（环境科学专业论文）电去离子技术处理低浓度含镍废水的研究.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t o n e o f t h e m a i n s o u r c e s o f h e a v y m e t a l w a s t e w a t e r i s e l e c t r o p l a n t i n g w a s t e w a t e r , 8 0 % o f w h i c h i s d i l u t e h e a v y m e t a l w as t e w a t e rc o mingfr o m e l e c tr o p l a t i n g ri n s ing p r o c e s s ,a n d t h e c o n c e n t r a t i o n s o f e l e c tr o p l a t i n g d e c a d e s o f m g .l 1 . t h e e x i s t in g m e t h o d s f o r tr e a t m e n t o f h a v e o b v i o u s l y t e c h n i c a l o r e c o n o m i c l i m i t s f o r t h i s l o w me t a l a r e mo s t l y wast e wa t e r l r ms e wa t e r . t h e r e f o r e , i t i s v a l u a b l e t o d e v e l o p h e a v y m e t a l w a s t e w a t e r tr e a t m e n t a n e ffic i e n t a n d c o n v e n i e n t me t h o d f o r t h i s d i l u t e e l e c tr o d e i o n i z a t i o n ( e d i ) t e c h n o l o g y w h i c h c o m b i n e s e x c h a n g e p r o c e s s e s t o g e t h e r h a s n o t a b l e a d v a n t a g e s s u c h as e l e c tr o d i a l y s i sa n d i on c o n t i n u o u s l y s t a b i l i ty a n dfr i e n d s h i p . i n r e c e n t y e a r s , t h e p r a c t i c a b i l i t y o f d e e p d e s a l i n a t i o n t o p r o d u c e h i g h p u r i ty w a t e r b y h a d b e e n p r o v e d . o n e c h a r a c t e r o f e d i i s t h a t t h e c o n c e n t r a t i , c i e n c y a n d t e c h n o l o g y d i ffe r e n c e o f c o n c e n tr a t e a n d d i l u t e s t r e a m s c a n e v e n a c h i e v e t e n t h o u s a n d s , w h i c h o ff e r s a n e w i d e a t o t h e t e c h n i c s o f d i l u t e h e a v y m e ta l w a s t e w a t e r tr e a t m e n t . f i r s t ly , t h e t e c h n i c s fl o w o f p r o d u c in g h i g h p u r i ty w a t e r f o r l a b o r a t o ry u s e b y e d i t e c h n o l o g y w as s t u d i e d a t w as d e t e r m i n e d e t h a t t h e o p t i m a l fl o w f o r l a b o r a t o ry p u r e w a t e r p r o d u c t i o n i s t a p w a t e r - m i c r o f i l i t r a t i o n* a c t i v e c a r b o n - . r e v e r s e o s m o s i s -r e s in s o f t e n i n g -5 p m f i l tr a t i o n - 4 e d i *p u r e w a t e r . u n d e r t h i s t e c h n i c s , t h e p r o c e s s h a d b e e n s t e a d i l y r u n m o r e t h a n 5 0 0 h o u r s , t h e r e s i s t i v i ty o f t h e d i l u t e p r o d u c t w as a b o v e i o md -c m a n d e v e n r e a c h e d as h i g h as 1 8 . 