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摘要：针对火电厂树脂再生问题，采用再生优化的方法对其水处理系统中阴阳树脂进行了优化，通过对比分析优化前后阴阳树脂再生效率、离子交换速度和阳树脂交换容量等参数，验证了优化后的再生方式可以有效提高其再生效率，延长阴树脂使用寿命。实验结果表明，当温度为30℃时，采用化学再生方式进行树脂再生效率可提高20%以上。因此，在不改变离子交换容量的前提下提高阴阳树脂再生效率的方法，能够为之后的水处理系统提供助力。
关键词：火电厂；树脂再生；化学再生
0引言
火电厂作为电力行业的重要组成部分，为经济社会发展提供了动力。伴随着电力行业的快速发展，火电厂用水需求逐年增加，与此同时水资源的利用率逐渐上升。离子交换是一种选择性强、吸附容量大、具有强选择性的去除阴、阳离子的方法。在工业上离子交换法可以对水处理系统中所产生的废水进行回收利用，不仅可以提高废水利用率和水资源利用率，还能减少环境污染和能源浪费[1]。火电厂在水处理系统中采用阴、阳树脂分别采用离子交换法进行再生。然而，由于阳树脂本身具有一定的抗污染能力，而阴树脂含有大量有机物，因此更容易被污染。为此，在水处理系统中采用离子交换法进行再生时需要对再生方式进行改进能够提高其再生效率。此次研究以火电厂阴阳树脂为研究对象，利用化学再生方式对其进行优化，并于常规离子交换方式下进行对比分析。研究结果表明，化学再生方式下可以有效提高阴阳树脂再生效率、阳树脂交换容量和阴树脂交换容量等参数；同时发现在不改变阴阳树脂交换容量的前提下可以通过加入化学药剂的方式来提高阴阳树脂再生效率。因此，可以通过该方法有效提高阴阳树脂再生效率和延长其使用寿命。
1化学再生阴阳树脂的应用与探究
目前大多数火电厂采用的离子交换系统主要有以下几种。第一种是以阴树脂为主的深度除盐系统；第二种是以阳树脂为主的深度除盐系统；第三种是以阳树脂为主、阴树脂为辅的深度除盐系统。由于电厂在建设和运行过程中通常会考虑到投资成本、占地面积以及对环境污染等问题，因此一般只选择一种或几种树脂用于水处理系统中。传统的火电厂采用的阴、阳树脂分别为离子交换树脂和超滤装置使用的超滤膜，两种树脂主要用于给水处理系统中的反渗透系统[2]。
一般来说，阳离子树脂在交换阴离子时主要作用的官能团是磺酸基团（R-SO3H）、羧基（-COOH）和苯酚基（C6H4OH）等酸性基团，能够在水中生成H离子，与污水中的一些金属阳离子相交换，如Na+、Ca2+、Mg2+等，这使得金属阳离子被转移到阳树脂上。而阴离子的作用官能团主要为季胺基（-NR3OH）、胺基（-NH2）或亚胺基等碱性基团，在水中易生成-OH，与水中的Cl-、HCO3-阴离子交换。其作用原理如图1所示。
如图1所示，氯化镁在水中通过阴阳离子树脂的相互交换作用，将镁离子和氯离子吸附到树脂上从而实现污水中离子的处理。树脂的交换能力通常是与交换离子的化合价有关，如在不同阴阳离子的污水中，离子交换能力高低互不相同。衡量一个树脂是否能够实现再生的重要标准是，树脂在恢复再生后的离子置换能力的高低，以及有关官能团的恢复程度大小。通常树脂的内部会因为交换离子降低其对离子的吸附能力，同时一些分子量较大的高分子有机物无法通过树脂，这使得实际使用中树脂的再生能力检测值会随着树脂的不断再生而降低。
