李志軍，夏中明，周柏青，徐厚道
(武漢大學(xué)水質(zhì)工程系，湖北　　 武漢　　 430072)

　　摘要：介紹了EDI技術(shù)的基本特點(diǎn)，通過描述原水中含鹽量和流速對(duì)膜堆的電流的影響，對(duì)EDI連續(xù)脫鹽的機(jī)理加以解釋。實(shí)驗(yàn)表明，原水含鹽量較低時(shí)，在膜和樹脂表面易于發(fā)生水解離，使淡水室中的樹脂得到更好的再生；流速的大小變化對(duì)膜堆電流的影響不大，因此在低流速能夠得到更好的水質(zhì)。同時(shí)對(duì)淡水室樹脂層態(tài)進(jìn)行了分析，詳細(xì)描述EDI脫鹽工藝中的離子遷移行為。
　　關(guān)鍵詞：EDI；離子交換；樹脂；脫鹽
　　中圖分類號(hào)：TU991.26　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　 文章編號(hào)：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是一種將電滲析與離子交換有機(jī)結(jié)合的膜分離技術(shù)，它綜合了電滲析連續(xù)脫鹽和離子交換樹脂深度凈化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了這兩種分離技術(shù)原有的缺點(diǎn)。EDI裝置的構(gòu)造類似電滲析器，所不同的是在淡水室中充填有陰、陽(yáng)離子交換樹脂。人們?cè)谶^去的研究中較少考慮擴(kuò)散層對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響，本文將重點(diǎn)考察原水含鹽量和流速對(duì)膜堆的電流的影響，并通過擴(kuò)散的原理對(duì)此加以解釋；同時(shí)對(duì)淡水室樹脂層態(tài)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)裝置

　　EDI裝置為自制，立式結(jié)構(gòu)，規(guī)格為200mm×400mm，陰、陽(yáng)離子交換膜為均相膜，淡水室填充凝膠性陰、陽(yáng)離子交換樹脂(體積比2：1)，陰、陽(yáng)電極均采用鈦涂釘電極，由0—200V可控硅整流器提供直流電源。
　　試驗(yàn)用的EDI的進(jìn)水用一級(jí)除鹽水加Na₂SO₄和CaCl₂配制。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 原水合鹽量對(duì)膜堆電流的影響
　　進(jìn)水含鹽量對(duì)操作電流的影響如圖1所示，一定的電壓范圍內(nèi)，當(dāng)進(jìn)水的電導(dǎo)率為60 μS／cm時(shí)，膜堆的電流與電壓成線性關(guān)系；當(dāng)進(jìn)水的電導(dǎo)率為20μS／cm時(shí)，電流與電壓關(guān)系曲線大致以電流等于60mA為界，電流較低時(shí)為直線關(guān)系，較高時(shí)則斜率增加。

　　　　　　

　　淡水室內(nèi)的離子遷移可看成為兩個(gè)并行過程：一是陰、陽(yáng)離子在水中分別向陽(yáng)極和陰極方向遷移，二是離子進(jìn)入樹脂孔道中發(fā)生離子交換后，即在樹脂顆粒中遷移^[1]。如圖2所示，設(shè)淡水室中水和樹脂的電阻分別為R_W和R_r，R₁為溶液相的電阻，R₂與R₃為陰陽(yáng)表面擴(kuò)散層電阻，即

　　R_W=R₁+R₂＋R₃　?。?）

　　淡水室的總電阻R_總由歐姆定律得：

　　R_總=（R_rR_W）/(R_r+R_W)　　　　 (2)

