基本介紹
- 中文名：去離子化
- 外文名：deionization
- 用途：淨化水
技術介紹,技術分類,電容去離子,電去離子,套用,純水製備,廢水處理,化工產品分離,
技術介紹
人口不斷增長使得人類對水的需求與日俱增，而對於那些位於乾旱地區的城市來說，這種需求尤為迫切。眾所周知，海洋、湖泊和河流中的天然水含有各種病原微生物和有毒有機物、固體懸浮物、重金屬和許多無機鹽類。即使從自來水廠出廠的自來水，由於管道污染，當為用戶使用時也受到不同程度的污染。為了淨化這些水體，必須進行殺菌消毒、過濾固體懸浮物和脫鹽處理。
常見的水處理技術包括：
目前去除固體懸浮物和殺菌消毒已經有十分成熟的技術，但是廣泛使用的脫鹽技術還有很大的缺點。例如閃蒸能耗很大；離子交換和反滲析技術都需要很昂貴的再生工藝，而且在再生過程中會帶來二次污染；電滲析（EDI）系統雖然得到商業化，但是比較費電，因為使用的電壓非常高，同時還由於電解水的原因，產生出很多的氣體。社會進步和能源不足使得人們在評價脫鹽技術時越來越考慮成本和效率的因素。為此，非常需要開發一種節能環保的淨化水技術。
去離子化技術就是出現在傳統的脫鹽領域，他被認為是一種低成本、高效率和無污染的很有潛力的脫鹽技術，將會在淨化水領域帶來一次革新。
技術分類
電容去離子
電容去離子（capacitive deionization，CDI）的基本思想是通過施加靜電場強制離子向帶有相反電荷的電極處移動。由於碳材料，如活性碳和碳氣凝膠等製成的電極，不僅導電性能良好，而且具有很大的比表面積。若將兩片活性碳材料分別作為電容器陰陽兩級並在兩電極之間施加一定的直流電壓便會形成一個靜電場。置於靜電場中碳電極會在其與電解質溶液界面處產生很強的雙電層。雙電層能吸附並儲存大量的電解質離子，並儲存一定的能量。一旦除去電場，吸引的離子被釋放到本體溶液中，溶液中的濃度升高。這一過程也稱為“充電富集”。此種原理也被大量套用在超級電容器和電容鹽度梯度發電(capacitive blue energy)中。
和傳統的水溶液去離子方法相比，電容去離子具有幾方面重要的優勢。例如，離子交換是目前工業上從水溶液中去除陰陽離子，包括重金屬和放射性同位素的主要手段，但這一過程產生大量的腐蝕性二次廢水，必須經過再生裝置處理。而電容去離子與離子交換不同，系統的再生不需要使用任何酸、鹼和鹽溶液，只是通過電極的放電完成，因此不會有額外的廢物產生，也就沒有污染；同蒸發這種熱過程相比，電容去離子具有很高的能量利用率；和電滲析和反滲透相比，該方法還具有操作簡便的優勢。另外，從地下水中選擇性去除Cr的初步實驗表明，對水中某些微量雜質的選擇性處理也是有可能實現的。
因為具有能量利用率高，污染小，易操作等優點，電容去離子可以套用在很多方面，包括家庭和工業用水軟化、廢水淨化、海水脫鹽、水溶性的放射性廢物處理、核能電廠廢水處理、半導體加工中高純水的製備和農業灌溉用水的除鹽等。為了儘可能的提高電容去離子化的除鹽效率，我們還可以在碳電極表面附著上一層離子交換膜，也就是在陽極上加陰離子選擇性滲透膜，在陰極上加陽離子選擇性滲透膜，離子交換膜可以阻擋與之同性離子進入碳電極，由此改良雙電層內的被吸附離子分布結構，從而吸附更多的離子（圖1）。
圖1
圖1電去離子
電去離子（EDI）的基本工作模型如圖2所示，膜堆由交替排列的陰、陽離子交換膜和濃淡室隔板等組件構成，離子交換樹脂填充在陰、陽離子交換膜之間，膜堆兩側設定正負電極。進入淡水室中的電解質離子首先通過交換作用吸附到樹脂顆粒上，而後在外加直流電場作用下，沿樹脂顆粒構成的導電傳遞路徑遷移到淡水室的離子交換膜表面，並透過膜進入濃水室而被除去。一般而言，EDI的去離子過程根據原水含鹽量的不同有2種工況：原水含鹽量較高時，淡水室中的樹脂保持鹽型，水解離程度微弱，去離子作用主要來源於樹脂的增強導電能力;當原水含鹽量降低時，淡水側的陰、陽離子交換膜表面以及接近出水口的樹脂床層中發生水分子的解離，水解離產物H+與OH-對樹脂床層的就地”電再生”使部分混樹脂保持H+和OH-型，從而實現連續深度除鹽。
圖2
圖2EDI技術不僅能去除水中的Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4等強電解質離子，而且對CO2、氨、矽、硼等弱電解質也有很好的去除效果，這是傳統的電滲析和離子交換技術所不具備的技術優勢。其去除機理在於：一定條件下EDI過程中的水解離作用產生的OH-和H+與弱電解質結合生成強電解質離子，使之在電場作用下發生遷移，最終達到去除目的。
此外，EDI對細菌等微生物也有一定抑制效應。在EDI膜堆內部的淡水室中，劇烈的水解離導致局部中性紊亂，形成不利於細菌生長的環境條件；同時，細菌尤其是對製藥用水影響較大的革蘭氏陰性菌帶負電荷，極易被吸附到樹脂表面，處於水解離最活躍的部位，從而使其生長受到抑制甚至被殺滅，大大減輕EDI產水受細菌內毒素污染的程度。
套用
純水製備
傳統純水製備技術主要依靠蒸餾和離子交換。其中，蒸餾過程不僅能耗高，且產水水質低，目前已很少單獨使用；採用離子交換法，樹脂必須頻繁用酸鹼進行再生，使得純水製備無法連續操作，且再生過程不僅消耗大量清洗用水，還產生大量酸鹼廢液，對環境造成很大危害。20世紀60年代以後，膜技術在世界範圍內逐漸興起。其共同特點是在一定條件下利用膜來實現雜質與水的分離。與傳統的水處理方法相比，膜分離技術具有高效、節能、易操作等優點。目前，以微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、電滲析(ED)、電去離子(EDI)等為代表的膜技術的套用對純水的製備有著不可替代的作用，而以RO/EDI為核心的全膜法純水工藝逐漸成為高純水生產技術的主流。
廢水處理
重金屬廢水來源廣泛，對環境和人體健康危害極大。傳統處理方法如蒸發濃縮法、化學法及電解法僅適用於高濃度重金屬廢水的處理，對幾十mg/L以下的低濃度重金屬廢水處理效果不佳，技術上亦不經濟。近年來，將EDI技術用於低濃度重金屬廢水處理方面的研究日益增多，並在分離效率、無二次污染等方面展示出顯著的技術優勢。事實上，EDI原理最初提出的目的即是用於處理核設施產生的低水平放射性廢水。1971年，前蘇聯莫斯科放射性廢物處理站以ED與EDI組成聯合系統試驗處理低水平放射性廢液。結果表明，一定條件下料液鹽質量濃度可由初始的1000~1200mg/L降至25mg/L以下，總β可降低至原來的1/100~1/50，與離子交換法相比，工藝費用大大降低。
