EDI離子凈水技術詳細介紹（圖文）

　　中天恒遠反滲透官網小編李德馨給您詳細的介紹——EDI離子凈水技術，希望對廣大用戶朋友有所幫助。

　　電去離子凈水技術電去離子凈水技術是一種將電滲析和離子交換相結合的脫鹽新工藝，其英文名稱為electrodeionization，縮寫成EDI.50年代起，美國Walters等[1]曾首先論述過電去離子過程，并用它來進行放射性廢水的濃縮處理，但以后它在水處理脫鹽領域應用的進展不大。30多年后，Millipore公司才推出以商品名為IonpureTMCDI的第一臺電去離子凈水器;同時又研制出按電去離子原理工作的ELIX組件，將它作為Milli-RXTM分析級純水器配件一起投放市場。1990年，Ionpure公司又制造出改進組件[2].近年來，加拿大E-Cell公司還推出EDI產品組件E-CellTM，并組合成比較大產水量達450m3/h的整套裝置。據報道，目前采用EDI脫鹽與采用混床相比，在上兩者售價已不相上下。使用EDI脫鹽的用戶數，歷年成指數曲線增長。電去離子凈水技術在水處理脫鹽領域內已得到工業應用和推廣。

　　我國稱電去離子凈水技術為填充床電滲析。核工業部原子能研究所、國家海洋局杭州水處理中心和742廠等一些單位，從70年代起，曾作過填充床電滲析試驗裝置及相關技術的研究，也取得一些科研成果。但遺憾的是由于種種原因，使我國填充床電滲析技術停步不前，停滯了10多年，以致商品化的填充床電滲析器至今尚未面世。

　　EDI，除能連續出水外，一不需化學藥劑(酸、堿、鹽)再生，從而不污染環境;二可無人值守，從而為實現自動化創造條件;三適應性廣，從而可用于各行各業用水處理;四運行成本低，經濟性好，易于普及推廣。國外一些專家的論證與分析[3]表明，在當今的水處理脫鹽系統中，采用反滲透(RO)與EDI組合工藝，可確保獲得比較佳的水處理工藝性能，其經濟性也不錯，為這種組合工藝的推廣，提供了良好的發展前景。

　　采用一般的電滲析脫鹽處理來制取超純水的進程中，當淡水室溶液中電解質離子的濃度極低時，電滲析過程就難以再進行下去。當電解質濃度過低時，溶液電阻升高，耗電量增加，效率下降，以至實際上無法用一般的電滲析脫鹽來制得高質量的純水。通常，采用電滲析脫鹽與離子交換聯合脫鹽來制取超純水，即將電滲析作為前處理，進行脫鹽的粗加工，用它脫去原水含鹽量的80%～90%，再用離子交換作為精加工，來脫除余下的10%～20%.這樣，既發揮電滲析器脫鹽能量消耗低、不使用酸堿、無污染、制水成本低等優點，又減輕了離子交換器的負擔。從而，離子交換器的工作周期延長，再生次數減少，再生劑的總耗量大幅度降低，節約了能源，大幅度地減少了廢酸堿的排放。這種電滲析與離子交換聯合脫鹽是屬于兩者外表的串聯結合。

　　填充床電滲析是屬另一種結合，即電滲析與離子交換兩者內在的合成一體的結合，見圖1.從圖1可見，所謂填充床電滲析器就是在電滲析器中的淡水室填裝了陰、陽混合離子交換劑(顆粒、纖維或編織物)[4，5]，將電滲析和離子交換置于一種容器中，兩者內在地聯合成一體。由于純水中離子交換劑的導電能力比一般所接觸的水要高2～3個數量級，由于交換劑顆粒不斷發生交換作用與再生作用而構成了"離子通道"，結果使淡水室體系(溶液、交換劑和膜)的電導率大大增加，從而減弱了電滲析器的極化現象，提高了電滲析器的極限電流，達到高度淡化。

