1.1  原理
    電去離子（electrodeionization, 簡(jiǎn)稱EDI）凈水技術(shù)^[1,2] ，是一種將離子交換和電滲析膜技術(shù)相互有機(jī)地結(jié)合在一起、只用電來(lái)除去水中離子的脫鹽凈水的新方法，國(guó)內(nèi)稱之為填充床電滲析脫鹽法。圖1所示是EDI凈水設(shè)備工作原理圖。

圖1  EDI凈水設(shè)備工作原理圖

1—陰離子交換膜；2—陽(yáng)離子交換膜；3—陰離子交換樹脂；

4—陽(yáng)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(dāng)膜或樹脂與水的界面上極化過程發(fā)展到一定程度時(shí)，水就電離為H+和OH—離子，從而對(duì)樹脂實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電再生，這一過程是EDI技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。通俗地講，在普通電滲析的淡水室內(nèi)填充混合樹脂，實(shí)現(xiàn)了
1）出水水質(zhì)變好，在進(jìn)水電導(dǎo)率 < 40 μS/cm下，出水電導(dǎo)率在0.067 μS/cm以下；
2）設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，樹脂自行再生。
優(yōu)點(diǎn)：
1）連續(xù)出水，不設(shè)置備用設(shè)備；
2）工作穩(wěn)定可靠，無(wú)人值守，易于自動(dòng)化；
3）自行再生，不消耗酸、堿，環(huán)境效益好；
4）運(yùn)行成本低，易于普及推廣；
5) 能除細(xì)菌和熱原，能除硅。
    EDI與反滲透（RO）相結(jié)合的RO-EDI脫鹽系統(tǒng)[3]，將成為本世紀(jì)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(jì)未來(lái)可達(dá)85%左右。
1.2  發(fā)展歷史
1）國(guó)外：
1955年美國(guó)用EDI凈水設(shè)備處理放射性廢水；
1987年美國(guó)millipore公司首先實(shí)現(xiàn)EDI凈水設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化；
1991年Ionics公司進(jìn)行EDI凈水設(shè)備改型，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
目前提供EDI凈水設(shè)備產(chǎn)品和工程服務(wù)的美國(guó)公司：Electropure 、Millipore、Ionpure 、Ionics、E-cell公司（加拿大與日本合作，現(xiàn)已被美國(guó)通用電氣公司收購(gòu)）。
2）國(guó)內(nèi)：
上世紀(jì)70～80年代，實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入用自來(lái)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(xué)EDI及相關(guān)技術(shù)研究成果：
《電去離子純水器》實(shí)用新型（ZL96244874.5）；
《等空隙填充床電滲析器》實(shí)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(yīng)疊加實(shí)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(xué)和軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院；
      杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心；
      外資湖州歐美公司(卷式EDI凈水設(shè)備)。
1.3 進(jìn)展
    我國(guó)已開始進(jìn)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(shè)備，寶鋼自備電站有240t/h EDI凈水設(shè)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(guó)外進(jìn)口的，中國(guó)是個(gè)大國(guó)，不是進(jìn)口多少套EDI凈水設(shè)備就能滿足要求，市場(chǎng)很大，產(chǎn)品利潤(rùn)空間還不小。利用國(guó)內(nèi)離子交換膜等國(guó)產(chǎn)材料，生產(chǎn)出價(jià)廉而性能與國(guó)外產(chǎn)品相媲美的產(chǎn)品，將有望逐步提高國(guó)產(chǎn)EDI產(chǎn)品*。
    在制造國(guó)產(chǎn)的EDI凈水設(shè)備時(shí)，除吸收國(guó)外他人之長(zhǎng)外，應(yīng)采用國(guó)內(nèi)材料，因地制宜，并利用自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。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(shè)備，它除具有其它EDI凈水設(shè)備的一系列優(yōu)點(diǎn)外，還具有填充床孔隙均勻一致，流阻小，流速快，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。業(yè)已證實(shí)，等孔隙填充可使EDI凈水設(shè)備的漂洗電再生時(shí)間大大縮短。等孔隙填充技術(shù)已成為當(dāng)今研制EDI凈水設(shè)備時(shí)，比較現(xiàn)實(shí)、方便且效果又較好的填充技術(shù)。
    在EDI凈水設(shè)備的淡水室中，以陽(yáng)離子交換樹脂，代替通常填裝的陰、陽(yáng)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(shè)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(shè)備之用，這些設(shè)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(yùn)行只消耗電，可無(wú)人值守，實(shí)現(xiàn)了軟水自動(dòng)化的變革。我國(guó)有50萬(wàn)臺(tái)工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水要用軟水，國(guó)民經(jīng)濟(jì)中其他行業(yè)對(duì)軟水也有不小的需求，他們對(duì)推廣自動(dòng)化操作、無(wú)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(jià)位不高，但市場(chǎng)好，需求量大，推廣電去離子軟水器也會(huì)有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
2  離子交換電再生技術(shù)
2.1  體外電再生系統(tǒng)^[5，6]
    在EDI凈水設(shè)備運(yùn)行時(shí)，膜和樹脂與水的界面上不斷地進(jìn)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(jié)果在樹脂層底部形成一層由新鮮樹脂組成的保護(hù)層，從而使EDI凈水設(shè)備的出水水質(zhì)很好。因此，EDI凈水設(shè)備運(yùn)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(lái)再生普通離子交換器中的失效樹脂？可否設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)類似于EDI凈水設(shè)備而又讓樹脂在其中流動(dòng)暢快的體外電再生器？回答是肯定的。這時(shí)，只要*地將失效樹脂從體外電再生器進(jìn)口送入，在直流電場(chǎng)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(jìn)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(lái)離子交換器再生所用的酸、堿再生系統(tǒng)，實(shí)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(gòu)思是作者在研究EDI凈水設(shè)備中工作過程時(shí)形成的，這一體外電再生系統(tǒng)正確性的直接驗(yàn)證是由目前正在使用的近萬(wàn)套EDI凈水設(shè)備所提供的，這些EDI凈水設(shè)備能可靠地運(yùn)行不就是樹脂電再生正在EDI凈水設(shè)備中進(jìn)行的例證嗎？然而，人們并不滿足于這種驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了種種實(shí)驗(yàn)裝置，演示了樹脂電再生過程，測(cè)定了有關(guān)數(shù)據(jù)，論證了實(shí)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(xué)院
    李福勤等^[7]受本樹脂電再生法這一發(fā)明的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了淡水室為200mm×100mm×10mm的 EDI凈水設(shè)備試驗(yàn)裝置，測(cè)定了影響混床離子交換樹脂電再生的有關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)證實(shí)，該試驗(yàn)裝置可使樹脂充分再生，樹脂再生的效果*，試驗(yàn)顯示了樹脂電再生技術(shù)有良好的可行性。確定該試驗(yàn)裝置的再生電壓為30V，再生時(shí)間為40min，計(jì)算得出淡水室流速為0.5～1.0cm/s。
    用雙極膜進(jìn)行復(fù)床離子交換樹脂電再生的試驗(yàn)研究，被列為河北省2000年科技攻關(guān)指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（00213093）。雙極膜是陽(yáng)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(chǎng)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(cè)分別填充陰、陽(yáng)樹脂，用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行復(fù)床離子交換樹脂電再生可行性的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)再生電壓為60V和再生時(shí)間為60min時(shí)，該樹脂電再生裝置可將失效樹脂再生至接近化學(xué)再生的程度，顯示了樹脂電再生技術(shù)有良好的可行性。

