EDI连续脱盐机理的研究

李志军，夏中明，周柏青，徐厚道
(武汉大学水质工程系，湖北　　 武汉　　 430072)

　　摘要：介绍了EDI技术的基本特点，通过描述原水中含盐量和流速对膜堆的电流的影响，对EDI连续脱盐的机理加以解释。实验表明，原水含盐量较低时，在膜和树脂表面易于发生水解离，使淡水室中的树脂得到更好的再生；流速的大小变化对膜堆电流的影响不大，因此在低流速能够得到更好的水质。同时对淡水室树脂层态进行了分析，详细描述EDI脱盐工艺中的离子迁移行为。
　　关键词：EDI；离子交换；树脂；脱盐
　　中图分类号：TU991.26　　 文献标识码：A　　 文章编号：1009—2455(2004)04—0015

AStudy of Mechanism of Continuous Demineralization Using EDI Technology

LIZhi-jun，XIAZhong-ming，ZHOU Bai-qing，XU Hou-dao
(Departmentof Water Quality Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072，China)

　　Abstract：An introduction is made to theessential characteristics of EDItechnology. The mechanism of continuous demineralization using EDI technologyis explained through describing the effects of the salinity and flow rate ofraw water on the applied electric current．Experiment showed：when the salinity of raw water was lower，water dissociation easily tookplace on the surfaces of the film and the resin，which resulted in a better regeneration of the resin in the freshwater compartment；changes offlow rate did not have much influence on the applied electric current，so that better quality of water canbe obtained at low flow rates．Meanwhile，the form of the resin layer in the fresh water compartment isanalyzed，with adetailed description made of the ion migration behavior in the EDIdemineralization process．
　　Key words：EDI；ion exchange；resin，demineralization

　　EDI是一种将电渗析与离子交换有机结合的膜分离技术，它综合了电渗析连续脱盐和离子交换树脂深度净化的优点，同时克服了这两种分离技术原有的缺点。EDI装置的构造类似电渗析器，所不同的是在淡水室中充填有阴、阳离子交换树脂。人们在过去的研究中较少考虑扩散层对运行参数的影响，本文将重点考察原水含盐量和流速对膜堆的电流的影响，并通过扩散的原理对此加以解释；同时对淡水室树脂层态进行分析。

1 试验装置

　　EDI装置为自制，立式结构，规格为200mm×400mm，阴、阳离子交换膜为均相膜，淡水室填充凝胶性阴、阳离子交换树脂(体积比2：1)，阴、阳电极均采用钛涂钉电极，由0—200V可控硅整流器提供直流电源。
　　试验用的EDI的进水用一级除盐水加Na₂SO₄和CaCl₂配制。

2 试验结果和讨论

2.1 原水合盐量对膜堆电流的影响
　　进水含盐量对操作电流的影响如图1所示，一定的电压范围内，当进水的电导率为60 μS／cm时，膜堆的电流与电压成线性关系；当进水的电导率为20μS／cm时，电流与电压关系曲线大致以电流等于60mA为界，电流较低时为直线关系，较高时则斜率增加。

　　　　　　

　　淡水室内的离子迁移可看成为两个并行过程：一是阴、阳离子在水中分别向阳极和阴极方向迁移，二是离子进入树脂孔道中发生离子交换后，即在树脂颗粒中迁移^[1]。如图2所示，设淡水室中水和树脂的电阻分别为R_W和R_r，R₁为溶液相的电阻，R₂与R₃为阴阳表面扩散层电阻，即

　　R_W=R₁+R₂＋R₃　　（1）

　　淡水室的总电阻R_总由欧姆定律得：

　　R_总=（R_rR_W）/(R_r+R_W)　　　　 (2)

　　在淡水室中，由于EDI进水的电导率较低，树脂导电能力比原水要高2-3个数量级^[2]，所以原水中的离子主要通过在树脂层中的迁移进入浓水室。我们从图1中也可以看到，上述理论得到了很好的解释，在电流小于60mA时，同一电压下，原水电导率为60μS／cm的电流比20μS／cm的电流要高，但并不与电导率之比成正比，这是因为虽然溶液相的电阻不同，但淡水室的电阻主要由树脂层的串阻单定，因此相应的电流相差不大。
　　原水含盐量的不同是导致膜堆电流与电压曲线不同的主要原因。当膜堆电流超过极限电流时，由于扩散层迁移到交换膜和树脂层中的离子数量大于主体溶液迁移到扩散层中的离子数量，造成扩散层离子浓度下降，扩散层电阻上升，该处的电势梯度也相应增加，水分子在高电势的作用下，大量地分解为H⁺和OH^-，在电场的作用下定向移动，承担传递电流的责任。当原水电导率较低时，扩散层中浓度梯度小，离子在扩散层中的传递速度较慢，只需很小的电流，就可使膜和树脂界面离子浓度迅速减少，使得在膜和树脂界面上发生解离，由于氢离子和氢氧根离子在树脂中的迁移速度比其它离子在甲脂中的迁移速度快，使得电流上升，进一步加速了扩散层的极化现象，从而产生更多的H⁺和OH^-，淡水室中的树脂因此得到更好的再生，通常EDI设备原水含盐量不应大于40μS／cm^[3]。
2.2 原水流速对膜堆电流的影响
　　原水流速对膜堆电流的影响如图3所示．不同原水流速下电流电压曲线差异很小，说明原水流速对膜堆电流的影响很小。

