摘 要:通過對反滲透(RO)后接電去離子(EDI)過程的實驗研究,考察了不同操作條件對EDI過程產水水質的影響,探討了EDI過程去離子的*操作參數,同時還考察了EDI產水過程的穩定性。實驗表明,EDI過程可以長時間連續運行,并能獲得高質量的純水。同時還發現,提高EDI膜堆的操作電流可以得到高質量的純水;進入EDI膜堆的原水電導率越低,EDI的產水水質就越好;適當提高EDI膜堆水回收率可以得到純度較高的產水;適當提高EDI原水的溫度對發揮EDI脫鹽效果,獲得高質量的純水有利。
關鍵詞:電去離子水;純水;電滲析;離子交換膜
中圖分類號:TU991.26+3
文獻標識碼:A
文章編號:1005-829Ｘ(2000)09-0011-03
作者簡介:劉紅斌(1968- )，1997年畢業于天津大學化學工程研究所，博士，助理研究員。
收稿日期:2000-04-06
電去離子(Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ,簡稱EDI)是電滲析與離子交換有機結合形成的一種新型膜分離技術,它既保留了電滲析可以連續脫鹽和離子交換樹脂可以深度脫鹽的優點,又克服了電滲析不能深度脫鹽以及濃度極化所造成的不良影響和離子交換樹脂需用酸、堿再生的麻煩和造成的環境污染。EDI可以使去離子過程長時間連續運行,并能獲得高質量的純水,因此在高純水制備上有著廣闊的應用前景。
本文通過對EDI過程的實驗研究,考察了不同操作條件對EDI過程產水水質的影響,探討了EDI過程去離子的*操作參數,同時還考察了EDI產水過程的穩定性。
1 實驗部分
1.1 實驗組件
EDI膜堆自制,全部采用國產原材料。
1.2 實驗流程
自來水預濾活性炭反滲透EDI功能微孔濾膜產品水。
1.3 實驗數據的采集
用萬用表測量EDI膜堆的電壓和電流。用量筒與秒表測量EDI濃、淡水的流量,以Ｖｃ和Ｖｐ分別表示濃、淡水流量。原水和濃水電導率采用帶溫度補償的ＤＤＳ-307型電導率儀測量。淡水電導率用ＲＭ220電阻率儀在線測量,然后換算成電導率。
1.4 實驗方法
以反滲透水為EDI的原水。在EDI淡室隔板中填充混床離子交換樹脂,陰、陽樹脂按一定體積比混合。在不同操作條件下,記錄EDI膜堆的電流、電壓以及產水電導率,考察EDI過程產水電導率的影響因素。
2 結果與討論
2.1 EDI膜堆的電壓—電流特性
EDI有著與電滲析不同的電壓—電流特性,原水電導率為14μＳ/ｃｍ時,其電壓—電流特性曲線示于圖1。
圖1 EDI膜堆的電壓—電流關系曲線
膜堆電流隨電壓的增大而增大,當電壓增大到一定程度時,電流增幅明顯增大,而電滲析,當電壓增大到一定程度時,電流增幅明顯減小。從圖1可以看到,電流大約為120ｍＡ時,電壓—電流曲線上出現一個拐點。
出現上述現象的原因是,當膜堆電壓逐漸升高時,淡室中樹脂與膜表面的濃度擴散層中的水在電勢梯度作用下發生水解離現象,產生Ｈ+、ＯＨ-,它們不僅能負載部分電流,同時也將填充在淡室中的混床樹脂上的鹽離子置換下來,將樹脂電再生為Ｈ型和ＯＨ型,使得有更多的離子參與負載電流。隨著電壓的升高,膜堆電流增大,當膜堆電壓升高到一定程度,水解離加劇,淡室中產生過量的Ｈ+、ＯＨ-,進一步改善淡室的導電性能,從而造成膜堆電流增幅變大,在電壓—電流的關系曲線上出現了一個拐點。
2.2 操作電流對產水電導率的影響
從圖1得知,不同的操作電壓可以導致不同的膜堆電流,而不同的膜堆電流將導致EDI過程具有不同的運行狀態,這必將影響EDI產水的電導率。因此膜堆電流是影響EDI產水電導率zui重要的因素之一。在一定的濃、淡水流量以及原水電導率為12μＳ/ｃｍ的條件下,改變膜堆的操作電流,記錄產水電導率的變化情況,結果示于圖2。
圖2 EDI產水電導率與操作電流的關系
