EDI超純水設(shè)備的原理及其在純水清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用
摘要:簡述了EDI超純水設(shè)備技術(shù)的發(fā)展歷史,介紹了EDI超純水設(shè)備技術(shù)的結(jié)構(gòu)、原理、經(jīng)濟(jì)技術(shù)特點和環(huán)保價值,展望了EDI超純水設(shè)備技術(shù)的市場前景,并認(rèn)為EDI超純水設(shè)備這一高新技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,我國研究開發(fā)應(yīng)用該技術(shù)十分必要。

1、EDI超純水設(shè)備技術(shù)的發(fā)展

電去離子(EDI超純水設(shè)備-electrodeionisation)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(shù)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(xué)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(xué)藥劑再生,既麻煩又不經(jīng)濟(jì),而且由于強(qiáng)型樹脂對一般有機(jī)分子去除效果很差,出水中TOC含量高。隨著半導(dǎo)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(shù)的發(fā)展。到八十年代,膜技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,微濾、超濾、電滲析和反滲透(RO)等先進(jìn)的水處理技術(shù)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(xué)藥劑再生的問題仍未解決,并且出于環(huán)保需要,減少化學(xué)再生藥劑使用的呼聲越來越大,因而以電化學(xué)為基礎(chǔ)的EDI超純水設(shè)備技術(shù)便得到了重視。

早在四十年前,EDI超純水設(shè)備就作為一種不用化學(xué)藥劑再生的水處理方法而用于實驗室。EDI超純水設(shè)備技術(shù)的長足發(fā)展是近十年,尤其是近幾年來的事情。初期的EDI超純水設(shè)備系統(tǒng)設(shè)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)EDI設(shè)備,出水質(zhì)量可與混床出水相媲美;EDI與RO一樣設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)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、EDI超純水設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理

EDI常與RO連用,構(gòu)成RO-EDI純水系統(tǒng)。如上所述,EDI已設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)模塊,EDI單元就是由若干模塊組合而成。每個EDI模塊結(jié)構(gòu)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(gòu);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(gòu)成D室;該陰、陽膜分別與另一D室中的陽、陰膜間構(gòu)成C室。

進(jìn)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。
與普通混床不同之處在于,進(jìn)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(jìn)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(jìn)入C室的離子不能通過另一極膜而在C室濃縮。

典型的EDI系統(tǒng)中,90%～95%的進(jìn)水是通過D腔的,5%～10%的進(jìn)水通過C腔。為了防止結(jié)垢,濃水用泵強(qiáng)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、EDI超純水設(shè)備的經(jīng)濟(jì)技術(shù)特點及環(huán)保價值

EDI超純水設(shè)備技術(shù)的最大特點是用電場和離子膜取代離子交換樹脂的化學(xué)再生,使RO-EDI純水系統(tǒng)在設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用操作、運(yùn)行費(fèi)用等方面與RO2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，同時有廢水需要處理的單位，也可以到污水寶項目服務(wù)平臺咨詢具備類似污水處理經(jīng)驗的企業(yè)。

(1)EDI與RO配套使用,可調(diào)節(jié)電流以改變出水質(zhì)量,用標(biāo)準(zhǔn)模塊組合改變出水量。十多年的商業(yè)應(yīng)用表明,該系統(tǒng)在100磅/平方英寸(7kg/cm2)壓力下運(yùn)行穩(wěn)定,出水電阻率可達(dá)到16M8·cm以上,含Si量在20ppb以下,水質(zhì)可靠,能滿足目前最嚴(yán)格的工業(yè)用水質(zhì)量要求,出水量可高達(dá)2000加侖/分(450立方米/小時)。

(2)EDI不用再生樹脂,免除了樹脂化學(xué)再生配套設(shè)施(如酸堿貯罐、泵和管道)使純水系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化,投資節(jié)省,操作簡化,運(yùn)行費(fèi)用降低。近年來,國外E2CELL公司和ECODYNE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-EDI與RO2混床純水系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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;EDI安裝費(fèi)用比混床低得多。設(shè)備投資安裝和運(yùn)行費(fèi)用按10年攤還期計,EDI投資系數(shù)為10%,EDI在低流量情況下較混床系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)得多;在大流量時相當(dāng)。上述比較中未考慮占地和環(huán)保管理等費(fèi)用,在這方面EDI占明顯優(yōu)勢。

(3)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較還表明,EDI比混床系統(tǒng)更能適應(yīng)進(jìn)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)EDI環(huán)境效益顯著,表現(xiàn)在二個方面:①克服了樹脂化學(xué)再生造成的廢水污染;②EDI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。

4、EDI超純水設(shè)備技術(shù)應(yīng)用前景

由于EDI上述優(yōu)點,EDI超純水設(shè)備技術(shù)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-EDI系統(tǒng)。其應(yīng)用不僅在制藥、造紙、化工、發(fā)電等工業(yè)部門,而且還應(yīng)用于其他領(lǐng)域。如美國Millipore公司Elix系列純水設(shè)備就采用了RO-EDI技術(shù),用于分析實驗室用純水制備,其EDI出水質(zhì)量符合分析實驗室用純水二級標(biāo)準(zhǔn)。事實上,EDI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(qiáng)和環(huán)保要求的提高,與需要化學(xué)再生而產(chǎn)生大量廢水污染的傳統(tǒng)混床相比,EDI超純水設(shè)備技術(shù)將倍受青睞。并且隨著膜技術(shù)的不斷發(fā)展,RO-EDI系統(tǒng)可望有進(jìn)一步的改進(jìn)。有關(guān)專家預(yù)測,未來3～5年內(nèi)85%的工業(yè)水處理系統(tǒng)將采用RO-EDI技術(shù)。

我國目前還沒有大規(guī)模應(yīng)用EDI超純水設(shè)備技術(shù),與UF和RO等膜技術(shù)研究相比,EDI超純水設(shè)備技術(shù)研究滯后。而國內(nèi)水處理技術(shù)市場很大,并且發(fā)展很迅猛。因此,研究開發(fā)和應(yīng)用EDI超純水設(shè)備技術(shù)十分必要。