去离子化电容去离子

电容去离子（capacitive deionization，CDI）的基本思想是通过施加静电场强制离子向带有相反电荷的电极处移动。由于碳材料，如活性碳和碳气凝胶等制成的电极，不仅导电性能良好，而且具有很大的比表面积。若将两片活性碳材料分别作为电容器阴阳两级并在两电极之间施加一定的直流电压便会形成一个静电场。置于静电场中碳电极会在其与电解质溶液界面处产生很强的双电层。双电层能吸附并储存大量的电解质离子，并储存一定的能量。一旦除去电场，吸引的离子被释放到本体溶液中，溶液中的浓度升高。这一过程也称为“充电富集”。此种原理也被大量应用在超级电容器和电容盐度梯度发电(capacitive blue energy)中。

和传统的水溶液去离子方法相比，电容去离子具有几方面重要的优势。例如，离子交换是目前工业上从水溶液中去除阴阳离子，包括重金属和放射性同位素的主要手段，但这一过程产生大量的腐蚀性二次废水，必须经过再生装置处理。而电容去离子与离子交换不同，系统的再生不需要使用任何酸、碱和盐溶液，只是通过电极的放电完成，因此不会有额外的废物产生，也就没有污染；同蒸发这种热过程相比，电容去离子具有很高的能量利用率；和电渗析和反渗透相比，该方法还具有操作简便的优势。另外，从地下水中选择性去除Cr的初步实验表明，对水中某些微量杂质的选择性处理也是有可能实现的。

因为具有能量利用率高，污染小，易操作等优点，电容去离子可以应用在很多方面，包括家庭和工业用水软化、废水净化、海水脱盐、水溶性的放射性废物处理、核能电厂废水处理、半导体加工中高纯水的制备和农业灌溉用水的除盐等。为了尽可能的提高电容去离子化的除盐效率，我们还可以在碳电极表面附着上一层离子交换膜，也就是在阳极上加阴离子选择性渗透膜，在阴极上加阳离子选择性渗透膜，离子交换膜可以阻挡与之同性离子进入碳电极，由此改良双电层内的被吸附离子分布结构，从而吸附更多的离子，如图1所示。

去离子化电去离子

电去离子（EDI）的基本工作模型如图2所示，膜堆由交替排列的阴、阳离子交换膜和浓淡室隔板等组件构成，离子交换树脂填充在阴、阳离子交换膜之间，膜堆两侧设置正负电极。进入淡水室中的电解质离子首先通过交换作用吸附到树脂颗粒上，而后在外加直流电场作用下，沿树脂颗粒构成的导电传递路径迁移到淡水室的离子交换膜表面，并透过膜进入浓水室而被除去。一般而言，EDI的去离子过程根据原水含盐量的不同有2种工况：原水含盐量较高时，淡水室中的树脂保持盐型，水解离程度微弱，去离子作用主要来源于树脂的增强导电能力;当原水含盐量降低时，淡水侧的阴、阳离子交换膜表面以及接近出水口的树脂床层中发生水分子的解离，水解离产物H 与OH^-对树脂床层的就地”电再生”使部分混树脂保持H 和OH^-型，从而实现连续深度除盐。

EDI技术不仅能去除水中的Na 、Ca₂ 、Mg₂ 、Cl^-、SO₂^-4等强电解质离子，而且对CO₂、氨、硅、硼等弱电解质也有很好的去除效果，这是传统的电渗析和离子交换技术所不具备的技术优势。其去除机理在于：一定条件下EDI过程中的水解离作用产生的OH^-和H 与弱电解质结合生成强电解质离子，使之在电场作用下发生迁移，最终达到去除目的。

此外，EDI对细菌等微生物也有一定抑制效应。在EDI膜堆内部的淡水室中，剧烈的水解离导致局部中性紊乱，形成不利于细菌生长的环境条件；同时，细菌尤其是对制药用水影响较大的革兰氏阴性菌带负电荷，极易被吸附到树脂表面，处于水解离最活跃的部位，从而使其生长受到抑制甚至被杀灭，大大减轻EDI产水受细菌内毒素污染的程度。

去离子化纯水制备

传统纯水制备技术主要依靠蒸馏和离子交换。其中，蒸馏过程不仅能耗高，且产水水质低，目前已很少单独使用；采用离子交换法，树脂必须频繁用酸碱进行再生，使得纯水制备无法连续操作，且再生过程不仅消耗大量清洗用水，还产生大量酸碱废液，对环境造成很大危害。20世纪60年代以后，膜技术在世界范围内逐渐兴起。其共同特点是在一定条件下利用膜来实现杂质与水的分离。与传统的水处理方法相比，膜分离技术具有高效、节能、易操作等优点。目前，以微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、电渗析(ED)、电去离子(EDI)等为代表的膜技术的应用对纯水的制备有着不可替代的作用，而以RO/EDI为核心的全膜法纯水工艺逐渐成为高纯水生产技术的主流。

