淺談離子交換樹脂在純水處理系統中的作用原理

熊濤

摘要：離子交換樹脂在水處理、食品工業、制藥、合成化學、環境保護等領域運用廣泛，其中水處理領域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產量的90%，主要運用于火力發電廠、原子能、半導體、電子工業等純水處理上，以下主要以半導體行業超純水的制備來介紹離子交換樹脂的運用。

關鍵詞：離子交換樹脂;交換原理;樹脂再生

1離子交換樹脂介紹

離子交換樹脂（Ion Exchange Resin）是一種高分子量，帶有官能性基團（有交換離子的活性基團）的多聚物，結構呈網狀的不溶性高分子化合物，通常為球形顆粒物。離子交換樹脂可以根據其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂。

2離子交換設備及工作原理

在半導體行業中制備純水的工藝中，由于水量較大，水質對于電導率、Si及B的指標很低，樹脂交換是常用的處理工藝;常分成兩個階段：預處理階段和精處理階段。

2.1陽床（H Tower）

陽床作為陽離子樹脂交換的場所，內部重要結構主要由進水散水管、集水板、上層CC2型BD水帽和下層BD水帽組成，結構如下圖1;塔體常采用碳鋼內襯膠以達到防腐的作用，樹脂裝填分上下兩層，上層水帽安裝完成后裝填少量體積的陽離子樹脂作為惰性樹脂，下層安裝完成水帽后，裝填約10公分厚度的玻璃球作為承托層，然后裝填強酸性陽離子樹脂;下層為樹脂離子交換的主要場所，當離子交換過程進行時，部分樹脂發生破碎產生損耗，上層樹脂可通過旁側連通管閥門控制為下層樹脂進行補充，以調節下層樹脂的填充率，達到長期的交換效果。

2.2陰床（OH Tower）

陰床為陰離子樹脂交換的場所，內部同樣主要由進水散水管、集水板以及上中下三層水帽組成，結構如圖2所示，陰床也常采用碳鋼內襯膠結構，陰樹脂裝填分三層進行，上層水帽安裝檢查完畢后裝填少量體積的陰離子樹脂作為惰性樹脂，為后續的損傷的樹脂進行補充，中層充填強堿性陰離子樹脂，下層充填一定體積弱堿型陰離子樹脂，中層和下層作為陰離子交換的主要場所進行交換反應。

2.3混床（Mixed Bed）

混床是針對離子交換技術設計的另外一種設備，主要用于降低水中的堿度和硬度，使其成為軟化水或者去離子水;混床將一定比例的陽、陰離子交換樹脂混合裝填于同一交換裝置中，對水中的陰、陽離子進行交換去除，一般混床的樹脂裝填比例為1：2或者1：1.5，由于陽樹脂比重大于陰樹脂，所以混床中陰樹脂在上陽樹脂在下;混床一般設置在電滲析器或者RO之后，對誰進一步進行脫鹽處理，混床具有出水水質優良，出水接近中性，回收率高等優點;混床外殼常采用優質304不銹鋼或者碳鋼內襯膠制造，內部主要由進水散水管、進藥分散器、BD型水帽及集水板等組成。

3樹脂的再生過程和原理

隨著處理水量的加大，樹脂交換逐漸飽和，當樹脂工作交換容量降低時，處理能力降低，而離子交換樹脂最大的特點是失效后可以通過再生而進行反復使用，這也大大的降低了水處理的成本[2]。

3.1再生過程和原理

樹脂失效后再生的方式有多種，大致可分為靜態再生和動態再生兩類，靜態再生是在容器內用酸堿藥劑浸泡樹脂，使之恢復到原來的工作狀態，可分為體內再生和體外再生;動態再生是使用酸堿藥劑反復進行沖洗進行，有順流再生、逆流再生以及對流再生三種方式，順流再生過程酸堿藥液進入方向與交換時工作水流的方向一致，自上而下的再生方式是上層部分的樹脂再生程度高，越往下層再生程度越低，這種再生方式導致酸堿藥液的利用效率降低，進而導致處理水質不好。

3.1.1陽、陰床再生

陽床和陰床再生的步驟相同，只是所用的再生液、再生流量和再生液濃度不同，其再生的操作步驟分為產水降流、反沖洗、逆流再生和正沖洗。

3.1.2混床再生

混床再生主要是進行分步處理，先將已失效的混床用水進行反洗，由于陰離子交換樹脂較輕而上浮與陽離子交換樹脂分開，進行陰離子樹脂再生時，NaOH再生劑從混床上部加入，再生廢液從陰陽樹脂分解面的排液管排出，為了避免NaOH向下進入陽樹脂層，從上部加入再生劑的同時，用原水從下往上通過陽樹脂層作為支持層;在進行陽離子交換樹脂再生時，HC1再生劑從從底部加入，廢酸再生液同樣在陰陽離子交換樹脂分界面排出，同時從混床上部通入一定量的純水，在分別再生結束后，混床上下同時通入純水清洗樹脂;最后通入氮氣將兩種樹脂進行充分混合，拋光床一般不進行再生，而是每隔幾年失效后進行樹脂更換。

3.1.3影響再生的因素

通常離子樹脂再生的效率受到再生劑的選擇、用量、流速以及再生劑溫度的影響

3.1.3.1再生劑的選擇

再生劑主要有陽離子樹脂再生劑和陰離子再生劑，陽離子樹脂再生劑主要有HC1溶液、H2SO4溶液、HNO3溶液，陰離子樹脂再生劑主要有NaOH溶液和堿性NaC1濃液等。

3.1.3.2再生劑用量

理論上分析，再生劑的用量與樹脂工作交換容量相當，但由于交換反應是可逆的，再生劑用量需要遠遠超過理論用量才能滿足再生要求，再生劑的用量增加可以提高交換樹脂的再生程度，但增加一定程度后，再生程度提高很少，所以過多的再生劑的用量是不經濟的，實際再生過程中再生劑的用量為理論計算量的3～4倍，樹脂的工作交換容量可以恢復到原來的70%～80%。

3.1.3.3再生劑流速

再生劑適合控制在保證再生反應充分的流速，流速的選擇主要取決于離子的擴散速度，同時與離子的價態有關，一般離子的價態越高，需要反應的時間越長，加快再生劑的流速有利于離子的擴散，但減少了再生劑與樹脂的接觸時間，再生效果反而可能降低，流速太小則不利于離子擴散，再生效果也會受到影響。

3.1.3.4再生劑的溫度

提高再生劑的溫度，能同時加快離子的內擴散和外擴散，提升溫度同時能大大改善對樹脂中鐵、銅以及其氧化物和硅雜質的清除程度，但由于樹脂的熱穩定性的限制，再生劑的溫度不宜過高，所以再生劑的溫度一般控制在25～40℃最為適合。

參考文獻：

[1]聞瑞梅，王在忠主編.《高純水的制備及檢測技術》 科學出版社.

[2]徐兵華，徐愛春，杜喜波編.《復床樹脂再生操作工藝優化》 河南化工.

（作者單位：江蘇中電創新環境科技有限公司）