　　在淡水室中，由于EDI進(jìn)水的電導(dǎo)率較低，樹脂導(dǎo)電能力比原水要高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)^[2]，所以原水中的離子主要通過在樹脂層中的遷移進(jìn)入濃水室。我們從圖1中也可以看到，上述理論得到了很好的解釋，在電流小于60mA時(shí)，同一電壓下，原水電導(dǎo)率為60μS／cm的電流比20μS／cm的電流要高，但并不與電導(dǎo)率之比成正比，這是因?yàn)殡m然溶液相的電阻不同，但淡水室的電阻主要由樹脂層的串阻單定，因此相應(yīng)的電流相差不大。
　　原水含鹽量的不同是導(dǎo)致膜堆電流與電壓曲線不同的主要原因。當(dāng)膜堆電流超過極限電流時(shí)，由于擴(kuò)散層遷移到交換膜和樹脂層中的離子數(shù)量大于主體溶液遷移到擴(kuò)散層中的離子數(shù)量，造成擴(kuò)散層離子濃度下降，擴(kuò)散層電阻上升，該處的電勢(shì)梯度也相應(yīng)增加，水分子在高電勢(shì)的作用下，大量地分解為H⁺和OH^-，在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，承擔(dān)傳遞電流的責(zé)任。當(dāng)原水電導(dǎo)率較低時(shí)，擴(kuò)散層中濃度梯度小，離子在擴(kuò)散層中的傳遞速度較慢，只需很小的電流，就可使膜和樹脂界面離子濃度迅速減少，使得在膜和樹脂界面上發(fā)生解離，由于氫離子和氫氧根離子在樹脂中的遷移速度比其它離子在甲脂中的遷移速度快，使得電流上升，進(jìn)一步加速了擴(kuò)散層的極化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生更多的H⁺和OH^-，淡水室中的樹脂因此得到更好的再生，通常EDI設(shè)備原水含鹽量不應(yīng)大于40μS／cm^[3]。
2.2 原水流速對(duì)膜堆電流的影響
　　原水流速對(duì)膜堆電流的影響如圖3所示．不同原水流速下電流電壓曲線差異很小，說(shuō)明原水流速對(duì)膜堆電流的影響很小。

　　原水流速對(duì)EDI的電流影響很小，這是因?yàn)樵诘抑校芤合嗯c樹脂相是并聯(lián)關(guān)系，由于離子交換樹脂的導(dǎo)電能力遠(yuǎn)高于原水的導(dǎo)電能力，離子傳輸主要通過樹脂相進(jìn)行，在一定的淡水流量范圍內(nèi)淡室中的溶液相離子濃度的變化對(duì)總電阻的影響也很小，則膜堆電流不發(fā)生明顯變化。
　　流速較低時(shí)，溶液中的液流屬于層流。在淡水室里，由于膜和樹脂表面附近液體的流動(dòng)受到膜的心房以霹近表面的液流速度減小。在膜與流遭幾乎為零，擴(kuò)散層的厚度很薄，一般只有1×10^-3～1×10^-2cm^[4]。水的解離主要在擴(kuò)散。根據(jù)能斯特方程，當(dāng)溶液相的離子濃度相同時(shí)，擴(kuò)散層表面的厚度對(duì)其傳質(zhì)起著決定性作用。由于原水流速對(duì)擴(kuò)散層厚度的影響較小，使得不同流速下膜和樹脂表面擴(kuò)散層的厚度一致，所以在不同的原水流速下電流-電壓曲線差異很小。在膜堆電流一致時(shí)，不同流速韻原水在同一時(shí)間通過擴(kuò)散層的離子數(shù)量相同，由于流速較低時(shí)，進(jìn)入淡水室中的離子含量較低，所以低流速能夠得到更好的水質(zhì)，但相應(yīng)地效率較低，運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)情況來(lái)確定，該裝置流速應(yīng)控制在10-20L／h較為理想。
2.3 樹脂層態(tài)的分析
　　為了更好地說(shuō)明EDI的工作原理；試驗(yàn)時(shí)淡水室的樹脂層按水流方向(水流方向見圖4)分為4段，并按垂直水流的方向?qū)渲譃?段。對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間后的陽(yáng)離子樹脂層態(tài)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

