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EDI 技术在超纯水制备中的应用

[导读]介绍了EDI技术的结构、原理、经济技术特点及在超纯水制备应用中的参数和影响因素,并提出了解决的方法。通过与离子 交换混床的对比,认为EDI技术具有显著的经济效益和环境效益。

EDI 结构和工作原理

电去离子(EDI)是在电渗析器的淡化室中填充离子交 换树脂,借助外直流电场的作用使离子选择性地定向迁移, 同时利用水的解离再生混床树脂,从而使离子选择性迁移、 深度除盐、树脂电化学再生三个过程同时发生,相当于连续 获得再生的混床离子交换柱,可高效不间断地生产高纯水。

EDI 模块结构及原理如图 1 所示,EDI 膜堆是由夹在两个电 极之间一定对数的单元组成。在每个单元内分别用阴、阳离 子交换膜形成两类不同的室:淡水室和收集除去杂质离子的 浓水室,淡水室中用均匀的阳、阴离子交换树脂填满。 进水按一定比例通过浓水室和淡水室。离子在淡水室的 反应可以分为4个过程:①交换树脂上的离子在电场作 用下向浓水室迁移;②进水中的离子与树脂结合;③水的电 离和迁移,迁移到浓水室中的H+和OH-离子又结合成水;④ 由于电场作用,离子不断从树脂上离解,同时在较高的电压 梯度作用下,水会电解产生大量的H+和OH-,使树脂不断再 生。它们在电场作用下达成平衡(以Na+为例): Na++R-SO3-←→R-SO3-Na Na++R-SO3H←→H++ R-SO3-Na H++OH-←→H2O 与普通混床不同之处在于,进入淡水室中的阴、阳离子 先是与树脂结合,而后在直流电场作用下从树脂上不断离 解,分别通过阴、阳膜向阳极和阴极移动,树脂同时得以再 生。由于上述平衡作用,在水流方向上形成浓度梯度,可根 据进水情况和出水要求调节电流(电压)大小,使流出的水 为不含阴、阳离子的纯水;由于膜对阴、阳离子的选择通透 性,进入浓水室的离子不能通过另一极膜而在浓水室浓缩。

典型的 EDI 系统中,90%的进水是通过淡水室的,10%的进水通过浓水室[2]。为了防止结垢,浓水用泵强制循环。 排放的浓水可返回 RO 再处理,增加了水的利用率。 

影响 EDI 的主要因素及控制手段 

影响 EDI 系统运行的主要因素 (1)  EDI 进水电导率的影响。在相同的操作电流下,随 着原水电导率的增加 EDI 对弱电解质的去除率减小,出水的 电导率也增加[3]。如果原水电导率低则离子的含量也低,而 低浓度离子使得在淡室中树脂和膜的表面上形成的电动势 梯度也大,导致水的解离程度增强,极限电流增大,产生的 H+和 OH-的数量较多,使填充在淡室中的阴、阳离子交换树 脂的再生效果良好。 (2)  工作电压-电流的影响。工作电流增大,产水水质 不断变好。但如果在增至最高点后再增加电流,由于水电离 产生的 H+和 OH-离子量过多,除用于再生树脂外,大量富 余离子充当载流离子导电,同时由于大量载流离子移动过程 中发生积累和堵塞,甚至发生反扩散,结果使产水水质下降。

(3)  浊度、污染指数(SDI)的影响。EDI 组件产水通 道内填充有离子交换树脂,过高的浊度、污染指数会使通道 堵塞,造成系统压差上升,产水量下降。 (4)  硬度的影响。如果 EDI 中进水的残存硬度太高, 会导致浓缩水通道的膜表面结垢,浓水流量下降,产水电阻 率下降;影响产水水质,严重时会堵塞组件浓水和极水流道, 导致组件因内部发热而毁坏。 (5)  TOC(总有机碳)的影响。进水中如果有机物含量 过高,会造成树脂和选择透过性膜的有机污染,导致系统运 行电压上升,产水水质下降。同时也容易在浓缩水通道形成 有机胶体,堵塞通道。 (6)  Fe、Mn 等金属离子的影响。Fe、Mn 等金属离子 会造成树脂的“中毒”。树脂的金属“中毒”会造成 EDI 出 水水质的迅速恶化,尤其是硅的去除率迅速下降。另外变价 金属对离子交换树脂的氧化催化作用,会造成树脂的永久性 损伤。 (7)  进水中 CO2的影响。进水中 CO2生成的 HCO3-是 弱电解质,容易穿透离子交换树脂层而造成产水水质下降。

(8)  总阴离子含量(TEA)的影响。高的 TEA 将会降 低 EDI 产水电阻率,或需要提高 EDI 运行电流,而过高的 运行电流会导致系统电流增大,极水余氯浓度增大,对极膜 寿命不利。   另外,进水温度、pH 值、SiO2以及氧化物亦对 EDI 系 统运行有影响。


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