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离子交换和反渗透产除盐水的方案比较
概述
多年来，离子交换水处理技术一直被认为是唯一稳定可靠的高纯水生产技术，该技术已广泛应用于许多工业领域，如电厂锅炉补给水等。

近二十年来，离子交换在许多地方常常被反渗透替代。

反渗透是一种膜分离工艺，因其不产生污染废水，而被称为“绿色”工艺。

反渗透的快速发展始于上世纪70 年代后期, 当时离子交换技术已经发展的相当成熟，而反渗透还是一种新兴技术。

工艺技术往往在初始应用时发展很快，之后发展速度缓慢，到成熟阶段几乎没有什么改进。

因此，长期以来反渗透常被认为是一种有活力的技术，可以有效应用于各种领域的纯水解决方案，而离子交换却被认为是陈旧的工艺，其实人们往往忽略了反渗透在诸多实际应用中会产生膜的结垢和污堵问题，它会增加化学药品的使用量，减少膜的运行寿命，增加设备的操作和维护成本。

如今，反渗透虽然被认为是一项很成熟的工艺，但是这两种技术的比较已经到了重新评估的时候了。

当然离子交换工艺需要使用化学药品再生，但在过去，化学药品并没有有效利用，而且再生过程还产生了过量的废水。

然而，再生技术的新发展意味着最新一代的离子交换床已大大提高了再生剂的使用效率，同时消耗的电量和产生的废水都远少于反渗透。

为了重新评估这些变化和发展，有必要了解离子交换工艺的一些基本原理。

离子交换树脂主要由聚苯乙烯系骨架键合了活性基团组成，活性基团包括磺酸基，羧酸基、
叔胺基、季胺基等。

交换床所需离子交换树脂的体积主要是由水力学和动力学来控制的。

在水力学方面，通过树脂床的压降是流速和树脂深度的函数，树脂深度小一些效果比较好；而在动力学方面，由于受到扩散因素的限制，树脂深度大一些比较好。

因此，工程师会综合这两方面的因素，对树脂床树脂深度进行最优化的设计。

最近20 年来，离子交换树脂最重要的发展就是能够生产尺寸精确的聚苯乙烯系树脂颗粒，即能生产均粒树脂。

这听起来好像只是较小的创新，但我们可以使用经过动力学大大改善的小粒径树脂，同时均一尺寸的树脂颗粒确保紧密的六边形堆积，这使较小的树脂颗粒也能保持相对较低的压降。

这和可靠性能已大大改善的自动阀共同促进了应用于很多商业去离子工艺的SCION? (Short cycle ion exchange)短期循环技术的发展。

羧酸型弱酸阳树脂再生效率高，再生时酸的利用率达到了95%，但它只能同弱酸盐(如重碳酸盐)进行阳离子交换反应；而磺酸基强酸阳树脂能够去除所有的阳离子，但在再生时酸的利用率大约仅在60%左右。

同样叔胺基弱碱阴树脂不能去除水中的二氧化碳和二氧化硅，而季胺基强碱阴树脂则可以，但再生剂氢氧化钠的使用效率远低于弱碱阴树脂。

为了节省运行成本，可以先让水通过弱离子交换树脂，再利用强离子交换树脂进一步处理，以更有效的利用化学再生剂。

典型的一级除盐工艺包括使用弱酸阳树脂去除原水中和碱度相关的阳离子，然后用强酸阳树脂去除剩余的阳离子，阳床出水经过脱炭塔去除水中的二氧化碳后，除炭水再用弱碱阴树脂除去强的酸性阴离子如硫酸离子、氯离子等，最后用强碱阴树脂进一步去除
解离出来的碳酸或二氧化硅。

