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電除鹽EDI概述及技術應用

2011-11-22

  電除鹽EDI概述及技術應用

  概述

  電去離子簡稱EDI或連續電去離子等,是以直流電為推動力利用離子交換樹脂的離子交換作用和離子交換膜的選擇透過悠使水體中的離子通過膜遷移到另一水體.中WT4到純化的物質分離過程。EDT裝置模塊結構有板式和卷式兩種。

  板式EDI的內部部件為板框式結構(與板式電滲析器的結構類似),主要由陽、陰電極板、極框、一離子交換膜、淡水隔板、濃水隔板及端壓板等部件按一定的順序組裝而成,設備的外形一般為方形。板框式EDI模塊按其組裝形式又可以分為兩種,一種是按一定的產水量進行定型生產的模塊;另一種是根據不同的產水量對產品進行定型生產的模塊。

  螺旋卷式ED I模塊簡稱卷式EDI模塊,它主要由電極、陽膜、陰膜、淡水隔板、濃水隔板、濃水配集管和淡水配集管等組成。它的組裝方式與一卷式RO相似,即按“濃水隔板一陰膜一淡水隔板一陽膜一濃水隔板一陰膜一淡水隔板一陽膜……”的順序將它們疊放后,以濃水配集管為中心卷制成型,其中濃水配集管兼作E DI的負極,膜卷包覆的一層外殼作為陽極。卷式EDI的工作狀況是進水(淡水)從底部進人到EDI元件,經進水分布器后進人垂直的淡水室,并流經填充于淡水室的離子交換樹脂層。濃水流態設計不同于板框式EDI的同向流動設計一。

  EDI膜堆是EDI工作的核心。膜堆是由陰、陽離子交換膜,淡、濃水室隔板,離子交換樹脂和正負電極等按一定規則排列組合并夾緊所構成的單元。膜堆中淡水室相當于一個混床,使用的離子交換樹脂是磺酸型陽樹脂和季胺型陰樹脂,淡水室中的樹脂必須裝填緊密,使樹脂緊密接觸以減少樹脂表面水層和防止樹脂亂層,顆粒直徑采用100μ的均粒樹脂比常規40-60目樹脂要好,優點是裝填密度大、脫鹽率高、產水量大,陰樹脂與陽樹脂的比例采用3,2。濃水室由一個陽離子交換膜、一個陰離子交換膜組成,離子交換膜采用異相離子交換膜。

  電極材料通常陰極采用欽涂層,陽極采用不銹鋼。

  EDI模塊包含多個膜單元對,它的工作原理有以下幾個過程。

  (1)電滲析過程。在外電場作用下,水中電解質通過離子交換膜進行選擇性遷移,從而達到去除離子的作用。

  (2)離子交換過程。由淡水室中陽、陰離子交換樹脂對水中的電解質的交換作用,達到去除水中離子的目的。在EIEDI中,離子交換只是手段,不是目的。在直流電場作用下,使陰、陽離子分別作定向遷移,分別透過陰膜和陽膜,使淡水室離子得到分離。在流道內,電流的傳導不再單靠陰、陽離子在溶液中的運動,也包括了離子的交換和離子通過離子交換樹脂的運動,因而提高了離子在流道內的遷移速度,加快了離子的分離。

  (3)電化學再生過程。利用電滲析的極化過程產生的H+和OH-及樹脂本身的水解作用對樹脂進行電化再生。在EDI電去離子過程中,水中離子首先因交換作用吸附于樹脂顆粒上,再在電場作用下經由樹脂顆粒構成的“離子傳輸通道”遷移到離子交換膜表面并透過離子交換膜進入濃室,在樹脂、膜與水相接觸的介面擴散層中的極化使水解離為H+和OH-,它們除部分參與負載電流外,大多數又對樹脂起到再生作用,在淡水室流道內,陰、陽離子交換樹脂因可交換離子不同,有多種存在形態,如R2Ca, R2 Mg, RNa, RH、R2 Sq、RCl、RHC03、ROH等,離子交換樹脂的再生是在電場作用下離子遷移及進水中離子共同完成的。從而使離子交換、離子遷移、電再生三個過程相伴發生、相互促進,達到了連續的去離子過程。高純度的淡水連續從淡水室流出,從而實現水的深度脫鹽過程。

