1.1  原理
    電去離子（electrodeionization, 簡稱EDI）凈水技術^[1,2] ，是一種將離子交換和電滲析膜技術相互有機地結合在一起、只用電來除去水中離子的脫鹽凈水的新方法，國內(nèi)稱之為填充床電滲析脫鹽法。圖1所示是EDI凈水設備工作原理圖。

圖1  EDI凈水設備工作原理圖

1—陰離子交換膜；2—陽離子交換膜；3—陰離子交換樹脂；

4—陽離子交換樹脂；5—濃水室；6—淡水室

    在一定的工藝和操作條件下，當膜或樹脂與水的界面上極化過程發(fā)展到一定程度時，水就電離為H+和OH—離子，從而對樹脂實現(xiàn)動態(tài)電再生，這一過程是EDI技術的核心和基礎。通俗地講，在普通電滲析的淡水室內(nèi)填充混合樹脂，實現(xiàn)了
1）出水水質(zhì)變好，在進水電導率 < 40 μS/cm下，出水電導率在0.067 μS/cm以下；
2）設備連續(xù)運行，樹脂自行再生。
優(yōu)點：
1）連續(xù)出水，不設置備用設備；
2）工作穩(wěn)定可靠，無人值守，易于自動化；
3）自行再生，不消耗酸、堿，環(huán)境效益好；
4）運行成本低，易于普及推廣；
5) 能除細菌和熱原，能除硅。
    EDI與反滲透（RO）相結合的RO-EDI脫鹽系統(tǒng)[3]，將成為本世紀制備高純水用的主流脫鹽系統(tǒng)，將逐步代替離子交換，其*將不斷提高，估計未來可達85%左右。
1.2  發(fā)展歷史
1）國外：
1955年美國用EDI凈水設備處理放射性廢水；
1987年美國millipore公司首先實現(xiàn)EDI凈水設備生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化；
1991年Ionics公司進行EDI凈水設備改型，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
目前提供EDI凈水設備產(chǎn)品和工程服務的美國公司：Electropure 、Millipore、Ionpure 、Ionics、E-cell公司（加拿大與日本合作，現(xiàn)已被美國通用電氣公司收購）。
2）國內(nèi)：
上世紀70～80年代，實驗研究進入用自來水一步制備高純水的誤區(qū)；
1984年，原子能研究所制得1103型純水器；
1996～1997年，清華大學EDI及相關技術研究成果：
《電去離子純水器》實用新型（ZL96244874.5）；
《等空隙填充床電滲析器》實用新型（ZL97221361.9）；
《電去離子軟水方法及所用裝置》發(fā)明（ZL97116340.5）；
《離子交換樹脂的電再生方法及裝置》發(fā)明 （ZL 96120791.4）；用反應疊加實用模型解釋EDI過程。
1996年至今，以下等單位參與EDI研究：
      天津大學和軍事醫(yī)學科學院；
      杭州水處理技術研究開發(fā)中心；
      外資湖州歐美公司(卷式EDI凈水設備)。
1.3 進展
    我國已開始進入EDI產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的門檻，EDI產(chǎn)品在其zui大用戶火力發(fā)電廠內(nèi)剛開始使用，電網(wǎng)內(nèi)有120 t/h EDI凈水設備，寶鋼自備電站有240t/h EDI凈水設備，山東有6～7家自備電站使用EDI產(chǎn)品。這些產(chǎn)品基本上是從國外進口的，中國是個大國，不是進口多少套EDI凈水設備就能滿足要求，市場很大，產(chǎn)品利潤空間還不小。利用國內(nèi)離子交換膜等國產(chǎn)材料，生產(chǎn)出價廉而性能與國外產(chǎn)品相媲美的產(chǎn)品，將有望逐步提高國產(chǎn)EDI產(chǎn)品*。
    在制造國產(chǎn)的EDI凈水設備時，除吸收國外他人之長外，應采用國內(nèi)材料，因地制宜，并利用自主的知識產(chǎn)權。作者所發(fā)明的“等孔隙填充床電滲析器"是一種較好的EDI凈水設備，它除具有其它EDI凈水設備的一系列優(yōu)點外，還具有填充床孔隙均勻一致，流阻小，流速快，使用壽命長等特點。業(yè)已證實，等孔隙填充可使EDI凈水設備的漂洗電再生時間大大縮短。等孔隙填充技術已成為當今研制EDI凈水設備時，比較現(xiàn)實、方便且效果又較好的填充技術。
    在EDI凈水設備的淡水室中，以陽離子交換樹脂，代替通常填裝的陰、陽離子交換樹脂，就制得電去離子軟水器^[4]。將它放在納濾反滲透設備或傳統(tǒng)的電滲析器之后，作為軟化處理系統(tǒng)中的精處理軟化設備之用，這些設備共同組成了毋需鹽再生的連續(xù)軟水系統(tǒng)。這種連續(xù)軟水系統(tǒng)，運行只消耗電，可無人值守，實現(xiàn)了軟水自動化的變革。我國有50萬臺工業(yè)鍋爐補給水要用軟水，國民經(jīng)濟中其他行業(yè)對軟水也有不小的需求，他們對推廣自動化操作、無人值守、不用鹽再生只消耗電的電去離子軟水器懷有濃厚的興趣。盡管軟水器產(chǎn)品價位不高，但市場好，需求量大，推廣電去離子軟水器也會有很好的經(jīng)濟效益。
2  離子交換電再生技術
2.1  體外電再生系統(tǒng)^[5，6]
    在EDI凈水設備運行時，膜和樹脂與水的界面上不斷地進行著水的電離，電離所產(chǎn)生的H+和OH—離子不斷地再生著失效的離子交換樹脂，結果在樹脂層底部形成一層由新鮮樹脂組成的保護層，從而使EDI凈水設備的出水水質(zhì)很好。因此，EDI凈水設備運行中能再生失效樹脂是其固有的特性，這一特性能否利用來再生普通離子交換器中的失效樹脂？可否設計一種結構類似于EDI凈水設備而又讓樹脂在其中流動暢快的體外電再生器？回答是肯定的。這時，只要*地將失效樹脂從體外電再生器進口送入，在直流電場的作用的下就有再生好的樹脂從出口連續(xù)流出，在體外電再生器內(nèi)，進行著樹脂的電再生過程。這樣，就利用這種體外電再生器代替了原來離子交換器再生所用的酸、堿再生系統(tǒng)，實現(xiàn)了失效離子交換樹脂的體外電再生。   