2）天津大學(xué)
    王建友等^[9]曾在自制的EDI凈水設(shè)備中填充鹽基型混床樹脂試驗(yàn)樹脂電再生的可行性，以電導(dǎo)率為10～18μS/cm的RO出水作為該EDI凈水設(shè)備的進(jìn)水，通電運(yùn)行約18 h，產(chǎn)品水電導(dǎo)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(shè)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(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司和華北電力大學(xué)
    國(guó)家電力公司對(duì)離子交換樹脂電再生技術(shù)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(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司申辦的，并將它列為2001年國(guó)家電力公司科技基金項(xiàng)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(yàn)裝置得出的研究結(jié)果表明，離子交換樹脂經(jīng)電再生后其工作交換容量可達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)（300 mmol/L以上）。他們還用雙極膜進(jìn)行復(fù)床離子交換樹脂電再生試驗(yàn)^[11，12] 。試驗(yàn)表明，國(guó)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(yàn)裝置得出的研究結(jié)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(dá)到現(xiàn)場(chǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)（300 mmol/L以上），而再生效果的重現(xiàn)性差，在相同的試驗(yàn)條件下重復(fù)6次試驗(yàn)，所測(cè)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(yàn)次數(shù)增多逐漸明顯，而這會(huì)影響樹脂再生效果。因此，測(cè)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(cè)定值僅為19.6%（陽(yáng)樹脂）和3.7%（陰樹脂）。他們?cè)谡撐?/span>^[13]中驚呼：“使用過的樹脂在進(jìn)行耐磨率實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(jié)為樹脂的電再生所致，即認(rèn)為，“樹脂顆粒發(fā)生了再生－失效－再生的循環(huán)過程，導(dǎo)致樹脂顆粒無(wú)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?！?/span>
    本文作者在用EDI凈水設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行10余次樹脂電再生試驗(yàn)時(shí)并未觀察到試驗(yàn)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(jìn)行樹脂電再生時(shí)發(fā)生樹脂破裂的報(bào)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(shè)備中使用時(shí)，由于使用損耗，年補(bǔ)充率為7~15％左右；在正常情況下，不會(huì)發(fā)生樹脂使用幾次就基本變成粉末的情況。國(guó)內(nèi)外有近萬(wàn)套EDI凈水設(shè)備在運(yùn)行，也未見經(jīng)短期使用樹脂就變成粉末的報(bào)道。所以，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因不能歸結(jié)為樹脂的電再生所致。上述電再生試驗(yàn)中樹脂僅經(jīng)歷6次電再生就破裂成末的現(xiàn)象實(shí)在令人費(fèi)解，有些人推測(cè)，上述電再生試驗(yàn)所用的樹脂可能是偽劣樹脂，或者是再生樹脂（報(bào)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(cuò)。
4）武漢藝達(dá)水處理工程有限公司和武漢大學(xué)
    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(jìn)行樹脂電再生的試驗(yàn)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(yáng)樹脂，隔室兩側(cè)面分別為均相陰、陽(yáng)離子交換膜。樹脂電再生試驗(yàn)時(shí)，失效樹脂從裝置頂部間斷送入，相應(yīng)的已再生好的樹脂從裝置底部間斷排出，進(jìn)水為電導(dǎo)率＜2μS/cm的一級(jí)除鹽水。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可見，用直流電對(duì)失效離子交換樹脂可以進(jìn)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(hào)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(hào)2中陽(yáng)樹脂從3.5%提高到44.3％，其次按序號(hào)4中陽(yáng)樹脂從49.4％提高到57.5％，再按序號(hào)5中陽(yáng)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(yàn)裝置高度不夠，樹脂在試驗(yàn)裝置內(nèi)停留時(shí)間不夠長(zhǎng)，以致不能一步就實(shí)現(xiàn)樹脂*再生。