2 mo -c m , w h i c h c o u l d f u l l y m e e t t h e d e m a n d o f l a b o r a t o ry u s e . t h i s w o r k p r o v i d e s i m p o r t a n t r e f e r e n c e s f o r d e v e l o p i n g s p e c i a l e d i f o r tr e a t m e n t o f h e a v y m e t a l w as t e w a t e r . t h e s t a c k c o n f i g u r a t i o n u s e d f o r p u r e w a t e r p r o d u c t i o n h a d b e e n i m p r o v e d p r o p e r l y f o r d i l u t e n i c k e l w as t e w a t e r tr e a t m e n t . i t w as i n d i c a t e d t h a t t h e m o d i f i e d s t a c k c o n f i g u r a t i o n c o u l d r e m o v e a n d c o n c e n tr a t e n i c k e l i o n s fr o m d i l u t e h e a v y m e t a l w as t e w a t e r e ff e c t i v e l y . t h e a d v e r s e e ff e c t s o f t h e a n o d e p r o d u c t a n d e le c tr o d e r i n s i n g w a t e r o n t h e p r o c e s s c o u l d b e a v o i d e d , a c c o r d i n g l y t h e d e v i c e s s t a b i l ity i n ab s t r a c t i n c r e a s e d . f u r t h e r m o r e , t h e e ff e c t s o f t h e t y p e a n d p a rt i c l e s i z e d i s tr i b u t i o n o f t h e r e s i n fi l l e d i n t h e d i l u t e c o m p a r tm e n t s o n t h e d i l u t e h e a v y m e t a l t r e a t m e n t p e r f o r ma n c e h a v e b e e n s tu d i e d . w ith th e f e e d c o n c e n t r a t i o n o f 5 0 m g -l - 1 a n d p h o f 5 .7 , t h e e d i w a s c a p a b le o f g iv in g a n i2 + r e j e c t i o n m o r e t h a n 9 9 .5 % in t h e d i lu t e s tr e a m , t h e r e s i s t i v i t y o f t h e d i l u t e p r o d u c t w a s b e t w e e n i mo - c m a n d 3 ms 2 -c m w h i le t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e c o n c e n t r a t e w a s a b o v e 1 3 0 0 m g .l 1 . t h e i n fl u e n c e o f o p e r a t i n g p a r a m e t e r s s u c h a s a p p l i e d v o lt a g e , fl u