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连续电去离子
双击自动滚屏 发布者:songsong 发布时间:2013-7-10 阅读:3979次 【字体:

连续电去离子(EDI)

EDI(Elcctrodeionization)是一种将离子交换技术、离子交换膜技术和离子电迁移技术相结合的纯水制造技术。它巧妙的将电渗析和离子交换技术相结合,利用两端电极高压使水中带电离子移动,并配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除,从而达到水纯化的目的。

因而,这里的EDI系统是一种纯水制造系统。

与传统离子交换(DI)相比,EDI 所具有的优点:

●   EDI 无需化学再生,节省酸和碱;

●   EDI 可以连续运行;

●   提供稳定的水质;

●   操作管理方便,劳动强度小;

●   运行费用低;

 

EDI 除盐过程

一般自然水源中存在钠、钙、镁、氯化物、硝酸盐、碳酸氢盐等溶解物。这些化合物由带负电荷的阴离子和带正电荷的阳离子组成。通过反渗透(RO)的处理,95%-99%以上的离子可以被去除。RO 纯水(EDI 给水)电阻率的一般范围是0.05-1.0MΩ·cm,即电导率的范围为20-1μS/cm。根据应用的情况,去离子水电阻率的范围一般为5-18 MΩ·cm。另外,原水中也可能包括其它微量元素、溶解的气体(例如CO2)和一些弱电解质(例如硼,二氧化硅),这些杂质在工业除盐水中必须被除掉。但是反渗透过程对于这些杂质的清除效果较差。因此,EDI 的作用就是通过除去电解质(包括弱电介质)的过程,将水的电阻率从0.05-1.0MΩ·cm 提高到5-18 MΩ·cm。

图1 表示了EDI 的工作过程。在图中,离子交换膜用竖线表示,并标明它们允许通过的离子种类。这些离子交换膜是不允许水穿过的,因此,它们可以隔绝淡水和浓水水流。

离子交换膜和离子交换树脂的工作原理相近,可以选择性地透过离子,其中阴离子交换膜只允许阴离子透过,不允许阳离子透过;而阳离子交换膜只允许阳离子透过,不允许阴离子透过。在一对阴阳离子交换膜之间充填混合离子交换树脂就形成了一个EDI 单元。阴阳离子交换膜之间由混合离子交换树脂占据的空间被称为淡水室。将一定数量的EDI 单元罗列在一起,使阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列,在离子交换膜之间添加特殊的离子交换树脂,其形成的空间被称为浓水室。在给定的直流电压的推动下,在淡水室中,离子交换树脂中的阴阳离子分别向正、负极迁移,并透过阴阳离子交换膜进入浓水室,同时给水中的离子被离子交换树脂吸附而占据由于离子电迁移而留下的空位。事实上离子的

迁移和吸附是同时并连续发生的。通过这样的过程,给水中的离子穿过离子交换膜进入到浓水室被去除而成为除盐水。

带负电荷的阴离子(例如OH-、Cl-)被正极(+)吸引而通过阴离子交换膜,进入到邻近的浓水室。此后这些离子在继续向正极迁移中遇到邻近的阳离子交换膜,而阳离子交换膜不允许阴离子通过,这些离子即被阻隔在浓水中。淡水流中的阳离子(例如Na+ 、H+)以类似的方式被阻隔在浓水室。在浓水室,透过阴阳膜的离子维持电中性。

EDI 组件电流量和离子迁移量成正比。电流量由两部分组成,一部分源于被除去离子的迁移,另一部分源于水本身电离产生的H+和OH-离子的迁移。

在EDI 组件中存在较高的电压梯度,在其作用下,水会电解产生大量的H+和OH-。这些就地产生的H+和OH-对离子交换树脂有连续再生的作用。

图1 EDI 除盐过程示意图

 

EDI 组件中的离子交换树脂可以分为两部分,一部分称作工作树脂,另一部分称作抛光树脂,二者的界限称为工作前沿。工作树脂承担着除去大部分离子的任务,而抛光树脂则承担着去除弱电解质等较难清除离子的任务。

