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去离子水处理是一种将电渗析和离子交换相结合的脱盐新工艺,其英文名称为electrodeionization,缩写成EDI.
我国称电去离子净水技术为填充床电渗析.核工业部原子能研究所、国家海洋局杭州水处理中心和742厂等一些单位,从70年代起,曾作过填充床电渗析试验装置及相关技术的研究,也取得一些科研成果.但遗憾的是由于种种原因,使我国填充床电渗析技术停步不前,停滞了10多年,以致商品化的填充床电渗析器至今尚未面世.
EDI设备,除能连续出水外,一不需化学药剂(酸、碱、盐)再生,从而不污染环境;二可无人值守,从而为实现自动化创造条件;三适应性广,从而可用于各行各业用水处理;四运行成本低,经济性好,易于普及推广.国外一些专家的论证与分析[3]表明,在当今的水处理脱盐系统中,采用反渗透(RO)与EDI组合工艺,可确保获得最佳的水处理工艺性能,其经济性也不错,为这种组合工艺的推广,提供了良好的发展前景.
超纯水设备实用分析方法的要点描述如下:
1)将电去离子过程解体为电渗析过程和离子交换过程,它们彼此独立,各受其所固有的规律所支配.它们两者虽然都起从水中除去离子的作用,但是在电去离子过程中电渗析起真正清除掉离子的作用,而离子交换仅仅起去离子的中间过渡作用.
2)离子交换树脂截留住离子,抑制了电渗析,使离子交换进行;树脂解吸出离子,抑制了离子交换,使电渗析进行.以上两点,可形象地示意为:
电去离子树脂 截留离子树脂解吸离子电渗析↓+离子交换↑电渗析↑+离子交换↓
3)电渗过程中离子迁移速度由该离子在水溶液和膜中的迁移率而定.各种离子迁移率的大小决定离子从淡水室迁移至浓水室的离子浓度分布层谱.在直流电场作用下离子电渗析迁移的方向与离子受水流流动挟带运动的方向相垂直.因此,在淡水室中阴离子和阳离子的浓度分布层谱分别偏向两侧.
4)在电渗析出现浓差极化时会发生水的电离,它促使树脂解吸.发生浓差极化的位置在水溶液和树脂颗粒或膜之间的界面上,有随机性.在树脂颗粒表面界面层中发生水电离所生成的H+和OH-离子,能及时将邻近失效树脂再生;在膜表面界面层中发生水电离所产生的一种离子(H+或OH-)只是穿过膜,入浓水室,起电载体作用,不参与再生,另一种离子(OH-或H+)作横向迁移,参与再生.原有的离子电渗析浓度分布层谱会被这种随机产生的水电离造成的树脂解吸所破坏,并且会出现离子多次被树脂解吸又吸附的现象.
5)离子交换反应速度极快,远大于离子电渗析迁移速度,因此离子交换过程受扩散因素控制.同时,离子随水流挟带流动,水流不断冲刷树脂颗粒,使水中大部分离子在电渗析迁移出淡水室以前都被树脂吸附截留住,以后再逐步解吸并电渗析迁移出淡水室而除去.可见,在电去离子过程中,树脂是转运离子的中间体.
6)电去离子过程中的离子交换应遵守通常的柱内离子交换层谱的分布规律[8]:在离子交换过程中,对某一种被吸附的离子,离子交换层可分为失效层、工作层和保护层;各离子层谱和先后置换的选择性顺序都根据它们与树脂的亲和力的大小而定.
对强酸性阳树脂的选择性顺序为:Fe3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+
对强碱性阴树脂的选择性顺序为:SO-4>NO-3>Cl->OH->HCO3->HSiO-3
离子交换层谱是判定已处理水电去离子程度的依据.淡水室内水的流速愈大,离子的扩散速度愈小,层谱的扩展深度也就愈深.淡水室内水的流速取决于进出口压差和流阻.7)在描述电去离子过程时应将电渗析与离子交换有机地结合一起分析.根据当时各组成反应的前后次序和发生地点,确定各反应的主次地位,有时以电渗析的一些反应为主,有时则以离子交换的一些反应为主,最后再将它们叠加起来作综合分析.
当淡水室内填装离子交换剂时,淡水室中的液流速度比普通电渗析器中的大得多,而且交换剂起着搅拌作用,促进离子扩散,改善了水力学状态,从而也导致淡水室体系电导率的增大,极限电流密度也相应地提高.填充床电渗析器在运行电流超过极限电流时,膜和树脂附近的界面层发生极化,它使水离解,产生OH-和H+,这些离子,除一部分被迁移至浓水室外,大部分将使淡水室中的阴阳离子交换剂再生,保持其交换能力.同时,交换剂的水解作用会使其本身得到部分电化学再生.
填充床电渗析脱盐处理过程中同时进行着如下三个主要过程:1)在外电场作用下,水中电解质离子通过离子交换膜进行选择性迁移的电渗析过程;2)阴、阳混合离子交换剂上的OH-和H+离子对水中电解质离子的离子交换过程(从而加速去除淡水室内水中的离子);3)电渗析的极化过程所产生的H+和OH-及交换剂本身的水解作用对交换剂进行的电化学再生过程.前两个过程可提高出水水质,而最后再生过程却因进行再生反应而使水质变坏,然而这一再生过程是填充床电渗析器长期不间断运行所必需的,因此,只要选择适宜的工作条件,就能保证获得高质量的纯水,又能达到交换剂的自行再生.