x , n i c k e l i o n c o n c e n t r a t i o n , p h a n d t e m p e r a t u r e o f t h e d i l u t e s t r e a m , fl u x o f t h e c o n c e n t r a t e s t r e a m o n t h e s e p a r a t i o n p e r f o r m a n c e o f e d i p r o c e s s w a s s t u d i e d i n t h i s p a p e r . t h e c h i e f p a r a m e t e r s o f t h e t e c h n ic s w e r e o p t i m i z e d a n d t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s u n d e r w h i c h t h e w a t e r q u a l i t y c o u l d m e e t d e m a n d e d w a t e r q u a l i t y a n d t h e p r o c e s s c o u l d b e s t a b l e ly a n d e f f i c i e n t l y o p e r a t e d w e r e d e t e r m i n e d . i t w a s i n d i c a t e d t h a t t h e p u r i f i c a t i o n o f w a t e r a n d t h e h i g h m u l t i p l e c o n c e n t r a t i o n o f h e a v y m e t a l i o n s c o u l d b e s i m u lt a n e o u s l y a c c o m p l i s h e d b y t h e e d i t e c h n o l o g y o n l y i n o n e p r o c e s s , t h e d i l u t e p r o d u c t m e e t t h e s t a n d a r d o f p u r e w a t e r , w h i l e t h e m u l t i p l e o f t h e c o n c e n t r a t i o n w a s m o r e t h a n 2 5 a n d c o u l d b e re u s e d a s t e c h n i c s w a t e r . i t i s p r o m i s i n g o f t h e s p e c i a l e d i p r o c e s s b e c a u s e o f t h e z e r o e m i s s i o n a n d r e s o u r c e s r e u s e o f h e a v y m e t a l w a s t e w a t e r . k e y w o r d s :d i l u t e h e a v y m e t a l w a s t e w a t e r ni c k e l i o n 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收 集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以 赢利为目 的的 前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密 ，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签 名: 解密时 间: 年 月日 各密级的最长保密年 限及书写格式规定如下: 奢 内部资5 lr w 拓o if c i -f s flf 韶可少于城年)燕 c a s 1 0 n , 愉游 旅牵 轰 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明 引用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包 含任何他人创作的、 已 公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。 对本论文所涉及的研究 工作做出贡献的 其他个人和集体， 均已 在 文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承 担。 学位论文作者签名: 年月 第一章 重金属废水的处理方法 第一章 重金属废水的处理方法 第一节 重金属废水的来源 重金属指比重大于4 或5 的金属， 约有4 5 种， 如铜、 铅、 锌、 铁、 钻、 镍、 锰、锅. 