离子交换原理与应用

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1、EDI技术及其应用【摘要】论述了 EDI装置的基本原理，主要运行参数，及运行中需要注意的问题；论述了 集中常见的EDI膜堆形式：阳离子交换树脂EDI、分层床EDI、分床EDI、双极膜EDI；介 绍了 EDI工艺的特点及应用。【关键词】EDI电去离子技术EDI是电渗析和离子交换相结合的膜分离技术，通常在电渗析器的淡室隔板中装填阴、 阳离子交换树脂，结合离子交换树脂和离子交换膜，在直流电场作用下实现去离子过程的新 型水处理技术，又称为电去离子技术（Continuous electrodeionization，简称CEDI或EDI）。 该技术兼有常规电渗析连续操作和离子交换深度脱盐的优点，同时克服了

2、常规电渗析过程容 易出现浓差极化（尤其在低离子浓度的条件下），以及离子交换需要再生树脂和接卸操作的 缺点【】它的出现是水处理工业的一次划时代的革命，标志着水处理工业全面跨入绿色产 业的时代。EDI的装置与原理EDI装置一般由离子交换膜、隔板、电极、夹紧装置、溶液流道和管路等组成，其中膜 堆由淡室和浓室交替排列组合而成.与常规电渗析不同的是，淡室中填充了阴离子和阳离子 的交换介质，如离子交换树脂、离子交换纤维以及无机离子交换剂等.填充床电渗析的膜堆 结构示意图【】见图1.淡水AM和CM分别表示阴、阳离子交换膜图1填充床电浚析的膜堆结构示意图EDI基本原理主要包括离子交换、在电场作用下离子选择性迁

3、移和树脂的电再生这三个 方面。在直流电场的作用下，淡室溶液中的阴离子和阳离子分别向阳极和阴极迁移，由于 EDI中填充的树脂的导电性远高于与之接触的溶液，因此从溶液到膜表面的离子传递几乎都 是通过树脂相来完成的。离子首先通过树脂颗粒表而的扩散层进入树脂相，然后在电场作用 下经由树脂颗粒构成的离子传输通道迁移并透过离子交换膜进入浓缩室。当树脂与溶液间界 而扩散层中的极化发展到一定程度，水分子解离为H+和OH-。水解离产生的H+和OH 一部分 参与到负载电流中，另一部分对树脂起到再生作用（即电再生），从而使离子交换、离子选择 性迁移、电再生三个过程相伴发生【3】。EDI设备的主要运行参数【】影响ED

4、I设备产水水质的运行参数主要有进水水质、再生电压、再生电流及进水流量; 某些其他运行参数如水回收率、弱电离物质的含量、水温等对EDI设备的性能也有一定的影 响，因此，应结合具体的应用条件进行综合分析判断。1，EDI设备的进水水质EDI设备能够生产出电阻率高达16 MQcm的高纯水，但对进水水质有较高要求，它 不适用于原水含盐量较高的进水，因为当原水电导率大于一定值时，纯水电阻率急剧下降， 其典型的进水特征值如表1所示【】。因而在EDI设备之前几乎总是安装有反渗透(RO)装置 等预除盐系统。表1 EDI典型的进水特征值总溶解固形物(TDS) 5.0 x 1。f硬度(以CaC()3计) 1. ()

5、 x 1(EDI设备的再生电压在研究EDI设备的再生电压对产水水质的影响时，不同的研究人员使用了不同的实验设备， 设计了不同的实验方案，但结果均表明电再生时电压必须达到一定值，操作电压过小则不足 以在纯水排出之前将离子从淡室移出，电渗析过程和树脂电再生过程都比较微弱，此时主要 进行的是离子交换过程;随着操作电压的增大则水解离程度增大、树脂的再生效果好，使得 淡水的电导率下降;当操作电压增加到一定程度时离子交换过程与树脂的再生过程达到了平 衡，产水电导率进一步下降并趋于稳定;此后继续增加电压时离子的迁移速度不再有明显提 高，因而产水水质几乎没有变化。但操作电压过大将引起过量的水电离和离子反扩散而

