EDI膜堆填充材料及其填充方式詳細介紹（圖文）

　　中天恒遠反滲透官網小編李德馨給您詳細的介紹——EDI膜堆填充材料及其填充方式，希望對廣大用戶朋友有所幫助。

　　電去離子(EDI)技術有機結合了電滲析與離換技術的優點，以初級純水(如反滲透水)作為，可直接生產高純水，實現了去離子過程連續進填充的離子交換材料自動再生。EDI與電滲析的不同之處在于淡室中填充了離子交換材料，因充材料的選擇是EDI關鍵技術之一。

　　目前，EDI膜堆填充材料一般為離子交換樹脂，離子交換纖維作為填充材料的研究也有報道，同時，其它類型填充材料的研發也在繼續。針對不充材料采取不同的填充方式，這方面的研究也得進展[3-4]。

　　一，填充材料

　　在EDI膜堆中，填充材料作為離子傳導的載體，離子交換、傳導的作用，其性能直接影響EDI過進行。填充材料應具備以下性能：交換容量高;速度快;導電能力強;水流阻力小;強度高;無溶等。

　　1.1離子交換樹脂

　　選擇離子交換樹脂作為填充材料，除能滿足上件外，更主要是因為樹脂不需要作進一步加工直接使用，而且價格便宜，容易得到，所以自7年美國Millipore公司推出第一臺商業化EDI以來，顆粒狀離子交換樹脂一直被廣泛采用。

　　目前，市場上顆粒狀離子交換樹脂種類較多，分類方法不一，一般根據離子交換樹脂上所帶功能基的特性、功能基上反離子類型和樹脂形態等進行分類。

　　按照離子交換樹脂上所帶功能基特性，可將其劃分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。帶有酸性功能基的叫作陽離子交換樹脂;帶堿性功能基的叫作陰離子交換樹脂。再按功能基上酸、堿的強弱程度，粗略地劃分為強酸、弱酸或強堿、弱堿性離子交換樹脂。不同類型離子交換樹脂在性能上存在一定的差異，因而作為填充材料會使EDI過程出現不同的現象。國內外絕大多數EDI膜堆均使用強酸、強堿性離子交換樹脂。這類樹脂的離子交換能力較強，再生也相對容易。而弱酸、弱堿性樹脂雖然容易被H+和OH-所再生，但再生后樹脂的離子交換能力變弱，因而較少被采用。這主要是由弱酸、弱堿性樹脂的選擇吸附性決定的。在中性水溶液中，弱酸、弱堿性樹脂對各種離子的選擇性吸附順序為：H+>>Fe3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+;OH->>SO42->PO43->NO2->Cl->HCO3-�？梢钥闯鋈跛�、弱堿性樹脂對H+、OH-的選擇性系數明顯高于其它離子，使得再生后樹脂上的H+、OH-不易與溶液中其它離子進行交換。因而，再生后的樹脂，離子交換能力變弱，樹脂的離子交換、再生過程不能持續高效進行，比較終影響膜堆的脫鹽率。

　　按照離子交換樹脂功能基上反離子的類型可分為鹽型樹脂和再生型樹脂。所謂鹽型樹脂就是指樹脂上可交換的基團為Na+或Cl-，所謂再生型樹脂是脂上可交換的基團為H+或OH-。有試驗表明，功能基上反離子類型的不同會對EDI過程有影響，填充鹽型和再生型樹脂的膜堆，其濃水電和產水電阻率的變化趨勢有明顯的差異。按照離子交換樹脂形態可分為凝膠型和大孔前者僅在溶脹狀態下具有內部微孔，且孔徑較一般為2～4nm，故發生粒擴散時離子傳導阻力，速度較慢。大孔型樹脂則無論處于干、濕或收膨脹(在水中)狀態，都存在比一般凝膠樹脂更更大的孔道，因而表面積較大，在離子交換過程子容易遷移擴散，交換速度較快。有研究表明，樹脂雖然具有上述諸多優點，但作為EDI膜堆材料并沒有帶來好的去離子效果，與凝膠型樹充的膜堆相比，其產水水質差，膜堆電阻大。該認為出現此現象的原因是由于EDI過程中離換的控制因素為“薄膜擴散控制”;同時，大孔粒徑較大，填充密度低于凝膠型樹脂，且與凝膠脂相比其交換容量低30%。

