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EDI电去离子回收电镀漂洗水的研究发展

2010-12-06

  当前电镀漂洗废水的资源化日益受到重视,其目标是从电镀漂洗废水中获得高品质的水回用于工件漂洗,同时获得高浓度金属盐溶液以返回镀槽回用。水和重金属能够回用或回收,电镀废水实现闭路循环,达到节约资源和保护环境的双重目的[1]。

  现有的处理技术难以满足电镀漂洗废水的资源化的要求。化学法需要消耗大量化学药品,产生难以处理的污泥,并且处理后的水回用困难[2];离子交换法的缺点在于离子交换树脂需要反复再生,操纵繁琐,而且容易造成二次污染[3];而集成处理技术例如,纳滤 反渗透[4]等则工艺流程复杂,水处理成本高。因此,迫切需要开发在技术和经济方面更具优势的新型处理技术。

  1 电去离子过程:

  电去离子(electrodeionization,简称EDI)是将离子交换树脂或纤维与离子交换膜相结合,在直流电场的作用下实现离子的深度脱除的新型分离过程。在超纯水生产中,将EDI置于反渗透(RO)之后以取代传统的离子交换混床,此刻已成为新一代清洁生产工艺的核心技术,在电力、电子、医药等领域获得日益广泛的应用[5]。以典型的混床EDI为例,在阴阳电极之间,由交替排列的阴阳离子交换膜构成一系列淡化室与浓缩室,淡化室内填充离子交换树脂混床。在直流电场的作用下,淡化室溶液中的阴离子和阳离子分别向阳极和阴极迁移。由于填充的树脂的导电性远高于与之接触的溶液,从溶液到膜表面的离子传递几乎都是经过树脂相来完成。离子首先经过树脂颗粒表面的扩散层进入树脂相,然后在电场作用下经由树脂颗粒构成的离子传输通道迁移并透过离子交换膜进入浓缩室。当树脂与溶液间界面扩散层中的极化发展到一定程度,并且存在叔胺基团参与的可逆质子化反应的催化作用时,水分子解离为H+和OH-。水解离产生的H+和OH-除局部参与负载电流外,另一局部又对树脂起到再生作用,即“电再生”,从而使离子交换、离子选择性迁移、电再生三个过程相伴产生[6]。

  EDI独特的水解离和电再生现象是其无需酸碱再生而制备超纯水的关键。水解离产生的H+和OH-对离子交换树脂实行再生,而被再生的树脂能够吸附弱解离物质,从而显著增强其脱除,获得电阻率接近18MΩ·cm的超纯水[7 8]。另一方面,水解离也为EDI运转带来负面影响,即导致膜堆结垢。水解离产生的OH-透过阴膜进入浓室,在阴膜表面与浓缩液中富集的Ca2+、Mg2+、HCO-3等相互结合而形成结垢,造成装置产水水质下降,能耗增加,影响过程的长期稳定运转[9 10]。

  2 电去离子回收电镀漂洗废水的研究

  近期EDI回收电镀漂洗废水的研究逐渐受到重视[11]。研究的目的是提供一种能够无需化学再生而实现水和重金属回收的新型技术,满足保护环境和节约资源的双重需要。

  回收电镀漂洗废水的EDI过程中,在产生水解离的状态下膜堆有产生金属氢氧化物沉淀的倾向。此刻研究中首要存在抑制水解离和电再生以及采用适当程度水解离和电再生两种不同的观点,相符合地分别采用了阳床EDI和混床EDI过程。

  阳床EDI过程的膜堆淡化室中填充阳离子交换树脂。阳树脂显著增强重金属离子的传递,但阴离子的传递则受到很大的限制,无法获得较高的电流密度;因此,需要提供外加的再生离子,利用离子替换机理使过程连续运转,获得希望的离子脱除性能Spoor[12 16],Dzyazko[17]对Ni2+的脱除的研究,Johann等[18 19]对Cu2+脱除的研究均采用外加的酸液循环为离子交换树脂或纤维的再生提供H+;Sung[19]对EDI脱除Cu2+的研究则利用阳极产生的H+对树脂实行再生。对于此类EDI过程,在电场的作用下,外加的再生离子进入淡化室,对离子交换树脂或纤维实行再生;交换下来的重金属离子则穿过阳离子交换膜进入相邻的浓缩室。淡化室中离子交换和电再生过程同时实行,在稳定状态下,在树脂床层内沿料液流动方向和垂直于料液流动方向上均建立恒定的重金属离子浓度分布。

  混床EDI过程膜堆采用与纯水生产中类似的形式,淡化室由一张阳膜和一张阴膜构成,中间填充阴阳离子交换树脂混合物。该过程可以同时增强阴阳离子的传递,并以树脂 树脂和树脂 膜界面间的水解离产物对树脂实行再生。已有的研究[21 23]初步证明了混床EDI对模拟酸性镀铜废水实行回收的可行性,并经过Cu2+的质量平衡研究剖析了过程中电再生现象。进一步研究表明,该EDI过程也存在“增强传质”和“电再生”两种模式。在“增强传质”模式下,淡化室不产生水解离和电再生,离子脱除率较低,阴膜的浓室侧表面无结垢产生;在“电再生”模式下,淡化室产生水解离和电再生,EDI可将Cu2+脱除至仪器无法检出;在阴膜的浓水室表面的局部区域,水解离产生的OH-与Cu2+结合形成Cu(OH)2沉淀,并进一步形成CuO结垢[24]。

  此刻EDI回收电镀漂洗废水的研究尚不能满足工程的需要。阳床EDI过程在采用两张阳膜并填充阳树脂的情况下,膜堆中树脂层和膜表面仍然产生金属氢氧化物沉淀[14 15],其或许的原因是电流密度较高时,树脂 树脂和树脂 膜接触点处的界面上产生水解离;由于阴阳离子传递的不平衡,该EDI过程虽对重金属离子有一定的脱除率,但难以实现深度脱除;运转依赖于外加再生液,膜堆结构复杂。混床EDI过程经过采纳适当程度的水解离和电再生,能够不需要化学再生而实现重金属离子深度脱除,获得高品质的淡水;同时结构较简单,但膜堆结垢是过程连续稳定运转所必需处置的关键问题。因此,需要对结垢防治策略实行深入的研究。

  两级EDI过程能够显著改善电镀漂洗废水回收中膜堆结垢问题。两级EDI过程中,一级EDI在低于极限电流密度的条件下操纵,由于不存在膜堆结垢问题,因此,能够得到较高的浓缩倍数;另一方面,经过对重金属离子的初步脱除,减轻二级EDI的负荷,有助于幸免其膜堆结垢。二级EDI则在高于极限电流密度的条件下操纵,利用水解离和电再生实现重金属离子的深度脱除。

  3 结论

  EDI能够无需化学再生而对低浓度溶液实现离子的连续深度脱除,同时获得浓度较高的浓缩液,其特点适合废水资源化技术的要求,此刻的研究已初步证明其可行性。EDI装置灵活,便于按照具体条件实行调整,适合电镀厂点分布广泛的特点;无需化学再生,操纵运转简便,装置结构紧凑,节省空间。随着研究的持续深入,该技术有望逐步实现工业化应用,具有优良的应用前景。

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