　　圖1EDI工藝示意圖1陰離子交換膜;2陽離子交換膜;3陰離子交換劑;4陽離子交換劑;5濃水室;6淡水室此外，當淡水室內填裝離子交換劑時，淡水室中的液流速度比普通電滲析器中的大得多，而且交換劑起著攪拌作用，促進離子擴散，改善了水力學狀態，從而也導致淡水室體系電導率的增大，極限電流密度也相應地提高。填充床電滲析器在運行電流超過極限電流時，膜和樹脂附近的界面層發生極化，它使水離解，產生OH-和H+，這些離子，除一部分被遷移至濃水室外，大部分將使淡水室中的陰陽離子交換劑再生，保持其交換能力。同時，交換劑的水解作用會使其本身得到部分電化學再生。

　　一，填充床電滲析脫鹽處理過程中同時進行著如下三個主要過程：

　　1)在外電場作用下，水中電解質離子通過離子交換膜進行選擇性遷移的電滲析過程;

　　2)陰、陽混合離子交換劑上的OH-和H+離子對水中電解質離子的離子交換過程(從而加速去除淡水室內水中的離子);

　　3)電滲析的極化過程所產生的H+和OH-及交換劑本身的水解作用對交換劑進行的電化學再生過程。前兩個過程可提高出水水質，而比較后再生過程卻因進行再生反應而使水質變壞，然而這一再生過程是填充床電滲析器長期不間斷運行所必需的，因此，只要選擇適宜的工作條件，就能保證獲得高質量的純水，又能達到交換劑的自行再生。

　　用填充床電滲析制備超純水的運行實踐[6]也表明，此時的工藝過程有兩種狀態：在欲脫鹽水的鹽濃度高時，淡水室中的樹脂為鹽基型;而在鹽濃度低時，樹脂將電化學地轉為氫型和氫氧型。

　　這樣，電滲析與離子交換兩者有機錯綜地結合在一起，所發生的反應及過程，共同構成了整個電去離子過程。即利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析過程因發生極化而脫鹽不徹底;又利用電滲析極化而發生水電離產生H+和OH-離子實現樹脂自再生來克服樹脂失效后通常要用化學藥劑再生的缺陷。從而，使電去離子過程達到一種比較完美的境界。這種方法適合于含鹽量低的水脫鹽處理使用，它基本上能夠去除水中全部離子，所以它在制備超純水、純水、軟化水及處理放射性廢水方面有著廣闊的發展前景。EDI為何有如此廣泛的適應性呢?下面提出一個反應疊加實用分析方法，用它來形象理解該問題和解釋一些應用實例。

　　二，反應疊加實用分析方法

　　在黃奕普等[7]所作的有關電去離子的大量實驗及機理分析的基礎上，筆者采用先將電去離子過程解體為各組成反應再疊加合成的分析方法，依據各組成反應的前后次序和發生地點，確定這些反應在某種應用場合下的主次地位，并對它們作側重于離子交換方面的應用分析，該實用分析方法的要點描述如下：

　　1)將電去離子過程解體為電滲析過程和離子交換過程，它們彼此獨立，各受其所固有的規律所支配。它們兩者雖然都起從水中除去離子的作用，但是在電去離子過程中電滲析起真正清除掉離子的作用，而離子交換僅僅起去離子的中間過渡作用。

　　2)離子交換樹脂截留住離子，抑制了電滲析，使離子交換進行;樹脂解吸出離子，抑制了離子交換，使電滲析進行。以上兩點，可形象地示意為：電去離子樹脂截留離子樹脂解吸離子電滲析↓+離子交換↑電滲析↑+離子交換↓3)電滲過程中離子遷移速度由該離子在水溶液和膜中的遷移率而定。各種離子遷移率的大小決定離子從淡水室遷移至濃水室的離子濃度分布層譜。在直流電場作用下離子電滲析遷移的方向與離子受水流流動挾帶運動的方向相垂直。因此，在淡水室中陰離子和陽離子的濃度分布層譜分別偏向兩側。

