电去离子装置

工作原理

电去离子(EDI)系统主要是在直流电场的作用下，通过隔板的水中电介质离子发生定向移动，利用交换膜对离子的选择透过作用来对水质进行提纯的一种科学的水处理技术。电渗析器的一对电极之间，通常由阴膜，阳膜和隔板(甲、乙)多组交替排列，构成浓室和淡室(即阳离子可透过阳膜，阴离子可透过阴膜).淡室水中阳离子向负极迁移透过阳膜，被浓室中的阴膜截留;水中阴离子向正极方向迁移阴膜，被浓室中的阳膜截留，这样通过淡室的水中离子数逐渐减少，成为淡水，而浓室的水中，由于浓室的阴阳离子不断涌进，电介质离子浓度不断升高，而成为浓水，从而达到淡化，提纯，浓缩或精制的目的。

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,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.

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.

含有保护水流的电去离子方法与装置专利目的

《含有保护水流的电去离子方法与装置》的目的在于针对上述问题和2009年EDI水处理技术的不足，提供一种能有效解决EDI膜堆中金属氢氧化物结垢沉淀的新型EDI水处理方法与装置。《含有保护水流的电去离子方法与装置》通过在常规的EDI膜堆中设置保护室，在其中引入保护水流，并采取特殊填充策略和水流运行工艺，使得可能导致结垢的Ga² 、Mg2 硬度离子和重金属离子无法与OH^-离子在膜堆内部结合，从而避免结垢形成。这种新的EDI水处理工艺不仅可以使得在进水硬度达到10毫克·L^-1时仍可稳定制取电阻率17兆欧·厘米的超纯水，也可针对含Ni² 、Cu² 等重金属离子达上百毫克·L^-1的工业废水进行高效分离处理，过程运行更为稳定，EDI膜堆寿命显著延长 。

含有保护水流的电去离子方法与装置技术方案

《含有保护水流的电去离子方法与装置》是通过如下的技术方案实现的：

在EDI膜堆的两侧分别设置正、负电极室及相应的极水保护室，电极室与极水保护室之间用阳离子交换膜隔开。在极水保护室之间为按一定数目重复排列的膜堆基本工作单元。与传统的电渗析（ED）和EDI技术中，每个基本工作单元均包括一个淡化室和一个浓缩室所不同的是，《含有保护水流的电去离子方法与装置》中EDI膜堆的每个基本工作单元由正极方向到负极方向共包括三个隔室，即“淡化室-浓缩室-保护室”，依次排列。若干个这种三隔室基本工作单元重复排列，即构成膜堆。三隔室基本工作单元中，浓缩室与保护室之间用阴离子交换膜隔开，淡化室和浓缩室中均均匀填充混床树脂，保护室中则分层填充树脂。沿保护室的入水口到出水口的大部分树脂床层中，填充的为阴离子交换树脂；而在保护室中靠近出水口的少量树脂床层中，填充的则是混床离子交换树脂。在直流电场的驱动下，淡化室水流中的阳离子透过阳离子交换膜，迁移进入相邻的浓缩室；阴离子则透过阴离子交换膜迁移进入相邻的保护室。在每一个基本工作单元中，淡化水和保护水的水流方向相同，处于这两股水流之间的浓缩水流的流动方向则与之相反，保护水流中不含有任何可与OH^-离子结合，生成金属氢氧化物结垢的阳离子。更进一步地，保护水与浓缩水均采取部分循环工艺运行。保护水的出水有少量分流进入浓缩水循环系统，而淡化产水则有与之相等的水流分流进入保护水循环系统进行补充；对于浓缩水循环系统，则有同等的水流量分流出，作为浓缩产品水。

根据上述水流运行工艺，在运行过程中并不需要额外的第三方水流作为保护水。保护水流是由极少量淡化出水分流而得，并在整个系统中循环运行。除极水系统外，整个EDI运行系统仅有一股进水水流和两股产水水流，即淡化原水、淡化产品水和浓缩产品水，后两者的流量之和即等于淡化原水的流量。这三股水流的流量可根据需要任意调节，因此操作弹性大，机动性强。

