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电去离子过程的实验研究
点击次数:820 发布时间:2015-03-11

    摘  要:通过对反渗透(RO)后接电去离子(EDI)过程的实验研究,考察了不同操作条件对EDI过程产水水质的影响,探讨了EDI过程去离子的zui佳操作参数,同时还考察了EDI产水过程的稳定性。实验表明,EDI过程可以长时间连续运行,并能获得高质量的纯水。同时还发现,提高EDI膜堆的操作电流可以得到高质量的纯水;进入EDI膜堆的原水电导率越低,EDI的产水水质就越好;适当提高EDI膜堆水回收率可以得到纯度较高的产水;适当提高EDI原水的温度对发挥EDI脱盐效果,获得高质量的纯水有利。

    关键词:电去离子水;纯水;电渗析;离子交换膜  
    中图分类号:TU991.26+3  
    文献标识码:A  
    文章编号:1005-829X(2000)09-0011-03
    作者简介:刘红斌(1968- ),1997年毕业于天津大学化学工程研究所,博士,助理研究员。
    收稿日期:2000-04-06
  电去离子(Electrodeionization,简称EDI)是电渗析与离子交换有机结合形成的一种新型膜分离技术,它既保留了电渗析可以连续脱盐和离子交换树脂可以深度脱盐的优点,又克服了电渗析不能深度脱盐以及浓度极化所造成的不良影响和离子交换树脂需用酸、碱再生的麻烦和造成的环境污染。EDI可以使去离子过程长时间连续运行,并能获得高质量的纯水,因此在高纯水制备上有着广阔的应用前景。
  本文通过对EDI过程的实验研究,考察了不同操作条件对EDI过程产水水质的影响,探讨了EDI过程去离子的zui佳操作参数,同时还考察了EDI产水过程的稳定性。
    1 实验部分
    1.1 实验组件
  EDI膜堆自制,全部采用国产原材料。
    1.2 实验流程
  自来水预滤活性炭反渗透EDI功能微孔滤膜产品水。
    1.3 实验数据的采集
  用万用表测量EDI膜堆的电压和电流。用量筒与秒表测量EDI浓、淡水的流量,以Vc和Vp分别表示浓、淡水流量。原水和浓水电导率采用带温度补偿的DDS-307型电导率仪测量。淡水电导率用RM220电阻率仪在线测量,然后换算成电导率。
    1.4 实验方法
  以反渗透水为EDI的原水。在EDI淡室隔板中填充混床离子交换树脂,阴、阳树脂按一定体积比混合。在不同操作条件下,记录EDI膜堆的电流、电压以及产水电导率,考察EDI过程产水电导率的影响因素。
    2 结果与讨论
    2.1 EDI膜堆的电压—电流特性
  EDI有着与电渗析不同的电压—电流特性,原水电导率为14μS/cm时,其电压—电流特性曲线示于图1。
    图1 EDI膜堆的电压—电流关系曲线
  膜堆电流随电压的增大而增大,当电压增大到一定程度时,电流增幅明显增大,而电渗析,当电压增大到一定程度时,电流增幅明显减小。从图1可以看到,电流大约为120mA时,电压—电流曲线上出现一个拐点。
  出现上述现象的原因是,当膜堆电压逐渐升高时,淡室中树脂与膜表面的浓度扩散层中的水在电势梯度作用下发生水解离现象,产生H+、OH-,它们不仅能负载部分电流,同时也将填充在淡室中的混床树脂上的盐离子置换下来,将树脂电再生为H型和OH型,使得有更多的离子参与负载电流。随着电压的升高,膜堆电流增大,当膜堆电压升高到一定程度,水解离加剧,淡室中产生过量的H+、OH-,进一步改善淡室的导电性能,从而造成膜堆电流增幅变大,在电压—电流的关系曲线上出现了一个拐点。
2.2 操作电流对产水电导率的影响
  从图1得知,不同的操作电压可以导致不同的膜堆电流,而不同的膜堆电流将导致EDI过程具有不同的运行状态,这必将影响EDI产水的电导率。因此膜堆电流是影响EDI产水电导率zui重要的因素之一。在一定的浓、淡水流量以及原水电导率为12μS/cm的条件下,改变膜堆的操作电流,记录产水电导率的变化情况,结果示于图2。