　　在以離子交換樹脂作為填充材料的EDI膜堆除樹脂類型的不同會對EDI過程產生影響外，的粒徑分布范圍也是一個重要因素。2000年清學王方提出用均�；騿我涣�徑范圍的陰、陽交換樹脂作填充材料，改善EDI膜堆淡室內工況。其專利中所提到的均粒樹脂是通過物料噴制得的，粒徑約為0.5～0.7mm，從比較小粒徑至粒徑的變化僅35%。由于均粒樹脂具有填充密勻、水流阻力小等優點，國外膜堆普遍使用，但較貴。軍事醫學科學院選用國產普通的201×7堿性和001×7型強酸性陰、陽離子交換樹脂，經門處理，可以提高樹脂的填充密度，膜堆性能也到國外使用均粒樹脂的水平。

　　目前國內企業，如浙江千秋環保水處理有限公浙江東大水業有限公司、杭州華新凈水有限公司均使用離子交換樹脂作為膜堆的填充材料，推出品。同時，國內多數研究人員，如王方、聞瑞梅、友[10-14]等均以離子交換樹脂作為填充材料，對I的傳質機理及工藝過程等做了較細致的研究工為以樹脂作為填充材料的EDI膜堆產品的研發能提高提供了有益的借鑒。

　　本文認為，由于離子交換樹脂功能基、功能基上子類型和樹脂形態等因素的不同，使樹脂的性在一定的差異，因而作為填充材料可能會使E-DI過程表現出不同的現象，所以有必要系統地研究各種不同類型離子交換樹脂對EDI過程的具體影響，從而深入了解和揭示EDI過程，更好地指導實踐。

　　1.2離子交換纖維

　　與離子交換樹脂相比，離子交換纖維在某些方面具有更加優異的性能。離子交換纖維材料具有開放性的長鏈，在離子交換過程中不容易發生中毒，能夠長時間保持高的離子交換能力;另外，離子交換纖維多半以天然纖維素為骨架，為親水性矩陣，纖維素有一定的鍵角，并由氫鍵形成網狀交聯結構，活性交換基的距離大多數為5nm，容易發生離子交換。因此，它在理論上更適合作為EDI膜堆的填充材料。但由于技術等方面的原因，目前還沒有投入實際使用。

　　對離子交換纖維的應用可追溯到20世紀70～80年代，當時離子交換纖維被編織成網，作為導電材料填充到電滲析的淡室中，目的是為了提高電滲析操作電流。Kedem將此離子交換纖維導電網填充到電滲析濃室和淡室中，除為了提高電滲析操作電流外，更主要是想解決濃室中的結垢問題，但效果不明顯，所以后來未被采用。

　　到20世紀90年代末，法國的Emmanuel等人使用經專門加工的離子交換纖維作為填充材料，進行了純水制備實驗。在進水電導率為10～15μS/cm時，產水電導率為0.4μS/cm。這可能是由于研究者在裝置設計上采用和樹脂作為填充材料時同樣的結構，導致離子交換纖維填充密度較低，離子交換纖維比表面積大、交換速度快的特性未能得到充分發揮，因而沒有形成高效的去離子過程。1996年，王方對過去我國核工業部原子能研究所研制的

　　1103型純水裝置的鑒定資料進行了探討，提出將離子交換纖維線編織成一定形狀(網狀)作為EDI膜堆的填充材料。其纖維線的直徑為0.5 mm，編織時根據陰、陽兩種纖維交換容量相等的原則來確定它們的比例。填充時，用粘合劑或有機溶劑將其連接在淡水隔板上，但至今未見有試驗和應用報道。日本也有報道稱，利用輻射接枝制得離子交換纖維(固定基為氨基酸)，將其編織成布作為EDI膜堆填充材料，其交換容量為2.6mmol/g。以NaCl加入蒸餾水配得的10μS/cm水為原水，進水流量2L/h，電壓50V，產水可達到13.9MΩ·cm。