EDI 给水的预处理是EDI 实现其最优性能和减少设备故障的首要条件。给水里的污染物会对除盐组件有负面影响,增加维护量并降低膜组件的寿命。

EDI 的组件结构

EDI 主要由以下几个部分组成:

(1)淡水室将离子交换树脂填充在阴、阳离子交换膜之间形成淡水单元。

(2)浓水室在相邻淡水单元中间添加树脂,形成浓水室。

(3)极水室在电极板与相邻离子交换膜中间添加树脂,形成极水室,一个组件中有正、负两个极水室。

(4)绝缘板和压紧板

(5)电源及水路连接

供电

直流电源是使离子从淡水室进入浓水室的推动力。另外,局部的电压梯度使得水离解为H+和OH-并使这些离子迁移,由此实现组件中的树脂再生。膜块运行的电压由膜块内阻和最佳工作电流决定。

EDI 直流电源的纹波系数应小于等于5%。

纯水质量与电流的关系

获得高质量的纯水对应着一个最佳电流量。若实际运行电流低于此电流,产品水中离子不能被完全清除,部分离子被树脂吸附,短时间内产水水质较好,当树脂失效后,产水水质大幅下降;若实际运行电流过多的高于此电流,多余的电流引起离子极化现象使产品水的电阻率降低。

电流与给水水质的关系

可以把给水中所有离子(如Na+、Cl-、 HCO3-等)和在EDI 组件中可转化成离子的物质(如CO2 、SiO2 等)的总和称为总可交换物TES (Total Exchangeable Substance)。TES 以碳酸钙计,单位是mg/L 或mg/L。TES 是TEA(Total Exchangeable Anion)和TEC (TotalExchangeable Cation) 的总和。

EDI 工作电流与EDI 组件中离子迁移数量成正比。这些离子包括TES,也包括由水离解产生的H+、OH-。水离解产生的H+、OH- 担负着再生EDI 抛光层树脂的作用,因此是必要的。水的电离速率取决于电压梯度,因此当施加于淡水室的电压较高时, H+、OH-迁移量也大。值得注意的是过大的电压梯度将使离子交换膜表面产生极化,影响产品水水质。

每个组件最佳工作电流与给水的TES 和纯水水质要求有关。如果给水水质较好,运行电流量可能接近或低于2A,如果给水水质较差,运行电流量可能接近6A,当水质太差时,EDI 无法正常工作。

由于二氧化碳和二氧化硅对TEA 有贡献,因此TEA 经常会大于TEC。因而用TEA计算最佳工作电流更准确。可以根据以下经验公式估算最佳工作电流量:

C(A) = 0.22 x TEA(mg/L)。

事实上,工作电流还与总可交换物质的组成有关,因此以上经验公式只能提供一个粗略的估算值,实际调试时的电流应根据现场实际情况仔细调试才能确定。

3.2.4 稳定运行状态

运行条件改变后,组件将需要运行8-24 个小时才能达到稳定状态。稳定状态是指进出组件的离子达到物料平衡。

如果电流降低或给水离子总量增加,抛光层树脂将会吸收多余的离子。在这种状态下,离开组件工作树脂层的离子数将小于进入组件的离子数。最后达到新的稳定状态时离子迁移速率和给水离子相协调。此时,离子交换树脂的工作前沿将向出水端移动,抛光层树脂总量减少。

如果电压升高或给水离子浓度减小,树脂将会释放一些离子进入浓水,离开组件工作树脂层的离子数将大于进入组件的离子数。最后达到新的稳定状态时离子迁移速率和给水离子相协调。此时,离子交换树脂的工作前沿将向给水端移动,抛光层树脂总量增加。

进出组件的离子达到物料平衡是判断EDI 组件是否处于稳定运行状态的有效手段。

严重警告:当电流通过EDI 膜块时会产生热量。在EDI 运行过程中必须用水流将热量全部带出。因此,当EDI 淡水、浓水水流不畅或停止时必须停止供电,否则将使EDI 膜块彻底烧坏。

 

