電去離子凈水設備脫除弱電解質(zhì)的機理及能力

陳偉明

摘要：電去離子（EDI）凈水過程是一種電滲析和離子交換相結(jié)合的膜技術，在各類制備高純水的脫鹽系統(tǒng)中（EDI）凈水設備作為一種精處理脫鹽裝置代替原來使用的離子交換混床"得到廣泛使用。電去離子（EDI）凈水設備能否從其進水中徹底除去弱電解質(zhì)，是使用EDI 凈水設備所碰到的關鍵問題.文章提出了EDI 凈水設備脫鹽能力的概念，并給出估算脫鹽能力的經(jīng)驗公式，可用它作為衡量EDI 凈水設備正常工作的判據(jù).討論了EDI 凈水設備脫除弱電解質(zhì)的機理和能力，及與脫除強電解質(zhì)的區(qū)別，同時，還用提出的電去離子過程的反應疊加模型，通過離子交換層譜給以形象化的解釋。

關鍵詞：電去離子過程;凈水技術;機理

近年來，研制國產(chǎn)電去離子凈水裝置外，找到了一條更有前景的應用電去離子技術的發(fā)展方向。去離子EDI凈水技術是一種電滲析與離子交換相互有機結(jié)合的膜分離脫鹽過程.在上世紀末，國際上EDI 技術首先被應用于制備純水工程，作為脫鹽系統(tǒng)中極其重要的精處理脫鹽手段，它正在逐步替代原有的傳統(tǒng)脫鹽技術.EDI 凈水技術所具有的連續(xù)運行、無人值守及對環(huán)境無污染等一系列優(yōu)點被愈來愈多的人們所認可，諸多公司的EDI 產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，在電力、電子、制藥、石化等領域的應用得到廣泛的開拓和發(fā)展。

一、強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)

EDI 過程除去水中鹽分，是靠電滲析將水中的鹽分離子從淡水室電滲析遷移至濃水室而除去的.同時填充在淡水室內(nèi)的離子交換樹脂，不斷吸著水中的鹽分離子，按鹽分離子與離子交換樹脂之間的吸著能力進行離子交換，將鹽分離子分層排列在離子交換樹脂上，形成離子交換層譜.在離子遷移和交換的過程中離子交換樹脂還傳遞著電流.因此，EDI過程中電滲析、離子交換和傳遞電流這三種作用，只有以離子形態(tài)存在于水中的鹽分才能同時參與，而以分子形態(tài)存在于水中的鹽分就不參與，水中的鹽分按其電離度的大小分為強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)。

強電解質(zhì)，如NaCl，其分子在水中基本上全部電離為離子.在EDI 過程中，這些離子受電場作用在淡水室上部就全部遷移到濃水室，因此，EDI 過程很易將強電解質(zhì)的離子除去.弱電解質(zhì)，如H2CO3（含氣體CO2）和H4SiO4（含膠體SiO2），其分子在水中幾乎不電離，由于沒有離子生成，就無法參與EDI 過程，它們隨水流穿過淡水室上部，到了淡水室下部，作為EDI 過程的特征是在淡水室下部進行著水的電離過程，即在水和膜或樹脂之間的界面上，由于極化現(xiàn)象使水電離為H+和OH-離子.因此，在淡水室下部，弱電解質(zhì)分子與水電離所產(chǎn)生的OH-離子發(fā)生如下反應：

只要有HCO3-或H3SiO4-離子生成，這些離子就參與EDI 過程，如果淡水室下部足夠長，最終它們都將遷移到濃水室被除去。由此可見，在EDI 過程中，強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)，各在不同的部位按不同的機理被除去.前者，過程主要發(fā)生在淡水室上部，靠離子電滲析遷移被除去;而后者，過程發(fā)生在淡水室下部，還必須靠其分子與水電離產(chǎn)生的OH-離子反應轉(zhuǎn)為離子才能靠電滲析遷移被除去，在淡水室內(nèi)停留時間短，遷移路程短，因而，除去它們較容易;后者，分子還必須與OH-離子反應轉(zhuǎn)為離子才能被除去，這使其停留時間延長，遷移路程拉長，因而，除去它們比較困難。

二、離子交換層譜

為了形象地描述EDI過程，提出一個反應疊加實用模型[4] ，用這種模型可以更加形象地理解EDI 凈水設備除去強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的過程.按這一反應疊加實用模型，將EDI 過程解體為電滲析和離子交換等組成反應，依據(jù)各組成反應的前后次序和發(fā)生地點，確定這些反應在某種應用場合下的主次位置，給出了離子交換層譜.在EDI 過程中，電滲析起真正清除掉水中離子的作用，而離子交換僅僅起去離子的中間過渡作用.該模型將填充在淡水室的離子交換樹脂層自上而下分為失效層、工作層和保護層。上部失效層，填充的樹脂呈鹽基型，已被欲吸著離子所飽和，處于失效狀態(tài)，但仍可吸著新離子，并解吸出相同的舊離子，處于動平衡狀態(tài)，這些離子在電場作用下可作橫向遷移，一部分被遷移至濃水室.中部工作層內(nèi)的樹脂具有一定的交換能力，水中的離子一邊與樹脂發(fā)生離子交換作用，一邊受電場作用發(fā)生橫向遷移和電滲析，最終它們基本上都遷移至濃水室而被除去。水流至下部保護層，水中的離子已極少，在此層內(nèi)水和膜或樹脂之間的界面上發(fā)生極化現(xiàn)象，使水電離為H+和OH-離子，它們分別不斷再生陰、陽樹脂，使樹脂處于再生好的新鮮狀態(tài)，即為H 型陽樹脂和OH 型陰樹脂，由于這一層再生好的新鮮樹脂的存在，不會發(fā)生離子穿透現(xiàn)象，從而使出水水質(zhì)很好.這三個區(qū)域的大小，在離子交換層能承受的離子負荷內(nèi)，隨著操作條件的變化而變化，始終處于一個動平衡狀態(tài).從而，EDI 過程不斷進行，連續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品水。

