高純水設(shè)備目前采用的電去離子(EDI)技術(shù)是一種將電滲析和離子交換法相結(jié)合的去離子新工藝,正逐漸成為高純水的制備和低濃度重金屬離子廢水處理的主流技術(shù)。但是,一些EDI核心問(wèn)題,諸如EDI過(guò)程濃度極化對(duì)水解離的影響和水解離對(duì)EDI過(guò)程的分離率與電流效率的影響等方面至今仍無(wú)深入的研究,未建立起完善、合理的EDI基礎(chǔ)理論體系。 我們對(duì)高純水設(shè)備的工作過(guò)程進(jìn)行建模,通過(guò)對(duì)理論模型的求解獲得EDI中各物理參數(shù)的分布,對(duì)EDI中離子傳遞過(guò)程、離子交換過(guò)程和水解離過(guò)程等進(jìn)行系統(tǒng)的描述,進(jìn)而闡述EDI陰陽(yáng)膜水解離的差異性、膜面水解離對(duì)分離率和電流效率的影響以及水解離產(chǎn)物對(duì)鹽離子遷移的增強(qiáng)作用。水解離對(duì)鹽離子的分離起著極其重要的作用。目前研究者對(duì)水解離的認(rèn)識(shí)僅僅停留在“水解離使得樹脂再生,高樹脂轉(zhuǎn)化率是深度去離子的必要條件”上,但對(duì)這個(gè)必要性的討論很少。我們經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)水解離雖然使得電流效率降低,但是它能增強(qiáng)鹽離子的遷移,從而增大鹽離子的分離率。陰膜界面水解離產(chǎn)物H+能增強(qiáng)陽(yáng)鹽離子的傳遞,而陽(yáng)膜界面水解離產(chǎn)物OH-能增強(qiáng)陰鹽離子的傳遞。 在淡室中單獨(dú)填充陽(yáng)離子交換樹脂的EDI(CREDI)一般用于重金屬離子的去除。經(jīng)過(guò)計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)CREDI的陰膜水解離電流密度要遠(yuǎn)高于陽(yáng)膜,故陰膜水解離對(duì)陽(yáng)鹽離子遷移的增強(qiáng)作用要大于陽(yáng)膜水解離對(duì)陰鹽離子遷移的增強(qiáng)作用,因此陽(yáng)離子分離率要遠(yuǎn)高于陰離子。CREDI目前存在的問(wèn)題是電流效率低以及膜面沉淀污染嚴(yán)重。我們從水解離對(duì)離子遷移的增強(qiáng)角度出發(fā),改進(jìn)床層樹脂填充方式,從淡室的進(jìn)口到出口,依次填充陽(yáng)樹脂、陰樹脂和混床樹脂。相比CREDI,在同一目標(biāo)去除率下,填充分層樹脂的EDI的電流效率增大,同時(shí)濃室內(nèi)膜面沉淀量顯著降低。 在淡室中填充混合離子交換樹脂的EDI(MixEDI)一般用于生產(chǎn)高純水。目前研究者僅僅從工藝的角度來(lái)提高M(jìn)ixEDI的去除率和電流效率。我們從水解離的角度來(lái)分析由水解離造成的陰陽(yáng)鹽離子分離率的差異。經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析,我們發(fā)現(xiàn)MixEDI的陰陽(yáng)膜水解離電流密度的差距要小于CREDI的,但是陰膜水解離電流密度仍然高于陽(yáng)膜,因此陽(yáng)鹽離子的分離效率要高于陰鹽離子的。我們假設(shè)陽(yáng)膜上也存在一定濃度的催化基團(tuán),通過(guò)調(diào)整陽(yáng)膜上催化基團(tuán)的濃度來(lái)調(diào)整陰陽(yáng)離子分離率的差異,從而使得在較低的電流密度和較高的電流效率下達(dá)到目標(biāo)陰陽(yáng)離子去除率。我們研究了陽(yáng)膜上含有不同催化基團(tuán)濃度的MixEDI過(guò)程,經(jīng)過(guò)計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)在陽(yáng)膜上接枝催化基團(tuán)的濃度為陰膜上催化基團(tuán)濃度的1/2的時(shí)候,陰陽(yáng)鹽離子去除率的差異顯著減小,MixEDI能在較高電流效率下同時(shí)獲得較高的陰陽(yáng)鹽離子去除率。