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电去离子运行过程中的结垢问题

[导读]在简要介绍电去离子(EDI)基本原理及其应用的基础上,提出了膜堆结垢是 EDI 应用过程中的主要问题

超纯水作为高品质的分析实验用水、生产工艺 用水和锅炉设备补给用水广泛用于电子、医药、电 力、化工等众多工业领域。超纯水的早期制备工艺主 要采用双床加混床的离子交换树脂处理系统。到上 世纪九十年代,反渗透(RO)- 混床系统取代了传统 的离子交换系统,成为目前工业超纯水的主流生产 工艺,但混床树脂周期性再生的缺陷仍无法避免,无 污染且能连续生产超纯水的 RO-EDI技术越来越受到 人们的重视[1]。电去离子(Electrodeionization,EDI)技 术是将电渗析和离子交换有机结合形成的新型分离 过程,不仅可以大规模用于超纯水的生产,还可用于 饮用水、工业用水的脱盐软化,以及重金属废水的资 源回收和达标处理[2-7]。

 EDI 除盐过程如图 1 所示。当进水流经淡水室 时,水中杂质离子与树脂上的离子发生交换,吸附在树脂颗粒上,由于每个树脂颗粒和其它的树脂颗粒 紧挨着,使得淡水室中的杂质离子可以在电场作用 下迁移到膜表面,并透过膜进入浓水室,从而达到除 去杂质离子的目的。与此同时水解离生成的 H+ 和 OH- 与失效树脂的离子发生交换,使树脂得以再生, 离子交换、离子选择性迁移、电再生 3 个过程相伴发 生,相互促进,达到了连续去除杂质离子的目的。 EDI 技术已在电子、电力、化工等领域进行初步 工业化应用,具有很好的深度除盐效果和经济性。 EDI 技术的大规模成功应用,需要解决的核心问题 是 EDI 系统的运行稳定性。膜堆的结垢是影响 EDI 装置长期稳定运行的关键问题之一,结垢的位置主 要发生在膜堆阴极室和浓水室靠近阴膜表面的碱性 环境中。许多研究者从 EDI 的进水预处理、膜堆结 构等角度采取了不同的防止结垢的措施。 

1 EDI 进水的预处理系统 EDI 除盐过程中浓水室的 Ca2+、Mg2+ 等离子的 浓度较高,在阴膜表面的碱性环境条件下,极易发生 结垢,从而影响 EDI 的稳定运行。为防止膜堆结垢, 保证 EDI 装置的稳定运行,一方面可根据进水水质 调整 EDI 系统的回收率,另一方面还必须对 EDI 装 置的进水进行预处理。原水中的 Ca2+、Mg2+、CO2、 Fe、 TOC、SiO2、余氯等指标过高,都会影响 EDI 装置的 稳定运行及产水水质。对此 Electropure、E-CELL、 Ionpure 等进口品牌 EDI 模块对进水都有严格要求,如表 1 所示。众多研究者根据原水水质的情况和产 水水质的要求进行了大量研究,并提出了许多原水 预处理工艺。在选择原水预处理工艺时,不仅需要考 虑原水水质和 EDI 装置的进水要求,并且需同时考 虑产水水质和 EDI 系统的投资合理性。

1.1 RO预处理+RO+加碱+RO+EDI 基于上述国外主要 EDI制造商对进水水质的一致 要求尽量采用二级反渗透作为 EDI进水预处理工艺。 通过二级 RO 技术能使其出水水质满足 EDI 的 进水指标,保证 EDI能长期稳定运行;通过在二级 RO 进水前加碱,在 pH大于 8 以上将水中游离的 CO2 转 化为HCO3-,在二级反渗透和 EDI中脱除,既可以防止 EDI膜堆的结垢,又获取了电阻率更高的工业超纯水。 二级RO工艺适用原水进水负荷高,尤其是电导率、 碱 度、硬度、硅中的一项或几项指标很高;当原水进水负 荷变化大,时高时低,不利于 EDI 运行的条件,如:苦 咸水、循环水排污水利用、海水倒灌等高含盐量的水, 此时一级 RO 不能满足 EDI的进水要求,就应考虑二 级 RO工艺。但是二级 RO技术,设备一次性投资巨 大,电能消耗大。文献[8-9]报道了用二级RO工艺生产 超纯水,产水电阻率大于 16MΩ·cm。 1.2 RO预处理+SF(软化器)+加碱+RO+EDI 在 EDI 进水预处理系统中,RO 预处理既可用 传统的多介质过滤、活性炭过滤系统,也可用最新的 叠片式过滤、超滤、加碳酸氢钠还原剂系统。利用软 化器可降低水中 Ca2+、Mg2+ 等离子浓度,不仅有效防 止 RO 膜面结垢,也大大降低 EDI 进水的硬度[10]。通 过在一级 RO 进水前加碱,将水中游离的 CO2 转化 为 HCO3-,然后通过 RO 去除。此工艺适用于原水进 水负荷低,尤其是电导率、碱度、硬度、硅的指标都不 高的情况。如原水进水负荷变化大,则不利于 EDI 装置的运行,使产水水质不太稳定。此工艺中根据原 水的水质情况,软化器可置于 RO 之后,而 RO 之后 软化,使得软化器承受负荷较小,设备也可偏小,但 是,软化有时会对水质带来较为严重的有机物污染和 铁污染,因此必须在使用前对软化树脂进行清洗。国

内研究者[11]按此工艺研制开发了野战小型纯水装置。 

1.3 RO预处理+SF +RO+DGS(膜脱气系统)+EDI 通过软化工艺解决 EDI 进水硬度条件;脱气主 要是通过鼓风脱气或膜脱气工艺将 EDI 进水中的 CO2 降低到较低的水平,鼓风脱气的效果能将 CO2 质量浓度降低到 4~6 mg·L-1 的水平,在其它负荷低 的情况下,可以满足 EDI 对于进水的需求,但膜脱 气工艺比鼓风脱气能够取得更好的效果。膜脱气可 以将 CO2 质量浓度降到 2 mg·L-1 以下,在其它负荷 较高的情况下,建议优先采用膜脱气工艺。采用膜脱 气工艺后,由于 CO2 的含量很低,因此,即使进水的 硬度有一些超过了进水要求,EDI 仍然可以安全运 行。此工艺适用于原水进水负荷一般,碱度较高、硬 度太高、硅不是很高的情况。软化器选用的树脂品质 要求高,树脂的再生剂(盐)的纯度等级要高,最少 食品级。在文献[12]中,报道了含有脱气装置的超纯 水工艺,得出了在原水 CO2 含量高的情况下,CO2 的 脱除对产水水质有着极大的影响。 

1.4 RO预处理 +RO+EDI 通过一级 RO 技术使一级 RO 的产水水质满足 EDI 的负荷指标和结垢污染类指标;在满足 RO 不 结垢的前提下,可以在 RO 进水前加碱,从而进一步 减少 CO2 对于 EDI 的影响,此工艺适用于原水进水 负荷极低,尤其是电导率、碱度、硬度、硅中的几项指 标都很低的情况。此工艺的产水水质易受原水进水 负荷的影响,产水电阻率可能有少量波动。

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