电去离子(Electrodeionization,EDI),是结合离子交换膜与离子交换树脂,在直流电场的作用下实现连续去离子操作的一种新型分离过程,它能够在无需化学酸碱再生的条件下,对低浓度溶液进行深度脱盐。近年来,EDI 在纯水生产领域获得了日益广泛的应用。本文考察了 EDI 对低浓度 CuSO4溶液中离子的脱除和浓缩性能,以评价 EDI 同时回收纯水和重金属的可能性。 建立了以浓水部分循环方式操作的一级两段 6 个膜对的 EDI 膜堆,有效膜面积为 135cm2,考察了膜堆电压,淡水流量,循环比,原水浓度和 pH 值等因素对Cu2+离子的脱除和浓缩性能的影响。在一定的操作条件下,对于 Cu2+离子浓度为50mg/L 的原料水,通过 EDI 处理后,其产出淡水电阻率可达 2.2-5.6 MΩ.cm,Cu2+离子浓度低于仪器的检测限,脱除率>99.99%;浓水中 Cu2+离子浓度可达800-1200 mg/L。研究结果表明,EDI 能够在不需化学再生的条件下实现对 Cu2+离子的深度脱除和浓缩,有望成为具有巨大优越性的重金属废水回收技术。 考察了各种不同的装置设计和操作条件对处理低浓度 CuSO4 溶液的 EDI 过程的影响。研究表明,树脂的类型,混合比例及膜堆电压等对过程的正常运行产生影响。凝胶型树脂在电再生模式下变黑失效;过大的阴阳树脂比例导致树脂床层和膜面形成 Cu(OH)2和 CuO 沉淀;工作电压过高则造成金属铜在膜的表面还原沉积。在系统实验研究和理论分析的基础上,采用适当比例的大孔树脂,同时改善膜堆电阻,则可建立起连续,稳定的 EDI 运行条件。 通过对实验过程的分析,证实 EDI 过程存在两种不同的运行模式。离子浓度较高的条件下,EDI 在增强传质模式下运行,树脂保持为盐型,EDI 的去离子作用主要通过树脂对离子传递的增强来实现;离子浓度很低时,EDI 在电再生模式下运行,树脂被电化学地再生为 H 型和 OH 型,过程相当于连续获得再生的混床离子交换。对这两种运行模式的基本过程特点做了进一步的分析讨论。 建立了三维离子扩散-迁移模型,结合第二类电渗理论,描述了 EDI 过程的离子传递机理。离子交换树脂/膜与溶液界面层中高达 108-109V/m 的电势梯度,造成第二 Wien 效应,加速了水解离反应;而 Cu2+离子参与质子传递反应,对水解离反应产生催化作用。两种因素的综合作用,导致 EDI 过程水解离的发生。 本文工作首次在国内建立了 EDI 脱除和浓缩稀溶液中重金属离子的膜堆和实验体系,确立了连续稳定操作的条件,取得了重金属与纯水同时回收的良好效果,同时系统分析了这一 EDI 新过程的运行模式和传质机理,为重金属废水处理 EDI 技术的进一步开发提供了理论和技术支持。