概述

　　多年來，離子交換水處理技術一直被認為是唯一穩定可靠的高純水生產技術，該技術已廣泛應用于許多工業領域，如電廠鍋爐補給水等。近二十年來，離子交換在許 多地方常常被反滲透替代。反滲透是一種膜分離工藝，因其不產生污染廢水，而被稱為“綠色”工藝。反滲透的快速發展始于上世紀70年代后期, 當時離子交換技術已經發展的相當成熟，而反滲透還是一種新興技術。工藝技術往往在初始應用時發展很快，之后發展速度緩慢，到成熟階段幾乎沒有什么改進。因 此，長期以來反滲透常被認為是一種有活力的技術，可以有效應用于各種領域的純水解決方案，而離子交換卻被認為是陳舊的工藝，其實人們往往忽略了反滲透在諸 多實際應用中會產生膜的結垢和污堵問題，它會增加化學藥品的使用量，減少膜的運行壽命，增加設備的操作和維護成本。如今，反滲透雖然被認為是一項很成熟的 工藝，但是這兩種技術的比較已經到了重新評估的時候了。當然離子交換工藝需要使用化學藥品再生，但在過去，化學藥品并沒有有效利用， 而且再生過程還產生了過量的廢水。然而，再生技術的新發展意味著最新一代的離子交換床已大大提高了再生劑的使用效率，同時消耗的電量和產生的廢水都遠少于 反滲透。為了重新評估這些變化和發展，有必要了解離子交換工藝的一些基本原理。離子交換樹脂主要由聚苯乙烯系骨架鍵合了活性基團組 成，活性基團包括磺酸基，羧酸基、叔胺基、季胺基等。交換床所需離子交換樹脂的體積主要是由水力學和動力學來控制的。在水力學方面，通過樹脂床的壓降是流 速和樹脂深度的函數，樹脂深度小一些效果比較好；而在動力學方面，由于受到擴散因素的限制，樹脂深度大一些比較好。 因此，工程師會綜合這兩方面的因素，對樹脂床樹脂深度進行最優化的設計。最近20年來，離子交換樹脂最重要的發展就是能夠生產尺寸精 確的聚苯乙烯系樹脂顆粒，即能生產均粒樹脂。這聽起來好像只是較小的創新，但我們可以使用經過動力學大大改善的小粒徑樹脂，同時均一尺寸的樹脂顆粒確保緊 密的六邊形堆積，這使較小的樹脂顆粒也能保持相對較低的壓降。這和可靠性能已大大改善的自動閥共同促進了應用于很多商業去離子工藝的SCION? (Short cycle ion exchange)短期循環技術的發展。羧酸型弱酸陽樹脂再生效率高，再生時酸的利用率達到了 95%，但它只能同弱酸鹽(如重碳酸鹽)進行陽離子交換反應；而磺酸基強酸陽樹脂能夠去除所有的陽離子，但在再生時酸的利用率大約僅在60%左右。同樣叔 胺基弱堿陰樹脂不能去除水中的二氧化碳和二氧化硅，而季胺基強堿陰樹脂則可以，但再生劑氫氧化鈉的使用效率遠低于弱堿陰樹脂。為了節省運行成本，可以先讓 水通過弱離子交換樹脂，再利用強離子交換樹脂進一步處理，以更有效的利用化學再生劑。典型的一級除鹽工藝包括使用弱酸陽樹脂去除原水中和堿度相關的陽離 子，然后用強酸陽樹脂去除剩余的陽離子，陽床出水經過脫炭塔去除水中的二氧化碳后，除炭水再用弱堿陰樹脂除去強的酸性陰離子如硫酸離子、氯離子等，最后用 強堿陰樹脂進一步去除解離出來的碳酸或二氧化硅。每一次，化學再生劑都要首先穿過強離子交換樹脂，然后穿過弱離子交換樹脂，弱離子交換樹脂更容易被再生劑 再生，從而提高了再生劑的使用效率。很明顯，用強、弱樹脂分開處理會增加設備投資成本，因為這需要增加壓力容器，所以回收期通常會很 長。試圖把強、弱樹脂放在同一床中使用以減少投資費用的想法，因兩種樹脂分層問題而難以實現。但新的均粒樹脂已經做成分層床，從而降低了設備投資成本，提 高了再生劑的使用效率，并且使設備的操作更加容易。來自于高沼地的水通常含有高水平的天然有機物如腐殖酸、棕黃酸等。這些大的有機分 子可以通過反滲透系統去除，但是會殘留在膜表面，形成有機污堵并增加膜清洗的頻率。這些有機分子大多數都是弱酸，在離子交換床里，這些分子可被交換和吸附 到強堿陰樹脂上，在那里被物理截留，形成樹脂的污染。使用弱堿陰樹脂可以減少樹脂污染，延長樹脂清洗周期，還常常能減除昂貴的預處理設備如有機物清除設備 等。這就意味著使用分層床的強弱陰離子交換樹脂對于污垢的抵抗力比反滲透或者傳統的單陰離子交換樹脂更強。