  EDI裝置的特點:1.可連續運行,產品水水后移定;2.容易實現全自動控制; 3.除清洗用藥劑外,無須用大量酸、堿運送、存儲、再生設施;4.下會因離子交換樹脂再生而停機,節省了再生用水及再生排水處理設施; 5.產水率高(可達95%);6.占地面積小; 7.設備單元模塊化,可靈活的組合達到需要的產品水流量;8.安裝簡單,運行維護成本低;9 EDI設備初期投資大,維修也較困難,對細菌的抗污染能力較低,當有細菌在其內部繁殖時,將會大幅度降低膜堆的性能,所以一般要求停機超過3天,就必須注人5%的NaCl溶液進行保護,或者是不間斷運行,防止細菌生長。

  EDI設備工作年限約五年,EDI系統正常工作時,需要以下四個條件:合適的進水水質(TEA, CO2,硬度,硅)、足夠的電流、合理的流量和操作壓力。如果其中一個條件欠缺,則系統無法制備高質量的純水。

  二、系統流程

  一個完整的ED I系統包括EDI裝置本體系統、沙裝置清洗系統、整流器、控制系統(包括表計)、管道、閥門和濃水再循環泵。所有這些部件安裝在一個底座上。但整流器除外,它通過把一個三相的交流電轉變成直流電來為EDI系統提供能量。EDI的每個模塊具有一個標準流量,系統產水量可以根據模塊的規格、數量來改變。水處理的典型流程是:原水一預處理一多介質過濾器一活性炭處理一單級RO/兩級RO --EDI。在高硬度的水處理中,需要增設軟化器,其流程是:多介質過濾器一活性炭處理一(軟化器)一單級RO/兩級RO一EDI。板式EDI裝置本體系統見圖4-28、卷式EDI裝置本體系統見圖4-29.

  通常將板式ED,系統俞中的水流分成產品水流、膿水水”回流到反滲透裝置的進水中和極水水流,其工作狀況如下:

  (1)淡水水流。在EDI中,90 %到95%的水流過淡水室,水流并聯通過多個膜堆,每個膜堆都并聯很多個淡水室,水流一次性的通過淡水室,流出來的就是高純水,模塊在低于設備最小產水量情況下工作時,模塊內會發生局部過熱現象,導致外部損傷及裂痕。

  (2)濃水水流。進水中另外的5%-10%被送到濃水室,其中3%-8%流出EDI后作為RO系統補充水回收利用;通常EDI排放的濃水質量高于反滲透裝置的進水,所以將濃水回流到反滲透裝置的進水中可使整個EDI系統回收率提升至98%;厥章视蛇M水硬度水平決定,即

  回收率二淡水產水量/(淡水產水量+濃水排放量+極水出口流量)×100%濃水湘敝量士淡水產水量/回收率× 100—極水出口流量一淡水產水量

  (3)極水水流。極水水流由淡水水流進口的分支形成,一般電極水的流量是進水的1%左右。送到濃水室的淡水中用來沖洗電極。極水水流流經電極用以冷卻電極并帶走在極水室內產生的所有氣體(氫氣、氧氣及可能存在的氯氣),所以極水水流必須排人通風的排水管中,在排放時需要放氣,要確保通風良好以使氫氣含量低于4%。由于氯氣溶人極水中,當電極水過小時,不能及時帶走電極表面的氣體,會影響整個模塊的運行,極水流量很小并在通風的自流排水管中,因此極水不再循環使用。

  (一)水質要求

  電除鹽系統的進水水質要求必須是一級反滲透的出水(電導率為4~20μS/cm)或與之相當的水質(最佳電導率是1~lμS/cm)。

  1.一般要求

  2.系統中CO2問題

  CO2是一個關鍵因素。因為分子的CO2可以透過RO膜進人后續系統中的混床或者EDI中的陰離子交換樹脂,加重陰離子的交換負荷。因此在一些情況下,系統中通過加NaOH來增加,H值,把CO2轉化成碳酸鹽和重碳酸鹽,有效地在RO膜中去除。

