电去离子净水设备脱除弱电解质的机理及能力

陈伟明

摘要：电去离子（EDI）净水过程是一种电渗析和离子交换相结合的膜技术，在各类制备高纯水的脱盐系统中（EDI）净水设备作为一种精处理脱盐装置代替原来使用的离子交换混床"得到广泛使用。电去离子（EDI）净水设备能否从其进水中彻底除去弱电解质，是使用EDI 净水设备所碰到的关键问题.文章提出了EDI 净水设备脱盐能力的概念，并给出估算脱盐能力的经验公式，可用它作为衡量EDI 净水设备正常工作的判据.讨论了EDI 净水设备脱除弱电解质的机理和能力，及与脱除强电解质的区别，同时，还用提出的电去离子过程的反应叠加模型，通过离子交换层谱给以形象化的解释。

关键词：电去离子过程;净水技术;机理

近年来，研制国产电去离子净水装置外，找到了一条更有前景的应用电去离子技术的发展方向。去离子EDI净水技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。

一、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淡水室上部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.弱电解质，如H2CO3（含气体CO2）和H4SiO4（含胶体SiO2），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，它们随水流穿过淡水室上部，到了淡水室下部，作为EDI 过程的特征是在淡水室下部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，在淡水室下部，弱电解质分子与水电离所产生的OH-离子发生如下反应：

只要有HCO3-或H3SiO4-离子生成，这些离子就参与EDI 过程，如果淡水室下部足够长，最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，过程主要发生在淡水室上部，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，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。

二、离子交换层谱

为了形象地描述EDI过程，提出一个反应叠加实用模型[4] ，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、工作层和保护层。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，并解吸出相同的舊离子，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，最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 型阴树脂，由于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，连续稳定地生产出合格的产品水。

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OH-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了，在有、无弱电解质时的离子交换层谱的最下端均有保护层，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，从而使出水水质很高。

在EDI 净水设备进水中CO2 含量过高时，CO2对EDI 过程的干扰极大，此时CO2 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CO2转变为HCO3-离子，不等HCO3-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最下端无保护层，产品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。

三、去除弱电解质的能力

Ionics 公司曾发表了评价EDI 净水设备去除CO2 和SiO2 性能的报告[3] ，认为，EDI 净水设备对弱电解质具有优异的去除性能，对CO2、SiO2 的去除率分别达到99.2 %和98.5 %以上。采用Ionpure 公司产品EDI 净水设备的纯水工程的调试中发现，当EDI 净水设备进水的电导率为18 μS/cm 和游离CO2 含量为79.2 mg/L 及含硅（SiO2）量为0.8 mg/L 时，EDI 净水设备产品水的电导率为2 μS/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。这一实例说明，水中弱电解质离子的含量对EDI 净水设备产品水的水质有很大的影响，从而得出EDI 净水设备去除弱电解质能力不大的结论。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CO2 含量仅几个mg/L，SiO2 含量还不到mg/L 级）.此时，一旦有弱电解质进入EDI 净水设备，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。

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，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。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 净水设备產品水的电导率小于0.1 μS/cm，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。

参考文献：

[1] 徐新，林载祁.填充床电渗析器制备纯水的研究[J].水处理技术，2015，22（6）1.

[2] 李福勤，李清雪.混床离子交换树脂电再生的试验研究[J].河北建筑科技学院学报，2014，16（4）：14 ～ 16.

[3] 李清雪，王冬云.电去离子软水方法及所用装置[P].中国发明专利：2015.

[4] 王方.电去离子过程的反应叠加实用模型[J].清华大学学报，2014，38（7）

（作者单位：佛山市美的清湖净水设备有限公司）