[導(dǎo)讀]E D I 作為一種先進(jìn) 的純水 、 高純水生產(chǎn)技術(shù) , 已 經(jīng)越來越受 到人們 的關(guān) 注 , 該 文主要介紹 E D I 過程 的原理 、 工 藝及 關(guān)鍵技術(shù) , 展望 了 E D I 的發(fā)展前景 。

電去離 子 ( E le e t r o d e io n i z a t io n , 簡 稱 E D I ) 技 術(shù) 是 國際上 2 0 世紀(jì) 9 0 年代才逐步成熟的純水生 產(chǎn)技 術(shù) , 是 一項(xiàng) 純 水 生 產(chǎn) 領(lǐng) 域具有 革命 性 的技術(shù) 突 破 。 它結(jié) 合了電滲析 和 離子 交換 的優(yōu) 點(diǎn) , 具有傳統(tǒng)純 水 生產(chǎn)技 術(shù) 不 可 比 擬 的 優(yōu)越 性 , 高 效無 污 染 , 在 醫(yī) 藥、 電子圖 、 電力 、 生物技術(shù)等領(lǐng)域有 廣泛 的應(yīng) 用 。 自從 19 8 7 年美 國 M illip o r e 公司推 出第一 臺(tái)實(shí) 驗(yàn)室 用 E D I 裝 置 以 來 , E D I 技 術(shù) 已 經(jīng) 取 得 了 長 足進(jìn)步 , 除美國外 , 加拿大 、 日本等國均 有研究 報(bào)道 。 目前 , 在 國 外 , 主 要 有 美 國 M il lip o r e 、 Io n ie s 、 E le et o r p u r e 和加 拿大 E一 C e n 等公 司擁 有 成熟 的 E D I 技 術(shù)與設(shè)備 。 M i l l ip o r e 公司 主 要開 發(fā) 小 型 的 E D I 純 水裝置 , 產(chǎn) 水 電 阻 率達(dá) 巧 M n · c m 以上 , 產(chǎn)水量 從 每小 時(shí)數(shù)升 到數(shù)十 升 , 主 要供科研單位和研究機(jī)構(gòu) 的實(shí)驗(yàn)室使用 ; o I i n 。 s 和 E一 C e l l 公 司 主要 開 發(fā) 中型 和大 型的 E D I 裝置 和設(shè)備 , 產(chǎn)水量從每小 時(shí)數(shù) 噸到 數(shù)十 噸 。 在 國內(nèi) , 雖然 開 展填充床 電滲析 ( 即 E D D 的 研 究 比較早, 在處理低放射性 廢水 和純 水 制備等 方面取 得 了一定的研究成果 , 但最終沒 有 得 到 實(shí) 質(zhì) 性應(yīng)用 。 近 幾 年來 , 有 少 數(shù) 研究 機(jī)構(gòu) 重 新 開 始 了 E D I 的研究工 作 , 并 取 得 了 可 喜進(jìn)展 , 為 國內(nèi) E D I 純水行 業(yè)奠 定 了 進(jìn) 一 步研究 和 開 發(fā) 的基礎(chǔ) 。  1 E D I 原 理  E D I 是 電滲析 與離子 交換有機(jī) 結(jié)合的膜分離技 術(shù) , 其基本原 理見 圖 1 。 由交 替排列 的陰、 陽離子交換膜, 濃  淡 室隔板 以及 膜堆兩端 的正、 負(fù)電極 構(gòu)成 E D I 膜堆 , 在 淡 室 隔板 中 , 填充 按 一 定 比例 混 合 的 陰 、 陽離 子交換樹脂 。 將膜堆 接人 水處 理 系統(tǒng) , 在一 定 的直流 電壓 、 電流 及 水 流 量 等條 件 下 運(yùn) 行 。 當(dāng)原 水 流過 淡室 時(shí) , 原水 中 的離 子 與 樹脂上 的離 子 發(fā)生 交換 作用 , 在直流 電場 的作 用 下 , 樹脂上 的 陰 、 陽離 子通 過 陰 、 陽離 子交 換樹脂形成 的各 自離 子 傳遞 通 道 , 分別向兩極遷 移 , 選擇透過 陰 、 陽離子 交換膜 進(jìn) 人相鄰 的濃 室 , 從而 達(dá) 到 去 除原水 中離 子 的 目的 。 與此 同時(shí) , 由于樹脂上 離子 的遷 移 , 在樹脂表面水邊 界層 中形成較 高的 電 勢梯度 , 引 起 水 的解 離 , 生 成H十、O H一 , 除一 部分負(fù)載 電流 外 , 其它的 用于再生 樹脂。 實(shí) 際上 , E D I 膜堆 的淡室 相 當(dāng)于一 個(gè)邊 工作 ( 交 換 ) 邊 再生 的混 床離子 交換 柱 , 所 以 , E D I 膜堆 能 夠 連 續(xù)工 作 , 其 中的離子交換 樹脂 不會(huì)飽 和 , 不需停下 來人 工再生 , 不會(huì)造成環(huán) 境 污染 ,并且能夠 獲得高質(zhì) 量 的純 水 。 因此 , E D I 技術(shù) 成為當(dāng)今最 有 發(fā) 展前途 的深度脫鹽手段 。 從 上面 的分析 可 以看 出 , E D I 的去 離 子包 括 三 個(gè)過程 :

