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摘要：电去离子克服了电渗析的极化现象，避免了传统混床操作繁琐、酸碱再生污染等弊端，是可实现高度自动控制化的水处理新技术。详细阐述EDI过程的机理及装置的不同类型，回顾了EDI技术发展历程，并对EDI技术的进一步研究与发展进行了展望，电去离子和离子交换吸附相结合的新水处理方法将有广阔应用前景。
关键词：电去离子，水处理，离子交换剂
一、EDI过程机理及其水解离原理
1、EDI过程机理
EDI去离子过程是在电场力的作用下，借助于离子交换剂吸附再生过程对离子的传导作用、离子交换膜的选择透过性，使离子从淡水进水转移到浓水中的过程。
淡水室的入口处于不再生的状态。直流电流通过阴阳电极加在EDI装置所有的室上，阳极吸引离子交换剂的阳离子，阴极吸引离子交换剂的阴离子，离子被电势驱动通过离子交换膜进入浓水室。同时在淡水的出口处没有足够的离子维持电流，这儿所加直流电压产生水解作用，把水分解成氢离子和氢氧根离子，这些离子连续再生离子交换剂从而连续地去除水中不纯物质，从离子交换剂中置换出的盐被其他的离子交换颗粒吸收，而这些离子连续地迁移向浓水室。这些连续地水解过程再生离子交换剂，使得EDI不需停止化学再生便可产出高质量的水。一旦离子进入浓水室,它们便不能再回到淡水室。
2、EDI过程中水解离原理
引起水解离的本质原因在于膜和树脂界面上的浓差极化而导致的高电势梯度。水解离既在膜与淡室的界面层中发生[1]，同时也在树脂表面与淡室溶液相的界面层中发生。
国内的研究者[2]通过实验研究及理论分析证明当给EDI膜堆施加一定电压时，淡室中就会发生水的解离，膜堆内部水中的离子一旦发生定向迁移，就会促使水发生解离，其本质原因就是树脂表面水界面层中存在着高电势梯度。膜堆加电的起始阶段就发生了离子迁移，离子交换和树脂的电再生，树脂电再生作用要强于离子交换作用，但随着运行时间延长，树脂电再生处于动态平衡之中，膜堆达到稳定状态。
除了树脂表面水界面层中发生水的解离外，膜表面水解面层中也发生了水解离，由于膜内电流密度增大程度比淡室中的电流密度增大程度要快，形成的附加电势增大到一定程度后，导致膜表面界面层中发生水的解离。
二、装置不同类型
1、板框式EDI模块
板框式EDI模块简称板式模块，它的内部部件为板框式结构（与板式电渗析器的结构类似），主要由阳、阴电极板、极框、离子交换膜、淡水隔板、浓水隔板及端压板等部件按一定的顺序组装而成，设备的外形一般为方形或圆形。板框式EDI模块按其组装形式又可以分为两种，即按一定的产水量进行定型生产的模块，如加拿大ECELL公司生产的MK系列模块、美国Electropure公司生产的XL系列模块等。
2、螺旋卷式EDI模块
螺旋卷式EDI模块简称卷式EDI模块，其原理与EDI完全相同，但装置构造采用了类似于RO、NF、UF等膜组件的螺旋卷式设计。它主要由电极、阳膜、阴膜、淡水隔板、浓水隔板、浓水配集管和淡水配集管等组成。它的组装方式与卷式RO相似，即按“浓水隔板→阴膜→淡水隔板→阳膜→浓水隔板→阴膜→淡水隔板→阳膜……”的顺序，将它们叠放后，以浓水配集管为中心卷制成型，其中浓水配集管兼作EDI的负极，膜卷包覆的一层外壳作为阳极。图1为螺旋卷式模块内部结构。
图1螺旋卷式EDI模块的内部结构
4、填充不同交换剂的EDI装置
EDIT，实际上是20世纪70～80年代离子交换导电网EDI的新发展。Dejean等使用经特殊制造的不同离子交换纤维作为填充物，进行了EDIT制备纯水的研究，并与传统ED进行了对比。研究表明使用双极性离子交换纤维可获得最优的脱盐效果，在进水电导率为10～15μs•cm-1时，EDIT产水电导率为0.4μs•cm-1。与ED相比，电流效率和脱盐率提高150%；与填充树脂的EDI相比，装置的允许流量大幅度提高。然而，虽然离子交换纤维的比表面积和交换速度都明显高于离子交换树脂，但其交换容量较低。另外，由于研究者的装置设计采用和树脂填充床EDI同样的构造，使得填充密度和离子传导效果较差，因此仍未能制得高纯水。
日本研究者使用了新的填充剂，即辐射接枝后的固定氨基酸。这种填充剂的特点是在同一种离子交换剂上同时具备交替排列的阴阳离子交换活性基团，离子交换剂被制成离子交换纤维布。使用这一填充物的实验装置淡水室膜间距0.75mm，已相当于普通EDI隔室的厚度。研究者用纯水配置的电导率10μs•cm-1的NaCl溶液为进水，在2L•h-1的处理量和50V的操作电压下，产品水电阻率达到10.2～14.8MΩ•cm。
三、EDI技术的应用
1、制备超纯水领域的应用
目前应用较广的超滤—反渗透—EDI系统，可以生产电阻率达15～18MΩ•cm的超纯水。Ganzi等采用反渗透和EDI相结合，证明能有效的除去可溶性的盐。Finlay等设计了类似装置，用于生产医药用高纯水，全过程实现计算机监控。闻瑞梅[3]等人用EDI去除高纯水中痕量氨，产水中总氨含量为0.072mg•L-1，远远低于太空用水<0.5mg•L-1。王建友[4]等人对超滤/电去离子(UF/EDI)工艺用于常规自来水脱硬，制备常低压工业锅炉软化水进行了实验研究。EDI水软化过程的特征曲线表明，该过程工况与传统电渗析过程相似，但分离效率显著提高。对于电导率627μS•cm-1的UF原水，实验条件下EDI软化过程的总脱盐率达到65%，而Ca2+、Mg2+的去除率则分别达到99.7%和99.97%，产品水硬度<0.05mg•L-1。
四、EDI技术的展望
EDI技术在众多领域的广泛应用，表明EDI将成为当前和今后很长一段时期内的核心纯水技术。然而，EDI在实际应用中所受到的一些限制也表明它还需要不断的完善和发展。
新型离子交换填充剂将成为EDI研究的新方向。开发性能优异、使用方便的填充剂，避免繁琐的手工填充树脂，将使EDI的生产过程更标准化，并实现真正意义上的规模化工业生产。
参考文献
[1]贺峰,吴振斌.水生植物在污水处理和水质改善中的应用[J].植物学通报.2003,20(6):641-647.
[2]戴全裕,陈源高.凤眼莲对无锡电影胶片厂含银废水净化生产性应用实例[J].植物生态学与地植物学学报.1992,16(1):11-16.
[3] 闻瑞梅, 范伟, 邓守权. 用EDI去除高纯水中痕量氨（NH3和NH4+）的新方法[J].电子学报, 2006, 34(8): 1367-1372.
[4] 王建友, 王世昌, 傅学起. 电去离子水软化技术的实验研究[J]. 工业水处理, 2007, 27(12):52-55
论文作者:于帅
论文发表刊物:《科技新时代》2018年10期
论文发表时间:2018/12/5
标签：离子交换论文; 离子论文; 隔板论文; 淡水论文; 模块论文; 过程论文; 树脂论文; 《科技新时代》2018年10期论文;