摘 要：制備純水用電去離子（EDI）工藝，在工業(yè)上已應(yīng)用近20年了。為了改善EDI裝置的性能、增加可靠性和降低系統(tǒng)的總費用，在這期間，已先后推出了第一代“薄室”、第二代“厚室”和第三代“圓盤式”結(jié)構(gòu)EDI裝置的種種系列產(chǎn)品，EDI工藝已在發(fā)電、電子、制藥等行業(yè)得到愈來愈多地應(yīng)用。本文通過對“薄室”、“厚室”和“圓盤式”這三代EDI裝置發(fā)展歷程的討論，重點闡述作者所發(fā)明的圓盤式這種新型EDI裝置的結(jié)構(gòu)和特點。還討論了EDI裝置的進(jìn)水水質(zhì)要求和出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)方面的問題：在討論前者時，主要論及硬度、二氧化碳、氧化劑、溫度和總有機碳等，而在討論后者時，建議EDI膜堆產(chǎn)品水的電阻率達(dá)到10 MΩ·cm以上的產(chǎn)品為優(yōu)質(zhì)品；達(dá)到5 MΩ·cm以上的為合格品。 關(guān)鍵詞：電去離子 電滲析 膜法水處理 進(jìn)展 電去離子（EDI）是一種將電滲析與離子交換有機地結(jié)合在一起的膜分離脫鹽工藝，屬高科技綠色環(huán)保技術(shù)。EDI凈水設(shè)備具有連續(xù)出水、無需酸堿再生和無人值守等優(yōu)點，已在制備純水的系統(tǒng)中逐步代替混床作為精處理設(shè)備使用。這種先進(jìn)技術(shù)的環(huán)保特性好，操作使用簡便，愈來愈多地被人們所認(rèn)可，也愈來愈多廣泛地在醫(yī)藥、電子、電力、化工等行業(yè)得到推廣，至今，國際上已有3千多套EDI裝置在運行，總?cè)萘恳殉^3萬m3/h。 1955年美國Walters等[1]首先論述了EDI工藝，1984年我國核工業(yè)部原子能研究所研制出采用EDI工藝的1103型純水裝置樣機，可惜未能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。1987年美國Millipure公司水工業(yè)分部 (其中部分人員后來組成了Ionpure公司)，首先實現(xiàn)EDI工藝的產(chǎn)業(yè)化[2]，以后，美國Ionics、Electropure等公司相繼涉及該領(lǐng)域。市場競爭，促進(jìn)了EDI技術(shù)的進(jìn)步，EDI產(chǎn)品性能提高，制造成本不斷下降。不少人預(yù)言，在21世紀(jì)，EDI與反滲透（RO）相結(jié)合的RO-EDI系統(tǒng)，將成為制備純水的主流脫鹽系統(tǒng)，EDI工藝推動水處理中的脫鹽工藝全面實現(xiàn)綠色環(huán)保化。 1 薄室EDI裝置 1996年以前，幾乎所有的工業(yè)用EDI裝置都采用板框式結(jié)構(gòu)，類似于普通的電滲析器，只是在普通的電滲析器中的淡水室內(nèi)填充有混床離子交換樹脂，所以EDI裝置又稱填充床電滲析器。根據(jù)Ganzi[3]的試驗研究，在相應(yīng)的操作條件下，EDI裝置淡水室的膜間距以1.0 mm和2.3 mm為較好，所以，大多數(shù)工業(yè)用EDI裝置淡水室的膜間距都選在2.5 mm左右，并以此膜間距作為薄室EDI裝置的標(biāo)志。 目前在國內(nèi)使用的薄室EDI裝置多半為美國Electropure公司的產(chǎn)品，單個膜堆的容量有1、0.5、0.25 m3/h等，用于產(chǎn)水量為幾 m3/h的小型制備純水系統(tǒng)。這類薄室EDI裝置稱為第一代產(chǎn)品。多半用于電子、制藥行業(yè)。 2 厚室EDI裝置 為適應(yīng)用戶對大產(chǎn)水量EDI產(chǎn)品的需求，1997年加拿大與日本合作組成E-Cell公司（現(xiàn)已為美國GE公司所收購），推出單個膜堆基本產(chǎn)水量約為3 m3/h的EDI裝置，利用膜堆并聯(lián)可使EDI裝置達(dá)到幾百 m3/h的產(chǎn)水量，實現(xiàn)了EDI裝置構(gòu)成的模塊化，從而變更并聯(lián)膜堆數(shù)目就能達(dá)到增減EDI裝置容量的目的。