　　4)在電滲析出現濃差極化時會發生水的電離，它促使樹脂解吸。發生濃差極化的位置在水溶液和樹脂顆�；蚰ぶ�間的界面上，有隨機性。在樹脂顆粒表面界面層中發生水電離所生成的H+和OH-離子，能及時將鄰近失效樹脂再生;在膜表面界面層中發生水電離所產生的一種離子(H+或OH-)只是穿過膜，入濃水室，起電載體作用，不參與再生，另一種離子(OH-或H+)作橫向遷移，參與再生。原有的離子電滲析濃度分布層譜會被這種隨機產生的水電離造成的樹脂解吸所破壞，并且會出現離子多次被樹脂解吸又吸附的現象。

　　5)離子交換反應速度極快，遠大于離子電滲析遷移速度，因此離子交換過程受擴散因素控制。同時，離子隨水流挾帶流動，水流不斷沖刷樹脂顆粒，使水中大部分離子在電滲析遷移出淡水室以前都被樹脂吸附截留住，以后再逐步解吸并電滲析遷移出淡水室而除去�？梢�，在電去離子過程中，樹脂是轉運離子的中間體。

　　6)電去離子過程中的離子交換應遵守通常的柱內離子交換層譜的分布規律[8]：在離子交換過程中，對某一種被吸附的離子，離子交換層可分為失效層、工作層和保護層;各離子層譜和先后置換的選擇性順序都根據它們與樹脂的親和力的大小而定。對強酸性陽樹脂的選擇性順序為：Fe3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+對強堿性陰樹脂的選擇性順序為：SO-4>NO-3>Cl->OH->HCO3->HSiO-3離子交換層譜是判定已處理水電去離子程度的依據。淡水室內水的流速愈大，離子的擴散速度愈小，層譜的擴展深度也就愈深。淡水室內水的流速取決于進出口壓差和流阻。7)在描述電去離子過程時應將電滲析與離子交換有機地結合一起分析。根據當時各組成反應的前后次序和發生地點，確定各反應的主次地位，有時以電滲析的一些反應為主，有時則以離子交換的一些反應為主，比較后再將它們疊加起來作綜合分析。

　　三，實用分析方法的應用討論

　　3.1低含鹽量時工況這種工況是指EDI用于制備超純水和純水時的工況。所謂超純水是指將水質中電解質幾乎完全除去，又將水中不離解的膠體物質、氣體及有機物均去除至很低程度的水。超純水中的剩余含鹽量應在0.1mg/L以下，在25℃時水的電導率應小于0.1μS/cm.所謂純水是指將水中易去除的強電解質去除，又將水中難以去除的硅酸及二氧化碳等弱電解質去除至一定程度的水。純水中剩余含鹽量應在0.1mg/L以下，在25℃時水的電導率應為0.1～1μS/cm.純水又稱去離子水，或深度脫鹽水。

　　制備超純水和純水的任何一種脫鹽處理系統，一般都配有混床用它作為比較后對水質把關的精加工設備。許多論證表明，RO與代替混床的EDI相組合，其工藝性能比較佳。由于采用EDI，不需用化學藥劑再生，可無人值守，連續出水，所以EDI比較適于用來制備超純水和純水。

　　需用超純水和純水的用戶有兩種，一種是半導體、電子、醫藥等行業和科研用，它們對水質要求很高，多半為超純水，但單臺制水設備的容量不大，大多在5m3/h以下。另一種是火力發電廠用，它們需用純水作為高壓鍋爐的補給水，由于鍋爐補給水量很大，希望單臺制水設備的容量為100m3/h左右�；鹆Πl電廠采用EDI時，EDI的進水應為一級化學脫鹽水或RO出水，其水質應達到SiO2<100μg/L，25℃時電導率<5μS/cm.EDI的出水至少應滿足一級化學脫鹽-混床系統出水標準：SiO2<20μg/L，25℃時電導率<0.2μS/cm.此時EDI的工況就屬于低含鹽量時的工況。

