电去离子净水设备脱除弱电解质的机理及能力 KSYHPD

术是一种电渗析与离子交换相互有机结合的膜分离脱盐过程。在上世纪末，国际上EDI技术首先被应用于制备纯水工程，作为脱盐系统中极其重要的精处理脱盐手段，它正在逐步替代原有的传统脱盐技术。EDI净水技术所具有的连续运行、无人值守及对环境无污染等一系列优点被愈来愈多的人们所认可，诸多公司的EDI产品不断涌现，在电力、电子、制药、石化等领域的应用得到广泛的开拓和发展。

在我国，由于种种原因，对EDI净水技术缺乏有计划的系统研究，尤其是EDI净水技术的产业化，更因缺少投资投入，进展不大，以致至今尚无批量投产的国产EDI净水设备。即使如此，EDI净水设备的国内市场，也逐步成熟。从1993年美国Ion-pure公司EDI产品因价高（1t/hEDI设备售价5万美元）无人问津，到2002年国外EDI产品在我国的销售额已达近亿元。国内*大的整套EDI净水装置的容量已达。240t/h，EDI技术已愈来愈多地被国内各行业的用户所接受。

随着国内EDI应用范围的扩大，碰到诸多的应用的问题，其中*主要的是集中在EDI净水设备脱去弱电解质的机理及能力方面。

1强电解质和弱电解质EDI过程除去水中盐分，是靠电渗析将水中的盐分离子从淡水室电渗析迁移至浓水室而除去的。

同时填充在淡水室内的离子交换树脂，不断吸着水中的盐分离子，按盐分离子与离子交换树脂之间的吸着能力进行离子交换，将盐分离子分层排列在离子交换树脂上，形成离子交换层谱。

在离子迁移和交换的过程中离子交换树脂还传递着电流。因此，EDI过程中电渗析、离子交换和传递电流这三种作用，只有以离子形态存在于水中的盐分才能同时参与，而以分子形态存在于水中的盐分就不参与。

水中的盐分按其电离度的大小分为强电解质和弱电解质。

强电解质，如NaCl，其分子在水中基本上全部电离为离子。在EDI过程中，这些离子受电场作用在上部淡水室就全部迁移到浓水室，因此，EDI过程很易将强电解质的离子除去。

（含胶体SiOz），其分子在水中几乎不电离，由于没有离子生成，就无法参与EDI过程，它们随水流穿过上部淡水室，到了下部淡水室。

作为EDI过程的特征是在下部淡水室进行着水的电离过程，即在水和膜或树脂之间的界面上，由于极化现象使水电离为H+和OH~离子。因此，在下部淡水室内，弱电解质分子与水电离所产生的OPT离子发生如下反应：离子生成，这些离子就参与EDI过程，如果下部淡水室足够长，*终它们都将迁移到浓水室被除去。

由此可见，在EDI过程中，强电解质和弱电解质，各在不同的部位按不同的机理被除去。前者，过程发生在淡水室上部，靠离子电渗析迁移被除去；而后者，过程发生在淡水室下部，还必须靠其分子与水电离产生的OH-离子反应转为离子才能靠电渗析迁移被除去。这样，前者，在淡水室内停留时间短，迁移路程短，因而，除去它们较容易；后者，分子还必须与OH―离子反应转为离子才能被除去，这使其停留时间延长，迁移路程拉长，因而，除去它们比较困难。