　　在垂直于水流方向上，陽(yáng)離子在樹脂層中向著負(fù)極作定向移動(dòng)，導(dǎo)致靠近負(fù)極區(qū)域的失效樹脂越來(lái)越多，同時(shí)，陽(yáng)膜界面極化產(chǎn)生的H⁺離子在直流電場(chǎng)的作用下向負(fù)極移動(dòng)，在移動(dòng)的過程中對(duì)失效樹脂進(jìn)行再生，將正極附近的失效樹脂中的陽(yáng)離子置換下來(lái)，因此在陽(yáng)離子的樹脂層態(tài)圖中，靠近負(fù)極區(qū)域上的失效樹脂比靠近正極區(qū)域的失效樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。而陰離子的樹脂層態(tài)圖則相反，靠近正極區(qū)域的失效樹脂比靠近負(fù)極區(qū)域的失效樹脂的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。混床的垂直水流方向的樹脂的層態(tài)分布與EDI有較大的差異，其失效樹脂的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致。
　　在順?biāo)鞣较蛏?，失效樹脂的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，和混床運(yùn)行時(shí)的樹脂層態(tài)完全相同。不同點(diǎn)在于，混床隨著運(yùn)行時(shí)間的變化，樹脂床層逐漸向下移動(dòng)，保護(hù)層越來(lái)越薄，最后導(dǎo)致喪失交換能力，必須通過再生使其恢復(fù)工作狀態(tài)。而EDI在運(yùn)行過程中，其樹脂層態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間發(fā)生變化。
　　EDI的樹脂層態(tài)按水流方向分為三個(gè)部分，即遷移層、穩(wěn)定層、保護(hù)層。遷移層位于淡水室人口處，溶液中離子含量較高，樹脂中離子發(fā)生遷移留下的空位能夠得到溶液主體中離子的補(bǔ)充，在遷移層中，離子的遷移方式與電滲析類似，不同的是在EDI中離子主要通過樹脂層發(fā)生遷移，而電滲析中離子通過溶液發(fā)生遷移，由于樹脂的導(dǎo)電性能使得其極限電流較電滲析高，因此離子的遷移速度也相應(yīng)增加。在穩(wěn)定層中，隨著離子的遷移，溶液相中的離子逐漸減少，在直流電場(chǎng)的作用下，溶液中的離子難以承擔(dān)傳遞電流的責(zé)任，這時(shí)在膜和樹脂與溶液界面發(fā)生水解離的現(xiàn)象，使部分水分子裂解為氫離子和氫氧根離子，來(lái)完成電流的傳遞。氫離子和氫氧根離子在遷移的過程中使得陰陽(yáng)離子樹脂得到再生，這樣穩(wěn)定層中的樹脂處于不斷交換、不斷再生的穩(wěn)定狀態(tài)。在淡水室出口，這時(shí)溶液中幾乎沒有其它離子，通過淡水室的電流主要由裂解的氫離子和氫氧根離子來(lái)傳遞，這些氫離子和氫氧根離子使該區(qū)域的樹脂得到高度再生，我們稱之為保護(hù)層，保護(hù)層中的樹脂主要以氫型和氫氧根型的形式存在。因此其交換能力更強(qiáng)，從其它層態(tài)泄漏的離子難以穿透，使出水水質(zhì)得到了很好的保證。

3 結(jié)論

　?、佼?dāng)原水含鹽五不同時(shí)，電流—電壓曲線有著明顯的區(qū)別。原水含鹽量小時(shí)，膜堆容易發(fā)生水解離，因此EDI進(jìn)水的含鹽量不應(yīng)太高。在實(shí)際應(yīng)用中，EDI通常與RO聯(lián)合使用，保證原水含鹽量應(yīng)維持在較小的范圍內(nèi)。
　?、谠魉賹?duì)膜堆電流的影響很小，當(dāng)膜堆電流相同時(shí)，由淡水室進(jìn)入濃水室的離子也相同；由于流速低時(shí)，進(jìn)入淡水室中溶液的電解質(zhì)離子較少，因此膜堆出水水質(zhì)相應(yīng)較好。
　　③垂直水流方向上，由于離子遷移和電再生的影響，導(dǎo)致負(fù)極附近陽(yáng)型失效樹脂較多，而正極附近陰型失效樹脂較多。順著水流方向上，EDI和混床樹脂層態(tài)相同，但層態(tài)在運(yùn)行中保持相對(duì)穩(wěn)定，使出水水質(zhì)有著良好的保證。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李志軍(1974—)，男，湖南津市人，武漢大學(xué)水質(zhì)工程系2002級(jí)碩士研究生，lzj2460@sohu.com。