EDI 原理及其在純水清潔生產(chǎn)中的應用

更新時間：2010-12-08 11:05 來源：環(huán)境科學與技術作者: 沈曉鯉宋國強舒暢閱讀：1434

摘　要: 簡述了ED I 技術的發(fā)展歷史, 介紹了ED I 技術的結(jié)構、原理、經(jīng)濟技術特點和環(huán)保價值, 展望了 ED I 技術的市場前景, 并認為ED I 這一高新技術具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益, 我國研究開發(fā)應用該技術十分必要。

關鍵詞: 電去離子(ED I) ; 　RO-ED I 技術; 　純水生產(chǎn)

1　ED I 技術的發(fā)展

電去離子(ED I-elect rodeionisation) 是一種將離子交換樹脂和離子膜相結(jié)合, 在電場作用下連續(xù)去除離子的水處理方法。該技術是隨著工業(yè)生產(chǎn)對純水質(zhì)量要求不斷提高和環(huán)保對水處理中水利用率和化學物品的排放控制要求提高而逐步發(fā)展起來的。

歷史上, 早期的純水的需求主要來自于醫(yī)藥、化工、發(fā)電、造紙等行業(yè), 水質(zhì)要求相對較低。在六、七十年代, 純水制備主要采用蒸餾和離子交換。前者能耗很高, 后者需要化學藥劑再生, 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。隨著半導體工業(yè)的發(fā)展, 對純水質(zhì)量要求不斷提高, 從而大大推動了純水技術的發(fā)展。到八十年代, 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(zhì)量要求。但是, 由于RO 脫鹽率有限, 混床需要化學藥劑再生的問題仍未解決, 并且出于環(huán)保需要, 減少化學再生藥劑使用的呼聲越來越大, 因而以電化學為基礎的ED I 技術便得到了重視。

早在四十年前, ED I 就作為一種不用化學藥劑再生的水處理方法而用于實驗室。 ED I 技術的長足發(fā)展是近十年, 尤其是近幾年來的事情。初期的ED I 系統(tǒng)設計不完善, 可靠性有問題, 而且價格偏高, 只適合于小流量用戶。現(xiàn)在國外如美國E- CELL 等公司已成功地商業(yè)化生產(chǎn)ED I 設備, 出水質(zhì)量可與混床出水相媲美; ED I 與RO 一樣設計成標準模塊, 可大批量生產(chǎn)和大規(guī)模組合, 水量也能滿足工業(yè)用水量要求。

2　ED I 結(jié)構和工作原理

ED I 常與RO 連用, 構成RO-ED I 純水系統(tǒng)。如上所述, ED I 已設計成標準模塊, ED I 單元就是由若干模塊組合而成。每個 ED I 模塊結(jié)構如圖1 所示, 有數(shù)個雙腔室夾在兩個電極(加直流電) 之間, 呈層疊式板框結(jié)構; 雙腔室包括淡水腔(用D 表示) 和濃水腔(用C 表示) ; 二腔之間隔以一對陰、陽離子膜(亦稱陰向膜或陽向膜) , 陰、陽膜間裝填陰陽樹脂混合床構成D 室; 該陰、陽膜分別與另一D 室中的陽、陰膜間構成C 室。

圖1　ED I 工作原理示意圖

進水按一定比例通過C 室和D 室。離子在D 室的行為可以理解為四個過程: ①離子在電場作用下向濃水室遷移; ②離子與樹脂的結(jié)合; ③水的電離和遷移, 遷移到C 室中的H+ 和OH- 離子又結(jié)合成水; ④由于電場作用, 離子不斷從樹脂上離解, 使樹脂不斷再生。它們在電場作用下達成平衡(以N a+ 為例) :

與普通混床不同之處在于, 進入D 室中的陰、陽離子先是與樹脂結(jié)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(diào)節(jié)電流(電壓) 大小, 使流出的水為不含陰、陽離子的純水; 由于膜對陰、陽離子的選擇通透性, 進入C 室的離子不能通過另一極膜而在C 室濃縮。