给水要求

以下每项指标均是保证EDI 正常运行的必要最低条件,为了使系统运行结果更佳,系统设计时应适当提高。

l         给水:二级反渗透或单级反渗透产水。

l         TEA(总可交换阴离子,以CaCO3 计):<35mg/L。

TEA 包括所有阴离子及以阴离子形式被EDI 除去的物质。由于水中所含的 CO2 、SiO2 和H3BO3 以HCO3- / CO32-、HSiO3- / SiO32-和B(OH)4-的形式被EDI 清除,根据经验计算TEA 时分别以电荷为-1.7、-1.5 和-1.0 计。给水中HCO3- 也有一部分是以CO32-形式被清除,在计算TEA 时电荷也以-1.7 计。TEA 计算公式如下:

TEA=50[CCl-/35.5+2CSO42-/96+1.7CCO2/44+1.7CHCO3-/61+1.5CSiO2/60+ …]

其中所有物质浓度均以mg/L 计

l          pH 6.09.0

当总硬度低于0.1mg/L 时,EDI 最佳工作的pH 范围为 8.0~9.0。

注:PH 是入水的参考指标,其是影响入水CO2 含量的指标之一。

l          温度: 5-35°C。

l          进水压力:<4bar(60psi)。

浓/极水的入口压力一般低于产品水的出口压力0.3-0.5kgf/cm2

l         硬度(以CaCO3 计):<10.0 mg/L。

注意:EDI 工艺需要限定进水硬度以免结垢。在进水硬度 <10.0 mg/L 时,Canpure EDI系统最高的回收率是 100%,浓极水可以回收利用。在进水硬度超过10.0mg/L 时运行Canpure  EDI 膜块,会造成结垢和不可修复的损坏,应与坎贝尔公司联系。

l         有机物TOC):<0.5 mg/L。

l         氧化剂:Cl2<0.05 mg/L,O3<0.02 mg/L。

l         变价金属:Fe<0.01 mg/L,Mn<0.01 mg/L。

铁锰离子对离子交换树脂有中毒作用。而对于EDI,铁锰离子对树脂的中毒现象要比混床严重很多倍。造成这种现象的原因是多方面的:(1)由于在EDI 阴膜附近pH值很高,致使铁锰在该区域中毒现象较明显;(2)混床在运行时阳离子交换树脂不断释放氢离子,这些氢离子在局部对中毒的离子交换树脂有洗脱作用;(3)在用酸对混床中的阳离子交换树脂再生时对中毒铁锰有洗脱作用;(4)由于EDI 中树脂总量较少,使全部树脂中毒的时间也比混床短很多倍。由于这些原因,当给水铁或锰含量超标时,EDI 膜件可能在几个至几十个小时内中毒。

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。

l         H2S :<0.01 mg/L。

l         二氧化硅 :<0.5 mg/L。

l         SDI 15min:<1.0。

l         色度: <5 APHA 。

l         二氧化碳的总量:二氧化碳含量和pH 值将明显影响产品水电阻率。如果CO2 大于10 mg/L,Canpure EDI 系统不能制备高纯度的产品水。可以通过调节反渗透进水 pH值或使用脱气装置来降低CO2 量。

l         电导率: <60μS/cm。

电导率只能作为EDI 运行的一个参考性指标。

污染物对除盐效果的影响

对EDI 影响较大的污染物包括硬度(钙、镁)、有机物、固体悬浮物、变价金属离子(铁、锰)、氧化剂(氯,臭氧)。

设计RO/EDI 系统时应在EDI 的预处理过程除去这些污染物。给水中这些污染物的浓度限制见以下章节。在预处理中降低这些污染物的浓度可以提高EDI 性能。其它有关EDI 设计策略将在本手册其它部分详述。

臭氧会氧化离子交换树脂和离子交换膜,引起EDI 组件功能减低。氧化还会使TOC 含量明显增加,污染离子交换树脂和膜,降低离子迁移速度。另外,氧化作用使得树脂破裂,通过组件的压力损失将增加。

