连续电再生离子交换原理探讨

张克峰
（山东建筑工程学院，山东 济南250014）

　　摘　要：连续电再生离子交换系统（EDI）将电渗析技术和离子交换技术结合起来，无需酸、碱再生。其工作原理是系统中阴、阳离子交换树脂对水中离子的吸附交换、在电场作用下离子的定向迁移以及离子交换树脂的平衡再生。
　　关键词：给水处理；脱盐水；电渗析；离子交换
　　中图分类号：TU991.26
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2002）02－0009－02

　Study on the Mechanism of Electrodeionization in Demineralization
ZHANG Ke-feng
(Shandong College of Architectural Engineering, Jinan 250014,China)

　　Abstract:EDI(Electrodeionization)system combines electrodialysis with ion exchange technology. The system adsorbs and exchanges ions in water woth anion and cation ion exchange resin. Under the electric field force oriented migration of ions and balanced regeneration of ion exchange resin do without the regeneration with acid and base.
　　Keywords:feedwater treatment; demineralized water; electrodialysis; ion exchange

1 EDI技术

　　EDI（连续电再生离子交换系统）将电渗析技术和离子交换技术巧妙结合，取长补短，构成一种独特的水的除盐技术。EDI结构如图1所示。它以电渗析装置为基本结构，在阴膜和阳膜之间装填强酸阳离子交换树脂和强碱阴离子交换树脂，使阳膜和阴膜间形成混床。该技术提高了除盐速度，无需酸碱而自动平衡再生，是水处理技术的一项重大变革。

2 EDI除盐原理

　　EDI是电渗析和混床的结合，故先分析电渗析及混床的除盐原理，进而分析EDI除盐原理。
2.1 电渗析除盐原理
　　电渗析是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性（即阳膜只允许阳离子透过，阴膜只允许阴离子透过），使水中阴、阳离子作定向迁移，从而达到离子从水中分离的一种物理化学过程。
2.2 混床除盐原理
　　将阴、阳离子交换树脂按一定比例均匀混合组成交换器的树脂层，即成为混合床，简称混床。由阴、阳离子交换树脂紧密接触，混床可以看作是无数微型复床除盐系统串联而成。以强酸、强碱树脂组成的混床反应过程如下^[1]：

　　

2.3 EDI除盐原理
　　EDI工作过程如图1所示，在电场、离子交换树脂、离子交换膜的共同作用下，完成除盐过程。
2.3.1 离子交换
　　含盐水进入EDI后，首先与离子交换树脂进行离子交换，改变了流道内水溶液中离子的浓度分布。由于离子交换树脂对水中某种离子的优先交换或优先吸附性能，即离子的交换选择性，在淡水室流道内离子的分离存在着一定顺序。表1和表2为凝胶型树脂的选择系数值^[2]。

表1 强酸阳离子交换树脂选择系统的近似值 K_H^Na 1.5-2.0 K_Li^Na 2.0 K_H^K K_H^NH4 2.5-3.0 K_Na^Ca 3-6 K_Na^K 1.7 K_Na^Mg 1.0-1.5

表2 强碱阻离子交换树脂选择系浸透的近似值 K_Cl^NO3 3.5-4.5 K_Cl^SO4 0.11-0.15 K_Cl^Br 3 K_CO3^HSO4 2-3.5 K_Cl^F 0.1 K_NO3^SO4 0.04 K_Cl^HCO3 0.3-0.8 K_OH^Cl Ⅰ型10-20 K_Cl^CN 1.1 　 Ⅱ型1.5

　　由表1、表2可以看出，在EDI淡水室流道内，离子交换树脂将根据选择系数及离子浓度对水中离子成分按一定顺序进行交换吸附。
2.3.2 离子迁移
　　在EDI中，离子交换只是手段，不是目的。在直流电场作用下，使阴、阳离子分别作定向迁移，分别透过阴膜和阳膜，使淡水室离子得到分离。在流道内，电流的传导不再单靠阴、阳离子在溶液中的运动，也包括了离子的交换和离子通过离子交换树脂的运动，因而提高了离子在流道内的迁移速度，加快了离子的分离。
2.3.3 离子交换树脂的再生
　　在淡水室流道内，阴、阳离子交换树脂因可交换离子不同，有多种存在形态，如R₂Ca、R₂Mg、RNa、RH、R₂SO₄、RCl、RHCO₃、ROH等。离子交换树脂的再生是在电场作用下离子迁移及进水中离子共同完成的。如，对于R₂Ca阳离子交换树脂的再生，存在以下各式的逆反应。

　　

　　对于R₂SO₄阴离子交换树脂的再生，存在以下各式的逆反应。

　　

　　对于其它不同可交换离子的阴、阳离子交换树脂也存在类似的再生过程。
2.3.4 除盐与再生的平衡
　　EDI中，离子交换、离子迁移和离子交换树脂的再生是同时进行的。当进水离子浓度一定时，在一定电场作用下，离子交换、离子迁移和离子交换树脂的再生达到动态平衡，使离子得到分离。如图2所示。

3 EDI的应用

3.1 纯水制取L艺的发展
　　纯水的制备，过去的几十年中以离子交换法为主。随着膜技术的发展及工业化应用，膜法配合离子交换法制取纯水成为现代水处理的主流。EDI技术的成功及其工业化应用，则是纯水制备的一项变革。
　　以下为纯水制取工艺的发展变革。
　　过去水处理工艺：原水预处理→复床→混床→纯水（需大量酸碱再生，严重污染环境）。现代水处理工艺：原水预处理→RO或ED→混床→纯水（需酸碱再生，污染环境）。
　　革新水处理工艺：原水预处理→RO→EDI→纯水（连续电除盐，无需化学药品再生）。
3.2 EDI技术的适用场合
　　EDI作为电渗析和离子交换结合而产生的技术，主要用于以下场合：
　　①在膜脱盐之后替代离子交换单元制取纯水；
　　②在离子交换系统中替代混床；
　　③在原水含盐量低的场合，与其它手段结合可作预脱盐；
　　④用作半导体等冲洗水的回收处理。
　　EDI技术与混床、ED、RO相比，可连续生产，产水品质好，制水成本低，无废水、化学污染物排放，有利于节水和环保，是一项对环境无害的水处理工艺。
3.3 EDI应用实例
　　某印染集团锅炉补充用水。

参考文献：

　　[1] 严熙世，范瑾初.给水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.427—429.
　　[2] 许保玖.给水处理理论[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.498—505.

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　　作者简介：张克峰（1964－），男，山东鱼台人，副教授，在读博士，主要从事水处理和建筑给水排水方面的研究，电话（0531）6417371。