每一次，化学再生剂都要首先穿过强离子交换树脂，然后穿过弱离子交换树脂，弱离子交换树脂更容易被再生剂再生，从而提高了再生剂的使用效率。

很明显，用强、弱树脂分开处理会增加设备投资成本，因为这需要增加压力容器，所以回收期通常会很长。

试图把强、弱树脂放在同一床中使用以减少投资费用的想法，因两种树脂分层问题而难以实现。

但新的
均粒树脂已经做成分层床，从而降低了设备投资成本，提高了再生剂的使用效率，并且使设备的操作更加容易。

来自于高沼地的水通常含有高水平的天然有机物如腐殖酸、棕黄酸等。

这些大的有机分子可以通过反渗透系统去除，但是会残留在膜表面，形成有机污堵并增加膜清洗的频率。

这些有机分子大多数都是弱酸，在离子交换床里，这些分子可被交换和吸附到强碱阴树脂上，在那里被物理截留，形成树脂的污染。

使用弱碱阴树脂可以减少树脂污染，延长树脂清洗周期，还常常能减除昂贵的预处理设备如有机物清除设备等。

这就意味着使用分层床的强弱阴离子交换树脂对于污垢的抵抗力比反渗透或者传统的单阴离子交换树脂更强。

RAPIDE 和RAPIDE plus
开发SCION?(Short cycle ion exchange)工艺的英国ELGA 水处理公司，现在已经成功完成一种新型再生工艺，所谓的脉冲再生程序(Pulsed Regeneration Sequence,已申请专利)，这种工艺是使用高浓度的化学再生剂通过已失效树脂床，不是以连续流动方式而是以短
脉冲形式对树脂进行再生，当中增加了水冲洗的步骤。

这种超浓度的
再生剂不仅可以很有效地去除树脂内的离子杂质，同时也增加了树脂
颗粒的收缩，并形成颗粒表面的自然渗透。

这种收缩可以去除表面的
污垢，同时也可以去除树脂颗粒内污垢，例如有机物等。

接下来的水冲洗会帮助树脂的重新膨胀，并将用过的再生剂冲洗掉。

通过重复再生剂/水冲洗的步骤，树脂就完成了化学和物理的处理过程，从而恢复到最好的运行状态。

威立雅水处理系统公司的新一代
RAPIDE 去离子设备：RAPIDE 和RAPIDE plus，是属于首家运用脉冲再生步骤工艺的设备。

运用的再生剂比一般的离子交换设备少于30%至50%，同时具有所有SCION?技术的优点：即为30 到45 分钟的再生时间，以及产生较少的废水。

RAPIDE Strata 设备产水电导率可以低于2?s/cm，Si02 可以低于0.1 mg/l；对于一些水质要求较高的工业，例如电厂的锅炉补给水，RAPIDE Strata Plus 能提供产水电导率低于0.1?s/cm，Si02 的含量低于0.02
mg/l。

多数自来水或井水作为RAPIDE 去离子设备的原水都可以实现上述数据。

反渗透工艺
相比之下，反渗透工艺可以脱除原水中95%的溶解盐。

去除率是离子所带电荷的函数，二价和三价离子几乎被完全去除，而像二氧化硅这类
的弱酸离子的去除率稍低。

二氧化碳之类的溶解气体可以通过扩散在
膜的两侧达到平衡。

以英格兰南部的自来水为例，通过反渗透处理后，产水中总溶解固体(TDS)约为
20mg/l，二氧化硅的浓度约为1mg/l，二氧化碳的浓度约为10mg/l，和
一级除盐产水比较，反渗透产水由于这些离子较多的存会进一步增加后续抛光混床的负担。

此外，还有一个问题经常会被忽略，那就是大型的反渗透系统经常用到一些化学试剂，如亚硫酸氢钠、阻垢剂和清洗杀菌剂等，与离子交换再生剂相比，这些化学试剂往往比较贵，而且后期处理也比较困难。

小结
工程经济学是评价工艺的准绳，但基础参数是变化的，也就是说目标通常是随电价和化学试剂的市场价格而变化的。

近10 年来，在纯水制备方面最重要的变化就是不断增长的自来水和污水排放价格。

反渗透和离子交换工艺的概括比较是非常困难的，因为相对性能会随着原水的含盐量有所变化。

通常离子交换法对较低含盐量(TDS)的进水更具有竞争力，将典型的英国自来水(TDS。