EDI裝置可不設(shè)置備用裝置，將每個膜堆制成標(biāo)準(zhǔn)件，當(dāng)個別膜堆損壞時，只需將它從并聯(lián)膜堆中解聯(lián)，很快換上備用的新膜堆即可。厚室膜堆和模塊化的設(shè)計，為廣大EDI裝置的用戶所接受，很快使E-Cell的產(chǎn)品在EDI產(chǎn)品市場中占有最大的份額。厚室EDI 裝置將淡水室的厚度增加至8 ~10 mm。使單個膜堆的產(chǎn)水量達(dá)到3 m3/h左右。每個膜堆精工制作，成為標(biāo)準(zhǔn)化模塊，便于生產(chǎn)、使用和檢修。 EDI裝置淡水室中的填充物通常為離子交換樹脂或纖維制成品，但以填充樹脂居多。常采用陰、陽混合樹脂實現(xiàn)等空隙填充。有人根據(jù)樹脂導(dǎo)電機理的研究，提出將陰、陽樹脂分層填充，稱此填充方式為分層床；還提出將陰、陽樹脂分離放置，稱此填充方式為分離床。分層床和分離床這種新型填充方式，似乎沒有取得明顯的實效，反而增加了填充樹脂的復(fù)雜程度，因而沒有得到推廣，大多數(shù)的EDI裝置仍然采用混合樹脂填充。 1996年起，美國Ionpure公司，從向模塊化發(fā)展、增加可靠性和耐用性以及降低費用三方面，逐步推出厚室EDI裝置。使膜堆結(jié)構(gòu)更緊湊更堅固，也給系統(tǒng)設(shè)計提供更大的靈活性，這是采用如下措施的綜合結(jié)果： 1）采用強度高的隔板材料，用工程塑料如聚砜代替聚乙烯； 2）隔板和膜之間用O形環(huán)密封，保證無泄漏； 3）濃水室填充導(dǎo)電樹脂，無需濃水循環(huán)系統(tǒng)，無需加鹽，無極水排放。 Ionpure公司的產(chǎn)品種類較多，除了小型膜堆和P系列和工業(yè)用H系列膜堆以外，2001年初又推出LX系列膜堆，其中包括工業(yè)用X系列膜堆。制備超純水用UP系列膜堆和熱水消毒用HWS系列膜堆。 近年來，國家海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心等單位相繼推出了類似E-Cell產(chǎn)品的EDI裝置，在一定的范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用，為國內(nèi)普及EDI凈水技術(shù)做出了很有成效的貢獻(xiàn)。 3 新型結(jié)構(gòu)的EDI裝置 為了使EDI膜堆的結(jié)構(gòu)更為合理，更好地滿足用戶所提出的要求，本著改善EDI膜堆性能，改進(jìn)加工工藝和制造方案，節(jié)省材料和減少勞務(wù)支出，使EDI裝置性能更好，工作更可靠，增加耐用性和降低費用。最近，Ionpure公司，推陳出新，更新?lián)Q代，推出了第三代EDI裝置，稱此為VNX產(chǎn)品。他們還對27.4 m3/h三代EDI裝置制造費用的情況作了比較，第三代EDI裝置的制造費用已比第一代產(chǎn)品降低了2/3，且已低于混床的制造費用[4]。 作者在推廣原有厚室EDI膜堆的基礎(chǔ)上，消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，正在開發(fā)一種新型結(jié)構(gòu)的EDI裝置[5]，這種裝置也屬于第三代EDI裝置。圖1 為新型圓盤式EDI凈水裝置（雙膜對）結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖2為新型圓盤式EDI凈水裝置18單元組裝外觀示意圖。 由圖可知，圓盤式EDI凈水裝置呈圓柱形，它包括圓盤形膜堆、圓盤形電極裝置和圓盤形端部夾緊裝置這三個主要部分，還包括圓柱形套筒和等邊三角形支架這兩個附屬部分。 圓盤形膜堆由若干個膜對重疊疊放而成，每個膜對依次由陰離子交換膜5、淡水室空心隔板6、陽離子交換膜7、濃水室空心隔板8各一張組成，以固定的順序交替排列（見圖1）。淡水室空心隔板6的厚度為10 mm，濃水室空心隔板8的厚度為3～5 mm，其空腔中填充的離子交換材料均按等空隙填充法填充。如采用均相離子交換膜，則隔板和離子交換膜連接處要用O形密封圈密封；如采用異相離子交換膜，則就不必采用這種密封措施。并聯(lián)排列的膜對數(shù)越多，一個EDI凈水裝置，可處理的水量就越大。
