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电去离子过程水解离影响因素的研究

[导读]研究了电去离子( EDI) 的水解离过程, 实验考察了原水含盐量、膜堆电流、浓淡水流 量等因素对水解离的影响, 用双电层模型对各种影响因素的作用进行了理论解释.

 电去离子( Electrodeionization, 简称 EDI) , 也称 连续去离子( Continuous deionization, 简称 CDI) , 是 结合离子交换树脂和离子交换膜, 在直流电场的作 用下实现去离子过程的一种新分离技术. EDI 的最 大特点是利用水解离产生的 H+和 OH-自动再生 填充在电渗析器淡室中的混床离子交换树脂, 从而 实现了持续深度脱盐. 与电渗析或离子交换相比, EDI 因其高度的先进性和实用性, 在电子、医药、能 源等工业及实验室领域有着广阔的应用前景, 可望 成为纯水制造的主流技术. EDI 在早期被称为填充床电渗析, 其概念始于 1950 年 [ 1 ] . 1955 年 Walters [ 2] 用填充床电渗析处理 放射性废水首次报道了一些操作参数. 此后, 研究工 作接连不断. 1987 年, 美国 Millipore 公司[ 3] 推出了 第一台商业性的 EDI 装置. Ionpure 公司[ 4] 于 1990 年推出了改进的 EDI 装置并逐渐实现了产业化, 其 EDI 业务在过去的 10 年中持续获得了惊人的增长. 国内在 80 年代中期之前曾有过“填充床电渗析”或 “高纯电渗析”( 即 EDI) 的研究报道[ 5~ 8 ] , 在处理纯 水和低放射性废水方面取得了一定成果, 但最终未 形成成型技术与装置. 近几年来, EDI 再度引起国内 水处理界高度重视, 一些单位已取得接近产业化的 研究成果. 水解离是 EDI 的核心问题, 控制操作参数使过 程中发生一定程度的水解离是 EDI 持续稳定运行 的必要条件. 本文实验考察了原水电导率、膜堆电流、浓淡水流量等因素对 EDI 水解离的影响, 用双 电层模型表达了离子交换界面的电势梯度, 对各种 影响因素的作用进行了理论解释. 

1 实验部分 

1. 1  实验流程与条件 实验流程Ⅰ :自来水※超滤 ※电去离子※产 品水 实验流程Ⅱ:自来水※超滤 ※反渗透※电去 离子※产品水 离子交换树脂: JL001, JL201 均粒树脂( 争光 化工集团公司) . 阴阳树脂体积比: 4∶ 6 . 1. 2  实验装置 EDI 膜堆:一级两段, 每段 4 个膜对, 在阳极处 增设一浓室作为保护室, 无极水. 浓室隔板: 300 mm×100 mm×0. 8 mm PP 板, 无回路, 内粘两层尼龙网. 淡室隔板: 300 mm×100 mm×6 mm PVC 板, 四室无回路, 自制. 

1. 3  实验方法 分别用超滤( UF) 水和反渗透( RO) 水为原水, 采用阴阳均粒树脂, 按体积比 4∶ 6 均匀混合, 填充在 淡室隔板中, 在不同的操作条件下, 记录浓、淡水 pH 值随膜堆电流的变化. 通过考察膜堆 pH -I, V -I 关系曲线, 分析过程中的水解离状况.

2 结果和讨论 

2. 1 原水电导率对水解离的影响 流程 I 中 UF 水的电导率为 440μ S/cm, 流程Ⅱ 中 RO 水电导率为 15 μ S/cm, 相同流量条件( 淡水 16 L/h, 浓水 4 L/h) 下的 pH-I 曲线分别如图 1 和 图 2 所示.

