎng)期貯運(yùn)問(wèn)題，濃酸堿屬危險(xiǎn)的化學(xué)品，要用專(zhuān)人審批購(gòu)置，要使用特殊的防爆車(chē)輛運(yùn)輸，要專(zhuān)門(mén)的危險(xiǎn)品庫(kù)貯存，非常不便； 2）環(huán)保效益好，出水呈中性； 3）以百分質(zhì)量濃度≤5%的稀酸堿運(yùn)行，工人勞動(dòng)條件有所改善； 4）操作有所簡(jiǎn)化，設(shè)備使用費(fèi)用低，利于推廣； 5）本發(fā)明產(chǎn)品特別適用于邊疆和西部地區(qū)等酸堿供應(yīng)困難的地區(qū)； 6）特別適用于火力發(fā)電廠(chǎng)或核電廠(chǎng)使用，尤其適合于老廠(chǎng)節(jié)能減排技改時(shí)使用。本項(xiàng)目技術(shù)采用當(dāng)前先進(jìn)的雙極膜技術(shù)，來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)的混床的再生工藝，尤其適用于在火力發(fā)電廠(chǎng)使用。四、情況分析結(jié)合晉城陽(yáng)煤電廠(chǎng)的具體情況，和電再生項(xiàng)目的工作原理，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。目前電廠(chǎng)的補(bǔ)給水系統(tǒng)由前置反滲透系統(tǒng)+陰床+陽(yáng)床+混床組成，出水水量50m3/h，出水指標(biāo)為電導(dǎo)率<0.2μS/cm，硅<20μg/L。晉城陽(yáng)煤電廠(chǎng)用酸堿量統(tǒng)計(jì)表及分析表1陽(yáng)床再生統(tǒng)計(jì) 從上表看出：#1陽(yáng)床和#2陽(yáng)床用酸為1.17-1.46噸，平均用酸1.19噸。只有在2013.10.19同時(shí)存在兩組陽(yáng)床再生的問(wèn)題表2陰床再生統(tǒng)計(jì) 從上表看出：#1陰床和#2陰床用堿為1.16-1.17噸，平均用堿1.167噸只有在2013.10.19同時(shí)存在兩組陰床再生的問(wèn)題表3混床再生統(tǒng)計(jì) 混床再生次數(shù)約15~20天再生一次。從上面電廠(chǎng)樹(shù)脂酸堿再生時(shí)，使用酸堿情況可以看出，陽(yáng)床用酸1.19噸（平均值），陰床用堿1.16噸（平均值），混床用酸0.19噸，用堿0.5噸。

清華大學(xué) 2021-04-13

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