　　這時，EDI進水含鹽量很低，已比一般電滲析處理后的水低得多，因此，要討論EDI用于低含鹽量時的工況，比較初可忽略電滲析過程，只考慮離子交換作用。結果，在EDI投運不久，淡水室內的樹脂層就出現圖2(a)所示的離子交換層譜。這一層譜，自上而下，對陽離子，是Fe3+、Ca2+(含Mg2+)和Na+失效層，Na++H+的工作層，以及H+保護層;對陰離子，則是SO42-、Cl-和HCO3-(含HSiO3-)失效層，以及OH-保護層。

　　如果淡水室內所形成的這種離子交換層譜能穩定下來，即圖2(a)所示的這種離子交換層譜不出現明顯的變化(層譜伸長或收縮)，這就表明進入淡水室內的一股欲處理水，當它從淡水室失效層頂部流到工作層底部時，其中所含的離子都已沿著流程不斷地從淡水室遷移至濃水室了。因為，這時失效層中樹脂本身已飽和，不可能再參與離子交換，欲處理水中的離子，在通過失效樹脂層時不被吸附住，而是受直流電場的作用發生電滲析橫向遷移，待到達工作底部，全部離子已遷移出淡水室。此時要注意到，在電場的作用下，樹脂不斷地進行著離子解吸和離子吸附，無論是縱向離子交換，還是橫向電滲析遷移，都是一個動平衡過程，不斷有離子進入和離子流出，進行著離子交換。

　　圖2EDI離子交換層譜欲處理水流過工作層以后，水中電解質離子已全部除去，得到了高質量的超純水或純水。工作層下方的保護層，起保護出水水質的作用。用它保障由于某種原因偶爾有離子穿入保護層時能將它們截留住，不發生離子穿透現象。在穩定工況下，在失效層和工作層中都不應發生明顯的樹脂自再生作用。由于這些層中水溶液內離子濃度相對較高，在水溶液和顆粒表面或膜之間界面上也不容易發生濃差極化，所以不容易發生水電離，從而樹脂的自再生也不明顯。只有在保護層中，水內電解質離子極少，易發生濃差極化，才會使水電離產生H+和OH-離子，從而使得保護層中的樹脂保持H型和OH型。

　　如果從穩定工況轉入不穩定工況，如進入淡水室中電解質離子減少時，則離子交換層譜中的失效層和工作層收縮，空出來的原有工作層具備使水電離的條件，實現樹脂的自再生，使該層轉化為保護層。一旦工作層向下移至保護層消失時，會出現電解質離子穿透，水質惡化。這說明進入淡水室中電解質離子過多，已超出該EDI設備的工作能力。

　　3.2高含鹽量時工況這種工況是指EDI用于制備部分脫鹽水時的工況。這時，EDI的進水是自來水或經除懸浮物預處理的原水，其含鹽量一般在200～300mg/L左右。這種部分脫鹽水分別用于作為低壓鍋爐補給水和一般工業上用來調配涂料及清洗的用水。

　　按我國低壓鍋爐水質標準規定，蒸汽鍋爐采用鍋外化學水處理時給水標準應達到硬度≤0.03mmol/L，而對熱水鍋爐則放寬硬度到≤0.6mmol/L.標準對水含鹽量沒有限制，應由采用此含鹽量給水時核算鍋爐排污率在經濟上是否合理來定。一般工業用戶對部分脫鹽水水質的要求未作規定，根據用途不同，對水質的要求也有所差別，但對水質的一般要求與對工業鍋爐給水的要求不相上下。這類用戶采用EDI脫鹽時，EDI就處在高含鹽量時的工況。