    這種離子交換樹脂體外電再生構思是作者在研究EDI凈水設備中工作過程時形成的，這一體外電再生系統(tǒng)正確性的直接驗證是由目前正在使用的近萬套EDI凈水設備所提供的，這些EDI凈水設備能可靠地運行不就是樹脂電再生正在EDI凈水設備中進行的例證嗎？然而，人們并不滿足于這種驗證，設計了種種實驗裝置，演示了樹脂電再生過程，測定了有關數(shù)據(jù)，論證了實施樹脂電再生的可行性。
2.2  可行性論證
1）河北建筑科技學院
    李福勤等^[7]受本樹脂電再生法這一發(fā)明的啟發(fā)，設計了淡水室為200mm×100mm×10mm的 EDI凈水設備試驗裝置，測定了影響混床離子交換樹脂電再生的有關參數(shù)。試驗證實，該試驗裝置可使樹脂充分再生，樹脂再生的效果*，試驗顯示了樹脂電再生技術有良好的可行性。確定該試驗裝置的再生電壓為30V，再生時間為40min，計算得出淡水室流速為0.5～1.0cm/s。
    用雙極膜進行復床離子交換樹脂電再生的試驗研究，被列為河北省2000年科技攻關指導計劃項目（00213093）。雙極膜是陽離子交換樹脂層、陰離子交換樹脂層和中間界面親水層所組成，在直流電場的作用下，它能將水電離成H+和OH—離子。李福勤等[8]用雙極膜（上海產(chǎn)）將淡水室一分為二，雙極膜兩側分別填充陰、陽樹脂，用該試驗裝置進行復床離子交換樹脂電再生可行性的試驗研究。試驗結果表明，當再生電壓為60V和再生時間為60min時，該樹脂電再生裝置可將失效樹脂再生至接近化學再生的程度，顯示了樹脂電再生技術有良好的可行性。