　　原水流速对EDI的电流影响很小，这是因为在淡水室中，溶液相与树脂相是并联关系，由于离子交换树脂的导电能力远高于原水的导电能力，离子传输主要通过树脂相进行，在一定的淡水流量范围内淡室中的溶液相离子浓度的变化对总电阻的影响也很小，则膜堆电流不发生明显变化。
　　流速较低时，溶液中的液流属于层流。在淡水室里，由于膜和树脂表面附近液体的流动受到膜的心房以霹近表面的液流速度减小。在膜与流遭几乎为零，扩散层的厚度很薄，一般只有1×10^-3～1×10^-2cm^[4]。水的解离主要在扩散。根据能斯特方程，当溶液相的离子浓度相同时，扩散层表面的厚度对其传质起着决定性作用。由于原水流速对扩散层厚度的影响较小，使得不同流速下膜和树脂表面扩散层的厚度一致，所以在不同的原水流速下电流-电压曲线差异很小。在膜堆电流一致时，不同流速韵原水在同一时间通过扩散层的离子数量相同，由于流速较低时，进入淡水室中的离子含量较低，所以低流速能够得到更好的水质，但相应地效率较低，运行时应根据情况来确定，该装置流速应控制在10-20L／h较为理想。
2.3 树脂层态的分析
　　为了更好地说明EDI的工作原理；试验时淡水室的树脂层按水流方向(水流方向见图4)分为4段，并按垂直水流的方向将树脂分为2段。对运行一段时间后的阳离子树脂层态进行分析，试验结果如图5、图6所示。

　　在垂直于水流方向上，阳离子在树脂层中向着负极作定向移动，导致靠近负极区域的失效树脂越来越多，同时，阳膜界面极化产生的H⁺离子在直流电场的作用下向负极移动，在移动的过程中对失效树脂进行再生，将正极附近的失效树脂中的阳离子置换下来，因此在阳离子的树脂层态图中，靠近负极区域上的失效树脂比靠近正极区域的失效树脂的质量分数高。而阴离子的树脂层态图则相反，靠近正极区域的失效树脂比靠近负极区域的失效树脂的的质量分数高。混床的垂直水流方向的树脂的层态分布与EDI有较大的差异，其失效树脂的的质量分数基本一致。
　　在顺水流方向上，失效树脂的的质量分数逐渐减少，和混床运行时的树脂层态完全相同。不同点在于，混床随着运行时间的变化，树脂床层逐渐向下移动，保护层越来越薄，最后导致丧失交换能力，必须通过再生使其恢复工作状态。而EDI在运行过程中，其树脂层态保持相对稳定，不会随运行时间发生变化。
　　EDI的树脂层态按水流方向分为三个部分，即迁移层、稳定层、保护层。迁移层位于淡水室人口处，溶液中离子含量较高，树脂中离子发生迁移留下的空位能够得到溶液主体中离子的补充，在迁移层中，离子的迁移方式与电渗析类似，不同的是在EDI中离子主要通过树脂层发生迁移，而电渗析中离子通过溶液发生迁移，由于树脂的导电性能使得其极限电流较电渗析高，因此离子的迁移速度也相应增加。在稳定层中，随着离子的迁移，溶液相中的离子逐渐减少，在直流电场的作用下，溶液中的离子难以承担传递电流的责任，这时在膜和树脂与溶液界面发生水解离的现象，使部分水分子裂解为氢离子和氢氧根离子，来完成电流的传递。氢离子和氢氧根离子在迁移的过程中使得阴阳离子树脂得到再生，这样稳定层中的树脂处于不断交换、不断再生的稳定状态。在淡水室出口，这时溶液中几乎没有其它离子，通过淡水室的电流主要由裂解的氢离子和氢氧根离子来传递，这些氢离子和氢氧根离子使该区域的树脂得到高度再生，我们称之为保护层，保护层中的树脂主要以氢型和氢氧根型的形式存在。因此其交换能力更强，从其它层态泄漏的离子难以穿透，使出水水质得到了很好的保证。

3 结论

　　①当原水含盐五不同时，电流—电压曲线有着明显的区别。原水含盐量小时，膜堆容易发生水解离，因此EDI进水的含盐量不应太高。在实际应用中，EDI通常与RO联合使用，保证原水含盐量应维持在较小的范围内。
　　②原水流速对膜堆电流的影响很小，当膜堆电流相同时，由淡水室进入浓水室的离子也相同；由于流速低时，进入淡水室中溶液的电解质离子较少，因此膜堆出水水质相应较好。
　　③垂直水流方向上，由于离子迁移和电再生的影响，导致负极附近阳型失效树脂较多，而正极附近阴型失效树脂较多。顺着水流方向上，EDI和混床树脂层态相同，但层态在运行中保持相对稳定，使出水水质有着良好的保证。

参考文献：

[1] 国营七四二厂，四机部第十设计院，第十一设计院．高纯电渗析试验概况，电渗析资料选编[M]．北京：中国建筑工业出版社，1972。
[2] 闻瑞梅，范伟，、邓守权，等．杂质离子在EDI中的传质模型[J]. 净水技术，2003，22（1）：1-4.
[3] 王方. 反渗透-电去离子脱盐系统[J]. 工业水处理， 2002，22（10）：12-15
[4] 李荻.电化学原理 [M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999．　　

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作者简介：李志军(1974—)，男，湖南津市人，武汉大学水质工程系2002级硕士研究生，[email protected]。