電去離子凈水設(shè)備脫除弱電解質(zhì)的機(jī)理及能力

陳偉明

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

關(guān)鍵詞：電去離子過(guò)程;凈水技術(shù);機(jī)理

近年來(lái)，研制國(guó)產(chǎn)電去離子凈水裝置外，找到了一條更有前景的應(yīng)用電去離子技術(shù)的發(fā)展方向。去離子EDI凈水技術(shù)是一種電滲析與離子交換相互有機(jī)結(jié)合的膜分離脫鹽過(guò)程.在上世紀(jì)末，國(guó)際上EDI 技術(shù)首先被應(yīng)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(shù).EDI 凈水技術(shù)所具有的連續(xù)運(yùn)行、無(wú)人值守及對(duì)環(huán)境無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)被愈來(lái)愈多的人們所認(rèn)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(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛的開(kāi)拓和發(fā)展。

一、強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)

EDI 過(guò)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(shí)填充在淡水室內(nèi)的離子交換樹(shù)脂，不斷吸著水中的鹽分離子，按鹽分離子與離子交換樹(shù)脂之間的吸著能力進(jìn)行離子交換，將鹽分離子分層排列在離子交換樹(shù)脂上，形成離子交換層譜.在離子遷移和交換的過(guò)程中離子交換樹(shù)脂還傳遞著電流.因此，EDI過(guò)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(shí)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(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)。

強(qiáng)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(guò)程中，這些離子受電場(chǎng)作用在淡水室上部就全部遷移到濃水室，因此，EDI 過(guò)程很易將強(qiáng)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(méi)有離子生成，就無(wú)法參與EDI 過(guò)程，它們隨水流穿過(guò)淡水室上部，到了淡水室下部，作為EDI 過(guò)程的特征是在淡水室下部進(jìn)行著水的電離過(guò)程，即在水和膜或樹(shù)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(yīng)：

只要有HCO3-或H3SiO4-離子生成，這些離子就參與EDI 過(guò)程，如果淡水室下部足夠長(zhǎng)，最終它們都將遷移到濃水室被除去。由此可見(jiàn)，在EDI 過(guò)程中，強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)，各在不同的部位按不同的機(jī)理被除去.前者，過(guò)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(guò)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(yīng)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(shí)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(yīng)轉(zhuǎn)為離子才能被除去，這使其停留時(shí)間延長(zhǎng)，遷移路程拉長(zhǎng)，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(guò)程，提出一個(gè)反應(yīng)疊加實(shí)用模型[4] ，用這種模型可以更加形象地理解EDI 凈水設(shè)備除去強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的過(guò)程.按這一反應(yīng)疊加實(shí)用模型，將EDI 過(guò)程解體為電滲析和離子交換等組成反應(yīng)，依據(jù)各組成反應(yīng)的前后次序和發(fā)生地點(diǎn)，確定這些反應(yīng)在某種應(yīng)用場(chǎng)合下的主次位置，給出了離子交換層譜.在EDI 過(guò)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(guò)渡作用.該模型將填充在淡水室的離子交換樹(shù)脂層自上而下分為失效層、工作層和保護(hù)層。上部失效層，填充的樹(shù)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(dòng)平衡狀態(tài)，這些離子在電場(chǎng)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(shù)脂具有一定的交換能力，水中的離子一邊與樹(shù)脂發(fā)生離子交換作用，一邊受電場(chǎng)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(hù)層，水中的離子已極少，在此層內(nèi)水和膜或樹(shù)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(yáng)樹(shù)脂，使樹(shù)脂處于再生好的新鮮狀態(tài)，即為H 型陽(yáng)樹(shù)脂和OH 型陰樹(shù)脂，由于這一層再生好的新鮮樹(shù)脂的存在，不會(huì)發(fā)生離子穿透現(xiàn)象，從而使出水水質(zhì)很好.這三個(gè)區(qū)域的大小，在離子交換層能承受的離子負(fù)荷內(nèi)，隨著操作條件的變化而變化，始終處于一個(gè)動(dòng)平衡狀態(tài).從而，EDI 過(guò)程不斷進(jìn)行，連續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品水。