在火电厂采用离子交换技术对阴阳树脂进行再生后，阴离子交换效率一般为70%~80%，而阳离子交换效率一般只有50%左右。这样就导致再生过程中阴阳树脂表面附着较多杂质而影响再生效果。此外，阴树脂长期使用后表面会附着一层薄薄的有机物层，使其交换能力下降；而阳树脂在使用过程中同样会逐渐老化，导致其交换能力下降，因此为了降低使用成本，目前很多树脂的使用都需要对树脂进行再生，再次利用。而化学再生技术是目前较为常用的再生技术，在实际应用中，由于阳床和阴床之间存在着明显的体积差，如果直接采用化学再生方式进行再生时会导致阴阳交换剂间的体积差过大而产生大量废酸、废碱等废液，给环境造成污染。因此，为减少化学再生带来的污染、降低其能耗，对阴、阳交换剂进行再生时通常采用反洗水来替代再生液对其进行清洗。传统的反洗水方式是通过碱液和酸液的不同方式对阴阳树脂进行洗水操作，这使得树脂中的离子数量减少达到反洗水的效果。但在实际应用中存在诸多问题，由于阴、阳交换剂的体积差较大，而传统反洗水用量相对较少且浓度较低，在实际应用中无法达到最佳反洗效果。
2实验探究阴阳树脂的再生优化方案
使用阳离子交换树脂为火电厂的标准阴离子交换树脂，在运行超过20年的化学再生设备上进行再生，树脂型号为BK-300S。阴离子交换树脂型号为ABR-1，其粒径大小为5~10μm，平均粒径为5μm，主要应用于电厂超纯水制备系统和生活饮用水制备系统中。在对阳离子树脂进行再生时，通常选用强酸性再生液，在水中氢离子浓度增大时，已经吸收阳离子的树脂会因水中离子浓度变化而实现树脂的可逆再生。其方程式表示如式（1）所示：
式（1）中，通过增加氢离子的量实现可逆反应的正向进行，从而实现树脂的再生。同理在对阴离子进行再生时选择强碱性再生液进行树脂再生。其反应方程式如式（2）所示：
式（2）中通过增加溶液中氢氧根的浓度使得反应正向进行，实现阴树脂的化学再生。一般在阳树脂进行化学再生时，选用稀硫酸溶液，但需要避免钙离子生成硫酸钙沉淀造成树脂堵塞，可预先洗脱树脂再进行化学再生。将阴离子交换树脂装入专用树脂柱中，用标准进水管向树脂柱内提供符合要求的再生液，并用泵将再生液打入阴阳树脂交换柱中；采用流动法进行实验，将阴阳树脂交换柱内的再生液缓慢注入阴离子交换柱中，直至阳离子交换柱中的再生液与阴离子交换柱中的再生液完全混合后停止注入。实验时将阴阳树脂交换柱内的压差控制0.5~1.0 MPa之间。每次更换阴阳树脂时要将阴阳树脂进行充分清洗，直至出水水质满足要求。然后停止运行，对阴离子交换柱进行机械清洗至出水水质满足要求。通过对阴阳树脂的离子进行检测，使得阴阳离子能够满足当前实验，如表1所示为检测结果。
表1中，阴树脂和阳树脂参数的检测结果的大多数都满足实验需要的树脂参数标准，因此使用的树脂能够进行实验研究。试验使用的色谱仪为DT-670型离子色谱仪，用其测定阴离子交换树脂的阴、阳离子交换量和总交换量，温度设置为30℃,流速设置为1.0 m/min，实验所用仪器有全自动电导率仪、全自动pH计、全自动电导率仪、全自动铁离子分析仪、全自动钙镁离子分析仪、自动pH计、自动铁锰分析仪、自动钙镁分析仪等。使用数据采集系统记录再生前阴阳树脂的阳、阴树脂交换量，分别按阴阳树脂交换量为0、20和40 eq/L的阳、阴树脂交换容量，绘制出相应的曲线图，对比分析不同条件下阴阳树脂的交换容量和再生效率。随着再生温度的升高，阴阳树脂的交换容量和再生效率均有所提高。
具体实验操作步骤如下：首先将离子交换后的树脂通过水浴锅进行加热（阴阳离子树脂分别加热）。其次调节水中pH碱性为12，酸性为2，设定此时的水浴锅温度，调节水浴锅温度20~50℃。在温度变化范围内，分别在不同时段对，水浴锅中阴阳树脂离子电导率进行测定。记录每个时刻的离子电导率。最后使用色谱仪测定不同温度时刻下离子的交换量。绘制出交换量变化曲线，如图2所示为实验操作流程。