上述含有保护水流的电去离子方法与装置，具有以下特征：

1、膜堆的每个基本工作单元中，从正极侧到负极侧，依次有淡化室、浓缩室和保护室三个隔室，淡化室与浓缩室之间用阳离子交换膜分隔，浓缩室与保护室之间用阴离子交换膜分隔；

2、在淡化室、浓缩室及保护室中按照不同的填充策略均填充有离子交换树脂，其中淡化室和浓缩室中均填充均匀混床树脂，浓缩室所填充树脂中，阴离子交换树脂所占体积比为55-95％；保护室中树脂床层分为上下两部分，其中靠近进水口的树脂床层占到总树脂床层体积的50-85％，且所填充树脂均为阴离子交换树脂，而靠近出水口的树脂床层占到总树脂床层体积的15-50％，且所填充树脂为阴阳混床树脂；

3、在每一个三隔室基本工作单元中，淡化水与保护水的水流方向相同，并与浓缩水的水流方向相反；

4、浓缩水和保护水采取部分循环工艺运行。由淡化产品水分出少量水流作为保护水补充水，保护水出水分出少量水流作为浓缩水补充水，浓缩水循环罐再分出少量水流则为浓缩产品水，且三股水流分流的流量相等，从而浓缩水循环罐、保护水循环罐中的水量在运行过程中维持恒定。

《含有保护水流的电去离子方法与装置》中，浓缩室中填充阴树脂体积比55-95％的混床树脂。一方面，与不填充树脂的薄型隔室相比，在浓缩室中填充树脂需要使用厚度增加的隔室。这使得金属阳离子在平行于电场方向上的迁移路径显著增长；另一方面，浓缩室中过量的阴离子交换树脂可在一定程度上阻止金属阳离子朝向负极方向的迁移，可使之更快地随浓水流排出膜堆。此两方面因素均显著降低了金属阳离子与阴离子，包括OH^-离子结合的几率，有利于阻止浓缩室中形成结垢。此外，虽然浓缩室厚度较薄型隔室有所增大，但所填充的树脂导电性能远远高于浓水流的导电性能，这使得在一定条件下，填充树脂的浓缩室的电阻并不会高于未填充树脂的薄型浓缩室的电阻，甚至会有所降低，从而不会导致过程电能消耗的增大。

《含有保护水流的电去离子方法与装置》中，保护室中树脂床层分为上下两部分，其中靠近进水口的树脂床层占到总树脂床层体积的50-85％，且所填充树脂均为阴离子交换树脂。这可以促进与保护室相邻的下一个基本工作单元中的淡化室内的盐阴离子，在进入保护室后进一步迁移进入浓缩室，从而实现阳、阴离子的完整浓缩；而靠近出水口的树脂床层占到总树脂床层体积的15-50％，且所填充树脂为阴、阳混床树脂。这部分树脂床层中的阳树脂可针对性地抑制与该保护室相邻的下一个基本工作单元中的淡化室内，靠近出水口的阴离子交换膜表面发生剧烈水解离反应的产物OH^-离子，在进入保护室后，继续朝向正极方向迁移而进入浓缩室。这是因为，对于EDI过程而言，水解离总是在靠近淡化室出水口的离子交换膜和树脂颗粒表面才剧烈发生；而在靠近淡化室的进水口处，由于水流中阴阳离子含量尚不是很低，水解离程度就相对较弱。

