電去離子裝置

工作原理

電去離子(EDI)系統(tǒng)主要是在直流電場的作用下，通過隔板的水中電介質離子發(fā)生定向移動，利用交換膜對離子的選擇透過作用來對水質進行提純的一種科學的水處理技術。電滲析器的一對電極之間，通常由陰膜，陽膜和隔板(甲、乙)多組交替排列，構成濃室和淡室(即陽離子可透過陽膜，陰離子可透過陰膜).淡室水中陽離子向負極遷移透過陽膜，被濃室中的陰膜截留;水中陰離子向正極方向遷移陰膜，被濃室中的陽膜截留，這樣通過淡室的水中離子數(shù)逐漸減少，成為淡水，而濃室的水中，由于濃室的陰陽離子不斷涌進，電介質離子濃度不斷升高，而成為濃水，從而達到淡化，提純，濃縮或精制的目的。

我國稱電去離子凈水技術為填充床電滲析.核工業(yè)部原子能研究所、國家海洋局杭州水處理中心和742廠等一些單位,從70年代起,曾作過填充床電滲析試驗裝置及相關技術的研究,也取得一些科研成果.但遺憾的是由于種種原因,使我國填充床電滲析技術停步不前,停滯了10多年,以致商品化的填充床電滲析器至今尚未面世.

EDI,除能連續(xù)出水外,一不需化學藥劑(酸、堿、鹽)再生,從而不污染環(huán)境;二可無人值守,從而為實現(xiàn)自動化創(chuàng)造條件;三適應性廣,從而可用于各行各業(yè)用水處理;四運行成本低,經(jīng)濟性好,易于普及推廣.國外一些專家的論證與分析[3]表明,在當今的水處理脫鹽系統(tǒng)中,采用反滲透(RO)與EDI組合工藝,可確保獲得最佳的水處理工藝性能,其經(jīng)濟性也不錯,為這種組合工藝的推廣,提供了良好的發(fā)展前景.

實用分析方法的要點描述如下:

1)將電去離子過程解體為電滲析過程和離子交換過程,它們彼此獨立,各受其所固有的規(guī)律所支配.它們兩者雖然都起從水中除去離子的作用,但是在電去離子過程中電滲析起真正清除掉離子的作用,而離子交換僅僅起去離子的中間過渡作用.

2)離子交換樹脂截留住離子,抑制了電滲析,使離子交換進行;樹脂解吸出離子,抑制了離子交換,使電滲析進行.以上兩點,可形象地示意為:

電去離子樹脂 截留離子樹脂解吸離子電滲析↓ 離子交換↑電滲析↑ 離子交換↓

3)電滲過程中離子遷移速度由該離子在水溶液和膜中的遷移率而定.各種離子遷移率的大小決定離子從淡水室遷移至濃水室的離子濃度分布層譜.在直流電場作用下離子電滲析遷移的方向與離子受水流流動挾帶運動的方向相垂直.因此,在淡水室中陰離子和陽離子的濃度分布層譜分別偏向兩側.

4)在電滲析出現(xiàn)濃差極化時會發(fā)生水的電離,它促使樹脂解吸.發(fā)生濃差極化的位置在水溶液和樹脂顆?；蚰ぶg的界面上,有隨機性.在樹脂顆粒表面界面層中發(fā)生水電離所生成的H 和OH-離子,能及時將鄰近失效樹脂再生;在膜表面界面層中發(fā)生水電離所產(chǎn)生的一種離子(H 或OH-)只是穿過膜,入濃水室,起電載體作用,不參與再生,另一種離子(OH-或H )作橫向遷移,參與再生.原有的離子電滲析濃度分布層譜會被這種隨機產(chǎn)生的水電離造成的樹脂解吸所破壞,并且會出現(xiàn)離子多次被樹脂解吸又吸附的現(xiàn)象.

5)離子交換反應速度極快,遠大于離子電滲析遷移速度,因此離子交換過程受擴散因素控制.同時,離子隨水流挾帶流動,水流不斷沖刷樹脂顆粒,使水中大部分離子在電滲析遷移出淡水室以前都被樹脂吸附截留住,以后再逐步解吸并電滲析遷移出淡水室而除去.可見,在電去離子過程中,樹脂是轉運離子的中間體.