1 ) 原水 中的離子 與離 子交換 樹脂 發(fā)生 的交換過程 ;

2 ) 樹脂上 的離子在 直 流 電場的作用下發(fā) 生 的定 向遷移過 程 ;

3 ) 樹脂的 電再生過 程 。 這三個(gè) 過 程 同時(shí) 發(fā) 生 , 相 互 促進(jìn) , 實(shí)現(xiàn) 了 E D I 連續(xù)去離 子 。 為了形象地 描述 E D I 的 去離 子過 程 , 王方 提 出 了一 個(gè)反 應(yīng) 疊 加 實(shí) 用 模型 。 他將 E D I 過 程解體為各組 分反 應(yīng) , 依據(jù) 各 組分反 應(yīng) 的前 后 次 序和發(fā)生地 點(diǎn) , 確定這 些 反 應(yīng)在 某種 應(yīng)用 場合下 的 主次位置 , 給出離子交換層譜 。 根 據(jù)這個(gè)模型 , 可 以 認(rèn) 為 , 在膜堆 淡室 隔板 中 , 依 此存在 著 三個(gè) 區(qū) 域 , 分 別是飽 和區(qū) 、 工作 區(qū)和再生 區(qū) 。 在 飽和 區(qū) , 填充 的樹 脂 呈鹽型 , 處于飽和狀態(tài) , 水 中的離子僅能借助 樹脂 發(fā)生定 向遷移作用 ; 工作 區(qū) 里 的樹脂有 一 定 的再生 度 , 具有一定 的交 換 能 力 , 通 過這 部 分樹脂 , 水 中 的 離子不僅發(fā) 生定向遷移作用 , 而 且 還發(fā) 生 離子交 換 作用 ; 再生 區(qū) 的樹 脂處于再生狀態(tài) , 具有 很強(qiáng) 的交換 能力 , 水 中殘 留的微量 離 子 , 尤其是 碳酸 、 硅 酸 等弱 解離性 離子能夠與樹脂發(fā) 生交換作用 , 可 以使 E D I 產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)到很 高的純度 。 這三個(gè) 區(qū) 間的大小 隨著 膜 堆操作條件的變化 而變化 , 始終 處 于一 種動(dòng) 態(tài)平 衡之 中。 只要控制適 當(dāng)?shù)哪?堆操作參數(shù) , 使填 充樹 脂 的離子交 換一再生達(dá) 到 某 種程度 的平 衡 , E D I 過 程 就能連續(xù)不斷地 生成純水和高純 水 。