典型的ED I 系統(tǒng)中, 90%～ 95% 的進水是通過D 腔的, 5%～ 10% 的進水通過C 腔。為了防止結(jié)垢, 濃水用泵強制循環(huán), 高速通過膜面。濃水部分排放; 排放的濃水可返回RO 再處理。

3　ED I 的經(jīng)濟技術特點及環(huán)保價值

ED I 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-ED I 純水系統(tǒng)在設備結(jié)構、使用操作、運行費用等方面與RO 2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) ED I 與RO 配套使用, 可調(diào)節(jié)電流以改變出水質(zhì)量, 用標準模塊組合改變出水量。十多年的商業(yè)應用表明, 該系統(tǒng)在100 磅/平方英寸(7 kg/ cm 2 ) 壓力下運行穩(wěn)定, 出水電阻率可達到16M 8 ·cm 以上, 含Si 量在20 ppb 以下, 水質(zhì)可靠, 能滿足目前最嚴格的工業(yè)用水質(zhì)量要求, 出水量可高達2000 加侖/ 分(450 立方米/小時)。

(2) ED I 不用再生樹脂, 免除了樹脂化學再生配套設施(如酸堿貯罐、泵和管道) 使純水系統(tǒng)設備結(jié)構簡化, 投資節(jié)省, 操作簡化, 運行費用降低。近年來, 國外E2CELL 公司和ECODYN E 公司在不同流量(50、200、 600 加侖/分)、不同水質(zhì)(低、中、高TDS) 情況下, 對RO-ED I 與RO 2混床純水系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性能作了專門的比較研究。結(jié)果表明, 前者的用工是0.5 人時/日, 后者為2 人時/ 日; ED I 安裝費用比混床低得多。設備投資安裝和運行費用按10 年攤還期計, ED I 投資系數(shù)為10% , ED I 在低流量情況下較混床系統(tǒng)經(jīng)濟得多; 在大流量時相當。上述比較中未考慮占地和環(huán)保管理等費用, 在這方面ED I 占明顯優(yōu)勢。

(3) 技術經(jīng)濟比較還表明, ED I 比混床系統(tǒng)更能適應進水中TDS 變化而不影響出水質(zhì)量, 而且對制水成本影響很小。

(4) ED I 環(huán)境效益顯著, 表現(xiàn)在二個方面: ①克服了樹脂化學再生造成的廢水污染; ② ED I 排放的濃水可直接回到RO 之前再利用, 這樣ED I 單元可以做到?jīng)]有廢水排放。

4　ED I 技術應用前景

由于ED I 上述優(yōu)點, ED I 技術和產(chǎn)品發(fā)展很快。目前, 國際上已有多家公司生產(chǎn)銷售RO - ED I 系統(tǒng)。其應用不僅在制藥、造紙、化工、發(fā)電等工業(yè)部門, 而且還應用于其他領域。如美國M illipo re 公司Elix 系列純水設備就采用了RO - ED I 技術, 用于分析實驗室用純水制備, 其ED I 出水質(zhì)量符合分析實驗室用純水二級標準。事實上, ED I 已在國際上形成穩(wěn)定市場, 并在不斷拓展。隨著環(huán)境意識的加強和環(huán)保要求的提高, 與需要化學再生而產(chǎn)生大量廢水污染的傳統(tǒng)混床相比, ED I 技術將倍受青睞。并且隨著膜技術的不斷發(fā)展, RO-ED I 系統(tǒng)可望有進一步的改進。有關專家預測, 未來3～ 5 年內(nèi)85% 的工業(yè)水處理系統(tǒng)將采用RO-ED I 技術。

我國目前還沒有大規(guī)模應用ED I 技術, 與U F 和RO 等膜技術研究相比, ED I 技術研究滯后。而國內(nèi)水處理技術市場很大, 并且發(fā)展很迅猛。因此, 研究開發(fā)和應用ED I 技術十分必要。

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