探析电去离子过程的传质机理及其集成膜过程的研究

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1、天津大学博士学位论文电去离子过程的传质机理及其集成膜过程的研究姓名：王建友申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：王世昌2001.12.1摘要l乜去离r(EDI)，义称连续上离f(CDI)，是结合离_r交换膜与离f．交换树脂，在直流电场的作用下实现去离子以及树脂的连续再生过程的～种新分离技术。／EDI的主要特点是所使用的树脂无须化学酸碱再生，不排放污染性废水，过程相当于连续获得再生的混床离子交换。EDI与反渗透(RO)、超过滤(UF)等其它膜技术组成的集成膜过程，已经成为了主流的纯水技术渗透到了电

2、子、医药、生物、电力、石化、冶金等各工业和实验室高技术研究领域中，并将继续决定纯水技术的未来。将各主要的单元膜分离过程高度综合，有机集成而组成集成膜过程这一趋势同时也正成为膜技术研究的重要发展方向。J／一勺本文工作中研制成功一种新型双面下陷台阶式，多隔室暗道式进出口无回路隔板，有效解决了树脂的堵塞、流失与拖团问题，防止了膜塌陷和内漏窜水，促进了水流的均匀分布。以该隔板为基础，采用国产离子交换膜与离子交换树脂，研制成功一种新型EDI膜堆。EDI过程中，离子的迁移受膜扩散机理控制(FDC)。以FDC为出

3、发点，深入研究了EDI的过程机理及其主要的传质强化途径，即选择高交换容量、高比表面积的树脂高密度填充，优化淡室隔板厚度与树脂粒径的配比关系，以及采用高水收率在“电再生”状态下运行等。／首次系统研究了EDI开机阶段的非稳态过程及稳态下的特征曲线，总结出了过程传质的基本特征，并提出了膜堆电压一浓缩水电导率及膜堆电阻一膜堆电压等新特征曲线概念，以共同作为过程运行状态的判断依据。对ED和EDI过程的特征曲线进行了比较，进一步说明了浓差极化与水解离的可利用性是EDl与ED过程的最本质区别。在高含盐量条件下，E

4、DI的去离子主要通过树脂的增强离子迁移作用来实现，树脂保持为盐型；在低含盐量条件下，脱盐过程相当于连续获得再生的混床离子交换。水解离的本质原因在于离子交换的界而层中高达10sV／m的高电势梯度。在EDI的门：机阶段，阳膜和阳树脂先f阴膜和阴树脂发￡扛水的解离；在过程达到稳态时，同样的条件下，阴阳离子交换膜和树脂都发生剧烈的水解离。首次从淡水事树脂床层与膜面的电场分析角度出发，阐述了在淡水室中将不可能形成具有抑制水解离效应的引b位，同时苗+次以Nernst—Planck乃‘程为坫础，建立了EDI过W的

5、f‘顺，JJ／厂}微分力‘利。根{j『『：所建膏：的传质数学横』1；IJ山‘稃获知在阴阳N／树脂衷咖t』水接触的界t自i；2-·{，发生的水解离的差异性，足杓r离f交换界面电辨梯度的嚣蚌，阳这种差异又与膜。j树脂的结构、性能以及阴阳离子在水溶液中的迁移数的葺。片有关。此外，根据有关阴膜和阴树脂的降解对水解离的催化效应理论，首次对EDl过程中浓缩水pH值的演变规律进行了解释。·本文以RO／EDI工艺为核心，研制成功产水量15-30L／h的电去离子高纯水生产装置，实现了以自来水为原水，净化、初级脱盐、深

6、度脱盐一机实现，在酸碱零消耗的前提下连续、高效、节能、清洁的高纯水生产，产品水电阻率达到15—17Mr'2．cm。研究了膜堆电压、处理水量和原水水质等因素对EDI过程的影响。在此块础L，以经济性原则为依据，首次提出了RO／EDI系统的放大设计原则。此外，根据Donnan膜平衡理论研究了均相离子交换膜在RO水条件卜的膜内离『-迁移数与膜的选择透过性，对均相膜与异相膜的选择问题提出了新的见解。利用电渗析过程对电流效率的定义研究了EDI过程的电流效率，讨论了两种过程水解离意义的差异性，在此基础上提出了一个

7、EDI过程电流效率的新定义。对UF／EDI初级脱盐和EDI膜软化过程进行了实验研究，结果表明对于电导率为580．700}．ts／cm的原水，EDI的脱盐率可达99％；对于电导率620ps／cm的城市自来水，EDI膜软化过程的Ca2+、Mg”离子脱除率均大于99．5％，从而展现了这些新过程的研究开发价值。y。研究表明，RO／EDI作为当前最先进的纯水制造技术，具有产水水质高、连续运行、不消耗酸碱、不污染环境等显著优点，在多个工业领域具有重要的应用价值。这项技术的进一步发展，将会对当前应用广泛的以离子交

8、换床为基础的化学制水技术进行革命性的改造。关键词：电去离于集成膜过程连续去离子高纯水离子交换膜离j二交换树脂电渗析浓差极化水解离AbstractElectrodeionizafion(EDI)，alsoknownascontinuousdeionization(CDI)，isanovelhybridseparationprocesscombiningion—exchangeresinwithion—exchangemembraneundertheaffectionof