李志軍，夏中明，周柏青，徐厚道
(武漢大學水質工程系，湖北　　 武漢　　 430072)

　　摘要：介紹了EDI技術的基本特點，通過描述原水中含鹽量和流速對膜堆的電流的影響，對EDI連續脫鹽的機理加以解釋。實驗表明，原水含鹽量較低時，在膜和樹脂表面易于發生水解離，使淡水室中的樹脂得到更好的再生；流速的大小變化對膜堆電流的影響不大，因此在低流速能夠得到更好的水質。同時對淡水室樹脂層態進行了分析，詳細描述EDI脫鹽工藝中的離子遷移行為。
　　關鍵詞：EDI；離子交換；樹脂；脫鹽
　　中圖分類號：TU991.26　　 文獻標識碼：A　　 文章編號：1009—2455(2004)04—0015

AStudy of Mechanism of Continuous Demineralization Using EDI Technology

LIZhi-jun，XIAZhong-ming，ZHOU Bai-qing，XU Hou-dao
(Departmentof Water Quality Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072，China)

　　Abstract：An introduction is made to theessential characteristics of EDItechnology. The mechanism of continuous demineralization using EDI technologyis explained through describing the effects of the salinity and flow rate ofraw water on the applied electric current．Experiment showed：when the salinity of raw water was lower，water dissociation easily tookplace on the surfaces of the film and the resin，which resulted in a better regeneration of the resin in the freshwater compartment；changes offlow rate did not have much influence on the applied electric current，so that better quality of water canbe obtained at low flow rates．Meanwhile，the form of the resin layer in the fresh water compartment isanalyzed，with adetailed description made of the ion migration behavior in the EDIdemineralization process．
　　Key words：EDI；ion exchange；resin，demineralization

　　EDI是一種將電滲析與離子交換有機結合的膜分離技術，它綜合了電滲析連續脫鹽和離子交換樹脂深度凈化的優點，同時克服了這兩種分離技術原有的缺點。EDI裝置的構造類似電滲析器，所不同的是在淡水室中充填有陰、陽離子交換樹脂。人們在過去的研究中較少考慮擴散層對運行參數的影響，本文將重點考察原水含鹽量和流速對膜堆的電流的影響，并通過擴散的原理對此加以解釋；同時對淡水室樹脂層態進行分析。

1 試驗裝置

　　EDI裝置為自制，立式結構，規格為200mm×400mm，陰、陽離子交換膜為均相膜，淡水室填充凝膠性陰、陽離子交換樹脂(體積比2：1)，陰、陽電極均采用鈦涂釘電極，由0—200V可控硅整流器提供直流電源。
　　試驗用的EDI的進水用一級除鹽水加Na₂SO₄和CaCl₂配制。

2 試驗結果和討論

2.1 原水合鹽量對膜堆電流的影響
　　進水含鹽量對操作電流的影響如圖1所示，一定的電壓范圍內，當進水的電導率為60 μS／cm時，膜堆的電流與電壓成線性關系；當進水的電導率為20μS／cm時，電流與電壓關系曲線大致以電流等于60mA為界，電流較低時為直線關系，較高時則斜率增加。

　　　　　　

　　淡水室內的離子遷移可看成為兩個并行過程：一是陰、陽離子在水中分別向陽極和陰極方向遷移，二是離子進入樹脂孔道中發生離子交換后，即在樹脂顆粒中遷移^[1]。如圖2所示，設淡水室中水和樹脂的電阻分別為R_W和R_r，R₁為溶液相的電阻，R₂與R₃為陰陽表面擴散層電阻，即

　　R_W=R₁+R₂＋R₃　　（1）

　　淡水室的總電阻R_總由歐姆定律得：

　　R_總=（R_rR_W）/(R_r+R_W)　　　　 (2)

　　在淡水室中，由于EDI進水的電導率較低，樹脂導電能力比原水要高2-3個數量級^[2]，所以原水中的離子主要通過在樹脂層中的遷移進入濃水室。我們從圖1中也可以看到，上述理論得到了很好的解釋，在電流小于60mA時，同一電壓下，原水電導率為60μS／cm的電流比20μS／cm的電流要高，但并不與電導率之比成正比，這是因為雖然溶液相的電阻不同，但淡水室的電阻主要由樹脂層的串阻單定，因此相應的電流相差不大。
　　原水含鹽量的不同是導致膜堆電流與電壓曲線不同的主要原因。當膜堆電流超過極限電流時，由于擴散層遷移到交換膜和樹脂層中的離子數量大于主體溶液遷移到擴散層中的離子數量，造成擴散層離子濃度下降，擴散層電阻上升，該處的電勢梯度也相應增加，水分子在高電勢的作用下，大量地分解為H⁺和OH^-，在電場的作用下定向移動，承擔傳遞電流的責任。當原水電導率較低時，擴散層中濃度梯度小，離子在擴散層中的傳遞速度較慢，只需很小的電流，就可使膜和樹脂界面離子濃度迅速減少，使得在膜和樹脂界面上發生解離，由于氫離子和氫氧根離子在樹脂中的遷移速度比其它離子在甲脂中的遷移速度快，使得電流上升，進一步加速了擴散層的極化現象，從而產生更多的H⁺和OH^-，淡水室中的樹脂因此得到更好的再生，通常EDI設備原水含鹽量不應大于40μS／cm^[3]。
2.2 原水流速對膜堆電流的影響
　　原水流速對膜堆電流的影響如圖3所示．不同原水流速下電流電壓曲線差異很小，說明原水流速對膜堆電流的影響很小。