　　RAPIDE 和RAPIDE plus

　　開發 SCION?(Short cycle ion exchange)工藝的英國ELGA水處理公司，現在已經成功完成一種新型再生工藝，所謂的脈沖再生程序(Pulsed Regeneration Sequence,已申請專利)，這種工藝是使用高濃度的化學再生劑通過已失效樹脂床，不是以連續流動方式而是以短脈沖形式對樹脂進行再生，當中增加了水 沖洗的步驟。這種超濃度的再生劑不僅可以很有效地去除樹脂內的離子雜質，同時也增加了樹脂顆粒的收縮，并形成顆粒表面的自然滲透。這 種收縮可以去除表面的污垢，同時也可以去除樹脂顆粒內污垢，例如有機物等。接下來的水沖洗會幫助樹脂的重新膨脹，并將用過的再生劑沖洗掉。通過重復再生劑 /水沖洗的步驟，樹脂就完成了化學和物理的處理過程，從而恢復到最好的運行狀態。

　　威立雅水處理系統公司的新一代RAPIDE去離子設 備：RAPIDE和RAPIDE plus，是屬于首家運用脈沖再生步驟工藝的設備。運用的再生劑比一般的離子交換設備少于30%至50%，同時具有所有SCION?技術的優點：即為30 到45分鐘的再生時間，以及產生較少的廢水。

　　RAPIDE Strata設備產水電導率可以低于2?s/cm，Si02可以低于0.1 mg/l；對于一些水質要求較高的工業，例如電廠的鍋爐補給水，RAPIDE Strata Plus能提供產水電導率低于0.1?s/cm，Si02的含量低于0.02 mg/l。多數自來水或井水作為 RAPIDE去離子設備的原水都可以實現上述數據。

　　反滲透工藝

　　相比之下，反滲透工藝可以脫除原水中95%的溶解鹽。去除率是離子所帶電荷的函 數，二價和三價離子幾乎被完全去除，而像二氧化硅這類的弱酸離子的去除率稍低。二氧化碳之類的溶解氣體可以通過擴散在膜的兩側達到平衡。以英格蘭南部的自 來水為例，通過反滲透處理后，產水中總溶解固體(TDS)約為20mg/l，二氧化硅的濃度約為1mg/l，二氧化碳的濃度約為10mg/l，和一級除鹽 產水比較，反滲透產水由于這些離子較多的存會進一步增加后續拋光混床的負擔。此外，還有一個問題經常會被忽略，那就是大型的反滲透系統經常用到一些化學試 劑，如亞硫酸氫鈉、阻垢劑和清洗殺菌劑等，與離子交換再生劑相比，這些化學試劑往往比較貴，而且后期處理也比較困難。

　　小 結

　　工程經濟學是評價工藝的準繩，但基礎參數是變化的，也就是說目標通常是隨電價和化學試劑的市場價格而變化的。近 10年來，在純水制備方面最重要的變化就是不斷增長的自來水和污水排放價格。反滲透和離子交換工藝的概括比較是非常困難的，因為相對 性能會隨著原水的含鹽量有所變化。通常離子交換法對較低含鹽量(TDS)的進水更具有競爭力，將典型的英國自來水(TDS 500mg/l、二氧化硅10mg/l)處理成高壓鍋爐補給水時，成本比較如下表所示。

　　在上面的分析中，自來水的處理成本大約在0.70英鎊/m3，污水排放的成本也大致相同。該分析是建立在如下假設基礎上進行計算的：即對于反滲透系統， 工作壓力為15bar，系統回收率為75%，也就是25%的原水被排放至地溝，同時加入酸以減少膜的結垢；對于離子交換系統，原水含鹽量(TDS)每 meq/l，則相當于1.5%排放率， 再生劑鹽酸的利用率為75%，氫氧化鈉的利用率為70%。在比較離子交換和反滲透工藝的運營 成本時，通常會忽視更換離子交換樹脂和反滲透膜的成本。事實上，更換樹脂往往比反滲透膜要更便宜，樹脂的使用壽命也比反滲透膜長，表中的填料更換成本比較 是建立在陽樹脂的使用壽命為10年，陰樹脂為5年，反滲透膜為5年的基礎上。在此，并沒有考慮廢填料的處理，這一點離子交換也要優于反滲透，因為通常用完 的樹脂廢品所占的體積要小于反滲透膜。

　　當然，并不是說離子交換法是萬能的。在很多水處理應用如制藥用水和衛生保健等方面，反滲透工藝 具有很明顯的優勢，近些年這一點往往被不公平地忽視了。

　　綜上所述，從經濟學角度上講，對于低離子含量的原水，離子交換法比反滲透更有 市場競爭力，并且隨著原水和污水處理成本的不斷上漲，這方面優勢會變得更加明顯，這也預示著離子交換水處理技術的復蘇。