5）清華大學(xué)和保定環(huán)工機(jī)械電子有限公司

表1  陽(yáng)、陰樹脂電再生的試驗(yàn)結(jié)果^[14]

    與上述試驗(yàn)研究中采用自制樹脂電再生裝置不同，這次試驗(yàn)采用EDI凈水設(shè)備的產(chǎn)品，即采用美國(guó)Ionpure公司的1 t/h EDI凈水設(shè)備。由于EDI凈水設(shè)備產(chǎn)品所選定的結(jié)構(gòu)與材料及工藝參數(shù)對(duì)實(shí)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(shè)備產(chǎn)品作為樹脂靜態(tài)電再生的試驗(yàn)裝置比上述自制的樹脂電再生試驗(yàn)裝置更可靠更完善。
在這次試驗(yàn)中，用RO裝置的出水（電導(dǎo)率約14.5 μS/cm）作為樹脂電再生用EDI凈水設(shè)備的進(jìn)水，連續(xù)通水和通電，使EDI凈水設(shè)備淡水室內(nèi)的失效陰、陽(yáng)混合樹脂電再生，直至出水電導(dǎo)率達(dá)到0.067 μS/cm為止，記錄EDI凈水設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)出水電導(dǎo)率與再生延續(xù)時(shí)間的關(guān)系曲線（如圖2所示）。
    試驗(yàn)表明，EDI凈水設(shè)備的進(jìn)水水質(zhì)越好，樹脂電再生的時(shí)間越短。本試驗(yàn)所用的Ionpure產(chǎn)品，在其濃水室內(nèi)填充有導(dǎo)電樹脂，因而在運(yùn)行時(shí)濃水室的電阻較小，在一定電壓下相應(yīng)的電流就較大，zui大電流可達(dá)10 A，比上述的試驗(yàn)裝置所用的電流都大，結(jié)果可縮短再生時(shí)間。該Ionpure產(chǎn)品經(jīng)10余次失效－再生的樹脂電再生試驗(yàn)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(shí)，往Ionpure產(chǎn)品內(nèi)再送入RO出水，其產(chǎn)水電導(dǎo)率可在0.067 μS/cm以下。再生延續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于再生所用的電流的大小。本試驗(yàn)的詳細(xì)結(jié)果待發(fā)表。
電導(dǎo)率/μS·cm^－1

時(shí)間/min

圖2  EDI凈水設(shè)備出水電導(dǎo)率與再生延續(xù)時(shí)間的關(guān)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(bǔ)給水處理系統(tǒng)有90％ 以上均用離子交換法（近年來(lái)，推廣RO技術(shù)，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(chǎng)容量很大，按所消耗的酸、堿量估算，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)為20～30億元。另外，還可出口占領(lǐng)大市場(chǎng)。因此，推廣樹脂電再生技術(shù)有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。
3  結(jié)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(jì)主流脫鹽系統(tǒng)，所以EDI生產(chǎn)行業(yè)是個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，有廣闊的發(fā)展前景。這種EDI凈水設(shè)備國(guó)外已產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)尚未批量生產(chǎn)。當(dāng)務(wù)之急是增加投資，吸取國(guó)外諸家之長(zhǎng)，利用自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)EDI凈水設(shè)備的批量生產(chǎn)，逐步提高國(guó)產(chǎn)品的份額。
    開發(fā)電去離子軟水設(shè)備是我國(guó)應(yīng)用EDI凈水技術(shù)的特色，值得大力推廣。
    對(duì)離子交換樹脂電再生技術(shù)可行性的研究表明，失效樹脂可用電再生技術(shù)再生。為使樹脂電再生能在工程上實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)法縮短電再生時(shí)間，適當(dāng)擴(kuò)大體外電再生器填充樹脂的容量，尚需進(jìn)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(shù)，只要運(yùn)用得當(dāng)，有望很快實(shí)現(xiàn)離子交換樹脂電再生技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。
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