2 E D I 工藝 ED I 膜堆 的運(yùn)行狀況 取決于水處理工藝 流程 的圖 2 E D I 高純 水工藝 流程 U F 作為 前 處 理 , 有 效 截 留 原 水 中 的微 粒 、 膠體、 細(xì) 菌等雜 質(zhì) , 使原水 的污 染 指數(shù) 降至 3 以 下 , 提 高 R O 進(jìn)料水 的水 質(zhì) , 減 輕 R O 膜 的污 染 , 延 長 R O 膜 的使用 壽命 。 活性 炭用 于吸 附 自來 水 中 的余氯 及有 機(jī) 物 , 將 自來水 中的余氯 降至 0 . l m g / L 以下 , 保護(hù) RO 膜 及 E D I 膜 堆 。 軟化 用 于 除去 R O 進(jìn) 料水中 的 C a , 十 、 M g , + 等 離子 , 降低硬 度 , 防 止 R O 膜 面結(jié) 垢 , 保護(hù) RO 膜及 E D I 膜 堆 。 R O 作 為初 級(jí) 脫 鹽 , 可 有 效 去 除可 溶 性 鹽 類 及 分子量在 2 0 0 以 上 的 有 機(jī) 物 , 可 以 制 取 電 導(dǎo) 率 在 2 0拜S / c m 以 下 的 初 級(jí) 純 水 。 低 含 鹽 量 的水 作 E D I 進(jìn)水 可 以減 輕 E D I 負(fù)擔(dān) , 有利 于 E D I 淡室 中水 的解 離 , 產(chǎn)生足 夠 的 H 十 和 O H 一 , 對(duì) 填充 的樹脂 進(jìn) 行 再 生 , 使相 當(dāng)一 部分樹脂處 在交換 一再生平衡狀態(tài) 。 E D I 用 以除去 RO 水 中剩 余 的少 量 離 子 , 實(shí)現(xiàn) 深度脫 鹽 , 使產(chǎn)水達(dá) 到高純水 的程度 。

2 0 世 紀(jì) 9 0 年代 , 在工藝上 , 類 似 于倒 極 電滲析 ( E D R ) 技術(shù) , M illip o r e 〔’ 5」與 xo n iC s [` 6〕分別 研究 了倒 極 E D I ( E D IR ) 技術(shù) , 即在 濃室 隔板 中也填 充 混床樹 脂 , 結(jié)合一 種 “ 二 元 室 ” ( d u a l e o m p a r t m e n t ) 裝 置 結(jié) 構(gòu) , 頻繁倒極 , 連續(xù) 產(chǎn)水 , 目的是增 強(qiáng) 膜 堆 的導(dǎo) 電能 力 , 防止膜 堆 內(nèi)部 結(jié)垢 、 沉 積 。 文 獻(xiàn)中稱這 種倒 極裝置在 生產(chǎn)過程 中可 以 連續(xù)制 取 純 水 , 倒 極 前 的 濃室 在倒極 后變 為淡 室 , 可 立 即生 產(chǎn) 合格 的純 水而 不需 短時(shí) 間排放不 合格 水 。 但 至今 還沒有倒 極 E D I 實(shí) 用化 的報(bào) 道 。 我們在 小型 E D I 裝置上進(jìn)行 了倒極 E D I 實(shí)驗(yàn) , 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果另 文報(bào)道 。 結(jié)果 發(fā)現(xiàn) , E D I 膜堆倒極后 , 經(jīng) 過 5 0 多個(gè)小 時(shí)的連 續(xù)運(yùn)行 , 膜堆 產(chǎn)水 電阻率還無法 恢復(fù)倒 極 以前的 水平 。 我們認(rèn)為 , 其主要 原 因是 倒 極后 , 濃 、 淡室 中的樹脂狀態(tài) 變 化不是 瞬間完 成的 ,即濃室 中鹽型樹脂轉(zhuǎn)變 為 H + 型 和 O H 一 型 樹脂 , 淡 室 中 H 十 型 和 O H 一 型樹脂轉(zhuǎn)變 為鹽型樹脂 , 而 是需 要較 長時(shí) 間 , 重新 建 立 動(dòng)態(tài)平衡 所需 時(shí) 間 的 長 短 與 進(jìn) 人 E D I 膜 堆 的原水 含 鹽 量 有關(guān) 。 如 果 進(jìn) 人 E D I 膜堆的原 水含鹽量較高 , 濃 、 淡室 中的樹脂都 以鹽型 存在 , 填充 的樹脂僅起增 強(qiáng)膜堆導(dǎo) 電能力 的作用 , 則 倒極后 , 填充 樹脂 的狀態(tài)并不發(fā) 生根 本性的變化 , 重 新建立 動(dòng)態(tài) 平衡所 需 時(shí) 間就短 , 產(chǎn) 水水質(zhì)就能較 快 穩(wěn)定 ; 如果 進(jìn)人 E D I 膜 堆 的 原 水 含鹽量 較 低 , 淡室 中樹脂 以 H 十 和 O H 一 型 存在 , 濃 室 中樹脂 以 鹽 型存 在 , 填充在 淡室中的 樹脂不僅起增 強(qiáng) 膜堆 導(dǎo) 電能力 的作用 , 而且 還可 與水 中的離子 發(fā) 生交換作用 , 但倒 極后 , 濃室 變?yōu)?淡室 , 淡室 變 為濃室 , 濃 、 淡室 中填 充 的樹脂 為 了達(dá) 到 交換一再生 平 衡狀態(tài) , 就 需 要 較 長 的時(shí)間 。 因此 , 對(duì) 于處理 含鹽 量較 高的原水 , 在填 充 的樹脂處 于鹽 型狀態(tài) 時(shí) , 倒極 E D I 是 可行的 。 3 E D I 關(guān)鍵 技術(shù) E D I 的關(guān)鍵技術(shù)包括 E D I 膜 堆 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) , 特 別是淡室 隔板的設(shè)計(jì) 、 填充材料的選擇與處 理 、 膜堆 進(jìn)水條件的控制 、 操作參數(shù)的優(yōu)化等 。