6)電去離子過程中的離子交換應遵守通常的柱內離子交換層譜的分布規(guī)律[8]:在離子交換過程中,對某一種被吸附的離子,離子交換層可分為失效層、工作層和保護層;各離子層譜和先后置換的選擇性順序都根據(jù)它們與樹脂的親和力的大小而定.

含有保護水流的電去離子方法與裝置專利目的

《含有保護水流的電去離子方法與裝置》的目的在于針對上述問題和2009年EDI水處理技術的不足，提供一種能有效解決EDI膜堆中金屬氫氧化物結垢沉淀的新型EDI水處理方法與裝置?！逗斜Ｗo水流的電去離子方法與裝置》通過在常規(guī)的EDI膜堆中設置保護室，在其中引入保護水流，并采取特殊填充策略和水流運行工藝，使得可能導致結垢的Ga² 、Mg2 硬度離子和重金屬離子無法與OH^-離子在膜堆內部結合，從而避免結垢形成。這種新的EDI水處理工藝不僅可以使得在進水硬度達到10毫克·L^-1時仍可穩(wěn)定制取電阻率17兆歐·厘米的超純水，也可針對含Ni² 、Cu² 等重金屬離子達上百毫克·L^-1的工業(yè)廢水進行高效分離處理，過程運行更為穩(wěn)定，EDI膜堆壽命顯著延長 。

含有保護水流的電去離子方法與裝置技術方案

《含有保護水流的電去離子方法與裝置》是通過如下的技術方案實現(xiàn)的：

在EDI膜堆的兩側分別設置正、負電極室及相應的極水保護室，電極室與極水保護室之間用陽離子交換膜隔開。在極水保護室之間為按一定數(shù)目重復排列的膜堆基本工作單元。與傳統(tǒng)的電滲析（ED）和EDI技術中，每個基本工作單元均包括一個淡化室和一個濃縮室所不同的是，《含有保護水流的電去離子方法與裝置》中EDI膜堆的每個基本工作單元由正極方向到負極方向共包括三個隔室，即“淡化室-濃縮室-保護室”，依次排列。若干個這種三隔室基本工作單元重復排列，即構成膜堆。三隔室基本工作單元中，濃縮室與保護室之間用陰離子交換膜隔開，淡化室和濃縮室中均均勻填充混床樹脂，保護室中則分層填充樹脂。沿保護室的入水口到出水口的大部分樹脂床層中，填充的為陰離子交換樹脂；而在保護室中靠近出水口的少量樹脂床層中，填充的則是混床離子交換樹脂。在直流電場的驅動下，淡化室水流中的陽離子透過陽離子交換膜，遷移進入相鄰的濃縮室；陰離子則透過陰離子交換膜遷移進入相鄰的保護室。在每一個基本工作單元中，淡化水和保護水的水流方向相同，處于這兩股水流之間的濃縮水流的流動方向則與之相反，保護水流中不含有任何可與OH^-離子結合，生成金屬氫氧化物結垢的陽離子。更進一步地，保護水與濃縮水均采取部分循環(huán)工藝運行。保護水的出水有少量分流進入濃縮水循環(huán)系統(tǒng)，而淡化產(chǎn)水則有與之相等的水流分流進入保護水循環(huán)系統(tǒng)進行補充；對于濃縮水循環(huán)系統(tǒng)，則有同等的水流量分流出，作為濃縮產(chǎn)品水。

根據(jù)上述水流運行工藝，在運行過程中并不需要額外的第三方水流作為保護水。保護水流是由極少量淡化出水分流而得，并在整個系統(tǒng)中循環(huán)運行。除極水系統(tǒng)外，整個EDI運行系統(tǒng)僅有一股進水水流和兩股產(chǎn)水水流，即淡化原水、淡化產(chǎn)品水和濃縮產(chǎn)品水，后兩者的流量之和即等于淡化原水的流量。這三股水流的流量可根據(jù)需要任意調節(jié)，因此操作彈性大，機動性強。

上述含有保護水流的電去離子方法與裝置，具有以下特征：

1、膜堆的每個基本工作單元中，從正極側到負極側，依次有淡化室、濃縮室和保護室三個隔室，淡化室與濃縮室之間用陽離子交換膜分隔，濃縮室與保護室之間用陰離子交換膜分隔；