2离子交换层谱为了形象地描述EDI过程，作者曾提出一个反应叠加实用模型，用这种模型可以更加形象地理解EDI净水设备除去强电解质和弱电解质的过程。

按这一反应叠加实用模型，将EDI过程解体为电渗析和离子交换等组成反应，依据各组成反应的前后次序和发生地点，确定这些反应在某种应用场合下的主次位置，给出了离子交换层谱。在EDI过程中，电渗析起真正清除掉水中离子的作用，而离子交换仅仅起去离子的中间过渡作用。该模型将填充在淡水室的离子交换树脂层自上而下分为失效层（又称饱和层）、工作层和保护层（又称再生层）。上部失效层，填充的树脂呈盐基型，已被欲吸着离子所饱和，处于失效状态，但仍可吸着新离子，并解吸出相同的旧离子，处于动平衡状态，这些离子在电场作用下可作横向迁移，一部分被迁移至浓水室。中部工作层内的树脂具有一定的交换能力，水中的离子一边与树脂发生离子交换作用，一边受电场作用发生横向迁移和电渗析，*终它们基本上都迁移至浓水室而被除去。水流至下部保护层，水中的离子已极少，在此层内水和膜或树脂之间的界面上发生极化现象，使水电离为H+和OH离子，它们分别不断再生阴、阳树脂，使树脂处于再生好的新鲜状态，即为H型阳树脂和OH型阴树H由f这一层再生好的新鲜树脂的存在，不会发生离子穿透现象，从而使出水质很好。这三个区域的大小，在离子交换层能承受的离子负荷内，随着操作条件的变化而变化，始终处于一个动平衡状态。从而，EDI过程不断进行，连续不断地稳定地生产出合格的产品水，见图la.在反映EDI过程的离子交换层谱上，强电解质产生的各种离子所占有的谱带按离子交换树脂对这些离子的吸附顺序大小自上而下依次排列，至于弱电解质，因几乎不电离出离子，其分子就随水流穿过失效层和工作层，到达保护层。在保护层内，在水和膜或树脂之间的界面上发生水的电离，分解出H+和OtT离子，它们不断再生树脂，同时使弱电解质分子转变为离子，从而迁移到浓水室被除去。所以，有、无弱电解质时两者离子交换层谱的区别在于：有弱电解质时将无弱电解质时的部分保护层作为除去弱电解质专用的工作层，见图lb.应注意，在有、无弱电解质时的离子交换层谱的*下端均有保护层，在这一段内，树脂的再生度很高，用它来防止被除去离子穿透，从而使出水水质很篼。

在电去离子净水设备进水中C2含量过高时，0对电去离子过程的干扰极大，此时C2分子阻碍淡水室中强电解质分子的迁移，用于除去离子交换层谱上强电解质的工作层被拉长，甚至拉长至占有整个层谱，下部局部区域内如有水解离反应发生，又使Cz转变为HCCb―离子，不等HCOr离子迁移至浓水室，它就从淡水室中流出，使水质严重恶化。这时，淡水室离子交换层谱的*下端无保护层，出水水质远远达不到原先预计的水质，EDI净水设备已失去作为脱盐精处理设备的功能。

3脱盐能力EDI净水设备的脱盐能力是表示该EDI净水设备脱除水中盐分能力的大小。由于测定水中盐分大小常用电导率仪，所以，为方便起见，脱盐能力直接用电导率的单位计量。

在工程计算中，EDI净水设备的脱盐能力Q按下式计算：实测EDI净水设备进水的电导率，fiS/cm；' Cc2EDI净水设备进水中的0浓度，mg/L；CSi2EDI净水设备进水中的Siz浓度，mg/L；a，b――折算系数，计及单位换算和除去弱电解质的难易程度等，分别取3和2.根据现有EDI净水设备的结构和对进水的要求，EDI净水设备的脱盐能力通常取40MS/cm.如果对某种EDI净水设备的进水，测得（、（和CSlCV就可由上式计算出脱盐能力Q.计算出脱盐能力大于40fxS/cm，EDI净水设备产品水的电导率就达不到小于0.1fxS/cm，水质不好；计算出的脱盐能力比40MS/cm大的愈多，EDI净水设备产品水的水质就愈差。相反，计算出的脱盐能力比40pS/cm小的愈多，EDI净水设备产品水的水质也就愈好。

目前，在制备纯水工程中使用的EDI净水设备，是一种精处理用脱盐设备，用它将初级脱盐水（电导率<40fxS/cm）精制成高纯水（电导率<0.1fxS/cm），在这个初级脱盐水制备篼纯水的脱盐范围内，EDI净水设备的脱盐能力并不大，所以在应用EDI净水设备的纯水工程中，应将其脱盐能力，多少用于去除强电解质，又多少用于去除弱电解质，在工程设计时作好统筹分配或在调试和检测时计算清楚，对于正确利用EDI净水设备，达到经济可靠运行，是非常必要的。