3.1 淡 室隔 板 在淡室 隔板設(shè)計(jì)上 , Millipor e 公 司首 先 取 得 進(jìn)展 , 使得 EDI 技 術(shù) 真正 走 向成熟 , 迅 速 獲 得 實(shí) 際 應(yīng) 用 。 它設(shè)計(jì)的 隔板能 防止 樹脂在進(jìn) 出 口 處的堵塞 和加厚隔板可 能引起 的膜塌陷 , 促進(jìn)水流 均勻分布 , 避免溝 流等 。 Millipore 還 于 1 9 5 9 年開 發(fā) 出一 項(xiàng) 將離子交換膜 與隔板 粘為 一 體的 技術(shù) , 防止 了裝 置 的 內(nèi)漏 竄水 。

3.2 填 充材料 在 E D I 淡室 隔板 中 , 填充 的一 般是離子交換樹 脂 , 利用樹脂的導(dǎo) 電性和 離 子 交換作用 除去 原水 中 的離子 , 樹脂 的填充 密度較 高 , 而且采用一定 的處理 措施 , 還可 以進(jìn)一步提高填充 密度 。 也 有文獻(xiàn)報(bào)道 , 填充其它 可 導(dǎo) 電 的 材料 , 同樣也 能 制取純 水 、 高純 水 。 由于樹脂顆粒細(xì) 小 、 分散 , 裝 填 比較困難 , 因此 A k a h o r i 等人 2 0 [ 〕采 用 粘合 的辦 法 , 用 粘 合劑 , 如聚 1 , 2 丁二 烯 , 將樹脂顆粒粘合 起來 , 然 后擠 壓 成型 , 填充 到隔板 中。 這種方式使填充簡單易 行 , 但擠壓 成 型的樹脂空 隙率低 , 只能 達(dá)到 5 % 一 0 S % , 水 處理 效果 不太 好 。 他 們 還 應(yīng) 用 輻 射誘 導(dǎo) 嫁接 聚 合 物 技 術(shù) , 制成離子交換纖維 和離子 導(dǎo) 電隔板 , 降低膜堆 電 阻 , 提 高電流效率 , 防止膜堆內(nèi)部結(jié)垢 。