该现象表明在使用 UF 水为原水时, 水解离较 难发生; 而在以 RO 水为原水时, EDI 过程非常容易 发生水解离. 上述差别的主要原因是 UF 水的含盐量要远高 于 RO 水的含盐量, 同时 UF 水中多价离子较多, 浓 度滞流层中及树脂上的反离子都容易得到及时补 充, 浓度极化程度很小, 所以不易发生水解离. 以 RO 水为原水时, 由于盐离子浓度非常低, 且 盐离子多为一价小离子, 导电性能好, 迁移速度快, 这都导致在浓度滞流层内形成严重的浓差, 造成局 部的高电势梯度, 进而在极低的电流密度下就发生 水解离. 图 1 中淡水 pH 值在水解离后大幅上升, 其原 因是在实验范围内, 主要是阳膜和淡室溶液相的界 面层内发生水解离, 水解离产生的 H+离子进入浓 室, 而 OH -离子进入淡室. 由于原水含盐量较高, 膜堆电流较小时水解离 强度弱, 而低浓度的 OH-离子难以将阴树脂上其它 高价的、大的阴离子置换下来[ 9], 这使得阴树脂难 以被再生, OH-离子在淡水中过剩. 随着膜堆电流 的不断提高, 溶液相中的部分 OH-被消耗于阴树脂 的再生而进入树脂相, 但水解离导致的溶液相中 OH -离子的增长速度大于其消耗速度, 则淡水的 pH 值继续上升.

对比图 1 与图 2 可见, 用 EDI 处理 UF 水时, 在 膜堆电流达到 150 mA 之前, 浓淡水的 pH 值都是相 当稳定的. 随着膜堆电流的继续提高, 浓淡水 pH 值 才开始变化, 在膜堆电流达到 220 mA 时发生突变. 而用 EDI 处理 RO 水时, 浓水 pH 值在膜堆电流很 小( 小于 10 mA) 时就随膜堆电流的增大而迅速下 降, 其后下降幅度减小并最终趋于恒定.

2. 2  膜堆电流对水解离的影响 由图 1 可见, 随着膜堆电流的持续增大, 过程最 终仍然发生水解离. 其浓水 pH 值在发生突变后的 变化规律与图 2 所示相近, 均在迅速下降后逐步趋 于恒定. 因此, 无论以 UF 水还是 RO 水为原水, 当 膜堆电流达到一定值后, 过程中都将发生阳膜和淡 室界面层内的水解离. 膜堆电流越大, 水解离就越剧 烈, 浓水 pH 值下降也越多. 本文认为, 在膜堆电流继续增大到一定值后, 阴 膜与淡室的界面层内也将发生水解离, 从而抑制浓 水 pH 值的继续下降. 浓水呈酸性是因为在实验范 围内和实验条件下, 阴膜与淡室界面层内的水解离 程度较阳膜的要弱. 

2. 3  浓淡水流量对水解离的影响 图 3、图 4 分别为 EDI 处理电导率为 15 μ S/cm 的反渗透水, 浓水流量 4 L/h, 淡水流量分别为 4 L/ h( E1) , 8 L/h( E2) , 12 L/h( E3) 的膜堆 V -I 曲线 和浓淡水 pH -I 曲线. 由图 3 和图 4 可看出, 不同淡水流量条件下的 V-I, pH -I 曲线差异很小, 这表明在实验范围 内, 淡水流量对 EDI 的水解离影响很小. 这是因为 在电路上, 淡室中的溶液相与树脂相是并联关系, 由 于填充的离子交换树脂的导电能力远高于反渗透原 水, 因此树脂相电阻成为淡室电阻的决定因素, 离子传输主要通过树脂相进行. 在一定的淡水流量范围 内, 其流量的变化对淡室中起决定作用的树脂相电 阻影响很小, 因此对膜对总电阻的影响也很小, 则膜 堆电流不发生明显变化, 即由淡室迁移至浓室的离 子传输通量变化很小. 观察到不同淡水流量条件下 浓淡水 pH 值也无明显区别, 这可以说明淡水流量 对过程水解离程度的影响很小.

3 结论

EDI 中, 水解离的本质原因是离子交换界面的 高电势梯度. 原水含盐量越低, 多价离子与大离子越 少, 膜堆电流越高, 浓水流量越小, 水解离就越强. 淡 水流量对 EDI 的水解离没有明显影响, 增大浓水流 量有抑制水解离的作用. 各种影响因素促使水解离 增强的原因在于离子交换界面浓度极化加剧而导致 的界面电势梯度的提高.







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