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电除盐EDI概述及技术应用

2011-11-22

  电除盐EDI概述及技术应用

  概述

  电去离子简称EDI或连续电去离子等,是以直流电为推动力利用离子交换树脂的离子交换作用和离子交换膜的选择透过悠使水体中的离子通过膜迁移到另一水体.中WT4到纯化的物质分离过程。EDT装置模块结构有板式和卷式两种。

  板式EDI的内部部件为板框式结构(与板式电渗析器的结构类似),主要由阳、阴电极板、极框、一离子交换膜、淡水隔板、浓水隔板及端压板等部件按一定的顺序组装而成,设备的外形一般为方形。板框式EDI模块按其组装形式又可以分为两种,一种是按一定的产水量进行定型生产的模块;另一种是根据不同的产水量对产品进行定型生产的模块。

  螺旋卷式ED I模块简称卷式EDI模块,它主要由电极、阳膜、阴膜、淡水隔板、浓水隔板、浓水配集管和淡水配集管等组成。它的组装方式与一卷式RO相似,即按“浓水隔板一阴膜一淡水隔板一阳膜一浓水隔板一阴膜一淡水隔板一阳膜……”的顺序将它们叠放后,以浓水配集管为中心卷制成型,其中浓水配集管兼作E DI的负极,膜卷包覆的一层外壳作为阳极。卷式EDI的工作状况是进水(淡水)从底部进人到EDI元件,经进水分布器后进人垂直的淡水室,并流经填充于淡水室的离子交换树脂层。浓水流态设计不同于板框式EDI的同向流动设计一。

  EDI膜堆是EDI工作的核心。膜堆是由阴、阳离子交换膜,淡、浓水室隔板,离子交换树脂和正负电极等按一定规则排列组合并夹紧所构成的单元。膜堆中淡水室相当于一个混床,使用的离子交换树脂是磺酸型阳树脂和季胺型阴树脂,淡水室中的树脂必须装填紧密,使树脂紧密接触以减少树脂表面水层和防止树脂乱层,颗粒直径采用100μ的均粒树脂比常规40-60目树脂要好,优点是装填密度大、脱盐率高、产水量大,阴树脂与阳树脂的比例采用3,2。浓水室由一个阳离子交换膜、一个阴离子交换膜组成,离子交换膜采用异相离子交换膜。

  电极材料通常阴极采用钦涂层,阳极采用不锈钢。

  EDI模块包含多个膜单元对,它的工作原理有以下几个过程。

  (1)电渗析过程。在外电场作用下,水中电解质通过离子交换膜进行选择性迁移,从而达到去除离子的作用。

  (2)离子交换过程。由淡水室中阳、阴离子交换树脂对水中的电解质的交换作用,达到去除水中离子的目的。在EIEDI中,离子交换只是手段,不是目的。在直流电场作用下,使阴、阳离子分别作定向迁移,分别透过阴膜和阳膜,使淡水室离子得到分离。在流道内,电流的传导不再单靠阴、阳离子在溶液中的运动,也包括了离子的交换和离子通过离子交换树脂的运动,因而提高了离子在流道内的迁移速度,加快了离子的分离。

  (3)电化学再生过程。利用电渗析的极化过程产生的H+和OH-及树脂本身的水解作用对树脂进行电化再生。在EDI电去离子过程中,水中离子首先因交换作用吸附于树脂颗粒上,再在电场作用下经由树脂颗粒构成的“离子传输通道”迁移到离子交换膜表面并透过离子交换膜进入浓室,在树脂、膜与水相接触的介面扩散层中的极化使水解离为H+和OH-,它们除部分参与负载电流外,大多数又对树脂起到再生作用,在淡水室流道内,阴、阳离子交换树脂因可交换离子不同,有多种存在形态,如R2Ca, R2 Mg, RNa, RH、R2 Sq、RCl、RHC03、ROH等,离子交换树脂的再生是在电场作用下离子迁移及进水中离子共同完成的。从而使离子交换、离子迁移、电再生三个过程相伴发生、相互促进,达到了连续的去离子过程。高纯度的淡水连续从淡水室流出,从而实现水的深度脱盐过程。