汞、钨、铝、金、银等。 含金属离子废水主要来源于机械加工、 矿山 开采业、钢铁及有色金属冶炼 和部分化工企业n 1 。 其中，机械加工中的电 镀过程是重金属废水的一个主要来 源。 电镀是利用化学方法对金属和非金属表面进行装饰、防护及获取某些性能 的一种工艺过程。由 于要保证电镀产品的质量，使金属镀层具有平整光滑的良 好外观并与基体牢固结合， 须在镀前把镀件表面上的 污物彻底清洗干净，并在 镀后把镀件表面的附着液清洗干净。因此，电镀生产过程必然排放大量废水。 电 镀废水的 来源一般为: ( 1 ) 镀件清 洗水; ( 2 ) 废电 镀液: ( 3 ) 其他废 水， 包括冲刷 车间地面、 刷洗极板以 及通风设备冷凝水，和由 于镀槽渗漏或操作管理不当造 成的跑、冒、滴、漏的各种槽液和排水。 第二节 重金属废水的危害 重金属离子进入环境后，不能被生物降解，相反 却能在食物链的生物放大 作用下，成千百倍地富 集，最后进入人体。尽管锰、 铜、锌等重金属是生命活 动所需要的微量元素， 但是大部分重金属如汞、 铅、 锅等并非生命活动所必须， 而 且 所 有 重 金 属 超 过 一 定 浓 度 ( 一 般 为1 - 1 o m g -l 1 , 汞 、 福 为。 .0 1 - 0 .0 0 1 m g ,l 1) 都对人体有毒。重金属在人体内能和蛋白 质及酶等发生强烈的相互作用，使它 们失去活性，也可能在人体的某些器官中累积，造成慢性中毒。 重金属元素由于某些原因未经处理就被排入河流、湖泊或海洋，或者进入 了土壤中， 使得这些河流、湖泊、 海洋和土壤受到污染， 它们不能被生物降解。 鱼类或贝类如果积累重金属而为人类所食，或者重金属被稻谷、小麦等农作物 所吸收被人类食用，重金属就会进入人体使人产生重金属中毒， 轻则发生怪病 ( 水误病、 骨痛病等) ，重者就会死亡2 1 第一章 重金属废水的处理方法 第三节 重金属废水的主要处理方法 传统的处理重金属废水的方法包括化学法、离子交换法、电解法、膜分离 法、蒸发浓缩法、吸附 法、生物法、 气浮法( 113 1 ， 它们各存在优缺点。 1 . 3 . 1化学法 化学法是借助氧化还原或中和沉淀反应将有毒、 有害的物质分解为无毒、 无害的物质， 或是将重金属经沉淀反应从废水中除去。 包括( 1 ) 化学沉淀法; ( z ) 氧化还原法( 置换法) ;( 3 ) 铁氧体法等。 化学法具有简单易行，投资少，操作容易掌握， 承受大水量和高浓度负荷 冲击等优点， 可适用各类电镀废水治理。然而，需要消耗大量化学药品，产生 难以 处理的污泥， 二次污染的隐患依然存在， 且处理后的水回用较为困 难4 1 13 . 2离子交换法 离子交换法是利用离子交换剂的交换作用进行分离的一种方法。含重金属 的液体通过交换剂时，交换剂上的离子同水中的重金属离子进行交换，达到去 除水中重金属离子的目的。 经过离子交换法处理的水质较好，往往能 够回用。缺点是技术难度大， 投 资 较高， 操作 繁琐， 且需要反复再生， 还有再 生 洗脱 液的处 理问 题i l l . 1 . 3 . 3电解法 电解法是利用直流电进行溶液氧化还原反应的过程，金属离子在电场作用 下，迁移至阴极还原析出，从而从溶液中脱出。 电解法具有设备效率高，便于控制管理等优点，对于用化学处理法难以深 度处理的溶液，是行之有效的办法。且可回收重金属，例如在阴极可回收c r , c u , p b , c u , n i , a g , a u 等重金属， 另外 通 过控 制电 极电 位， 可以 把同 一 溶 液中的多种金属离子逐一分开， 分别回收， 提纯， 得到纯度比 较高的单一金属。 其缺陷是经济上不合理s l 第一章 重金属废水的处理方法 1 . 3 . 4吸附法 吸附法是利用多孔吸附材料吸附处理废水中重金属的一种方法。 传统吸附剂是活性碳及磺化煤等，近年来人们逐渐开发出一些新型的吸附 材料，包括凹凸棒、硅藻土、浮石、麦饭石、泥煤、蛇纹石、黄原酸醋、 硫基 纤维、 矿渣、鳌合树脂及其各种改性材料。目 前，有些新型吸附材料已经应用 到工业生产中。 活性炭因其适用范围广，能除去大多数重金属、有机物和生物分子而成为 最重要的吸附剂。 但是活性炭再生效率低， 使用寿命短，出 水水质也很难满足 现在的回用水要求。故目 前多用活性炭吸附 法作为电 镀废水处理的一种预处理 手段(6 1 1 . 3 . 5蒸发浓缩法 蒸发浓缩是对重金属电镀废水进行蒸发， 使重金属获得浓缩，并加以回收 和回用的一种处理方法，一般用于处理含铬、铜、银及镍离子废水。 蒸发浓缩法处理电 镀重金属废水，工艺成熟简单，不需化学试剂，无二次 污染，可回用水或有价值的重金属，有良 好的环境效益和经济效益。 但是因其 能耗大， 操作费用高， 杂质干扰资源回收问 题还待研究， 使应用受到限 制15 1 1 . 3 . 6生物法 生 物 法 包括( 1 ) 生 物 絮凝法;( z ) 生 物 吸附 法; ( 3 ) 植物整治技术。 生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的代谢物，进行絮凝沉淀的一种除 污方法6 1 。 