隨著電流的增大,EDI產水電導率迅速減小(如圖2Ａ所示)。如果以雙對數坐標對圖2Ａ重新作圖,如圖2Ｂ所示。可以看到,在電流為100ｍＡ時,也出現了一個拐點,即產水電導率隨電流的升高而下降的幅度變小。這是由于,隨著膜堆電流的升高,淡室中的水解離程度增大,產生Ｈ+、ＯＨ-數量多,對樹脂的再生效果好,所以EDI產水電導率下降;當膜堆電流繼續升高時,淡室中的水解離程度進一步增大,使得離子交換與樹脂的再生逐漸達到平衡,產水電導率進一步下降,但隨著膜堆電流繼續升高,除了再生樹脂外,剩余的Ｈ+、ＯＨ-主要用于負載電流,導致膜堆的電流繼續增大,而產水電導率下降的幅度變小。
2.3 原水水質對產水電導率的影響
在濃、淡水流量分別為5Ｌ/ｈ、21Ｌ/ｈ,操作電壓為50Ｖ,以不同電導率的原水作EDI進水,在去離子過程達到穩態后,選取了一段時間內產水電導率的實驗數據,對實驗時間作圖,來揭示EDI產水電導率與原水電導率之間的關系,如圖3所示。
圖3 EDI產水電導率與原水電導率的關系
在原水電導率較低時,EDI的產水電導率也低,產水水質好。這是因為原水電導率低,其中離子的含量較低,直接導致產水水質提高,同時,離子濃度低,在淡室中樹脂和膜的表面上形成的電勢梯度也大,導致水的解離程度增強,產生的Ｈ+和ＯＨ-的數量較多,對填充在淡室中的陰、陽離子交換樹脂的再生效果好,所以產水電導率低。
2.4 EDI膜堆水回收率對產水電導率的影響
EDI膜堆水回收率的計算公式為:回收率=ＶｐＶｐ+Ｖｃ×100%
EDI膜堆水回收率對EDI的產水電導率有較大影響。圖4表示的是產水電導率與水回收率之間的關系,其中原水的電導率為13μＳ/ｃｍ,膜堆電流為100～120ｍＡ。
圖4 EDI產水電導率與水回收率的關系
從圖4可以看到,產水電導率隨EDI水回收率的增加而迅速降低,在水回收率為67%以上時產水電導率的變化趨于平緩。這是因為,水回收率增大,淡水流量變大,可以改善淡室中的水力學狀態,減薄樹脂顆粒表面滯流層的厚度,減小淡室的電阻,增大了膜堆的電流,促進離子的擴散遷移;濃水流量變小,增加了濃室中離子的濃度,也相應增大了膜堆的電流。但是,隨著水回收率進一步增大,濃、淡室離子濃度相差較大,離子的反遷移即離子由濃室向淡室遷移程度趨大,所以在水回收率為67%以上時產水電導率的變化趨于平緩。
2.5 原水溫度對產水電導率的影響
原水溫度與EDI產水電導率的關系如圖5所示,其中膜堆電流為100ｍＡ。
隨著EDI原水溫度的升高,產水電導率降低。這是由于,原水溫度升高,使得水中的離子在樹脂和膜中的遷移和擴散的速度加快,有利于去離子過程。圖5 EDI產水電導率與原水溫度的關系
2.6 EDI產水過程的穩定性
我們在不同的操作條件下,對EDI裝置進行了長時間的運轉,共運行了600ｈ。在整個運行過程中,EDI裝置性能穩定、工作可靠,產水水質可以根據操作條件的改變而變化。在膜堆電流為100ｍＡ,濃、淡水流量分別為32Ｌ/ｈ、6Ｌ/ｈ的條件下,EDI產水電導率和ｐＨ值隨時間的變化關系見圖6。
圖6 EDI產水過程的穩定性
從圖6可以看到,隨著時間的推移,產水電導率逐漸降低,zui后穩定在0.065μＳ/ｃｍ,而ｐＨ值保持在6.2左右。
3 結論
(1)提高EDI膜堆的操作電流可以得到高質量的純水,但從提高膜堆電流效率的角度出發,操作電流又不易太高;(2)預脫鹽的效果越好,即進入EDI膜堆的原水電導率越低,EDI的產水水質就越好;(3)適當提高EDI膜堆水回收率可以得到純度較高的產水,對小型EDI裝置一般控制在75%為宜,濃水可以回收利用;(4)適當提高EDI原水的溫度對發揮EDI脫鹽效果,獲得高質量的純水有利。
劉紅斌,龔承元,蘇建勇,朱孟府(軍事醫學科學院衛生裝備研究所,天津 300161)
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