  EDI装置的特点:1.可连续运行,产品水水后移定;2.容易实现全自动控制; 3.除清洗用药剂外,无须用大量酸、碱运送、存储、再生设施;4.下会因离子交换树脂再生而停机,节省了再生用水及再生排水处理设施; 5.产水率高(可达95%);6.占地面积小; 7.设备单元模块化,可灵活的组合达到需要的产品水流量;8.安装简单,运行维护成本低;9 EDI设备初期投资大,维修也较困难,对细菌的抗污染能力较低,当有细菌在其内部繁殖时,将会大幅度降低膜堆的性能,所以一般要求停机超过3天,就必须注人5%的NaCl溶液进行保护,或者是不间断运行,防止细菌生长。

  EDI设备工作年限约五年,EDI系统正常工作时,需要以下四个条件:合适的进水水质(TEA, CO2,硬度,硅)、足够的电流、合理的流量和操作压力。如果其中一个条件欠缺,则系统无法制备高质量的纯水。

  二、系统流程

  一个完整的ED I系统包括EDI装置本体系统、沙装置清洗系统、整流器、控制系统(包括表计)、管道、阀门和浓水再循环泵。所有这些部件安装在一个底座上。但整流器除外,它通过把一个三相的交流电转变成直流电来为EDI系统提供能量。EDI的每个模块具有一个标准流量,系统产水量可以根据模块的规格、数量来改变。水处理的典型流程是:原水一预处理一多介质过滤器一活性炭处理一单级RO/两级RO --EDI。在高硬度的水处理中,需要增设软化器,其流程是:多介质过滤器一活性炭处理一(软化器)一单级RO/两级RO一EDI。板式EDI装置本体系统见图4-28、卷式EDI装置本体系统见图4-29.

  通常将板式ED,系统俞中的水流分成产品水流、脓水水”回流到反渗透装置的进水中和极水水流,其工作状况如下:

  (1)淡水水流。在EDI中,90 %到95%的水流过淡水室,水流并联通过多个膜堆,每个膜堆都并联很多个淡水室,水流一次性的通过淡水室,流出来的就是高纯水,模块在低于设备最小产水量情况下工作时,模块内会发生局部过热现象,导致外部损伤及裂痕。

  (2)浓水水流。进水中另外的5%-10%被送到浓水室,其中3%-8%流出EDI后作为RO系统补充水回收利用;通常EDI排放的浓水质量高于反渗透装置的进水,所以将浓水回流到反渗透装置的进水中可使整个EDI系统回收率提升至98%。回收率由进水硬度水平决定,即

  回收率二淡水产水量/(淡水产水量+浓水排放量+极水出口流量)×100%浓水湘敝量士淡水产水量/回收率× 100—极水出口流量一淡水产水量

  (3)极水水流。极水水流由淡水水流进口的分支形成,一般电极水的流量是进水的1%左右。送到浓水室的淡水中用来冲洗电极。极水水流流经电极用以冷却电极并带走在极水室内产生的所有气体(氢气、氧气及可能存在的氯气),所以极水水流必须排人通风的排水管中,在排放时需要放气,要确保通风良好以使氢气含量低于4%。由于氯气溶人极水中,当电极水过小时,不能及时带走电极表面的气体,会影响整个模块的运行,极水流量很小并在通风的自流排水管中,因此极水不再循环使用。

  (一)水质要求

  电除盐系统的进水水质要求必须是一级反渗透的出水(电导率为4~20μS/cm)或与之相当的水质(最佳电导率是1~lμS/cm)。

  1.一般要求

  2.系统中CO2问题

  CO2是一个关键因素。因为分子的CO2可以透过RO膜进人后续系统中的混床或者EDI中的阴离子交换树脂,加重阴离子的交换负荷。因此在一些情况下,系统中通过加NaOH来增加,H值,把CO2转化成碳酸盐和重碳酸盐,有效地在RO膜中去除。

