EDI技術在超純水制備中的應用

1、第22卷第4期電站系統(tǒng)工程V ol.22 No.4 2006年7月Power System Engineering Jul., 2006 文章編號:1005-006X(200604-0059-02EDI技術在超純水制備中的應用呂宏德1張新欣2張曉明3(1.廣州大學市政技術學院,2.大連輕工業(yè)學院,3.大連清雅水環(huán)境技術有限公司摘要:介紹了EDI技術的結構、原理、經(jīng)濟技術特點及在超純水制備應用中的參數(shù)和影響因素,并提出了解決的方法。通過與離子交換混床的對比,認為EDI技術具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。關鍵詞:電去離子(EDI;超純水;反滲透(RO;離子交換中圖分類號:TK223.5 文獻標識碼:

2、BApplication of EDI in Making Ultra Pure WaterLV Hong-de, ZHANG Xin-xin, ZHANG Xiao-mingAbstract: The construction, elements, characteristic of economy and technology, parameter and factor in application of ultra pure water of EDI are introduced. Some methods are pointed as well. EDI have prominent

3、benefit of economy and environmental through contrasting with Ion exchange mixed bed.Key words: electrodeionisation (EDI;ultra pure water;reverse osmosis(RO;Ion exchange1 超純水制備的發(fā)展進程早期超純水的需求主要來自于發(fā)電、醫(yī)藥、化工、造紙等行業(yè),水質要求相對較低,其制備主要采用離子交換,該方法的主要缺點是需要化學藥劑再生,既麻煩又不經(jīng)濟,而且由于強型樹脂對一般有機分子去除效果很差,出水中TOC含量高1。隨著半導體工業(yè)的發(fā)展,

4、對超純水質量要求不斷提高,從而大大推動了純水技術的發(fā)展。到上個世紀九十年代,膜技術得到廣泛應用,微濾、超濾、電滲析和反滲透(RO等先進的水處理技術得到長足發(fā)展。RO-混床系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的離子交換系統(tǒng),解決了TOC問題,滿足了諸如電子等行業(yè)對純水質量要求。由于反滲透過程對于原水中的其它微量元素、溶解的氣體(如CO2和一些弱電解質(如硼,二氧化硅的清除效果較差;而混床需要周期性的再生且再生過程中使用大量的酸堿和純水,造成一定的環(huán)境污染。因而EDI技術便得到了重視和長足的發(fā)展。2 EDI結構和工作原理電去離子(EDI是在電滲析器的淡化室中填充離子交換樹脂,借助外直流電場的作用使離子選擇性地定向遷移,

5、同時利用水的解離再生混床樹脂,從而使離子選擇性遷移、深度除鹽、樹脂電化學再生三個過程同時發(fā)生,相當于連續(xù)獲得再生的混床離子交換柱,可高效不間斷地生產(chǎn)高純水。EDI模塊結構及原理如圖1所示,EDI膜堆是由夾在兩個電極之間一定對數(shù)的單元組成。在每個單元內分別用陰、陽離子交換膜形成兩類不同的室:淡水室和收集除去雜質離子的濃水室,淡水室中用均勻的陽、陰離子交換樹脂填滿。進水按一定比例通過濃水室和淡水室。離子在淡水室的收稿日期: 2006-03-25呂宏德(1964-,男,副教授。廣州市,510070 圖1 EDI結構及原理示意圖反應可以分為4個過程:交換樹脂上的離子在電場作用下向濃水室遷移;進水中的離

6、子與樹脂結合;水的電離和遷移,遷移到濃水室中的H+和OH-離子又結合成水;由于電場作用,離子不斷從樹脂上離解,同時在較高的電壓梯度作用下,水會電解產(chǎn)生大量的H+和OH-,使樹脂不斷再生。它們在電場作用下達成平衡(以Na+為例:Na+R-SO3-R-SO3-NaNa+R-SO3HH+ R-SO3-NaH+OH-H2O與普通混床不同之處在于,進入淡水室中的陰、陽離子先是與樹脂結合,而后在直流電場作用下從樹脂上不斷離解,分別通過陰、陽膜向陽極和陰極移動,樹脂同時得以再生。由于上述平衡作用,在水流方向上形成濃度梯度,可根據(jù)進水情況和出水要求調節(jié)電流(電壓大小,使流出的水為不含陰、陽離子的純水;由于膜對

7、陰、陽離子的選擇通透性,進入濃水室的離子不能通過另一極膜而在濃水室濃縮。典型的EDI系統(tǒng)中,90%的進水是通過淡水室的,10%60 電站系統(tǒng)工程 2006年第22卷的進水通過濃水室2。為了防止結垢,濃水用泵強制循環(huán)。排放的濃水可返回RO再處理,增加了水的利用率。3 影響EDI的主要因素及控制手段3.1 影響EDI系統(tǒng)運行的主要因素(1 EDI進水電導率的影響。在相同的操作電流下,隨著原水電導率的增加EDI對弱電解質的去除率減小,出水的電導率也增加3。如果原水電導率低則離子的含量也低,而低濃度離子使得在淡室中樹脂和膜的表面上形成的電動勢梯度也大,導致水的解離程度增強,極限電流增大,產(chǎn)生的H+和O