  3.兩級RO出水問題

  一般認為ROI→ROⅡ→EDI對EDI的出水質量并不一定比ROI -EDI的出水質量好。因為兩級RO出水的電導率在1-2μS/cm,進人到濃水、極水的導電特性不夠,導致模塊電阻上升,電流下降。模塊就不能將離子從主進水流(穿過膜)中遷移到濃水中,產品水的水質會受影響。

  如果RO出水的電導率小于2μS/cm, EDI濃水的進水電導率應設計在10~100μS/cm范圍內,使濃水出水電導率達到40~100μS/cm的理想值。濃水出水電導率可從濃水進出口濃度和回收率進行平衡計算,然后確定設計方案。為了優化帶有兩級RO-EDI的系統,

  一般采用的措施有:

  (l)從第一級RO出水(電導率大于20μS/cm)供給EDI的濃水、極水供水或從第二級RO進水(電導率大于20μS/cm)供給EDI的濃水、極水。

  (2)在EDI濃水、極水中加鹽(優質NaCI,質量要求為:

  氯化鈉(以固體中含量計算)>99.80%

  鈣和鎂(以Ca計算)<0. 05%

  銅<0. 5× 10-6

  鐵<5. 0× 10-6

  重金屬(以Pb計算)<2. 0 ×10-6

  大約維持電導率在10~100μS/cm,以達到出口水電導率為40~l00μS/cm。

  加鹽裝置包括計量泵、鹽液計量箱和低液位開關。加鹽泵應采用變頻計量泵,以便在系統運行時由PLC控制劑量。

  為避免濃水中離子過度積累,需要排放少量濃水。排放掉的濃水由進水補充,控制濃水的電導率在150~600μScm之間(或按照EDI產品要求而定)。

  4.進水的pH值

  進水的pH值表示了進水中H+的含量,一般進水控制在5-9.5之間。通常情況下,pH值偏低是由于CO2的溶解引起的。由于是弱電離物質,COZ也是導致水質惡化的因素之一,所以在進EDI系統之前,一般可以安裝一個脫碳裝置,使得水中的CO2控制在5mg/L以下。水中pH值和CO2存在一定溶解關系,理論上當pH>10時,去除效率最佳。高pH值有助于去除弱電離子,但是前提是必須在進EDI系統前除去Ca2t+、Mg2+等離子。

  淡水進水壓力最高壓力不能超過0.6MPa,最佳運行壓力在0. 4 ~0. 5 MPa。由于離子交換膜的爆破強度為0. 7MPa,因此應避免由于進水流量過大、壓力過高造成離子交換膜破損,導致EDI膜堆的損壞。淡水出水壓力必須比濃水出水壓力高,以避免內部泄漏而影響淡水出水質量。

  (三)工作電源一

  EDI電源必須為可以調節的直流電源(DC),考慮到功率損耗,交流電(AC)輸人電源應比額定的電源供給高出15%~20 %。電壓是使離子遷移的動力,它使得離子從進水中遷移到濃水中,同時電壓也是電解水用于再生樹脂的關鍵。在規定范圍內,如果電壓過低,會導致電解水減少,產生的H+和OH-離子不足以再生填充樹脂,同時電壓太低使得離子的遷移動城力減弱,最終使模塊的工作區間產水水質變差。如果電壓過高,就會電解出過剩的H+和OH-,使電流升高的同時,也使離子極化和擴散加劇,導致產品水水質變差。電壓是否過高可以從電極出水中的氣泡多少加以判斷。最佳電壓范圍的確定主要由進水唆電導率和濃水的流量決定。比如,在進水電導率變大、濃水的濃度也變大的情況下,由于系統的電阻減少,系統的電壓也應當相月應的下調。

  長期高電流運行會縮短膜堆壽命,合理的運行電流會提高產水水質、降低濃室結垢的可能性并會延長膜堆壽命。合理的運行電流為該條件下極化電流+0. 5A,過低的運行電流將會導致膜堆的樹脂逐漸飽和,產水水質下降。

  最佳的電壓范圍取決于模塊內部單元的數目,正常的工作電壓范圍為5~8V/單元,它同時與溫度、濃水電導率、回收率(濃水流量比例)有關。

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