6、降低 产水水质。所以，建议EDI在适当的电压下运行。 EDI设备的再生电流 随着电流的增大，EDI产水电导率减小，产水水质更佳;但当电流增达到一定程度以后， 产水电导率随电流的升高而下降的幅度变小。这是由于.随着膜堆电流的升高淡室中的水解 离程度增大，产生H+和OH 一数量多，对树脂的再生效果好，所以EDI产水电导率下降;当 膜堆电流继续升高时，淡室中的水解离程度进一步增大，使得离子交换与树脂的再生逐渐达 到平衡，产水电导率进一步下降;但随着膜堆电流继续升高，H+和OH -除了作用于树脂再生 外，剩余部分主要用于负载电流，导致产水电导率下降的幅度变小，EDI设备的电流效率降总有机碳(TOC)5

7、 x 1(6游离氯(CE) 0. ()5 x 1。一 &铁(Fe) 0. 01 X 1(心 0.4 x 10- 6硫化氢(H2S) 0. ()1 x 1。一 &pH值4- 9进水水温5- 40C低。4, EDI设备的进水流量EDI出水的电导率随淡水进水流量的变化很小，但随着浓水流量的减小而增大。这是因 为浓水流量的减小使得浓水离子含量增加，导致浓室水溶液电阻减小，使得膜堆电流增大， 而膜堆电流的增大只能由淡室中的水加剧解离产生出更大量的H+和OH -来负载。增大浓水流 量增大了浓室电阻，使得膜堆电流减小，水解离程度减弱。5, 水回收率、原水水温及EDI设备的其他运行参数EDI产水电导率随水回收

8、率的增加而降低，这是因为，水回收率增大则淡水流量变大， 改善了淡室中的水力学状态，减薄了树脂颗粒表面滞流层的厚度，从而减小淡室的电阻，增 大了膜堆的电流;浓水流量变小，增加了浓室中离子的浓度，也相应增大了膜堆的电流。但 是，随着水回收率进一步增大，浓、淡室离子浓度相差较大，离子的反迁移程度趋大，所以 在水回收率高于某一值时产水电导率的变化趋于平缓。随着EDI原水温度的升高，产水电导率降低。这是由于，原水温度升高，使得水中的离 子在树脂和膜中的迁移和扩散的速度加快，有利于去离子过程。另外，水中的Si02和CO2 等弱电离物质也会对EDI出水的性能产生影响。EDI装置应用时应注意的问题【6】1，浓

9、水室结垢是一个问题:离子诸如迁移向阴膜的钙离子和镁离子进入浓水室，而阴膜有 大量的氢氧根离子通过阴膜迁移向阴极，大量的氢氧根离子增加了阴膜表面的pH值，造成 一个理想的结垢环境。为了阻止结垢，离子浓度和硬度必须被控制在一定的范围。控制的方 法包括设置适当的回收率和控制进水的组成成分。此外在浓水室填充树脂也会起到预防膜堆 结构的效果。MirL提出在浓室填充阳离子交换树脂或混合离子交换树脂，既可以增加浓水 的导电性，降低膜堆电阻，同时可以减少富集在浓水室阴膜表面的硬度离子，防止结垢心 2，各室压力要求问题EDI在运行时，必须保证淡水室的压力比浓小室的压力高，且淡水室和浓水室必须保证 严格的压力差，

10、压力差太大，膜将会渗漏，如果浓水进入淡水，产品水质将受到影响。此外，EDI的电极流可冷却电极并排出电解产生的气体，由于一部分氯气溶于水中，产 生氧化作用，且电极流流量很小，所以这部分电极流被排出，不回收。常见的EDI膜堆形式【】1，阳离子交换树脂EDI图2阳离子交换树脂EDI1 一强酸阳离子交换树脂；2一阳离子交换膜；3一阴离子交换膜；14电极；5电镀CuSO4废水：6脱阳离子水：7一酸液循环；g浓缩液循环阳离子交换树脂EDI装置的主要特征是EDI膜堆在两张阳离子膜之间仅填充阳离子交换 树脂，整个装置不存在阴离子交换树脂，相邻两个树脂室间用阴离子交换膜分隔成浓缩室和 酸液室，浓缩液和酸液分别循

11、环。为防比树脂内产生重金属氢氧化物，许多研究者采用该种 EDI装置来处理低浓度重金属废水。此时，淡室树脂床中只有阳离子的吸附与再生，再生阳 离子的H+来源于外加酸液。进料液通过树脂室而流出，进料液中的重金属阳离子被树脂所吸 附而除去，在电场的作用下，酸液室中的H+穿过阳膜进入树脂室，对树脂进行再生，交换下 来的重金属离子穿过阳膜进入浓缩室。研究利用图2的膜堆形式考查了膜堆处理电镀CuS04废水的操作特性。在稳定状态下， 在树脂床层内沿料液流动方向和垂直于料液流动方向上，均建立恒定的铜离子浓度分布，使 得装置能够连续稳定运行。研究表明，过程电流效率可达30% 40%，进料的含铜量由500mg/

