知识课堂 I EDI系统设计中电导率与水中各离子浓度的基本换算

       本文结合了理论规范和Electropure EDI自身工程经验为EDI选型设计提供了一些思路，供各位读者参考。本文不构成任何具体的工程方案、投资或技术决策建议，不当之处欢迎交流探讨。

 为什么我们需要换算？

      EDI是一种精脱盐工艺，根据不同行业的标准规范，对EDI产出的除盐水中具体的离子含量有不同的要求。例如：电子芯片行业有些先进制程工艺对Na⁺, Cl⁻, SO₄²⁻的含量有严格标准，并且在EDI后端还需要增加抛光树脂设备；超临界锅炉用水需求Na⁺＜5 μg/L等等。

      但是采用高精度的仪表分别对水中每一种离子的浓度进行实时监测的方法并不经济。因此在部分对具体离子成分要求比较宽松的项目中，EDI系统设计阶段可以将水中的离子含量要求换算为相应的电导率（或者电阻率）值。通过实时监控EDI系统出水的电导率水平来基本保证EDI产水离子不超过标准规范的限制。

1、基于离子强度(I)的经验公式法                                 

■  计算公式为：

EC (µS/cm) ≈ 6.2 × 10⁴ ×Σ(1/2×cᵢ × zᵢ²)

cᵢ：第 i 种离子的物质的量浓度 (mol/L)

zᵢ：第 i 种离子的电荷数

      EDI产水电导率一般在0.1μS/cm以下，对应离子浓度在10-6mol/L这个数量级。在这种浓度的溶液中离子间相互作用并不明显，同时水分子的电离占溶液电导率来源的大部分，因此EDI进出水电导率需要另外的计算方法。

2、基于离子独立移动定律的方法                                 

       科尔劳施离子独立移动定律指出：在无限稀的电解质溶液中各种导电离子对溶液导电性的贡献只取决于离子的导电本性，溶液电导的数值等于溶液中各种离子电导数值的总和。因此，只要通过试验和理论计算得到不同离子的的极限摩尔电导率 (λ∞) ，就可以根据各离子的摩尔浓度求得溶液电导率（实际应用上通过查表得知λ∞）。

■  其数学表达式为：

EC =∑ci · λ∞i

其中，ci为离子i的摩尔浓度（mol/L），λ∞i为离子i的极限摩尔电导率（S·cm²/mol）。

3、TDS简单换算                                              

■  这种办法将电导率与总溶解固体（TDS）通过一个转换系数k进行换算：

TDS (mg/L) ≈ EC (µS/cm) × k

其中k取值范围为0.5~0.9。

       工程实践中经常出现需要仅仅通过RO产水TDS来估计前处理是否符合EDI进水要求的情况。这种情况下一般按照最劣工况考虑，k值取0.5来进行估算。这也是通过离子含量估算EDI进水电导率最常用的方式。

 换算例题

      在了解计算方法以后，我们可以通过计算将EDI产水要求中的某些离子浓度要求换算成电导率（或者电阻率）要求，下面举例进行计算，假设某一项目按照国家标准要求其锅炉补给水中的钠离子含量不高于3ppb，请估计EDI是否能够满足该项目的用水要求。

      由于EDI产水一般不监测具体离子含量，因此主要依靠比对工程应用中的EDI产水电导率来确定EDI能否满足需求，按照最严格情况考虑，即经过EDI处理后的除盐水中阳离子仅包含Na+与H+，此时除盐水电导率最低。只要估算出此时的电导率，如果该电导率在EDI常规产水电导率范围内，则说明本项目使用EDI来生产除盐水完全可以满足用水要求。

       pH值按照7考虑，则还需要阴离子配平电性，按照前处理为“超滤+二级RO”工艺，假设配平的阴离子为比较常见的Cl-。则通过NaCl的分子量可以得知，溶液中含有约4.5ppb的Cl-。则摩尔浓度c(Na+)=c(Cl-)=0.13×10-6mol/L，c(H+)=c(OH-)=0.1×10-6mol/L

■  查表得知：

25°C下常见离子的极限摩尔电导率：

λ∞(H⁺) = 349.8 S·cm²/mol

λ∞(OH⁻) = 198.3 S·cm²/mol

λ∞(Na⁺) = 50.1 S·cm²/mol

λ∞(Cl⁻) = 76.3 S·cm²/mol

■  根据公式：

EC =∑ci · λ∞i=0.071μS/cm

相应的电阻率为14.1MΩ·cm。

      由于运行良好的EDI产水电阻率在15 MΩ·cm左右，因此如果能够保证除盐水整体工艺运行良好，采用EDI完全可以满足要求。

■  实验室验证：

      Electropure EDI根据产水Na⁺, Cl⁻均＜3μg/L的要求在工厂的检测车间中进行了试验。试验工况采用5mg/L氯化钠溶液（电导率约11μS/cm，劣于常见工况）作为进水。实际产水电阻率约17.6 MΩ·cm，密封采样送至第三方进行检测，结果显示，Na⁺, Cl⁻含量均不高于1μg/L。事实证明，在更差的总进水负荷（一般EDI项目进水电导率约3μS/cm），更高的NaCl占比的情况下，Electropure EDI产水Na⁺, Cl⁻离子含量低于例题中所要求离子含量，产水电阻率高于例题中计算所要求的电阻率，例题中的结论基本正确。

       通过上文的计算我们可以发现，EDI生产的除盐水电导率极低，水中的离子总含量往往低于10ppb。这个数量级的情况下，任何特定离子含量都很少发生超标的情况。即使遇到某些极端情况，极个别离子偶尔短时间超标，造成严重的后果的风险也很小。