1—左端板；2—正電極隔板；3—正電極；4—正電極室；5—陰離子交換膜；6—淡水室空心隔板； 7—陽離子交換膜；8—濃水室空心隔板；9—負(fù)電極室；10—負(fù)電極；11—負(fù)電極隔板； 12—右端板；13—螺栓；14—圓柱形套筒；15—等邊三角形支架。
圖1 新型圓盤式EDI凈水裝置（雙膜對）結(jié)構(gòu)的剖面示意圖
Fig.1 Schematic drawing of new EDI module with two disk-cell 電極裝置設(shè)置在膜堆外側(cè)兩端，包括正電極隔板2 、正電極3、正電極室4、負(fù)電極室9、負(fù)電極10和負(fù)電極隔板11。電極裝置中陽極是釕鈦板、釕鈦網(wǎng)、釕鈦多孔板或石墨板，陰極是金屬板、多孔不銹鋼板或?qū)щ姷氖濉?/FONT> 夾緊裝置設(shè)置在電極裝置外側(cè)兩端，包括左端板1和右端板12，以及10對螺栓13，按一定順序擰緊螺栓上的螺母，就可以將若干膜對、正電極隔板2、正電極3、負(fù)電極10、負(fù)電極隔板11、左端板1和右端板12壓緊成一個整體裝置。 圓柱形套筒14和等邊三角形支架15是圓盤式EDI凈水裝置的附屬部分，圓柱形套筒14作為圓盤形膜堆、圓盤形電極裝置和圓盤形端板壓緊裝置這三個主要部分的側(cè)面封閉用。等邊三角形支架15位于圓柱形套筒兩端，可供圓盤式EDI凈水裝置豎立放置或水平放置用。支架側(cè)面有小螺栓，用來連接和固定各EDI凈水裝置單元，安裝就位。各個EDI凈水裝置單元進(jìn)出水用內(nèi)連接管并聯(lián)，各端板上均有管接頭，連接很方便。 三個EDI凈水裝置單元可縱向連成一個標(biāo)準(zhǔn)部件，依靠等邊三角形支架，幾個標(biāo)準(zhǔn)部件可按某種幾何形狀連接就位，占地空間小，裝卸方便。EDI凈水裝置單元，既可豎立放置，也可水平放置。 圖2中，上圖是18個豎立放置的EDI裝置單元組合的正視圖，下圖是其俯視圖，從圖上可看到，6個等邊三角形支架已組成1個等邊六角形支架。 圓盤式EDI凈水裝置的特點如下：性能穩(wěn)定，運行可靠；O形密封圈和圓柱形外套筒雙層密封，不漏水；結(jié)構(gòu)合理，材料利用充分；加工容易，費用低廉；占地空間小，管道簡單；裝卸方便，整體美觀，具有模塊化功能。 
圖2 新型圓盤式EDI凈水裝置18單元組裝外觀示意圖
Fig.2 Schematic drawing of new EDI device formed by 18 module with disk-cell
4 進(jìn)水水質(zhì)要求 制備純水用EDI裝置進(jìn)水水質(zhì)要求是指EDI裝置作為反滲透的后續(xù)精處理時進(jìn)水水質(zhì)的要求。如果能達(dá)到這些要求，制造廠商保證：經(jīng)EDI裝置處理的出水其電阻率能達(dá)到16 MΩ·cm以上。EDI裝置的進(jìn)水水質(zhì)要求是各EDI制造廠商自己制定的，各廠商制定的進(jìn)水水質(zhì)要求各有不同，但差別不大。表1列出某廠商的EDI裝置進(jìn)水水質(zhì)要求，下面還分別對其某些要求指標(biāo)作進(jìn)一步說明和探討。 表1 EDI裝置進(jìn)水水質(zhì)要求 
指 標(biāo) 范 圍
當(dāng)量電導(dǎo)率（含CO2）/（μS·cm－1）溫度/℃最大總氯 /（mg·L－1）Fe、Mn、H2S/（mg·L－1）pH值硬度（以CaCO3計）/（mg·L－1）TOC /（mg·L－1）SiO2 /（mg·L－1） 2~405~45＜0.02＜0.014~11＜1.0＜0.5＜1.0
4.1 硬度 表1表明，大多數(shù)EDI裝置僅允許進(jìn)水硬度為1 mg/L（以CaCO3計）。這個數(shù)值較低的原因是由于EDI裝置中離子交換膜和樹脂表面處的濃度極化導(dǎo)致水的電離，水的電離所產(chǎn)生的OH—離子在合適的條件下就會與硬度離子Ca2+，Mg2+生成沉淀，從而會阻塞膜和樹脂表面的離子孔道，使后續(xù)EDI過程無法進(jìn)行。在工程實踐中，如發(fā)現(xiàn)RO出水的硬度已超過EDI裝置所容許的數(shù)值，可從下述兩種措施中選擇一種：一種是再增加一級RO裝置，兩級RO裝置的出水硬度通常低于EDI裝置所容許的數(shù)值，另一種辦法是在RO與EDI 之間增設(shè)較小的軟化器。 