3.3 膜 堆進(jìn)水條件

E D I 膜 堆對(duì) 進(jìn)水有 嚴(yán)格 的 要求 , 它直 接關(guān)系到 膜堆使用效果與壽命 , 必 須嚴(yán) 格控制 。 目前在 國 內(nèi) , 不管是 進(jìn) 口 膜堆還 是 國產(chǎn)膜 堆 , 在使用 過 程 中往 往 出現(xiàn) 性能下 降很 快 , 主 要 原 因就是 國內(nèi)用 戶 往 往不 太重 視膜堆進(jìn)水 條件 的控制 。 國外 一些公 司生產(chǎn) 的 E D I 膜堆 的主要 進(jìn)水指 標(biāo)要 求 :

3.4 膜堆操作參數(shù) 膜堆 的操作參數(shù)包括操 作電壓 電流 、 處理 水量 、 濃淡 水 比例 、 進(jìn) 水溫度等等 。 關(guān)于這些 操作參數(shù) , 國 內(nèi)外文獻(xiàn)鮮有報(bào)道 , 多數(shù)憑經(jīng)驗(yàn) 。 我們在 文獻(xiàn) 〔1 0 〕 中對(duì) 操作電壓 電流 、 濃淡 水比例 、 進(jìn)水溫度等做 了一 定的探討 , 確定 了 自行 研 制的 E D I 膜堆長 期穩(wěn) 定 工 作的最佳運(yùn)行 參數(shù) , 主要 包括 : ( 1 ) 膜堆 中每個(gè)膜對(duì) 電壓 4 . S V ~ 1 0 . o V ; ( 2 ) 淡室水 流線 速度 1 . 2 一 1. 4 c m / S ( 3 ) 淡水 : 濃水 : 極 水 = 7 5 : 2 0 : 5 ( 4 ) 膜堆 進(jìn)水溫度 5 一 3 5℃ 4 前景 展望 目前 , E D I 以 其具備 的技術(shù) 領(lǐng) 先性 和 良好 的 市 場 前景 , 正在 吸引 國 內(nèi)外越來越多 的關(guān)注 , 而且 E D I 技 術(shù)及工 藝 日趨成熟 , 在 醫(yī)藥 、 電子 、 電力 和生 物技 術(shù) 等領(lǐng) 域 已經(jīng) 獲得 了廣 泛 的應(yīng) 用 , 顯 示 出強(qiáng) 大的生 命力 。 不 僅如此 , 國 內(nèi)外 的研 究機(jī) 構(gòu)仍 然 在 開 展 E D I 的研究開發(fā)工 作 , 主要集 中在 改進(jìn) 工藝 、 提高性 能 、 擴(kuò)展應(yīng) 用領(lǐng) 域 的研究 上 , 如 防垢膜 堆 的研制 、 倒 極 E D I 的研究 、 水 的軟 化技術(shù) 、 化 工 產(chǎn)品 的 分離提 純等 , 因此 E D I 技術(shù)必 將在 2 1 世 紀(jì) 獲得 更 廣泛 的 應(yīng)用 。 在 國內(nèi) , 擁 有 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 E D I 技術(shù)與 裝置 的研 究機(jī) 構(gòu)不 多 , 大 多 數(shù)工程 公司 均 直 接采 用 國外 E D I 產(chǎn)品 , 應(yīng) 用 到 自已 研 制 的 水處 理設(shè)備上 。 這樣 雖然 可 以較 快獲利 , 但 不 利 于 國 內(nèi) E D I 純 水行 業(yè) 的 發(fā) 展 , 還 是 應(yīng)該盡 快開 發(fā)具 有 自主知 識(shí)產(chǎn)權(quán) 的 E D I 技術(shù)與裝置 。 目前 , 我 國的 E D I 技術(shù)與 國外 的先 進(jìn) 水平 尚有差 距 , 如果加 以扶持 , 加 強(qiáng)行 業(yè) 間的相互 協(xié)作 , 提高 E D I 膜 堆 材料如離子 交換膜 的 性 能 , 完善 1 0 工藝及 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) , 是能 夠趕上 國外的先進(jìn) 水平 的 。