在反映EDI 過(guò)程的離子交換層譜上，強(qiáng)電解質(zhì)產(chǎn)生的各種離子所占有的譜帶按離子交換樹(shù)脂對(duì)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(guò)失效層和工作層，到達(dá)保護(hù)層.在保護(hù)層內(nèi)，在水和膜或樹(shù)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(shù)脂，同時(shí)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(wú)弱電解質(zhì)時(shí)兩者離子交換層譜的區(qū)別在于：有弱電解質(zhì)時(shí)將無(wú)弱電解質(zhì)時(shí)的部分保護(hù)層作為除去弱電解質(zhì)專(zhuān)用的工作層了，在有、無(wú)弱電解質(zhì)時(shí)的離子交換層譜的最下端均有保護(hù)層，在這一段內(nèi)，樹(shù)脂的再生度很高，用它來(lái)防止被除去離子穿透，從而使出水水質(zhì)很高。

在EDI 凈水設(shè)備進(jìn)水中CO2 含量過(guò)高時(shí)，CO2對(duì)EDI 過(guò)程的干擾極大，此時(shí)CO2 分子阻礙淡水室中強(qiáng)電解質(zhì)分子的遷移，用于除去離子交換層譜上強(qiáng)電解質(zhì)的工作層被拉長(zhǎng)，甚至拉長(zhǎng)至占有整個(gè)層譜，下部局部區(qū)域內(nèi)如有水解離反應(yīng)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(yán)重惡化.這時(shí)，淡水室離子交換層譜的最下端無(wú)保護(hù)層，產(chǎn)品水水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到原先預(yù)計(jì)的水質(zhì)，EDI 凈水設(shè)備已失去作為脫鹽精處理設(shè)備的功能。

三、去除弱電解質(zhì)的能力

Ionics 公司曾發(fā)表了評(píng)價(jià)EDI 凈水設(shè)備去除CO2 和SiO2 性能的報(bào)告[3] ，認(rèn)為，EDI 凈水設(shè)備對(duì)弱電解質(zhì)具有優(yōu)異的去除性能，對(duì)CO2、SiO2 的去除率分別達(dá)到99.2 %和98.5 %以上。采用Ionpure 公司產(chǎn)品EDI 凈水設(shè)備的純水工程的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)EDI 凈水設(shè)備進(jìn)水的電導(dǎo)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(shí)，EDI 凈水設(shè)備產(chǎn)品水的電導(dǎo)率為2 μS/cm.這說(shuō)明此時(shí)EDI 凈水設(shè)備產(chǎn)品水的水質(zhì)已嚴(yán)重惡化，EDI 凈水設(shè)備失去了應(yīng)有的凈水功能。這一實(shí)例說(shuō)明，水中弱電解質(zhì)離子的含量對(duì)EDI 凈水設(shè)備產(chǎn)品水的水質(zhì)有很大的影響，從而得出EDI 凈水設(shè)備去除弱電解質(zhì)能力不大的結(jié)論。實(shí)例認(rèn)為，EDI 凈水設(shè)備對(duì)弱電解質(zhì)有優(yōu)異的去除性能，去除率達(dá)到98.5 %以上.這是由于這個(gè)實(shí)例所引用的6 個(gè)工程中EDI 凈水設(shè)備進(jìn)水所含弱電解質(zhì)量極低（游離CO2 含量?jī)H幾個(gè)mg/L，SiO2 含量還不到mg/L 級(jí)）.此時(shí)，一旦有弱電解質(zhì)進(jìn)入EDI 凈水設(shè)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(shè)備對(duì)弱電解質(zhì)去除率有98.5 %以上的結(jié)論.當(dāng)然此時(shí)去除弱電解質(zhì)的數(shù)量不大。

結(jié)論

EDI 凈水設(shè)備的脫鹽能力分別消耗于脫除強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)，水中強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)得到徹底清除，EDI 凈水設(shè)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(jìn)水符合規(guī)定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，EDI 凈水設(shè)備產(chǎn)品水的電導(dǎo)率小于0.1 μS/cm，水質(zhì)很好.否則，產(chǎn)品水的電導(dǎo)率下降，水質(zhì)惡化.實(shí)踐中采用EDI 凈水設(shè)備的純水工程，其產(chǎn)品水水質(zhì)惡化的原因，往往是沒(méi)有徹底清除弱電解質(zhì)所致。

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（作者單位：佛山市美的清湖凈水設(shè)備有限公司）