另外，對采用阻垢劑預(yù)處理的RO系統(tǒng)來說，在重新啟動RO系統(tǒng)投入運行時，要將起始積存在系統(tǒng)和管道的積水排掉，因為這部分積水的硬度往往遠(yuǎn)高于EDI裝置所容許的硬度，RO裝置起始的積水不排放而沖入EDI裝置，就會損壞EDI裝置。 4.2 二氧化碳 人們初次使用EDI裝置時，往往會忽視水中二氧化碳（CO2）對EDI工藝過程的干擾，認(rèn)為RO膜能除去水中大部分離子，也想當(dāng)然地推測能除去CO2，其實不然。RO膜可除去水中大部分離子，包括HCO3— 離子在內(nèi)，但不能除去任何氣態(tài)形式的物質(zhì)如游離CO2。穿過RO膜的游離CO2，在進(jìn)入EDI裝置后，與水電離產(chǎn)生的OH— 離子相結(jié)合，形成HCO3—離子，在電場的作用下，所形成的 HCO3— 離子被遷移至濃水室而除去。EDI裝置除去CO2的能力遠(yuǎn)不如除去強電解質(zhì)NaCl那么有效，水中游離CO2過量，會嚴(yán)重干擾EDI過程的進(jìn)行[6]。一般認(rèn)為，EDI裝置進(jìn)水中CO2含量應(yīng)在10 mg/L以下。如果水中CO2含量超過此值，最常用的方法是采用膜法或通風(fēng)法脫氣，也可加堿增大RO裝置之前水的pH值，使CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槟苡肦O膜除去的HCO3— 離子[7]。 4.3 氧化劑 水中常有氧化劑（如游離氯、臭氧及過氧化氫）存在，這類氧化劑能不可逆地破壞EDI裝置中的離子交換樹脂和離子交換膜，氧化反應(yīng)會破壞樹脂中的交聯(lián)鍵，也使功能交換點降解。這導(dǎo)致EDI裝置清除弱電解質(zhì)的性能變差和樹脂發(fā)生物理破壞，從而使填充樹脂室的壓降增大或流量減少[8]。 應(yīng)將水中氧化劑的含量除至進(jìn)入EDI裝置之前本質(zhì)上達(dá)不可檢測到的水平。在制備純水的工程實踐中，常用粒狀活性炭或注入還原劑如亞硫酸鈉等來脫氯。 4.4 溫度 溫度對EDI裝置的性能可能有重要影響。隨著給水溫度降低，反應(yīng)動力學(xué)和擴散速率變得緩慢，而EDI膜堆的電阻增大，又使所需電壓增大，也許還使其性能變差。因此，為保證EDI裝置能正常工作，一般都規(guī)定了最低溫度。 同時，也規(guī)定了EDI裝置的最高工作溫度，這通常由制造流水室所用材料決定的，通常為45℃。有的制造商還開發(fā)可承受85℃高溫的EDI裝置，這種產(chǎn)品常用于熱水消毒使用，如將它們用于發(fā)電廠凝結(jié)水的精處理，也應(yīng)是大有作為的。 4.5 總有機碳 通常，進(jìn)入EDI裝置的給水中TOC應(yīng)小于0.5 mg/L，這一規(guī)范是根據(jù)多年的運行經(jīng)驗得出的。一般情況下，進(jìn)入EDI裝置的給水都已經(jīng)預(yù)處理和反滲透處理，其TOC都小于0.5 mg/L，但應(yīng)注意到，如果從反滲透裝置流出的水，先進(jìn)入中間水箱貯存，再用水泵吸入送至EDI裝置，那么必須采取措施，預(yù)防從反滲透裝置至EDI裝置流程中有機物的滋生，有機物的滋生又會使TOC值重新升高。 5 出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 采用RO裝置出水作為EDI給水，在一般情況下，EDI裝置的出水水質(zhì)其電阻率都能達(dá)到16 MΩ·cm，有的甚至接近18 MΩ·cm。采取一些特殊的措施，還可使EDI裝置的出水電阻率接近于18.2 MΩ·cm的理論純水標(biāo)準(zhǔn)。然而，對EDI裝置出水電阻率指標(biāo)的追求，應(yīng)根據(jù)需要，要有經(jīng)濟觀點，要從實際出發(fā)，不是愈高愈好。對于電子行業(yè)來說，用EDI裝置直接獲得18.2 MΩ·cm高純水，可不必再在EDI裝置后采用拋光混床處理，比較方便；對于發(fā)電行業(yè)，為用EDI裝置處理鍋爐補給水系統(tǒng)來說，只需獲得5 MΩ·cm的純水就可以了。從占EDI裝置所處理的總水量的多少來看，像電子行業(yè)這種對水質(zhì)要求高的用戶，只占20% 左右；而對水質(zhì)要求不高如發(fā)電行業(yè)作為鍋爐補充水來說，要占60% 以上；對其它用戶，它們對水質(zhì)要求也不高，大致與發(fā)電行業(yè)相仿，也占20%。