2、在淡化室、濃縮室及保護室中按照不同的填充策略均填充有離子交換樹脂，其中淡化室和濃縮室中均填充均勻混床樹脂，濃縮室所填充樹脂中，陰離子交換樹脂所占體積比為55-95％；保護室中樹脂床層分為上下兩部分，其中靠近進水口的樹脂床層占到總樹脂床層體積的50-85％，且所填充樹脂均為陰離子交換樹脂，而靠近出水口的樹脂床層占到總樹脂床層體積的15-50％，且所填充樹脂為陰陽混床樹脂；

3、在每一個三隔室基本工作單元中，淡化水與保護水的水流方向相同，并與濃縮水的水流方向相反；

4、濃縮水和保護水采取部分循環(huán)工藝運行。由淡化產(chǎn)品水分出少量水流作為保護水補充水，保護水出水分出少量水流作為濃縮水補充水，濃縮水循環(huán)罐再分出少量水流則為濃縮產(chǎn)品水，且三股水流分流的流量相等，從而濃縮水循環(huán)罐、保護水循環(huán)罐中的水量在運行過程中維持恒定。

《含有保護水流的電去離子方法與裝置》中，濃縮室中填充陰樹脂體積比55-95％的混床樹脂。一方面，與不填充樹脂的薄型隔室相比，在濃縮室中填充樹脂需要使用厚度增加的隔室。這使得金屬陽離子在平行于電場方向上的遷移路徑顯著增長；另一方面，濃縮室中過量的陰離子交換樹脂可在一定程度上阻止金屬陽離子朝向負極方向的遷移，可使之更快地隨濃水流排出膜堆。此兩方面因素均顯著降低了金屬陽離子與陰離子，包括OH^-離子結合的幾率，有利于阻止?jié)饪s室中形成結垢。此外，雖然濃縮室厚度較薄型隔室有所增大，但所填充的樹脂導電性能遠遠高于濃水流的導電性能，這使得在一定條件下，填充樹脂的濃縮室的電阻并不會高于未填充樹脂的薄型濃縮室的電阻，甚至會有所降低，從而不會導致過程電能消耗的增大。

《含有保護水流的電去離子方法與裝置》中，保護室中樹脂床層分為上下兩部分，其中靠近進水口的樹脂床層占到總樹脂床層體積的50-85％，且所填充樹脂均為陰離子交換樹脂。這可以促進與保護室相鄰的下一個基本工作單元中的淡化室內的鹽陰離子，在進入保護室后進一步遷移進入濃縮室，從而實現(xiàn)陽、陰離子的完整濃縮；而靠近出水口的樹脂床層占到總樹脂床層體積的15-50％，且所填充樹脂為陰、陽混床樹脂。這部分樹脂床層中的陽樹脂可針對性地抑制與該保護室相鄰的下一個基本工作單元中的淡化室內，靠近出水口的陰離子交換膜表面發(fā)生劇烈水解離反應的產(chǎn)物OH^-離子，在進入保護室后，繼續(xù)朝向正極方向遷移而進入濃縮室。這是因為，對于EDI過程而言，水解離總是在靠近淡化室出水口的離子交換膜和樹脂顆粒表面才劇烈發(fā)生；而在靠近淡化室的進水口處，由于水流中陰陽離子含量尚不是很低，水解離程度就相對較弱。