其它的变价金属离子可对树脂氧化起催化作用和使树脂中毒,永久地降低树脂和膜的性能。

硬度能在EDI 单元中引起结垢。结垢一般在浓水室阴膜的表面发生,该处pH 值较高。浓水区形成一定的垢斑后,垢斑处的水流量降低,由电流形成的热量无法转移,最终会将膜烧坏。

悬浮物胶体会引起膜和树脂的污染和堵塞,树脂间隙的堵塞导致EDI 组件的压力损失增加,会引起膜过热烧毁。

有机物被吸附到树脂和膜的表面导致其被污染,使得被污染的膜和树脂迁移离子的效率降低,膜堆电阻将增加。

离子所带电荷越多,使之通过离子交换膜需要供给的电压越大,另外,这些离子有较高的水合度,而较大并较重的离子扩散速度也较慢。

组件的清洗及维护

l         在运行中,如果将较差的给水引进组件,或者电源不足,就会增加维修工作量。

l         给水中主要引起污染的是有机物、硬度和铁。

l         给水硬度较高将引起离子交换膜浓水侧结垢,而使纯水水质降低。给水硬度、溶解的CO2 和高pH 会加速结垢。可以用适当的酸溶液清洗污垢。清洗过程请参考附录。

l         给水中的有机物污染,会在离子交换树脂和离子交换膜表面形成薄膜,因而将严重影响离子迁移速率,因此影响纯水水质。当发生此现象时,纯水室需用适当的清洗剂清洗。有机物清洗过程请参考附录。

l         如果EDI 组件在无电或给电不足的情况下运行,淡水室内离子处于离子饱和状态,纯水的水质会降低。为了再生离子交换树脂,将水流通过组件,并慢慢增加电源供应电压,使被吸附的离子迁移出系统而对树脂进行再生。树脂再生时,组件应在较高电流和较低水流量的条件下运行。

l         警告:如果电源没有过流保护,注意不要超过电源的供电容量。

系统开机运行程序

开机前检查

l         1) 必须仔细阅读Canpure  EDI 的设计与使用手册,并明确控制面板的内容。

l         2) 检查所有的水管道和电路连接。

l         3) 调校仪表。

l         4) 检查各流量开关动作是否正常。

l         5) 检查电源系统输出是否正常。

l         6) 准备好数据表格和运行记录本,记录起始数据和观察到的任何现象。

开机运行程序

l         1) 打开EDI 系统控制电源。

l         2) 开启EDI 给水泵,将纯水入水和浓、极水补水调节阀缓慢旋开。

l         3) 观察EDI 入水的电导率,超过设定值时自动排放,水质合格后入水阀打开,排水阀关闭。

l         4) 对浓、极水、纯水管道实行脉冲供水以进一步从EDI 系统中排出空气。在启动时除去空气很重要,因为组件里的气体会影响流量和产品水电阻率。

l         5) 调节使纯水压力和流量、浓极水压力和流量均达到设计范围。

l         6) 检查浓极水和纯水的压力损失是否正常。

l         7) 启动EDI 电源供电系统,慢慢旋动“电流调节”钮至规定电流。

l         8) 观察纯水的产量及出水水质,水质超过设定值时,超标排放阀自动打开。

l         9) 检查组件的初始电流。初始电流一般要高于正常运行电流,多个组件并联时,

l         两个组件的初始电流应当近似。

l         10) 检查组件进出离子的物料平衡。如果正在再生则排出离子数多于进入的离子数,如果给电不足则相反。

l         11) 检查所有开关装置、流量传感器,设置是否合理且正确信号被送到控制中心。

l         12) EDI 运行几个小时之后,水质、电流应趋于稳定。

l         13) 记录电压、电流、进出水水质和产品水、浓极水的流量以及运行时间。

l         14) 运行中如果出现过载保护,当故障排除后才能按下复位开关重新工作。如果过载保护频繁出现,应停机仔细检查,并对运行参数做适当调整。

关机程序

l         1) 关闭有关阀门

l         2) 切断EDI 给水泵的电源。

l         3) 关闭EDI 系统控制电源。


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