  3.两级RO出水问题

  一般认为ROI→ROⅡ→EDI对EDI的出水质量并不一定比ROI -EDI的出水质量好。因为两级RO出水的电导率在1-2μS/cm,进人到浓水、极水的导电特性不够,导致模块电阻上升,电流下降。模块就不能将离子从主进水流(穿过膜)中迁移到浓水中,产品水的水质会受影响。

  如果RO出水的电导率小于2μS/cm, EDI浓水的进水电导率应设计在10~100μS/cm范围内,使浓水出水电导率达到40~100μS/cm的理想值。浓水出水电导率可从浓水进出口浓度和回收率进行平衡计算,然后确定设计方案。为了优化带有两级RO-EDI的系统,

  一般采用的措施有:

  (l)从第一级RO出水(电导率大于20μS/cm)供给EDI的浓水、极水供水或从第二级RO进水(电导率大于20μS/cm)供给EDI的浓水、极水。

  (2)在EDI浓水、极水中加盐(优质NaCI,质量要求为:

  氯化钠(以固体中含量计算)>99.80%

  钙和镁(以Ca计算)<0. 05%

  铜<0. 5× 10-6

  铁<5. 0× 10-6

  重金属(以Pb计算)<2. 0 ×10-6

  大约维持电导率在10~100μS/cm,以达到出口水电导率为40~l00μS/cm。

  加盐装置包括计量泵、盐液计量箱和低液位开关。加盐泵应采用变频计量泵,以便在系统运行时由PLC控制剂量。

  为避免浓水中离子过度积累,需要排放少量浓水。排放掉的浓水由进水补充,控制浓水的电导率在150~600μScm之间(或按照EDI产品要求而定)。

  4.进水的pH值

  进水的pH值表示了进水中H+的含量,一般进水控制在5-9.5之间。通常情况下,pH值偏低是由于CO2的溶解引起的。由于是弱电离物质,COZ也是导致水质恶化的因素之一,所以在进EDI系统之前,一般可以安装一个脱碳装置,使得水中的CO2控制在5mg/L以下。水中pH值和CO2存在一定溶解关系,理论上当pH>10时,去除效率最佳。高pH值有助于去除弱电离子,但是前提是必须在进EDI系统前除去Ca2t+、Mg2+等离子。

  淡水进水压力最高压力不能超过0.6MPa,最佳运行压力在0. 4 ~0. 5 MPa。由于离子交换膜的爆破强度为0. 7MPa,因此应避免由于进水流量过大、压力过高造成离子交换膜破损,导致EDI膜堆的损坏。淡水出水压力必须比浓水出水压力高,以避免内部泄漏而影响淡水出水质量。

  (三)工作电源一

  EDI电源必须为可以调节的直流电源(DC),考虑到功率损耗,交流电(AC)输人电源应比额定的电源供给高出15%~20 %。电压是使离子迁移的动力,它使得离子从进水中迁移到浓水中,同时电压也是电解水用于再生树脂的关键。在规定范围内,如果电压过低,会导致电解水减少,产生的H+和OH-离子不足以再生填充树脂,同时电压太低使得离子的迁移动城力减弱,最终使模块的工作区间产水水质变差。如果电压过高,就会电解出过剩的H+和OH-,使电流升高的同时,也使离子极化和扩散加剧,导致产品水水质变差。电压是否过高可以从电极出水中的气泡多少加以判断。最佳电压范围的确定主要由进水唆电导率和浓水的流量决定。比如,在进水电导率变大、浓水的浓度也变大的情况下,由于系统的电阻减少,系统的电压也应当相月应的下调。

  长期高电流运行会缩短膜堆寿命,合理的运行电流会提高产水水质、降低浓室结垢的可能性并会延长膜堆寿命。合理的运行电流为该条件下极化电流+0. 5A,过低的运行电流将会导致膜堆的树脂逐渐饱和,产水水质下降。

  最佳的电压范围取决于模块内部单元的数目,正常的工作电压范围为5~8V/单元,它同时与温度、浓水电导率、回收率(浓水流量比例)有关。

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