原因在于再生温度超过30℃时，阴树脂表面会生成一层酸性水膜，阴离子交换剂与阳离子交换剂之间会形成强酸强碱的环境。当阴膜厚度较厚时，会影响到阳离子交换剂与阳离子交换剂之间的交换；当阴膜厚度较薄时，则会造成阳离子交换剂之间发生短路现象。同时在进行树脂再生后，同时进行了再生后的一些树脂理化性能测试，用以验证再生后的树脂是否能够趋于相对稳定的状态。如表2所示。
由表2可知，阴阳树脂的理化性能在经过再生后的性能都有所下降，但使用化学再生后的交换总量的值相对较好，整体的树脂耐磨率并没有下降多少。
3化学再生对阴阳树脂的实验结果分析
研究过程中，采用两种再生方式分别对阴阳树脂进行再生试验。首先，是使用20~50℃的热水进行化学再生，其次，是通过温度为30~40℃的热水进行物理再生。将阴树脂放入经过充分清洗后的离子交换柱中，通入20℃的热水进行再生。为了使阳树脂和阴树脂均匀混合，先将阳树脂放置在离子交换柱的上部，然后再将阴树脂放置在离子交换柱的下部。
在20℃和30℃两种温度下进行化学再生后，阳树脂和阴树脂中所残留的钠离子含量都有所降低，阴树脂中残留的钠离子含量增加。当温度继续升高时，阳树脂和阴树脂中残留的钠离子含量均会升高，同时阳树脂中残留的钠离子含量增加更快。这主要是由于在20℃下进行化学再生时，水中钙镁离子的浓度处于较高水平，且离子交换柱中未完全反应的钠离子浓度较高所导致的，随着温度的升高，阴阳树脂中残留钠离子的量都有所降低。同时在进行实验过程中，调节水中pH变化时，水中离子含量的变化随着pH的变化，镁离子和钙离子等离子的电导率变化值不断增加，达到预定pH值时趋于最高值。同时增加或减少pH值电导率变化不大。综上所述，在使用化学再生方法时，当温度为40℃左右时可以有效提高两种树脂中所残留钠盐含量和水浴锅内水镁离子浓度；在温度为30℃左右时可以有效降低水浴锅内水中钙镁离子浓度。同时随着温度的升高，水中钙镁离子浓度也会随之增加。因此当温度达到30℃左右时可以有效降低水中钙镁离子浓度；同时当水浴锅内的温度高于30℃时也可以降低水中钙镁离子浓度。
4结论
此次研究通过对火电厂现有水处理系统进行再生方式优化，在不改变原离子交换工艺的情况下，通过化学再生的方式提高了阴阳树脂的再生效率，延长了阴树脂的使用寿命。在使用化学再生方法时，当温度越高，阴树脂再生效率就越高。通过调节阴阳树脂的具体情况选择合适的再生温度，从而达到提高阴阳树脂再生效率的目的。实验结果表明，在进行化学再生实验时，应尽可能提高再生液的流速，使其能够在较短时间内将阴树脂全部置换出来。同时也应尽量减少阴阳树脂间的相互接触，从而避免造成阴树脂表面结垢导致交换容量降低。为实现树脂再生还需要注意及时将阴阳树脂分离开，不然会导致树脂被破坏影响效果。
参考文献
[1]苑惠杰，张磊，吕本松，等.离子交换树脂再生剂关键技术指标的研究[J].盐业与化工，2022，51（3）：37-42.
[2]杨军.火力发电厂凝结水精处理阳树脂再生新工艺的研究[J].化工管理，2020，2（11）：210-211.
[3]Wang W,Liu F,Zhang Q,G Yu,et al.Efficient removal of CO2 from indoor air using a polyethyleneimine-impregnated resin and its low-temperature regeneration[J].Chemical Engineering Journal,2020(1):1-9.
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