进一步地，根据《含有保护水流的电去离子方法与装置》，EDI膜堆中浓水流方向与保护水和淡水流的方向相反。这使得在每一个浓缩室中，由淡化室迁移进入的金属阳离子将以最快速度被浓水流带出膜堆，浓缩室中不会产生金属阳离子的累积现象；另外，淡化室中靠近出水口部位阴离子交换膜表面水解离产物之一，OH离子，将朝向正极方向迁移。在该方向上，淡化室与浓缩室之间有保护室将其分隔开。进入保护室的OH^-离子又将被同向水流的保护水流迅速带出膜堆而不难以进入前方的浓缩室。因此，在每个基本工作单元中，金属阳离子的最高浓度和OH^-离子的最高浓度不仅分别处于不同的隔室中（浓缩室和保护室），而且其水流方向相反。此外，淡化室中阳离子交换膜表面发生水解离时，其产物之一，H 离子，将直接进入与之相邻的浓缩室，并随着浓缩水流在浓缩室中逐渐累积，与金属阳离子一起被带出膜堆。这使得金属阳离子浓度最高的部位，同样也是H 离子浓度最高的部位。由于稳态下，EDI淡化室中阴、阳离子交换膜表面的水解离程度或者相当，或者阴膜表面的水解离程度稍弱，因此即使有少量OH^-离子在进入保护室后，继续向前迁移进入浓缩室，其数量也远不足以中和浓缩室中不断累积的H 离子。这就保证了浓水流pH将稳定地维持为弱酸性，从而杜绝了结垢形成。对于保护室而言，由于进入保护室的水流不含任何可能结垢的金属离子，因此同样不会产生结垢。

显然，根据上述运行工艺，随着EDI系统的运行，保护水循环罐中的pH值将逐渐升高，而浓缩水循环罐中的pH将持续降低。由于整个系统运行并未加入任何其他化学品，因此在运行一定时间后可将两个循环水罐中的溶液适当中和，混入淡水原水中。此后再注入新鲜保护水，则可恢复系统运行而不影响浓缩水的回收利用。由于保护水和浓缩水的循环液量可人为机动控制，水量可大可小，因此其对淡水原水水质波动的影响也可控制在预定范围内。

根据上述含有保护水流的电去离子方法，实现该方法的电去离子装置是通过以下技术方案实现的。电去离子装置包括膜堆、电极装置、夹紧支撑装置和夹紧装置四部分。夹紧装置由两块夹紧板、拉紧螺栓与螺母组成；在两张夹紧板的内侧分别是正、负电极室与电极板组成的正负电极装置；根据处理原水的具体水质，还可在正、负电极室的内侧再分别设置极室保护室；在正、负极室之间是由一定数目的矩形中空支撑边框板构成的夹紧支撑装置；在中空支撑边框板的中空腔体内是膜堆。膜堆的基本单元依次由阴离子交换膜、淡化室隔板、阳离子交换膜、浓缩室隔板、阴离子交换膜、保护室隔板各一张组成。并在淡化室中填充混床树脂，浓缩室中填充阴树脂体积比55-95％的混床树脂，保护室中分层填充树脂。膜堆可按需要组装成一级一段或一级多段的构型 。

含有保护水流的电去离子方法与装置改善效果

《含有保护水流的电去离子方法与装置》所述含有保护水流的电去离子方法与装置，其优点在于：

（1）基于“淡化室-浓缩室-保护室”三隔室基本工作单元的的EDI膜堆构造，以及各隔室中不同的树脂填充策略、浓缩水与淡化水、保护水之间为逆流的水流运行方式，杜绝了膜堆中可能的金属氢氧化物结垢沉淀，从而显著放宽了EDI的进水条件，拓宽了这一水处理技术的应用范围；

（2）对于淡化水、浓缩水和保护水三股水流而言，整个EDI系统只需要淡水原水一股进水，同时只有淡化产品水和浓缩产品水两股出水，系统运行更简便；

（3）EDI膜堆运行过程中不需要使用阻垢剂，亦不需要进行化学清洗，运行费用节省，无二次污染产生；

（4）将《含有保护水流的电去离子方法与装置》提供的EDI方法与装置用于纯水制备，可以将上游的两级RO系统减少为一级RO系统，从而使整个水处理系统投资和RO浓水排放量均减少40％以上；

（5）将《含有保护水流的电去离子方法与装置》提供的EDI方法与装置用于重金属废水处理，可以在高效、稳定、清洁的条件下实现废水的同步纯化与浓缩，利于同时回收纯水资源和有价金属 。