浓水充填逆流电除盐术的研究.doc

浓水充填逆流电除盐技术的研究 ??时间:2009-12-23??17:25:32????来源:北京格兰特膜分离设备有限公司，北京100102????作者:孟广祯，杨 昭 【字体：大 中 小 简 繁】【收藏】【关闭】 　　传统的液体脱盐主要方法是离子交换法.其中一级除盐主要通过阳离子交换床和阴离子交换床实现，而二级除盐一般通过混合离子交换床来实现.离子交换法存在的最大问题是离子交换树脂必须使用酸和碱再生，因此造成化学品的大量使用和环境污染；也造成了运行的间断和运行参数的波动.传统的一级除盐可以用反渗透膜技术代替，而传统的二级除盐装置（混合离子交换床）则可以用电除盐膜技术代替.与混合离子交换床相比，电除盐装置有不需要化学再生，不需要消耗酸和碱，脱盐水的纯度稳定、运行费用低、无污水排放的优势，因此电除盐技术得到了广泛的关注.但是，目前为止，由于包括了电除盐技术的水处理系统投资和运行费用较高等问题，这一技术更加广泛的应用受到了限制. 1、电除盐技术的原理 　　电驱动除盐方法主要包括电渗析（Electro-dialysis, ED）技术和电除盐技术（Electro-de- ionization EDI），电除盐也被称为充填电渗析或连续电除盐.电除盐技术就是利用混合离子交换树脂吸附淡水室给水中的阴阳离子，同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用下，分别透过阴阳离子交换膜进入浓水室而被浓水携带去除的过程.　　电除盐装置的基本结构在美国专利US2815320（1957）和中国专利Z8中得到了描述.在电除盐装置淡水室中充填的离子交换树脂为离子迁移提供了一个导体，使得离子在除盐水中的迁移变得迅速和有效.电渗析和电除盐二者结构上的区别是后者至少在淡水室中充填有离子导体；二者在应用上的区别是前者用于溶液的初步脱盐而后者用于溶液的深度脱盐；二者运行条件上的区别是前者在极限电流以下工作而后者在极限电流以上工作.其中极限电流(I0)是指迁移液体中所有离子需要的电流，可以根据液体中盐总浓度M(mole/L), 流过一对膜之间的流量F(L/s)和法拉利常数计算.I0(A)=96500(Q/mole) x M(mole/L) x F(L/s) （1）　 　由于水中存在水分子的电离平衡，水电离产生的氢离子和氢氧根离子会参与离子迁移，这部分离子迁移对电除盐装置电流IT的贡献被称为过剩电流IE.与水中其他离子迁移相关电流称为除盐电流ID：IT= ID+IE （2）　 　由于氢离子和氢氧根离子或多或少地参与离子迁移过程，因而当电除盐装置在极限电流或极限电流以下（IT≤ IO）运行时，给水中的盐不会被全部清除，除盐水的纯度不能保证.另外在此条件下，水中的弱电介质（例如二氧化碳和二氧化硅）也较难被清除.因此，电除盐装置一般要求在一定的过剩电流的运行条件下工作（IT＞ IO）. 2、电除盐技术的现状问题 　　最早的电除盐技术概念的提出可以追溯到1953年(美国专利2815320)，商业应用也有超过20年的历史。尽管如此，这一技术还存在多项技术问题的困扰。 2.1 离子交换膜表面极化引发结垢 　　传统的电除盐装置是顺流式，即淡水和浓水均采用下进上出的方式，或淡水和浓水均采用上进下出的方式.在淡水室入水端，由于淡水中离子交换树脂的选择性，水中的高价离子（Ca2+，Mg2+, SO42-等）首先被离子交换树脂吸附，而被离子交换树脂吸附的离子会以非常快的速度迁移进入浓水；接着水中低价离子（Na+，Cl-等）也会以类似的方式被迁移进入浓水.在接近淡水室出水端，由于几乎所有的强电解质均被迁移进入浓水，水中绝大部分导电的离子是氢离子和氢氧根离子，此时穿透阳离子交换膜的离子几乎全部是氢离子；穿透阴离子交换膜的离子几乎全部是氢氧根离子.因此在接近淡水室出水端，阴阳离子交换膜浓水侧表面出现极化现象，即阳离子交换膜的浓水侧表面pH值很低，阴离子交换膜浓水侧表面pH值很高.在接近淡水出水端，浓水中如果有较高浓度的的硬度或硅化合物，这些物质在电场的推动下不断撞向阴阳离子交换膜极化的表面，而分别在阴阳离子交换膜表面产生结垢.这种现象随着过剩电流的增加而趋于恶化. 2.2 过剩电流的技术问题 cm），而与之一膜之隔的浓水室浓水盐浓度约为100-300mg/L.这一浓度差造成的浓水盐分向淡水扩散的强大化学势.为了避免这一化学势引发的反向离子扩散，电除盐装置必须用较高的电动势来克服浓差化学势，而较高的电动势当然伴随较高的过剩电流IE.另外也可以理解为大量的氢离子和氢氧根离子的正向迁移阻挡了浓水中离子向淡水中的反向扩散.较高的过剩电流已经成为已知电除盐技术的特征.电除盐装置淡水纯度越高，这一化学势也越高，需要的电动势和过剩电流也越高，阴阳离