　　近年來，韓國Song Jung-Hoon利用紫外嫁接聚合方法制得了離子交換纖維，將其作為EDI膜堆的填充材料去除水中鈷離子，實驗結果表明去除率劉國昌等，EDI膜堆填充材料及其填充方式的研究進展798%以上;法國Myriam和Chehida將此類膜堆于磷酸溶液中礦物元素的提取，如鎂、鉻、鋅、鎘等元素。經過5h的循環處理，淡室出水中除鐵種金屬元素均有30%的去除率，即各金屬元素30%被提取。

　　從上述文獻可以看出，近年來以離子交換纖維作EDI膜堆填充材料的研究主要集中在去除或提取重金屬離子方面。這主要是因為離子交換纖維的性長鏈，使得分子量和半徑較大的離子也能得到傳導效果，而使用離子交換樹脂則會發生中毒。想將其作為高純水制備的EDI膜堆填充材料還一定的困難。難點之一就是需要設計合適的填充，以期提高纖維填充密度，比較大限度發揮其優良，使EDI過程能夠持續高效穩定進行。

　　1.3成型離子交換材料

　　雖然目前市場上絕大多數EDI膜堆以離子交脂作為填充材料，但人們研發新型填充材料的從未停止。

　　格來格水處理公司通過選用合適的聚合物粘，利用模板擠壓成型，將陰、陽離子交換樹脂制成形狀的多孔可滲透離子交換材料。其試驗中描當淡室進水流量180 L/h，電導率3μS/cm，施加1流時，可穩定地生產11.2MΩ·cm的純水。與此似的交換材料是一種樹脂薄片(Resin Wafer)其制作是通過選用合適的聚合物，如聚乙烯、聚、聚偏氟乙烯等，與樹脂共混，經特定的工藝將陽離子交換樹脂制成一定厚度的薄片，樹脂含量制在20%～70%。同時，通過加入蔗糖控制薄片隙率，加入碳黑控制導電性。薄片的厚度可通過控制在1mm到12mm之間，制得的離子交換材度為0.7～1.4g/cm3。試驗研究表明，利用此材料的膜堆，當淡室進水濃度為150 mg/L(溶質為l)，流量為6L/h時，脫鹽率可達到70%。不難看出以上兩種填充材料的主體仍然是離子樹脂，只是通過加工，使制得的材料更方便填充。

　　二，填充方式

　　無論是離子交換樹脂、纖維還是其它成型離子材料，都有應用到EDI膜堆的研究報道。但相言，樹脂作為填充材料的EDI膜堆，生產工藝成熟，目前商業應用較多，樹脂的填充方式也是與應用的重要方向之一。因而，本文以樹脂為對離子交換材料的填充方式進行介紹。歸結起來，樹脂的填充方式主要有混合填充、分層填充和分置式填充。US Filter公司研究人員認為厚隔板(淡室隔板厚度8～9 mm)膜堆適宜采用分層填充和分置式填充方式，本文認為厚隔板膜堆采用混合填充方式的可行性還有待進一步研究。

　　2.1混合填充

　　混合填充是指將陰、陽離子交換樹脂按一定比例均勻混合后填充到EDI膜堆淡室中。這種填充方式使用比較早、比較多，同時也是眾多研究人員比較熟悉的一種。

　　在混合填充EDI膜堆中，水的解離主要發生在異性的樹脂與異性的樹脂與膜接觸點周圍的水界面層中。由于混合填充方式使得這種接觸點均勻遍布整個淡室區間，因而使得水解離發生在整個淡室中，樹脂再生迅速。但有研究[27-28]認為，隨淡室隔板厚度的增加，混合填充的膜堆脫鹽率有下降的趨勢。這是因為隨淡室隔板厚度的增加，一顆樹脂周圍存在異性樹脂的幾率變大，離子“高速公路”式的傳導路徑更加難以形成，所以導致脫鹽率的下降。