　　與低含鹽量時工況相同，脫鹽一開始，不計離子的電滲析遷移。等淡水室工作一段時間后，樹脂層必然會出現圖2(b)所示的離子交換層譜。這一層譜，自上而下，對陽離子，是Fe3+和Ca2+(含Mg2+)失效層、Ca2++Na+的工作層以及Na+(可能含少量H+)保護層;對陰離子，則是SO42-和Cl-失效層、Cl-+HCO3-(含HSiO3-)工作層以及HCO3-(含HSiO3-可能還含少量OH-)保護層。

　　與EDI處在低含鹽量工況時一樣，高含鹽量工況時EDI樹脂層的自再生仍然靠直流電場作用下水的電離。在EDI正常運行中，自再生主要是在保護層中進行。如果EDI能間隔運行，那么停運的EDI利用更改運行參數如提高電壓[9]，可實現EDI樹脂層的徹底再生，此時靠水電離出H+和OH-離子，將樹脂全部轉變為H型和OH型，一旦EDI重新投運，則其樹脂層又很快建立起上述離子交換層譜，見圖2(b)，從而實現高含鹽量工況下水的電去離子處理。

　　如果在高含鹽量工況下使用EDI時淡水室內離子交換層能穩定地建立起來這種層譜，那么EDI的出水就是部分脫鹽的軟化水。這種EDI出水與用Na離子交換軟水不同，從陽離子來看，它直接除去欲處理水的Fe3+、Ca2+(含Mg2+)，且不再從樹脂交換出Na+來補充，而從陰離子來看，還除去部分SO42-和Cl-，從而使EDI出水的總含鹽量大幅度減少。

　　這種電去離子處理與單純的電滲析或反滲透不同，此時由于離子交換作用參與，在正常運行下不會出現出水含有硬度離子Ca2+(含Mg2+)的現象，而經單純電滲析或反滲透的水可能都含有少量鈣、鎂離子。

　　EDI處理與其它膜處理一樣，要注意滅菌和防垢。滅菌是指除去水中細菌，防止細菌在膜和樹脂上滋生繁殖，常用紫外光照射。防垢是防止膜表面結垢，常用調節pH值先經軟化處理，使EDI倒極[10]運行等方法，當EDI處在低含鹽量工況時，因其進水含Ca2+極少，不會發生膜結垢問題。

　　為了防止膜結垢，如要采用上述防垢處理，不如采用一般的倒極電滲析作初步脫鹽處理，這不但解決了EDI的膜結垢問題，同時也減輕了EDI的脫鹽負擔。

　　因此，對于含鹽量>300mg/L的高含鹽量水，如要用EDI處理，更應先用普通的電滲析除去大部分鈣和降低含鹽量為宜。

　　4結論電去離子方法是一種將電滲析和離子交換有機地結合在一起的離子分離方法。根據已有的大量實踐和理論，將電去離子過程進行時所發生化學反應分清主次、前后和地點，得出描述電去離子的反應疊加實用分析方法，用它能圓滿解釋應用EDI除去水中電解質離子制備超純水、純水、軟化水和部分去離子水等實用問題，從而有利于EDI的推廣應用。

　　在應用EDI來除去水中電解質離子時，EDI可在兩種狀態下工作：在低含鹽量時，靠水電離產生H+和OH-自行再生離子交換樹脂，樹脂H型和OH型工作，用EDI制得超純水和純水，供電子、醫藥等行業和火力發電廠使用，這種凈水器稱為電去離子純水器[4];在高含鹽量時，樹脂呈鹽基型，用EDI制得軟化水和部分去離子水，供工業鍋爐及有關工業使用，這種凈水器稱為電去離子軟水器[11].電去離子凈水技術的推廣普及，將實現不用酸堿鹽化學藥劑再生離子交換樹脂，從而完成離子交換水處理工藝過程的重大變革，將它變為一種對環境無害的工藝。

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