因此從滿足大多數(shù)的80% 用戶來考慮，只需EDI裝置出水在5 MΩ·cm以上就可以了。 目前，國產(chǎn)的EDI裝置，可能由于制造技術(shù)和材料方面的原因，也可能由于用戶對EDI技術(shù)不熟悉或其他方面的種種原因，運行中的EDI裝置出水從15 MΩ·cm以上逐漸下降，直到出水不能滿足用戶要求，不能長期穩(wěn)定在10 MΩ·cm，以上。針對國內(nèi)離子交換膜的性能不如國外，對EDI工藝的掌握不如國外，以及對其他一些因素的考慮，提出新型結(jié)構(gòu)的EDI裝置出水電阻率以穩(wěn)定在10 MΩ·cm為宜：穩(wěn)定在10 MΩ·cm為優(yōu)質(zhì)品，穩(wěn)定在5 MΩ·cm為合格品。采用這樣的定位就可以滿足80% 絕大多數(shù)用戶的需求。 6 結(jié)論 在脫鹽水處理中，EDI凈水工藝替代混床工藝，已成為制備純水所不可缺少的精處理工藝，RO-EDI脫鹽組合系統(tǒng)已成為本世紀(jì)的主流脫鹽系統(tǒng)。針對國內(nèi)使用EDI裝置所碰到的問題，在討論進(jìn)水水質(zhì)要求時提出，要特別關(guān)注硬度、CO2、氧化劑、溫度和總有機碳等指標(biāo)及其變化。另外，根據(jù)生產(chǎn)EDI產(chǎn)品滿足80%絕大多數(shù)用戶需求的定位和國內(nèi)實際情況的考慮，建議EDI膜堆產(chǎn)品水的電阻率達(dá)到10 MΩ·cm以上的產(chǎn)品為優(yōu)質(zhì)品；達(dá)到5 MΩ·cm以上的為合格品。目前，國內(nèi)EDI裝置只停留在小批量生產(chǎn)階段，作者所發(fā)明的第三代EDI凈水裝置——圓盤式等空隙填充電滲析器，將為實現(xiàn)國產(chǎn)EDI裝置產(chǎn)業(yè)化注入新的動力。結(jié)合國情，滿足市場要求的新型EDI裝置即將在我國誕生。 參 考 文 獻(xiàn) [1]Walters W R，Wieser D W，Marek L J. Concentration of radioactive aqueous wastes: Electromigration through ion-exchange membrances[J]. Industrial and Engineering Chemistry, 1955, 47(1). [2]Ganzi G C, Egozy Y, Ginffrida A J and Jha A D. High purity water by electrodeionization: performance of the IonpureTM continuous deionization system[J]. Ultrapure water. 1987, 4 (3)：43~50. [3]Ganzi G C. 當(dāng)代離子交換技術(shù)[M]. 王方等編譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993：260~265. [4]Li-Shiang Liang. Evolution in design of CEDI systems[J].Ultrapure water. 2003, 20 (10)：13~17. [5]王 方.圓盤式電去離子凈水裝置[P]. 中國實用新型專利 ZL 200520022937.5，2005-4-27. [6]王 方.電去離子凈水設(shè)備脫除弱電解質(zhì)的機理和能力[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2005（待發(fā)表）. [7]王 方.用加堿法消除二氧化碳對電去離子過程的干擾[J].工業(yè)水處理，2005，25（4）：68~70. [8]Jonathan W and Joe G. Process and systems design for reliable operation of RO-CEDI systems[C]. Proceedings of the International Water Conference. Pittsburgh. Pa. 2004：42~50. |