    图2 EDI产水电导率与操作电流的关系
  随着电流的增大,EDI产水电导率迅速减小(如图2A所示)。如果以双对数坐标对图2A重新作图,如图2B所示。可以看到,在电流为100mA时,也出现了一个拐点,即产水电导率随电流的升高而下降的幅度变小。这是由于,随着膜堆电流的升高,淡室中的水解离程度增大,产生H+、OH-数量多,对树脂的再生效果好,所以EDI产水电导率下降;当膜堆电流继续升高时,淡室中的水解离程度进一步增大,使得离子交换与树脂的再生逐渐达到平衡,产水电导率进一步下降,但随着膜堆电流继续升高,除了再生树脂外,剩余的H+、OH-主要用于负载电流,导致膜堆的电流继续增大,而产水电导率下降的幅度变小。
    2.3 原水水质对产水电导率的影响
  在浓、淡水流量分别为5L/h、21L/h,操作电压为50V,以不同电导率的原水作EDI进水,在去离子过程达到稳态后,选取了一段时间内产水电导率的实验数据,对实验时间作图,来揭示EDI产水电导率与原水电导率之间的关系,如图3所示。
    图3 EDI产水电导率与原水电导率的关系
  在原水电导率较低时,EDI的产水电导率也低,产水水质好。这是因为原水电导率低,其中离子的含量较低,直接导致产水水质提高,同时,离子浓度低,在淡室中树脂和膜的表面上形成的电势梯度也大,导致水的解离程度增强,产生的H+和OH-的数量较多,对填充在淡室中的阴、阳离子交换树脂的再生效果好,所以产水电导率低。
    2.4 EDI膜堆水回收率对产水电导率的影响
  EDI膜堆水回收率的计算公式为:回收率=VpVp+Vc×100%
  EDI膜堆水回收率对EDI的产水电导率有较大影响。图4表示的是产水电导率与水回收率之间的关系,其中原水的电导率为13μS/cm,膜堆电流为100~120mA。
    图4 EDI产水电导率与水回收率的关系
  从图4可以看到,产水电导率随EDI水回收率的增加而迅速降低,在水回收率为67%以上时产水电导率的变化趋于平缓。这是因为,水回收率增大,淡水流量变大,可以改善淡室中的水力学状态,减薄树脂颗粒表面滞流层的厚度,减小淡室的电阻,增大了膜堆的电流,促进离子的扩散迁移;浓水流量变小,增加了浓室中离子的浓度,也相应增大了膜堆的电流。但是,随着水回收率进一步增大,浓、淡室离子浓度相差较大,离子的反迁移即离子由浓室向淡室迁移程度趋大,所以在水回收率为67%以上时产水电导率的变化趋于平缓。
    2.5 原水温度对产水电导率的影响
  原水温度与EDI产水电导率的关系如图5所示,其中膜堆电流为100mA。
  随着EDI原水温度的升高,产水电导率降低。这是由于,原水温度升高,使得水中的离子在树脂和膜中的迁移和扩散的速度加快,有利于去离子过程。图5 EDI产水电导率与原水温度的关系
2.6 EDI产水过程的稳定性
  我们在不同的操作条件下,对EDI装置进行了长时间的运转,共运行了600h。在整个运行过程中,EDI装置性能稳定、工作可靠,产水水质可以根据操作条件的改变而变化。在膜堆电流为100mA,浓、淡水流量分别为32L/h、6L/h的条件下,EDI产水电导率和pH值随时间的变化关系见图6。
    图6 EDI产水过程的稳定性
  从图6可以看到,随着时间的推移,产水电导率逐渐降低,zui后稳定在0.065μS/cm,而pH值保持在6.2左右。
    3 结论
    (1)提高EDI膜堆的操作电流可以得到高质量的纯水,但从提高膜堆电流效率的角度出发,操作电流又不易太高;(2)预脱盐的效果越好,即进入EDI膜堆的原水电导率越低,EDI的产水水质就越好;(3)适当提高EDI膜堆水回收率可以得到纯度较高的产水,对小型EDI装置一般控制在75%为宜,浓水可以回收利用;(4)适当提高EDI原水的温度对发挥EDI脱盐效果,获得高质量的纯水有利。
    刘红斌,龚承元,苏建勇,朱孟府(军事医学科学院卫生装备研究所,天津 300161)

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