進一步地，根據(jù)《含有保護水流的電去離子方法與裝置》，EDI膜堆中濃水流方向與保護水和淡水流的方向相反。這使得在每一個濃縮室中，由淡化室遷移進入的金屬陽離子將以最快速度被濃水流帶出膜堆，濃縮室中不會產(chǎn)生金屬陽離子的累積現(xiàn)象；另外，淡化室中靠近出水口部位陰離子交換膜表面水解離產(chǎn)物之一，OH離子，將朝向正極方向遷移。在該方向上，淡化室與濃縮室之間有保護室將其分隔開。進入保護室的OH^-離子又將被同向水流的保護水流迅速帶出膜堆而不難以進入前方的濃縮室。因此，在每個基本工作單元中，金屬陽離子的最高濃度和OH^-離子的最高濃度不僅分別處于不同的隔室中（濃縮室和保護室），而且其水流方向相反。此外，淡化室中陽離子交換膜表面發(fā)生水解離時，其產(chǎn)物之一，H 離子，將直接進入與之相鄰的濃縮室，并隨著濃縮水流在濃縮室中逐漸累積，與金屬陽離子一起被帶出膜堆。這使得金屬陽離子濃度最高的部位，同樣也是H 離子濃度最高的部位。由于穩(wěn)態(tài)下，EDI淡化室中陰、陽離子交換膜表面的水解離程度或者相當，或者陰膜表面的水解離程度稍弱，因此即使有少量OH^-離子在進入保護室后，繼續(xù)向前遷移進入濃縮室，其數(shù)量也遠不足以中和濃縮室中不斷累積的H 離子。這就保證了濃水流pH將穩(wěn)定地維持為弱酸性，從而杜絕了結垢形成。對于保護室而言，由于進入保護室的水流不含任何可能結垢的金屬離子，因此同樣不會產(chǎn)生結垢。

顯然，根據(jù)上述運行工藝，隨著EDI系統(tǒng)的運行，保護水循環(huán)罐中的pH值將逐漸升高，而濃縮水循環(huán)罐中的pH將持續(xù)降低。由于整個系統(tǒng)運行并未加入任何其他化學品，因此在運行一定時間后可將兩個循環(huán)水罐中的溶液適當中和，混入淡水原水中。此后再注入新鮮保護水，則可恢復系統(tǒng)運行而不影響濃縮水的回收利用。由于保護水和濃縮水的循環(huán)液量可人為機動控制，水量可大可小，因此其對淡水原水水質波動的影響也可控制在預定范圍內。

根據(jù)上述含有保護水流的電去離子方法，實現(xiàn)該方法的電去離子裝置是通過以下技術方案實現(xiàn)的。電去離子裝置包括膜堆、電極裝置、夾緊支撐裝置和夾緊裝置四部分。夾緊裝置由兩塊夾緊板、拉緊螺栓與螺母組成；在兩張夾緊板的內側分別是正、負電極室與電極板組成的正負電極裝置；根據(jù)處理原水的具體水質，還可在正、負電極室的內側再分別設置極室保護室；在正、負極室之間是由一定數(shù)目的矩形中空支撐邊框板構成的夾緊支撐裝置；在中空支撐邊框板的中空腔體內是膜堆。膜堆的基本單元依次由陰離子交換膜、淡化室隔板、陽離子交換膜、濃縮室隔板、陰離子交換膜、保護室隔板各一張組成。并在淡化室中填充混床樹脂，濃縮室中填充陰樹脂體積比55-95％的混床樹脂，保護室中分層填充樹脂。膜堆可按需要組裝成一級一段或一級多段的構型 。

含有保護水流的電去離子方法與裝置改善效果

《含有保護水流的電去離子方法與裝置》所述含有保護水流的電去離子方法與裝置，其優(yōu)點在于：

（1）基于“淡化室-濃縮室-保護室”三隔室基本工作單元的的EDI膜堆構造，以及各隔室中不同的樹脂填充策略、濃縮水與淡化水、保護水之間為逆流的水流運行方式，杜絕了膜堆中可能的金屬氫氧化物結垢沉淀，從而顯著放寬了EDI的進水條件，拓寬了這一水處理技術的應用范圍；

（2）對于淡化水、濃縮水和保護水三股水流而言，整個EDI系統(tǒng)只需要淡水原水一股進水，同時只有淡化產(chǎn)品水和濃縮產(chǎn)品水兩股出水，系統(tǒng)運行更簡便；

（3）EDI膜堆運行過程中不需要使用阻垢劑，亦不需要進行化學清洗，運行費用節(jié)省，無二次污染產(chǎn)生；

（4）將《含有保護水流的電去離子方法與裝置》提供的EDI方法與裝置用于純水制備，可以將上游的兩級RO系統(tǒng)減少為一級RO系統(tǒng)，從而使整個水處理系統(tǒng)投資和RO濃水排放量均減少40％以上；

（5）將《含有保護水流的電去離子方法與裝置》提供的EDI方法與裝置用于重金屬廢水處理，可以在高效、穩(wěn)定、清潔的條件下實現(xiàn)廢水的同步純化與濃縮，利于同時回收純水資源和有價金屬 。