生 物吸附 是 经过一系列生物化 学 作用使重 金属离子被微生物细 胞吸 附的过程，这些作用包括络合、鳌合、离子交换、吸附等。植物对重金属的吸 收富集机理主要分为两个方面:一是利用植物发达的根系对重金属废水的吸收 过滤作用， 达到对重金属的富集和积累。 二是利用微生物的活性原则和重金属 与微生物的亲和作用，把重金属转化为较低毒性的产物。 生物法适应性很强，设备简单，选择性好，在去除水中重金属方面有着广 阔 的 应 用前 景6 1 。 但需 要培养一定活性的 微 生 物， 且 操作条件不易 控制。 第一章 重金属废水的处理方法 1 . 3 . 7气浮法 气浮法作为 一种高效、 快速的固 液分离技术， 始于选矿。自2 0 世纪7 0 年 代以来，该项技术在水处理领域颇受国内外学者的关注并得以迅速发展。 气浮法处理重金属废水的优点是适应性强， 易连续处理， 便于自 动化操作， 尤其适用于废水水质差，变化大的重金属混合废水的一次处理。该法的缺点是 需要解决浮渣的 综合利用问题。 另外， 废水中 不允许含有n h 十 和大量表面活性 剂， 否 则影响处 理效果 a 1 1 . 3 . 8膜分离法 膜分离技术是利用高分子膜所具有的选择性来进行物质分离的一类分离技 术的总称，主要包括电渗析、扩散渗析、反渗透、膜萃取、超滤、 扩散渗析、 隔 膜电 解、 液 膜 法 等 技 术 6 1 1 . 3 . 8 . 1 电渗析 电渗析是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离 子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。 电渗析是研究开发最成熟的膜技术之一。用电渗析法处理电 镀工业废水， 处 理后 废水组成 不变， 有利于回 槽使 用。 含c u l 十 、 n i t + , z n 千 、 c 产等 金属离 子 的废水都适宜用电渗析处理，其中含镍废水处理技术最为成熟，已有成套的 工 业化装置 7 1 但是，采用电渗析法处理电镀废水，废水预处理要求严格，耗电量大， 且 离子交换膜的质量尚待提高，使其在工业上的 应用受到了限制。另外，电 渗析 受到 浓差极化现象的影响使其难以 处理低浓度离子废水2 1 1 . 3 . 8 . 2反渗透 反渗透是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。 随着反渗透膜材料的发展，以及高效膜组件的出现，反渗透的应用领域不 断扩大。在海水和苦盐水的脱盐，锅炉给水和纯水设备，废水处理与再生，有 用物质的分离和浓缩等方面，反渗透都发挥了重要作用。利用反渗透处理重金 属废水也可以取得较好的效果。 第一章 重金属废水的处理方法 反渗透的优点是能耗低，设备紧凑，处理后废水得以净化，可获得较高的 淡水水 质， 直接回 槽 使 用6 1 。 然而反 渗透不 具备获 得高 浓度 溶液的能力， 浓缩 比 有限 ， 无法直 接返回 镀槽， 并且反渗透 膜的 质量问 题 还有待提高 3 1 1 . 3 . 8 . 3液膜法 液膜是以 浓度差或p h 差为推动力的膜， 由 萃取与反萃取两个步骤界面膜构 成。 液膜过程的萃取与反萃取分别发生在膜的两侧界面， 重金属离子从废水相萃 入膜 相 并 扩 散到 膜 相 另 一 侧 ， 再 被反 萃入 接收 相 ， 从 而从 废 水 中 去除 8 1 液膜法处理重金属废水， 工艺设备简单， 选择性好， 具有广阔的应用前景。 许多 研究 结果表明 ， 膜萃 取是一种高效、 无二次 污染的 分离技术6 1 。 但其作为 一种新技术，其工业化应用还需进一步探索研究。 第四节 低浓度重金属废水的处理 对于高浓度的重金属废水，采用上述方法中的电 渗析法，反渗透法，蒸发 浓缩法等都能够实现溶液的浓缩，从而加以回收利用。 然 而 ， 对 于 离 子 浓 度 为 数 十m g -l - ， 的 低 浓 度 重 金 属 废 水， 如电 镀 行 业中 的 占废水总量8 0 %的 镀件清洗废水 1 ,3 1 高浓度重金属废水处理中可行的技术受到 技术或经济上的限制而难以 应用。反渗透法虽然能够获得较高的淡水水质，但 浓水浓缩程度低，无法直接返回镀槽，经济性较差;电 渗析法受到浓差极化现 象的限 制， 难以处理这种低离子浓度的废水; 蒸发浓缩法则能耗过高9 1 传统的且至今广泛采用的低浓度重金属废水的处理方法主要包括化学处理 法和离子交换法。 化学处理法简单易行，投资少，但需要消耗大量化学药品， 产生 难以 处 理的 污 泥， 且 处 理 后的 水回 用困 难 13 1 离 子 交 换 法处 理的 水 质 较好， 往往能够回用， 其缺点在于技术难度大， 投资较高， 操作繁琐， 需要反复再生， 而且存在再生洗脱液的 处理问 题 1 0 1 显然，传统的重金属废水的处理技术难以完全满足要求，对于低浓度重金 属废水的处理尤其如此。因此，研究者又采用几种技术联合的集成处理系统例 如电 渗析一 离子 交换1 11 、 化学法 一 膜过滤1 12 1 、 纳滤一 反 渗 透 1 3 , 1 4 1 等 集 成技术。 