2）天津大學
    王建友等^[9]曾在自制的EDI凈水設備中填充鹽基型混床樹脂試驗樹脂電再生的可行性，以電導率為10～18μS/cm的RO出水作為該EDI凈水設備的進水，通電運行約18 h，產(chǎn)品水電導率由3.3μS/cm下降至0.067μS/cm以下，使混床樹脂得到有效的再生。因此，在一定的工藝條件下，用EDI凈水設備可將Na、Cl型樹脂電再生處理到接近乃至超過酸、堿再生的程度^[10] 。
3）北京國電龍源環(huán)保工程有限公司和華北電力大學
    國家電力公司對離子交換樹脂電再生技術的研究和開發(fā)工作，是由本文作者作為樹脂電再生發(fā)明人建議、北京國電龍源環(huán)保工程有限公司申辦的，并將它列為2001年國家電力公司科技基金項目（SP-2001-02-25）。由于某種原因，發(fā)明人未參加此研究開發(fā)工作。
    用自制的試驗裝置得出的研究結果表明，離子交換樹脂經(jīng)電再生后其工作交換容量可達到現(xiàn)場使用標準（300 mmol/L以上）。他們還用雙極膜進行復床離子交換樹脂電再生試驗^[11，12] 。試驗表明，國產(chǎn)膜不能滿足使用要求，而用日本膜可得到令人滿意的電再生效果。
    用自制的試驗裝置得出的研究結果表明，混床離子交換樹脂經(jīng)電再生后其工作交換容量可達到現(xiàn)場使用標準（300 mmol/L以上），而再生效果的重現(xiàn)性差，在相同的試驗條件下重復6次試驗，所測得的再生后樹脂工作交換容量分別為288, 321, 163, 179, 204, 196 mmol/L。他們還發(fā)現(xiàn)，樹脂破碎程度隨著試驗次數(shù)增多逐漸明顯，而這會影響樹脂再生效果。因此，測定了再生樹脂的耐磨率，一般樹脂的耐磨率的正常值為95%，而再生后的樹脂的測定值僅為19.6%（陽樹脂）和3.7%（陰樹脂）。他們在論文^[13]中驚呼：“使用過的樹脂在進行耐磨率實驗時，基本沒有完整的圓形顆粒，絕大部分已成粉末"。他們把產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因歸結為樹脂的電再生所致，即認為，“樹脂顆粒發(fā)生了再生－失效－再生的循環(huán)過程，導致樹脂顆粒無數(shù)次的膨脹－收縮－膨脹，從而使樹脂易破裂，理化性能下降，再生效果不穩(wěn)定。"
    本文作者在用EDI凈水設備產(chǎn)品進行10余次樹脂電再生試驗時并未觀察到試驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和樹脂破裂等現(xiàn)象，至今也沒看到其他在進行樹脂電再生時發(fā)生樹脂破裂的報道。從事水處理的專業(yè)人士都知道，正常的樹脂合格產(chǎn)品，放于水處理設備中使用時，由于使用損耗，年補充率為7~15％左右；在正常情況下，不會發(fā)生樹脂使用幾次就基本變成粉末的情況。國內(nèi)外有近萬套EDI凈水設備在運行，也未見經(jīng)短期使用樹脂就變成粉末的報道。所以，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因不能歸結為樹脂的電再生所致。上述電再生試驗中樹脂僅經(jīng)歷6次電再生就破裂成末的現(xiàn)象實在令人費解，有些人推測，上述電再生試驗所用的樹脂可能是偽劣樹脂，或者是再生樹脂（報廢樹脂經(jīng)加工處理后再用），也可能在樹脂的保管和使用方面出了差錯。
4）武漢藝達水處理工程有限公司和武漢大學
    鄒向群等^[14]用自制的直徑200mm、高400mm圓柱形樹脂電再生裝置進行樹脂電再生的試驗研究。電再生裝置的中間隔室，裝載比例不同的已使用一年的凝膠型混合陰、陽樹脂，隔室兩側面分別為均相陰、陽離子交換膜。樹脂電再生試驗時，失效樹脂從裝置頂部間斷送入，相應的已再生好的樹脂從裝置底部間斷排出，進水為電導率＜2μS/cm的一級除鹽水。試驗結果如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可見，用直流電對失效離子交換樹脂可以進行一定程度的再生，再生過程中的電流效率隨樹脂再生度的提高而下降。表1中序號2、4、5樹脂再生度的數(shù)據(jù)，還表明樹脂再生度可逐步提高，如按序號2中陽樹脂從3.5%提高到44.3％，其次按序號4中陽樹脂從49.4％提高到57.5％，再按序號5中陽樹脂從85.4％提高到88.7％，這樣分三步從很低的再生度3.5％提高到很高的再生度88.7％，這也間接說明該試驗裝置高度不夠，樹脂在試驗裝置內(nèi)停留時間不夠長，以致不能一步就實現(xiàn)樹脂*再生。