8、H-的數(shù)量較多,使填充在淡室中的陰、陽離子交換樹脂的再生效果良好。(2 工作電壓-電流的影響。工作電流增大,產(chǎn)水水質不斷變好。但如果在增至最高點后再增加電流,由于水電離產(chǎn)生的H+和OH-離子量過多,除用于再生樹脂外,大量富余離子充當載流離子導電,同時由于大量載流離子移動過程中發(fā)生積累和堵塞,甚至發(fā)生反擴散,結果使產(chǎn)水水質下降。(3 濁度、污染指數(shù)(SDI的影響。EDI組件產(chǎn)水通道內填充有離子交換樹脂,過高的濁度、污染指數(shù)會使通道堵塞,造成系統(tǒng)壓差上升,產(chǎn)水量下降。(4 硬度的影響。如果EDI中進水的殘存硬度太高,會導致濃縮水通道的膜表面結垢,濃水流量下降,產(chǎn)水電阻率下降;影響產(chǎn)水水質,嚴重時會

9、堵塞組件濃水和極水流道,導致組件因內部發(fā)熱而毀壞。(5 TOC(總有機碳的影響。進水中如果有機物含量過高,會造成樹脂和選擇透過性膜的有機污染,導致系統(tǒng)運行電壓上升,產(chǎn)水水質下降。同時也容易在濃縮水通道形成有機膠體,堵塞通道。(6 Fe、Mn等金屬離子的影響。Fe、Mn等金屬離子會造成樹脂的“中毒”。樹脂的金屬“中毒”會造成EDI出水水質的迅速惡化,尤其是硅的去除率迅速下降。另外變價金屬對離子交換樹脂的氧化催化作用,會造成樹脂的永久性損傷。(7 進水中CO2的影響。進水中CO2生成的HCO3-是弱電解質,容易穿透離子交換樹脂層而造成產(chǎn)水水質下降。(8 總陰離子含量(TEA的影響。高的TEA將會降

10、低EDI產(chǎn)水電阻率,或需要提高EDI運行電流,而過高的運行電流會導致系統(tǒng)電流增大,極水余氯濃度增大,對極膜壽命不利。另外,進水溫度、pH值、SiO2以及氧化物亦對EDI系統(tǒng)運行有影響。3.2 系統(tǒng)進水水質指標控制手段(1 進水電導率的控制。嚴格控制前處理過程中的電導率,使EDI進水電導率小于40 S/cm,可以保證出水電導率合格以及弱電解質的去除。(2 工作電壓-電流的控制。系統(tǒng)工作時應選擇適當?shù)墓ぷ麟妷?電流。同時由于EDI凈水設備的電壓-電流曲線上存在一個極限電壓-電流點的位置,與進水水質、膜及樹脂的性能和膜對結構等因素有關4。為使一定量的水電離產(chǎn)生足夠量H+和OH-離子來再生一定量的離子

11、交換樹脂,選定的EDI凈水設備的電壓-電流工作點必須大于極限電壓-電流點。(3 進水CO2的控制?？稍赗O前加堿調節(jié)pH,最大限度地去除CO2,也可用脫氣塔和脫氣膜去除CO2。(4 進水硬度的控制?？山Y合除CO2,對RO進水進行軟化、加堿;進水含鹽量高時,可結合除鹽增加一級RO或納濾。(5 TOC的控制。結合其他指標要求,增加一級RO來滿足要求。(6 濁度、污染指數(shù)的控制。濁度、污染指數(shù)是RO系統(tǒng)進水控制的主要指標之一,合格的RO出水一般都能滿足EDI的進水要求。(7 Fe的控制。運行中控制EDI進水的Fe低于0.01mg/L。如果樹脂已經(jīng)發(fā)生了“中毒”,可以用酸溶液作復蘇處理,效果比較好5。

12、3.3 EDI系統(tǒng)進水水質要求綜合以上各方面的分析,對于EDI進水的水質要求如表所示,可以保證其出水指標達到電子行業(yè)半導體制造需要的高純水的要求。表EDI進水水質要求表TEA(以CaCO3計,含CO2/mg·L-1 <25 pH值 59 總硬度(以CaCO3計/ mg·L-1 <1溫度/ 1525TOC/ mg·L-1 <0.5余氯/ mg·L-1<0.05Fe、Mn、H2S/ mg·L-1 <0.01O3/ mg·L-1 <0.02電導率(25 /S·cm-1 402SiO2/ mg&#

13、183;L-1<0.54 EDI的經(jīng)濟技術特點EDI技術的最大特點是用電場和離子膜取代離子交換樹脂的化學再生,使RO+EDI純水系統(tǒng)在設備結構、使用操作、運行費用等方面與RO+混床相比具有明顯優(yōu)勢;并克服了再生樹脂所產(chǎn)生的廢水排放問題。(1 EDI系統(tǒng)不需使用酸堿溶液對樹脂進行再生,避免了再生造成的廢水污染;同時,EDI排放的濃水可直接回到RO之前再利用,這樣EDI單元可以做到?jīng)]有廢水排放,沒有二次污染。(2 EDI不用酸堿再生樹脂,使純水系統(tǒng)設備結構簡化,投資節(jié)省,操作簡化,運行費用降低。參考文獻1 沈曉鯉, 宋國強, 舒暢. EDI原理及其在純水清潔生產(chǎn)中的應用J.環(huán)境科學與技術, 2000(3: 4143.2 李艷萍, 周廣智. EDI水處理技術