这些 新工艺在一定程度上代表着重金属废水处理技术的发展方向。然而，目 前的技 术水平虽然能够实现水和金属的回收并且水质较好，但工艺流程复杂，水处理 第一章 重金属废水的处理方法 成本很高。因此，开发高效、便捷的低浓度重金属废水处理新技术至关重要。 电 去离子 ( e d i ) 在超纯水制备方面己 经取得很大的突破和进展， 成为最具 潜力的 超 纯 水 生 产工艺p 5 。 近期， 人们尝 试 将 其用于 低 浓度重金属废水的处理， 已取得一些进展和成果， 展现出良 好的前景 1 6 -2 7 1 第二章 电去离子技术及其用于低浓度重金属废水处理的 研究现状 第二章 电去离子技术及其用于低浓度 重金属废水处理的研究现状 第一节 e d i 技术概述 e d i 过程的概念产生于2 0 世纪5 0 年代。 经过三十多年的艰苦探索， 于1 9 8 7 年 诞生了第一台商品化的e d i 装置，e d i 进入工业化应用的新的历史阶段。此后， e d i 的 研究和应用空前繁荣， 在装置设计， 操作控制等各方面不断取得新的 进展， 工业应用的 普及程度不断 提高。目 前， 以 反渗透/ 电 去离子( r o / e d i ) 技术为核心 的集成膜过程，已成为纯水生产的新一代主流技术，在电子、电力、医药等领 域获得日 益广泛的应用。 2 . 1 . 1 e d i 的基本原理 e d i 将电 渗析技术和离子交换技术相融合， 通过阴、 阳离子交换膜的选择性 透过作用与离子交换树脂对离子的选择性交换作用，在直流电场作用下，实现 离子的定向迁移，从而实现水的深度除盐，同时水的电解离产生的氢离子和氢 氧根离子对离子交换树脂进行电再生。因此，其不需酸碱化学再生而能连续制 取超纯水。e d i 原理示意图如图2 . 1 所示。 图 2 . 1 e d 工 工艺 基本原理示意图 1 . 阴离子交换膜 ( a e m) 2 . 阳 离子交换膜 ( c e m) 3 阴 离子交换树脂 4 . 阳离子交换树脂5 浓水室6 淡水室 第二章 电去离子技术及其用于低浓度重金属废水处理的研究现状 在阴阳电 极之间，由交替排列的阴阳离子交换膜构成淡化室与浓缩室，淡 化室内 填充混床离子交换树脂。 e d i 一般过程包括( 1 ) 离子交换;( 2 ) 直流电场下离子的选择性迁移;( 3 ) 树 脂的电再生三个方面。溶液中的离子首先通过树脂颗粒表面的扩散层进入树脂 相，再在电场作用下经由树脂颗粒构成的离子传输通道迁移到膜表面并透过离 子交换膜进入浓室。淡化室中 填充的离子交换树脂大大提高了淡化室的导电 性， 显著增强了离子从溶液向膜面的迁移。当树脂、膜与水相接触的界面扩散层中 的极化发展到一定程度时， 将发生水的解离。 水解离产生的扩和o h 一 离子除部分 参与负载电流外，另一部分又对树脂起到再生作用，从而使离子交换、离子选 择性迁移、电 再生三个过程相伴发生，相互促进， 过程相当于连续获得 再生的 混床离 子交 换。因 此， e d i 过程也 称为连续 去 离子/ c d i ( c o n ti n u o u s d e i o n iz a ti o n ) 过程。 e d i 技术的 优点: ( 1 )可连续生产超纯水，产水水质稳定。 r o / e d i 脱盐系统可连续运行， 不需备用装置， 解决了原来离子交换设备需 停用再生的缺陷。 ( 2 )不需酸、碱再生，节约酸、碱消耗以及相应的储运和再生设施。 传统的脱盐系统采用离子交换法脱盐， 无论采用一级复床阳床或阴床，还 是两级复床或混床，均采用离子交换树脂，树脂用酸碱再生，并反复利用。在 用酸碱再生树脂的过程中，有大量的废酸碱排放，破坏水系的生态平衡，而采 用r o / e d i 脱盐系统，在运行过程中不需酸 碱再生。 ( 3 )无再生污水产生，工艺过程洁净，不需污水处理设施。 ( 4 )避免了 化学品对操作人员的 伤害。 ( 5 )结构紧凑，占地面积小。 ( 6 )运行操作简单，劳动强度低。 r o / e d i 脱盐系统出水水质平稳，不会出现混床时周期性变化。 但r o设备和e d i 设备的 进水要求较为 严格，并且r o设备进水水质的要 求因膜而异，见表 2 . 1 0 第二章 电去离 子技术及其用于低浓度重金属废水处理的 研究现 状 表2 . 1 不同r o膜组件的r o设备对进水水 质的 要求 卷 式 阶 胜 纤 维 素 膜中 空 纤 维 式 i 胡 膜2 规 卷 式 复 合 膜超 吩9 4 式 复 合 膜 梢标一吮殆份今一行六吮，一一全六分一 v mi v 大 ( 4建 议 填瑙 大 x # ig o雄 大 偏辞 议 俄最 大 镇 刃吃 4 4 3 3 4 5 4 5 沙 度 1 f i u 0 . 2 1 0 .2 0 . 5 0 . 2 1 0 . 2【 含 铁 月 2 ( hit ) 0 . 1 0 . 1 0 . 1 0 . 1 。 1 0 . 1 。 . ，。 1 游 离 盆 / ( n u f . 1) 0 . 2 - - 1 1 0 0 . 