去离子化废水处理

重金属废水来源广泛，对环境和人体健康危害极大。传统处理方法如蒸发浓缩法、化学法及电解法仅适用于高浓度重金属废水的处理，对几十mg/L以下的低浓度重金属废水处理效果不佳，技术上亦不经济。近年来，将EDI技术用于低浓度重金属废水处理方面的研究日益增多，并在分离效率、无二次污染等方面展示出显著的技术优势。事实上，EDI原理最初提出的目的即是用于处理核设施产生的低水平放射性废水。1971年，前苏联莫斯科放射性废物处理站以ED与EDI组成联合系统试验处理低水平放射性废液。结果表明，一定条件下料液盐质量浓度可由初始的1000~1200mg/L降至25mg/L以下，总β可降低至原来的1/100~1/50，与离子交换法相比，工艺费用大大降低。

去离子化化工产品分离

EDI技术长期以来一直限于水和废水处理领域的应用，对其他物料处理的应用还不多见。实际上，根据EDI的工作原理，经处理的物系分成2股流路：一股离子浓度降低，得到纯化；另一股则浓度升高，得以浓缩，这为化工产品的分离提纯提供了新的思路。Elleuch曾采用EDI工艺对2种浓度的工业磷酸进行纯化，结果显示经5h的处理后，工业磷酸中的Mg₂ 、Cr₃ 、Cd₂ 、Zn₂ 等金属杂质去除了30%，并指出这为更高浓度工业磷酸的纯化分离带来了希望。

人口不断增长使得人类对水的需求与日俱增，而对于那些位于干旱地区的城市来说，这种需求尤为迫切。众所周知，海洋、湖泊和河流中的天然水含有各种病原微生物和有毒有机物、固体悬浮物、重金属和许多无机盐类。即使从自来水厂出厂的自来水，由于管道污染，当为用户使用时也受到不同程度的污染。为了净化这些水体，必须进行杀菌消毒、过滤固体悬浮物和脱盐处理。

常见的水处理技术包括：

1.去除固态微粒：膜过滤、吸附等；

2.去除有机物：吸附、紫外线杀菌、光催化等；

3.脱盐（去除阴阳离子）：闪蒸、交换树脂、逆渗透、电渗析、纳滤等。

目前去除固体悬浮物和杀菌消毒已经有十分成熟的技术，但是广泛使用的脱盐技术还有很大的缺点。例如闪蒸能耗很大；离子交换和反渗析技术都需要很昂贵的再生工艺，而且在再生过程中会带来二次污染；电渗析（EDI）系统虽然得到商业化，但是比较费电，因为使用的电压非常高，同时还由于电解水的原因，产生出很多的气体。社会进步和能源不足使得人们在评价脱盐技术时越来越考虑成本和效率的因素。为此，非常需要开发一种节能环保的净化水技术。

去离子化技术就是出现在传统的脱盐领域，他被认为是一种低成本、高效率和无污染的很有潜力的脱盐技术，将会在净化水领域带来一次革新。

脉冲氦离子化气相色谱仪专利目的

《脉冲氦离子化气相色谱仪》的目的是提出一种可一次进样完成气体所有杂质组分全分析的仪器，公开一种脉冲氦离子化气相色谱仪。

脉冲氦离子化气相色谱仪技术方案

《脉冲氦离子化气相色谱仪》是这样实现的：一种脉冲氦离子化气相色谱仪，包括载气单元、取样单元、气路控制单元，电路控制单元，分离单元和检测单元，其特征在于：还包括尾气处理单元及信号采集与数据处理单元，所述的尾气处理单元接收分离单元排出的废气，它是加吸附剂的高温解毒装置。所述信号采集与数据处理单元为反控色谱工作站，可完成谱图的采集与数据后处理工作，对分离单元的被测气体进行各组分的定性定量分析。所述载气单元为载气处理单元由固态过滤器和氦气纯化器构成，提供高纯度载气给分离单元。所述取样单元为取样和自动进样单元，由无死体积带放空取样阀、带吹扫自动六通阀和定体积采样管构成，采样气进入分离单元时，保证切换时无空气渗漏而影响分析系统。所述分离单元设有3个带吹扫的自动切换阀：1个为带吹扫的六通阀，2个为带吹扫的四通阀。采用三阀四柱切换流程，运用前切、后切、中心切割手段完成组分的全分离。所述检测单元为脉冲氦离子化检测器。所述气体控制单元设有确保载气压力和流量稳定的载气稳压装置流量控制器。

所述电路控制单元设有操作和控温电路，信号放大电路、检测器脉冲高压电路。所述分离单元设有三个带吹扫的自动切换阀。所述检测单元为脉冲氦离子化检测器。

高纯气体的分析是受多方面因素制约的，光有高灵敏度检测器并不能解决问题，《脉冲氦离子化气相色谱仪》产品脉冲氦离子化气相色谱仪从取样方式、载气处理、检测器、分离方法、色谱柱和管道处理等几个方面做了重大突破。