在反映EDI 過程的離子交換層譜上，強電解質(zhì)產(chǎn)生的各種離子所占有的譜帶按離子交換樹脂對這些離子的吸附順序大小自上而下依次排列，至于弱電解質(zhì)，因幾乎不電離出離子，其分子就隨水流穿過失效層和工作層，到達保護層.在保護層內(nèi)，在水和膜或樹脂之間的界面上發(fā)生水的電離，分解出H+和OH-離子，它們不斷再生樹脂，同時使弱電解質(zhì)分子轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子，從而遷移到濃水室被除去.所以，有、無弱電解質(zhì)時兩者離子交換層譜的區(qū)別在于：有弱電解質(zhì)時將無弱電解質(zhì)時的部分保護層作為除去弱電解質(zhì)專用的工作層了，在有、無弱電解質(zhì)時的離子交換層譜的最下端均有保護層，在這一段內(nèi)，樹脂的再生度很高，用它來防止被除去離子穿透，從而使出水水質(zhì)很高。

在EDI 凈水設備進水中CO2 含量過高時，CO2對EDI 過程的干擾極大，此時CO2 分子阻礙淡水室中強電解質(zhì)分子的遷移，用于除去離子交換層譜上強電解質(zhì)的工作層被拉長，甚至拉長至占有整個層譜，下部局部區(qū)域內(nèi)如有水解離反應發(fā)生，又使CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3-離子，不等HCO3-離子遷移至濃水室，它就從淡水室中流出，使水質(zhì)嚴重惡化.這時，淡水室離子交換層譜的最下端無保護層，產(chǎn)品水水質(zhì)遠遠達不到原先預計的水質(zhì)，EDI 凈水設備已失去作為脫鹽精處理設備的功能。

三、去除弱電解質(zhì)的能力

Ionics 公司曾發(fā)表了評價EDI 凈水設備去除CO2 和SiO2 性能的報告[3] ，認為，EDI 凈水設備對弱電解質(zhì)具有優(yōu)異的去除性能，對CO2、SiO2 的去除率分別達到99.2 %和98.5 %以上。采用Ionpure 公司產(chǎn)品EDI 凈水設備的純水工程的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，當EDI 凈水設備進水的電導率為18 μS/cm 和游離CO2 含量為79.2 mg/L 及含硅（SiO2）量為0.8 mg/L 時，EDI 凈水設備產(chǎn)品水的電導率為2 μS/cm.這說明此時EDI 凈水設備產(chǎn)品水的水質(zhì)已嚴重惡化，EDI 凈水設備失去了應有的凈水功能。這一實例說明，水中弱電解質(zhì)離子的含量對EDI 凈水設備產(chǎn)品水的水質(zhì)有很大的影響，從而得出EDI 凈水設備去除弱電解質(zhì)能力不大的結(jié)論。實例認為，EDI 凈水設備對弱電解質(zhì)有優(yōu)異的去除性能，去除率達到98.5 %以上.這是由于這個實例所引用的6 個工程中EDI 凈水設備進水所含弱電解質(zhì)量極低（游離CO2 含量僅幾個mg/L，SiO2 含量還不到mg/L 級）.此時，一旦有弱電解質(zhì)進入EDI 凈水設備，從而將弱電解質(zhì)遷移至濃水室而除去。所以除去弱電解質(zhì)非常有效，得出EDI 凈水設備對弱電解質(zhì)去除率有98.5 %以上的結(jié)論.當然此時去除弱電解質(zhì)的數(shù)量不大。

結(jié)論

EDI 凈水設備的脫鹽能力分別消耗于脫除強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)，水中強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)得到徹底清除，EDI 凈水設備產(chǎn)品水的水質(zhì)很好。在弱電解質(zhì)含量較少（小于剩余脫鹽能力）且其進水符合規(guī)定水質(zhì)標準的情況下，EDI 凈水設備產(chǎn)品水的電導率小于0.1 μS/cm，水質(zhì)很好.否則，產(chǎn)品水的電導率下降，水質(zhì)惡化.實踐中采用EDI 凈水設備的純水工程，其產(chǎn)品水水質(zhì)惡化的原因，往往是沒有徹底清除弱電解質(zhì)所致。

參考文獻：

[1] 徐新，林載祁.填充床電滲析器制備純水的研究[J].水處理技術，2015，22（6）1.

[2] 李福勤，李清雪.混床離子交換樹脂電再生的試驗研究[J].河北建筑科技學院學報，2014，16（4）：14 ～ 16.

[3] 李清雪，王冬云.電去離子軟水方法及所用裝置[P].中國發(fā)明專利：2015.

[4] 王方.電去離子過程的反應疊加實用模型[J].清華大學學報，2014，38（7）

（作者單位：佛山市美的清湖凈水設備有限公司）