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电去离子(Electrodeionization, EDI)技术,是一种结合离子交换膜与离子交换树脂,在直流电场作用下实现连续去离子操作的新型分离过程。作为一种工艺先进、环境友好的深度脱盐技术,EDI在热力发电、生物医药、微电子等众多工业领域得到了广泛应用。但现有EDI技术对进水水质要求比较苛刻,一般要求进水硬度不超过1.0 mg.L-1(以CaCO3计),甚至0.1 mg.L-1。这使得在多数情况下必须使用两级反渗透(RO)作为前处理,即采用"RO/RO/EDI"工艺。在实际工程应用中,由于水质波动、前处理不过关或操作失误等原因,EDI膜堆结垢问题屡屡发生,在一定程度上阻碍了EDI的推广应用。
为解决上述问题,本研究提出了EDI深度除硬及"RO/EDI/EDI"这一新的膜集成工艺用于高纯水的制备。采用全国产化材料开发新型低水阻力EDI膜堆装置,同时简化浓水工艺流程,重点考查了一级EDI对硬度离子(Ca2+、Mg2+)的去除效果,探讨多数条件下仅使用一级RO作为前处理的可行性,确立了深度除硬系统稳定操作的主要条件,在此基础上进一步考查"RO/EDI/EDI"全膜法纯水制备工艺的性能。
研究了EDI对低浓度硬度离子的去除特征,通过对几种不同构造EDI膜堆的特征曲线分析发现,采用6∶4(C/A)比例的填充比例是较为合适的；在离子质量平衡计算中,提出用平衡系数K来判断EDI膜堆的运行模式；在电流效率分析中,提出了离子迁移电流百分率(IMCF)的概念,并指明了两种情况下的表达式。
分析了影响EDI去除硬度离子过程的主要因素,包括膜堆电压、膜堆电流、浓水流量、淡水流量、供电模式、原水组分等。结果发现,膜堆电压稳定在一定范围内时,对Ca2+的去除率可接近100％,电压过低或过高均不利于硬度离子的去除；在一定范围内改变浓水流量,对最终Ca2+的去除率影响很小,但流量过小会增加浓室结垢风险；恒流操作模式有利于保持Ca2+传质过程的相对稳定；所选的操作电流值须与膜堆的处理能力合理匹配；钙镁双组分原水对EDI过程的最终膜堆电流影响不大,但由于初期膜堆内钙镁离子的交换,导致浓水出水中两组分的构成比例发生改变,最后可逐渐随时间恢复；Mg2+对阳膜水解离的催化作用更强,稳定工况下的浓水pH值比处理仅含单一钙组分原水时更低。在此基础上,初步考查了完整的新型RO/EDI/EDI膜集成系统制备高纯水的运行过程。系统历经100余小时的连续操作,产水电阻率最终稳定在15MO.cm以上,两级EDI膜堆吨水耗电量仅为0.32KWh/m3,实现了EDI系统耐受较高原水硬度与获取高质量纯水的双重目的,具有明显的技术经济优势。