一、样品取样方式的改变

配备了无死体积带放空专用取样阀，取样阀是带放空吹扫的耐高压针型阀，样品进口加装高精度的固态过滤器，降低了样品中固体颗粒对阀件的损害。采用带吹扫保护的进样方式，避免了空气渗入的问题，使所取样品具有代表性，将取样过程对分析的影响降至最低。

二、载气纯度的提高

从色谱的检测原理来看，载气的纯度至少要高于样品一个数量级，要检测高纯度的气体，所用载气纯度就要更高，所以仪器在高纯度氦载气出口处配备了高精度的固态过滤器和氦气纯化器，固态过滤器可将载气中固体颗粒降至2微米以下，氦气纯化器的纯化机制是一种无挥发性的吸附合金，具有良好的热稳定性，理论上可将载气纯化到10十亿分比浓度以下，杂质吸附能力强，使用方便，直接接通电源即可完成操作，载气纯度可达8N级。

三、采样的准确性、进样阀和切换阀空气吹扫及渗漏问题的解决

分析所用样品定量由定体积采样管和通过采样管的气体流量决定，流量可由样品出口处安装的流量计调节，采用带吹扫功能的进样阀和切换阀，使阀平面始终处于载气氛围中，保证切换时无空气渗漏而影响分析系统。

四、切换流程的选择

仪器上的两个辅助柱箱可分别随意设定温度，根据具体分析要求可放置不同的色谱柱，设定不同的温度条件。采用三阀四柱的切换流程，样品通过在不同色谱柱间的切割与反吹，将主组分放空，杂质组分通过改变各自分析柱的条件分别流入检测器。解决了主组分和相邻杂质的分离问题，可实现一次进样完成所有杂质组分的分离，也可以满足吸附氧和吸附二氧化碳的流程。

五、色谱柱和管道的处理

流程图中的色谱柱为60~80目的高分子聚合物担体，和60~80目分子筛色谱柱，色谱担体均经过特殊处理，有效的避免了氧、一氧化碳的吸附问题，采用直径1/8英寸的色谱柱，色谱柱管和气路管道内壁经过钝化处理，避免吸附问题，所有的色谱柱接头和气路接头均采用卡套式无死体积两通接头，确保系统气路的气密性。

六、检测器的灵敏度

选用该公司的氦离子化检测器，检测限可达纳克/克（十亿分比浓度）级，是2009年8月前灵敏度最高的通用型检测器，对除氖以外的所有无机和有机物均有很高响应，非常适合永久性气体的分析。

脉冲氦离子化气相色谱仪有益效果

1、使用了新型的氦离子化检测器，灵敏度更高，且无放射源存在，检测器本身为一种脉冲高压放电模式，对人无伤害，不污染环境。

2、阀切换流程使主组分不进入检测器，增加了分离度，提高了灵敏度。

3、所有进样和切换阀都是自动运行，比以往的手动阀切换更准确，更方便，而且分析时间缩短，提高了工作效率。

4、增加了尾气处理单元，尤其对电子气分析更加安全，减少对分析人员的伤害。

2021年6月24日，《脉冲氦离子化气相色谱仪》获得第二十二届中国专利优秀奖。 2100433B

图1是《脉冲氦离子化气相色谱仪》安装布局示意图；

图2是《脉冲氦离子化气相色谱仪》气路流程图；

图3是《脉冲氦离子化气相色谱仪》的氦离子化检测器示意图；

图4是《脉冲氦离子化气相色谱仪》尾气处理单元示意图；

图中：1-1、色谱柱箱；1-2、氦离子化检测器；1-3、辅助柱箱；1-4、自动切换阀；1-5、电路控制单元；1-6、气路控制单元；1-7、信号采集与数据处理单元；1-8、尾气处理单元；

2-1、样品气；2-2、带放空取样针阀；2-3、固态过滤器；2-4、99.999％高纯氦载气；2-5、固态过滤器；2-6、氦气纯化器；2-7、带吹扫十通阀；2-8、带吹扫四通阀；2-9、带吹扫四通阀；2-10、定体积采样管；2-11、高分子聚合物色谱柱（预切柱）；2-12、5A分子筛色谱柱；2-13、高分子聚合物色谱柱；2-14、5A分子筛色谱柱；2-15、脉冲氦离子化检测器；

3-1、放电气入口；3-2、放电电极；3-3、收集极；3-4、色谱柱接口；3-5、尾气出口；3-6、偏转电极；3-7、透光管；3-8、检测器池体上座；3-9、检测器池体下座；3-10、加热棒和铂电阻；

4-1、两通电磁阀；4-2、两通电磁阀；4-3、两通电磁阀；4-4、真空泵；4-5、三通电磁阀；4-6、三通电磁阀；4-7、两通电磁阀；4-8、吸收瓶；4-9、高温反应装置。