5）清華大學和保定環(huán)工機械電子有限公司

表1  陽、陰樹脂電再生的試驗結果^[14]

    與上述試驗研究中采用自制樹脂電再生裝置不同，這次試驗采用EDI凈水設備的產(chǎn)品，即采用美國Ionpure公司的1 t/h EDI凈水設備。由于EDI凈水設備產(chǎn)品所選定的結構與材料及工藝參數(shù)對實現(xiàn)樹脂電再生比較合適，產(chǎn)品性能比較完善，所以選定選用EDI凈水設備產(chǎn)品作為樹脂靜態(tài)電再生的試驗裝置比上述自制的樹脂電再生試驗裝置更可靠更完善。
在這次試驗中，用RO裝置的出水（電導率約14.5 μS/cm）作為樹脂電再生用EDI凈水設備的進水，連續(xù)通水和通電，使EDI凈水設備淡水室內(nèi)的失效陰、陽混合樹脂電再生，直至出水電導率達到0.067 μS/cm為止，記錄EDI凈水設備連續(xù)運行時出水電導率與再生延續(xù)時間的關系曲線（如圖2所示）。
    試驗表明，EDI凈水設備的進水水質(zhì)越好，樹脂電再生的時間越短。本試驗所用的Ionpure產(chǎn)品，在其濃水室內(nèi)填充有導電樹脂，因而在運行時濃水室的電阻較小，在一定電壓下相應的電流就較大，zui大電流可達10 A，比上述的試驗裝置所用的電流都大，結果可縮短再生時間。該Ionpure產(chǎn)品經(jīng)10余次失效－再生的樹脂電再生試驗得出，在7～10 h內(nèi)可將Ionpure產(chǎn)品內(nèi)鹽基型失效樹脂*再生為H、OH型混合樹脂。這時，往Ionpure產(chǎn)品內(nèi)再送入RO出水，其產(chǎn)水電導率可在0.067 μS/cm以下。再生延續(xù)時間的長短主要取決于再生所用的電流的大小。本試驗的詳細結果待發(fā)表。
電導率/μS·cm^－1

時間/min

圖2  EDI凈水設備出水電導率與再生延續(xù)時間的關系曲線

2.3  前景
    離子交換樹脂體外電再生是綠色水處理工藝，是現(xiàn)有離子交換水處理的工藝變革，適用于老廠改造。只需廢除酸、堿再生系統(tǒng)，待原有的離子交換器失效后，將樹脂輸送到體外電再生器，樹脂電再生后，回輸?shù)皆x子交換器即可。
由于離子交換水處理是水除鹽系統(tǒng)使用zui廣zui通用的處理方式，如火力發(fā)電廠鍋爐補給水處理系統(tǒng)有90％ 以上均用離子交換法（近年來，推廣RO技術，離子交換法的占有率有所下降），所以，這種離子交換樹脂電再生的改造市場容量很大，按所消耗的酸、堿量估算，國內(nèi)市場為20～30億元。另外，還可出口占領大市場。因此，推廣樹脂電再生技術有巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益。
3  結論
    在高純水制備系統(tǒng)中，用EDI代替混床組成RO-EDI系統(tǒng)，由于這種系統(tǒng)是本世紀主流脫鹽系統(tǒng)，所以EDI生產(chǎn)行業(yè)是個朝陽產(chǎn)業(yè)，有廣闊的發(fā)展前景。這種EDI凈水設備國外已產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)尚未批量生產(chǎn)。當務之急是增加投資，吸取國外諸家之長，利用自主的知識產(chǎn)權，實現(xiàn)EDI凈水設備的批量生產(chǎn)，逐步提高國產(chǎn)品的份額。
    開發(fā)電去離子軟水設備是我國應用EDI凈水技術的特色，值得大力推廣。
    對離子交換樹脂電再生技術可行性的研究表明，失效樹脂可用電再生技術再生。為使樹脂電再生能在工程上實現(xiàn)，需要設法縮短電再生時間，適當擴大體外電再生器填充樹脂的容量，尚需進一步開發(fā)流態(tài)化電再生。樹脂與水兩相流體外再生是一成熟的技術，只要運用得當，有望很快實現(xiàn)離子交換樹脂電再生技術的產(chǎn)業(yè)化。
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