12、L降至0. 5 mg/ L浓缩液中含铜量可达60 g/ L，可直接返回镀槽。电能消耗为510 kW/ kg铜。该装置成功地进行了 3个月的连续运行，证明能够实现工业化运行【】该过程中不存在阴离子交换树脂，只有阳离子树脂的再生，再生阳离子树脂的H+来源于 外加酸液。正是由于上述特点，使得此过程电流效率较高，可得到高浓度的浓缩液;但阴离 子不能去除，只能得到脱阳离子水，不能同时获得高纯度的可回用的纯水。此外，过程操作 需要外加酸液，不仅造成膜堆结构复杂，而且需要耐腐蚀的泵和贮罐。2，分层床EDI。分层填充阴离子交换树脂和阴、阳 离子交换树脂混合床，让进料液按顺序先通过阳离子交换树脂层除去重金属离子

13、，然后再通 过阴离子交换树脂层除去阴离子，从而避免重金属氢氧化物沉淀在树脂床的产生，最后通过 阴、阳离子交换树脂混合层来调节溶液PH。王方【1】采用类似的分层床EDI装置，在淡室上部分填充阳离子交换树脂，在下部分 填充阴、阳离子交换树脂，可避免重金属氢氧化物沉淀的产生。这种分层结构形式的EDI装置可以在浓缩重金属离子的同时连续稳定运行，无氢氧化物 沉淀产生，但这种EDI装置结构较为复杂，离子交换树脂填充困难。3，分床EDIC%(g)进水。此法缩水纯化水寻+HXBFOAJ0W2巨3 mgc_ 一 一一 AM2 4 1It Is Q(宣言3XX0+O图4【2】分床EDI示意图分床EDI是阴、阳离子

14、交换树脂分别填充在由离子交换膜相互隔开的隔室中，互不相混。该 种装置一般采用两张阳膜和两张阴膜，在两张阳膜组成的淡室I内填充阳离子交换树脂 .而 在两张阴膜组成的淡室II内填充阴离子交换树脂，在阴、阳极之间形成5个室，依次分别 为阳极室、淡室工、浓缩室、淡室II、阴极室。进料液依次经过淡室I和淡室II中的阳、 阴离子交换树脂床，在淡室II出口处得到出水。同时，在电流作用下，阳极反应产生H+并 通过阳膜对淡室工中的阳离子交换树脂进行再生，并使交换下的重金属离子进入浓缩室;同 样阴极反应产生的OH -通过阴膜对淡室II中的阴离子交换树脂进行再生，同时交换出的废 水中的阴离子进入浓缩室，最终在浓缩室

15、出口处得到浓缩液。陈雪芬【3】利用类似的分床EDI装置处理100mg/L含Ni2+的模拟电镀废水，经间歇运行 和连续运行处理，最终Ni2+的去除率达98%以上，浓缩液浓缩倍数可达1214，电流效率可 达34%。这种分床EDI装置彻底解决了在运行过程中Ni(OH)2的沉淀问题。在上述分床EDI中，在进料液接触阴离子交换树脂之前重金属离子已在淡室I除去，因 而能避免重金属氢氧化物沉淀在离子交换树脂床中的产生。这种分床EDI可在回收重金属的 同时获得高质量的水以便回收利用，而且离子交换树脂的装填较分层床更为简单，但是该过 程再生树脂的H+和OH-由电极反应产生，一对电极之间只能组装一个5室单元，不利于设备 的放大和大规模工业生产运用。4，双极膜EDI图5双极膜示意图双极膜是一种由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成的新型膜，双极膜EDI是对分床 EDI的改进，在该EDI中阴、阳离子交换树脂分别位于双极膜的两侧，进料液依次通过阳离 子交换树脂床和阴离子交换树脂床分别去除废水中的重金属和阴离子，在电场作用下，水在 双极膜中离解不断产生H+和OH-，可以起到连续再生阳、阴离子交换树脂的作用。与其他EDI相比，双极膜EDI利用水在双极膜中的离解反应产生H+和OH -用以再生树脂，因 此可以在一对电极之间组装多个含双极膜的膜单元形成庞大的膜堆。张贵清