　　原水流速對EDI的電流影響很小，這是因為在淡水室中，溶液相與樹脂相是并聯關系，由于離子交換樹脂的導電能力遠高于原水的導電能力，離子傳輸主要通過樹脂相進行，在一定的淡水流量范圍內淡室中的溶液相離子濃度的變化對總電阻的影響也很小，則膜堆電流不發生明顯變化。
　　流速較低時，溶液中的液流屬于層流。在淡水室里，由于膜和樹脂表面附近液體的流動受到膜的心房以霹近表面的液流速度減小。在膜與流遭幾乎為零，擴散層的厚度很薄，一般只有1×10^-3～1×10^-2cm^[4]。水的解離主要在擴散。根據能斯特方程，當溶液相的離子濃度相同時，擴散層表面的厚度對其傳質起著決定性作用。由于原水流速對擴散層厚度的影響較小，使得不同流速下膜和樹脂表面擴散層的厚度一致，所以在不同的原水流速下電流-電壓曲線差異很小。在膜堆電流一致時，不同流速韻原水在同一時間通過擴散層的離子數量相同，由于流速較低時，進入淡水室中的離子含量較低，所以低流速能夠得到更好的水質，但相應地效率較低，運行時應根據情況來確定，該裝置流速應控制在10-20L／h較為理想。
2.3 樹脂層態的分析
　　為了更好地說明EDI的工作原理；試驗時淡水室的樹脂層按水流方向(水流方向見圖4)分為4段，并按垂直水流的方向將樹脂分為2段。對運行一段時間后的陽離子樹脂層態進行分析，試驗結果如圖5、圖6所示。

　　在垂直于水流方向上，陽離子在樹脂層中向著負極作定向移動，導致靠近負極區域的失效樹脂越來越多，同時，陽膜界面極化產生的H⁺離子在直流電場的作用下向負極移動，在移動的過程中對失效樹脂進行再生，將正極附近的失效樹脂中的陽離子置換下來，因此在陽離子的樹脂層態圖中，靠近負極區域上的失效樹脂比靠近正極區域的失效樹脂的質量分數高。而陰離子的樹脂層態圖則相反，靠近正極區域的失效樹脂比靠近負極區域的失效樹脂的的質量分數高。混床的垂直水流方向的樹脂的層態分布與EDI有較大的差異，其失效樹脂的的質量分數基本一致。
　　在順水流方向上，失效樹脂的的質量分數逐漸減少，和混床運行時的樹脂層態完全相同。不同點在于，混床隨著運行時間的變化，樹脂床層逐漸向下移動，保護層越來越薄，最后導致喪失交換能力，必須通過再生使其恢復工作狀態。而EDI在運行過程中，其樹脂層態保持相對穩定，不會隨運行時間發生變化。
　　EDI的樹脂層態按水流方向分為三個部分，即遷移層、穩定層、保護層。遷移層位于淡水室人口處，溶液中離子含量較高，樹脂中離子發生遷移留下的空位能夠得到溶液主體中離子的補充，在遷移層中，離子的遷移方式與電滲析類似，不同的是在EDI中離子主要通過樹脂層發生遷移，而電滲析中離子通過溶液發生遷移，由于樹脂的導電性能使得其極限電流較電滲析高，因此離子的遷移速度也相應增加。在穩定層中，隨著離子的遷移，溶液相中的離子逐漸減少，在直流電場的作用下，溶液中的離子難以承擔傳遞電流的責任，這時在膜和樹脂與溶液界面發生水解離的現象，使部分水分子裂解為氫離子和氫氧根離子，來完成電流的傳遞。氫離子和氫氧根離子在遷移的過程中使得陰陽離子樹脂得到再生，這樣穩定層中的樹脂處于不斷交換、不斷再生的穩定狀態。在淡水室出口，這時溶液中幾乎沒有其它離子，通過淡水室的電流主要由裂解的氫離子和氫氧根離子來傳遞，這些氫離子和氫氧根離子使該區域的樹脂得到高度再生，我們稱之為保護層，保護層中的樹脂主要以氫型和氫氧根型的形式存在。因此其交換能力更強，從其它層態泄漏的離子難以穿透，使出水水質得到了很好的保證。

3 結論

　　①當原水含鹽五不同時，電流—電壓曲線有著明顯的區別。原水含鹽量小時，膜堆容易發生水解離，因此EDI進水的含鹽量不應太高。在實際應用中，EDI通常與RO聯合使用，保證原水含鹽量應維持在較小的范圍內。
　　②原水流速對膜堆電流的影響很小，當膜堆電流相同時，由淡水室進入濃水室的離子也相同；由于流速低時，進入淡水室中溶液的電解質離子較少，因此膜堆出水水質相應較好。
　　③垂直水流方向上，由于離子遷移和電再生的影響，導致負極附近陽型失效樹脂較多，而正極附近陰型失效樹脂較多。順著水流方向上，EDI和混床樹脂層態相同，但層態在運行中保持相對穩定，使出水水質有著良好的保證。

參考文獻：

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[4] 李荻.電化學原理 [M]．北京：北京航空航天大學出版社，1999．　　

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作者簡介：李志軍(1974—)，男，湖南津市人，武漢大學水質工程系2002級碩士研究生，lzj2460@sohu.com。