4去除弱电解质的能力去除C2和Si2性能的报告，他们认为，EDI净7K设备对上述弱电解质具有优异的去除性能，对C2、Si2的去除率分别达到99.纯水工程的调试中发现，当EDI净水设备进水的电导率为18pS/cm和游离C2含量为79.2mg/L及含硅量为0 8mg/L时，EDI净水设备产品水的电导率为2pS/cm.这说明此时EDI净水设备产品水的水质已严重恶化，EDI净水设备失去了应有的净水功能。然而，在这一EDI纯水工程中的预处理工艺添加调整原水pH值工业纯水设备达到8. 4的加碱处理后，EDI净水设备产品水的电导率小于0.1LtS/cm，水质又非常好，这时EDI净水设备进水中游离C2应基本去除。这一实例说明，水中弱电解质离子的含量对E：DI净水设备产品水的水质有很大的影响反渗透纯水设备，从而得出EDI净水设备去除弱电解质能力不大的结用下面的论述来解释上述两个似乎矛盾的实例。

美国的实例认为，EDI净水设备对弱电解质有优异的去除性能，去除率达到98.5%以上。这是由于这个实例所引用的6个工程中EDI净水设备进水所含弱电解质量极低（游离C2含量仅几个mg/L，Si2含量还不到mg/L级）。此时，一旦有弱电解质进入EDI净水设备，它马上参与将其分子变成离子的反应，从而将弱电解质迁移至浓水室而除去。所以除去弱电解质非常有效，得出EDI净水设备对弱电解质去除率有98.5%以上的结论。当然此时去除弱电解质的数量不大。

制备纯水的实例。此时与水中弱电解质并存的是强电解质，而在未经加碱预处理以前，弱电解质的含量极高，用上述脱盐能力经验公式计算得到数值，已远远超过目前制备纯水用EDI净水设备的正常脱盐能力40pS/cm.这样，此时强电解质和弱电解质都要靠EDI净水设备去除，结果，不但强电解质没有被完全除去，而且大部分弱电解质也没有被EDI除去，部分已变为离子，部分仍是分子，都随EDI净水设备出水流出，所以永质严重恶化。在加碱调pH值进行预处理后，水中的游离C2基本被除去，这时再按上述脱盐能力经验公式计算得到的数值已小于40pS/an，这样，水中强电解质和弱电解质都将得以彻底清除，EDI净水设备产品水的电导率小于0.1uS/cm，水质很好。从而得出，EDI净水设备去除弱电解质的能力不大的结论。当然，只要水中强、弱电解质的含量按上述脱盐能力公式计算得出的数值小于40pS/cm，这时少量的弱电解质得以彻底清除，EDI净水设备产品水的电导率小于0.1 5结论EDI净水设备的脱盐能力分别消耗于脱除强电解质和弱电解质，给出了计算脱盐能力的经验公式，只要按脱盐能力公式得出的计算值小于40MS/cm，而EDI净水设备进水的水质又符合规定的水质标准，EDI净水设备产品水的电导率就小于0.1pS/cm.也就是说，此时水中强电解质和弱电解质得到彻底清除，EDI净水设备产品水的水质很好，EDI净水设备正常工作。否则，水质恶化，EDI净水设备处在不正常状态下工作。

EDI净水设备脱除水中强电解质的能力很强，在电场作用下靠离子电渗析迁移将强电解质除去。EDI净水设备脱除弱电解质是靠EDI净水设备独有的水电离反应的帮助，使弱电解质分子转变成离子才能靠离子电渗析迁移除去。因此，用EDI净水设备脱除强电解质与脱除弱电解质相比较：脱除强电解质，离子迁移路程短，停留时间短，脱除容易；脱除弱电解质，则离子迁移路程长，停留时间长，脱除困难。这样，在强电解质和弱电解质共存时，EDI净水设备优先将强电解质除去，如尚有脱盐能力剩余才消耗于脱除弱电解质。在弱电解质含量较少（小于剩余脱盐能力）且其进水符合规定水质标准的情况下，EDI净水设备产品水的电导率小于0.1MS/an，水质很好。否则，产品水的电导率下降，水质恶化。实践中采用EDI净水设备的纯水工程，其产品水水质恶化的原因，往往是没有彻底清除弱电解质所致。

利用作者所提出的电去离子过程的反应叠加实用模型，给出强电解质和弱电解质并存时的离子交换层谱，可以非常形象的说明EDI净水设备脱除强电解质和弱电解质的机理。强电解质，在EDI净水设备上部被除去，弱电解质，在EDI净水设备下部被除去。

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