1。o . l 0 0 . 1 水 盆 / ic 2 5和2 5旬25书乃书 水 压 加 肠2 .5 - - 3 . 0 . 2 . 4 - - 2 . 6 2 ，1 . 0 - -1 .6 4 . 1 1 仍4 . 1 p i l a二5 - 6.6 .5.4 - - 1 1 1 (, 2 - 1 1 . 1 1 二3 - 10. 10 水质如达不到表 2 . 1 中的 要求， 应采用适当的 预处理方法改善水质。除采 用混凝和沉降处理外， 预处理还有多介质过滤、活性炭过滤、 精密 过滤等，有 时为了防止 r o膜阻塞，对高硬度水还要进行软化。 e d i 膜 堆 进水 水 质 参 数 主 要 包 括 可交 换阴 离子 量 、 硬度、 p h . s d i 、 活性 s i o 2 ,总有机碳和游离氯等。 它们直接关系到膜堆的 使用效果与寿命， 必须严 格控制。目 前在国内 ，不管是进口 膜堆还是国 产膜堆，在使用过程中 往往出现 性能下降很快， 主要原因是国内用户通常不太重视膜堆进水条件的控制。 表2 .2 为加拿大e - c e l l 对e d i 设备进水水质要求2 s 表2 .2 e - c e l l 对e d i 进水水质的 要求 指 标范 围 可交换阴离子总量 ( 含c o z ) ( 以c a c o 3 计 ) / m g .l 1 p h 值 硬 度 ( 以c a c 0 3 计 ) / m g -l 回收率/ % 活性s i0 2 总 有 机 碳 /m g .l - 游 离 氯 /m g -l - 2 5 5 - 9 0 . 1 0 . 5 0 . 7 5 9 5 9 0 8 5 0 . 5 1 . 0 1 1; 劝 . 5 0 . 5 2 . 1 . 2 e d i 的发展历程 上世纪中叶，随着电渗析和离子交换技术的逐渐成熟，人们尝试用树脂强 化电渗析过程的离子传递，e d i 技术也就应运而生了。 第二章 电去离 子技术及其用于低浓度重金属废水处理的 研究现状 k u n i n 2 9 1 于1 9 5 0 年最先提出在e d 淡化室中填充离子交换树脂的概念。 wa l t e r s l3 o l 于1 9 5 5 年设计了填充混床离子交换树脂的 e d i 用于低浓度放射性废水 的研究，并提出淡室中 离子通过混床离子交换树脂的传导机理。五十年代后期， s a m m o n s , g it t e n s , w a t ts 3 1 .3 2 1 对e d i 处理低浓 度放射性废水进行了研究。 g l u e o k a u f 1 3 3 对e d i 的 传质机理进行了比 较深入的 探索， 以s a m m o n s 等人的实验数 据为基础，提出了 一个e d i 离子传递的数学模型。六十年代中期，已经有将e d i 用于水的 脱盐的研究报道。 七八十年代， e d i 技术进一步发展， 并逐步转向实用。 m a t e j k a 3 4 1 , s h a p o s h n ik 3 5 n e d i 过 程 的 传 质 机 理 进 行 了 理 论 分 析 ， 通 过 实 验 研 究 了树脂粒径， 阴阳树脂的比例， 树脂床层厚度等因素对e d 工 进行水的脱盐过程的 影 响 ， 探 讨了 e d i 生 产 纯 水 的 可 能 性。 k o m g o l d l3 6 ,3 7 1 分 析了 各 种 离 子 交换 树 脂 的 特 点 ， 阐 明 了 填 充 树 脂 为 e d 器 带 来 的 优 点 。 其 间 ， k o m g o ld l , t e j e d a l 7 , t h o m a s 4 0 l , k e d e m 4 1 及 其他 研究 者 4 2 .4 4 1 陆 续 推出了 各具 特点 的 装置 设计。 直 到 1 9 8 7 年， 美国 m i ll ip o r e 公 司 率先 推出以 i o n p u r e c d i 为 商品 名的 e d i 商业化产品 装 置。 此后， 在m i ll i p o r e , i o n p u r e , i o n i c s , o m e x e l l 和e - c e l l 等公司的大力推动下， e d i 获得了前所未有的发展。 在国内， e d i 研究的起步较早， 核工业部原子能研究所，国家海洋局杭州水 处理中心和7 4 2 厂等单位早期曾 做过一些相关研究，但进入七十年代以来，我国 e d i 研究停滞不前。近十几年，随着e d i 日 益实用化和应用领域的延伸，国内一 些单位开始e d i 的研究，但大多集中于e d i 制备纯水的研究。 2 . 1 . 3 e d i 的研究现状、 应用领域及发展前景 2 . 1 . 3 . 1 e d i 的研究现状 e d i 净水设备所具有的连续出水、无需酸碱再生和无人值守等特点，使其 已经在制备纯水系统中逐渐代替精处理设备使用。目 前， 国际上已有3 0 0 0 多套 e d i 装置在运行， 总容量己 超过3 万时-h 目 前， e d i 的 研究主要有以下几个 方面: 一、薄室印! 1 9 9 6 年以前， 几乎所有的工业用e d i 装置都采用板框式结构， 、 类似于普通 的电 渗析 器。 