　　2.2分層填充

　　分層填充，即根據需要，在某一層填充區域中只填充某一類型或型號的樹脂。Joseph等人認為，分層填充的優勢在于：由于每層只填充同類型樹脂，提高了離子傳導效率，可較大程度地提高電流密度及電流效率，有效解決了厚隔板所帶來的脫鹽效率低、電阻大、操作電壓高等問題。但同時，為了保證工作性能，分層填充膜堆在運行時，必須使各層不同類型或型號樹脂之間相互分離，層與層交界處的樹脂不能在水流的沖擊下相互混合，因而增加了填充的技術難度。在分層填充膜堆中，水的解離主要發生在3個區域：異性樹脂層接觸面，陽離子交換樹脂層與陰膜接觸面，陰離子交換樹脂層與陽膜接觸面。該文認為，這是由于在電場的作用下，離子發生定向遷移，上述3個區域首先發生水的解離。水解離產生的H+和OH-將起到再生樹脂、輔助傳遞電流的作用，與混合填充相比，H+和OH-在傳遞過程中結合的機率大大降低，提高了電流效率。本文認為，由于理論上分層填充膜堆發生水解離點分布比較集中，所以離子交換樹脂層厚度與淡室隔板厚度之間應該存在一個比較佳比值。如果離子交換樹脂層厚度值太大，可能會給樹脂的再生帶來一定的困難。

　　2.3分置式填充

　　在分置式填充膜堆中，陽極板和陽膜之間填充水處理技術第33卷第11期子交換樹脂，構成陽淡水室，簡稱陽室;在陰極陰膜之間填充陰離子交換樹脂，構成陰淡水室，陰室;陽膜與陰膜之間構成濃水室，如圖1所工作時，進水分成兩路按比例分別進入淡室和濃淡室進水首先通過陽室，陽室出水再進入陰室，從陰室流出，濃室進水通過濃室后直接排掉。分置式填充膜堆運行時，樹脂再生所需要的H+OH-來自于陰、陽電極板上水的電化學反應，這與種填充方式不同。原水進入陽室后，水中陽離子脂進行作用，沿陽離子交換樹脂遷至陽膜，透過進入濃室。同時，在陽極板上發生水的電化學反提供大量H+用于陽室內樹脂再生。陽室出水進入，此時水中陽離子基本只剩下H+，陰離子通過傳用開始向濃室遷移，同理，在陰極板上水的電化應會提供大量OH-，對陰室內樹脂進行再生，比較現了水的脫鹽和樹脂的再生，電極反應如下：

　　陰極：2H2O+2e→H2↑+2OH-

　　陽極：2Cl--2e→C12↑

　　H2O-2e→0.5O2↑+2H+

　　但是，分置式填充也存在一定的不足。在陽室由于電場的作用，陰離子移至陽極板上發生電化應，產生氣體，如Cl2，水的電化學反應產生一定O2;在陰室中，水的電化學反應產生一定量的因而，分置式填充膜堆需要在出水口配置脫氣裝同時，由于產生Cl2，對離子交換樹脂和膜產生氧用，會降低其使用壽命。分置式膜堆還存在一定的局限性，其產水量較面對的還只是實驗室等需水量較小的使用對象。增加單個膜堆的產水量，需要多個膜對單元并由于每個膜對單元都需要一套陰、陽極板，會極增加成本。目前此類膜堆還未能商業化。

　　三，前景展望

　　EDI技術經過近20年的產業化已經在多個領域得到了廣泛推廣應用，顯示出廣闊的發展前景。同時也應當看到，膜堆填充材料的選擇以及合理的填充方式是這項技術的關鍵，國內研究人員能夠利用國產材料研制出具有自主知識產權的膜堆，有力地促進了我國EDI技術的自主開發。目前，EDI過程有些實驗現象還不能得到合理的解釋，因而有必要對不同填充材料的EDI過程做進一步理論研究。同時，新型填充材料的研發也是一個重點，需盡快研發出性能優異、使用方便的材料，避免煩瑣的手工填充。比較后還需根據不同填充材料的性能，設計更加合理的填充方式，充分發揮填充材料的特性，比較終將EDI膜堆生產過程標準化，實現真正意義上的規�；�工業生產。

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