氯碱工业中高纯水制备探讨

史正学

（山东铝业职业学院 冶金化工系，山东 淄博 255065）

1 高纯水在氯碱工业中的应用

采用离子膜法制取烧碱过程中高纯水的使用：向阴极液添加高纯水与烧碱溶液混合，使其质量分数维持在28%～30%；高纯盐酸生产用水；离子交换树脂再生时需用高纯水置换酸和碱；整流器冷却用水；化验室、电槽组装及其他用水；泵密封用水。离子膜法制取烧碱所需高纯水的主要指标如表1所示。

表1 高纯水的主要指标

2 高纯水的制取方法

2.1 高纯水制取方法一

高纯水制取方法一的工艺流程如图1所示。

原水也被称为一次水，含多种杂质成分，如表2所示，其制取高纯水的工艺流程如图1所示。由图1可知，原水通过深井泵打入原水池，在絮凝剂的作用下通过多介质过滤器（由上而下）除去原水中的悬浮物、有机物及游离氯等，然后进入活性炭过滤器，继续去除水中剩余的有机物、细菌及游离氯等，合格的过滤水经过保安过滤器与阻垢剂混合后，通过高压泵送入反渗透膜过滤器，去除水中大部分杂质离子，浓水排放，淡水经脱气塔除去水中溶解的CO2后进入中间水箱，经中间水泵送至阴阳混合离子交换器（简称混床），水由上而下，根据离子交换原理进一步去除水中剩余的阴、阳离子，合格的纯水进入高纯水储罐，通过高纯水泵送至各用户。

表2 一次水成分

图1 高纯水制备方法一的工艺流程

2.2 高纯水制取方法二

高纯水制取方法二的工艺流程如图2所示。

图2 高纯水制备方法二的工艺流程

方法二取消了方法一中的活性炭过滤器，增加了阴、阳树脂交换器。

阳离子树脂交换过程：

水通过阳离子树脂床层时，水中的阳离子杂质被树脂吸附，本质是杂质阳离子与树脂上的可交换离子（H+）进行交换达到去除的目的。交换下来的H+进入水中，使水的pH有所降低。

阴离子树脂交换过程：

交换的结果是去除了水中的阴离子杂质，水的pH接近中性。随着交换过程的进行，树脂的交换能力逐渐下降。当接近树脂的交换容量时，需对树脂进行再生。阳树脂用3%～5%的盐酸进行再生，阴树脂用2%～4%的碱液进行再生。再生的原理也是利用离子交换。

混床离子交换过程：

混床的作用是将阴、阳离子交换树脂混合均匀后装入交换器，除去水中剩余的阴、阳杂质离子，同时生成水，混床出口水的pH几乎不变。混床的再生比单床复杂，首先将混合的阴、阳离子树脂分开，阴离子树脂轻，在上层；阳离子树脂重，在下层。有时为了利于分层，可加入少量碱液，然后分别向阴、阳树脂层中通入碱液和酸液进行再生，最后将再生好的树脂混匀即可重复使用。

方法二中增加的阴、阳离子树脂单床交换器，在使用初期，阳离子树脂与水界面处的pH较低，酸性较强，有利于水中弱碱性电解质离子化，进而被去除；阴离子树脂颗粒与水的界面处呈现出较强的碱性，有利于水中弱酸性电解质离子化，进而被去除，降低了混床负荷，减少了混床再生次数，降低了污水的排放量，同时提高了高纯水的质量。

上述两种方法都能满足离子膜法制取烧碱中对高纯水的要求，缺点在于产生的酸、碱废液多，由于其中的杂质离子多，不能循环使用。

2.3 高纯水生产方法三

高纯水生产方法三的工艺流程如图3所示[1-4]。

图3 高纯水制备方法三工艺流程

方法三将电去离子（Electrodeionization，EDI）技术与膜分离技术相结合，取代了阴、阳离子交换树脂制取高纯水的过程。通过这种技术制得的纯水品质高，长期看来能耗少且无酸、碱污水产生。EDI系统中使用的阴、阳离子树脂再生时，利用了水电离产生的H+、OH-在电场作用下进行再生。

EDI技术在废水治理、水的净化、超纯水的制备方面亦有应用，在离子膜制取烧碱工艺中应用较少。近30年，EDI技术发展较快，从最初的薄室混床、厚室混床发展到分层床和分床等，床型结构不断完善。

EDI技术与膜分离技术相结合去除水中杂质离子的过程主要涉及离子交换、传质及电场作用下水的电离。双极膜分床去除杂质离子的原理如图4所示。

图4 双极膜分床去除杂质离子

原水自上而下进入阳离子交换树脂床层，水中的杂质阳离子M+被树脂交换吸附，同时在电场的作用下通过阳离子交换膜进入浓水室，树脂上的H+被交换下来进入水中，使水的pH降低。随着通电过程的进行，水中的杂质阳离子越来越少，在恒定的电流负荷下，水在电场的作用下在双极膜内电离出H+及OH-，其中，H+通过阳离子交换膜进入阳离子交换树脂床层，OH-通过阴离子交换膜进入阴离子交换树脂床层，起到负载电流的作用，同时也是阴、阳树脂床层颗粒在电场作用下的再生过程。原水经过阳树脂床层后，进入阴离子树脂床层，通过离子交换及电场作用，水中的阴离子X-进入浓水室，其再生过程与阳离子树脂再生过程类似。离开阴离子树脂床层的水是合格水。

3 EDI技术的发展前景

EDI技术在净化水的应用中有一些限制条件，比如水的硬度、pH、游离氯的含量等，但环保无污染，无论是工艺还是结构设计，都在不断地完善，大有取代膜法净化水的趋势。