根据g .c .g a n z i 4 5 1 的 实 验 研 究， 在 相 应的 操 作条 件 下， e d i 装置 淡 水室的膜间距以l o m m和2 .3 m m为较好，所以大多数工业用e d i 装置淡水室 第二章 电 去离子技术及其用于低浓 度重金属废水处理的 研究现状 的膜间距都 选在2 . 5 左右， 并以 此膜间 距作为薄室e d i 的 标志。目 前， 国内 使用的薄室e d i 装置多半为 美国e l e c t r o p u r e 公司的产品。 二、厚室 e d i 为适 应用户 对大产水量 e d i 产品的 需 求，1 9 9 7年加拿大与日 本合作 组成 e - c e l l 公司 ( 现已 被美国g e公司所收 购) ， 推出 单个膜堆的基本产水量 约为 3 m 3 .h t 的 e d i 装 置， 利 用 膜 堆并 联 可 使e d i 装 置 达 到 几 百m 3 .护的 产 水 量， 实 现了e d i 装置构成的模块化， 从而变更并联膜堆数目就能达到增减e d i 装置容 量的目的。 自1 9 9 6 年 起， 美国io n p u r e 公司 从 装 置 的 模 块 化 ， 增 加 可 靠 性 和 耐 用 性以 及降 低费 用 三方面， 逐步推出厚室e d i 装置。 使膜堆结构更紧凑坚固，也 给系 统设计提供了 更大的灵活性。其所采用的 措施主要有: ( 1 ) 采用强度鹤高的隔 板 材料， 用工程塑 料如聚枫代替聚乙 烯: ( 2 ) 隔 板和膜之间用o 形密封， 保证无泄 漏; ( 3 ) 浓水室 填充 导电 树脂， 无需浓水 循环系 统，无 需加盐， 无极 水排放。 近年来，国 家海洋局杭州水处理技术开 发中 心等单位相继推出 类似 e - c e l l 产品的 e d i 装置， 在一定的范围内得到了推广应用，为国内普及 e d i 净水技术 作出了很有成效的贡献。 三、新型结构的 印i 装置 许多研 究者为了使e d i 膜堆结构更为合 理， 更好地满足用户所提出 的要求， 本着改善e d i 膜堆性能， 改 进加工工艺 和制 造方案， 节省材料和减少劳务支出 ， 使 e d i 装置性能更好，工作更可靠，增加耐用性和降低费用的宗旨，对 e d i 装 置进行改 进。最 近， i o n p u r c 公司推出了第 三代e d i 装置， 称此为v n x产品。 并对2 7 .4 m 3 . h 1 的 三代e d i 装置制造费用 做了比 较，第三 代 e d i 装置的 制造费 用己比 第一 代产品降低了 2 / 3 ， 且己 低于混 床的制造费用 4 6 。 清华大学的王方 设计的圆盘式e d i 也具有很大的应用前景。 四、出水水质 标准 采用r o装置出 水作为e d i 给水， 在 一般情况下， e d i 装置的出水 水质 其 电阻率都能 达到 1 6 mo - e m ， 有的甚至接近 1 8 m 6 2 .c m 。 采取一些特殊的 措施， 还可以使 e d i 装置的出水电阻率接近于 1 8 . 2 m9 2 - c m的理论纯水标准。 然而， 从 实际情况出 发， 考虑经济等因素， 不是越 高 越好。 对于电 子行业来说， 用 e d i 装置 直接获 得1 8 . 2 m s 2 . c m的高纯水， 不必再 在e d i 装置后采用抛光混床 树脂 处 理，比较方便;对于发电行业，对用 e d i 装置处理锅炉补给水系统来说，只需 第二 章 电 去离子技术及其用于 低浓度重金属废水处理的 研究现状 获得5 mo - c m的 纯水即 可。 从e d i 装置 所处 理的总水量的多 少来看， 象电子 行 业这种对水 质要求高的 用户只占2 0 % 左右: 而对 水质要求不高如发电 行业作 为 锅炉 补给水 来说， 要占6 0 %以上; 对于 其他用户，他们对水质要求也不高， 大 致于 发电 行 业相仿， 也占2 0 。因 此从满足 8 0 % 用户来考虑，只 需 e d i 出 水 在 5 ms 2 . c m以上就可以了。 2 . 1 . 3 . 2 e d i 的应用领域 目前，以e d i 后接于反渗透的r o / e d i 为核心的膜集成过程成为深度除盐 制备纯水的 新技术，日 益引 起人们 的重视. 预计已 有数百套 r o / e d i 装置 在运 行，然而，r o / e d i 脱盐系统中 e d i 所用膜块绝大部分为国外产品，国产 e d i 比较少见。 电子行业 电子行业对水质要求极高，需要电导率接近 0 . 0 5 5 u s - c m 一 1 ( 电阻率 1 8 . 2 m o -c m )的 超纯 水。如果采用 r o / e d i 脱盐系统，则在系统后还需增加 精 混床处理，以 确保混 床出水水质达 到理论高纯水的标准，但相对于r o后接 精 混床， 树脂的 更换周 期要小的多。 电力、石化行业 火 力发电 厂 所用高压 锅