EDI原理及其在純水清潔生產(chǎn)中應用

摘　要: 簡(jiǎn)述了ED I 技術(shù)的發(fā)展歷史, 介紹了ED I 技術(shù)的結構、原理、經(jīng)濟技術(shù)特點(diǎn)和環(huán)保價(jià)值, 展望了 ED I 技術(shù)的市場(chǎng)前景, 并認為ED I 這一高新技術(shù)具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益, 我國研究開(kāi)發(fā)應用該技術(shù)十分必要。

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

1　ED I 技術(shù)的發(fā)展

電去離子(ED I-elect rodeionisation) 是一種將離子交換樹(shù)脂和離子膜相結合, 在電場(chǎng)作用下連續去除離子的水處理方法。該技術(shù)是隨著(zhù)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(lái)的。

歷史上, 早期的純水的需求主要來(lái)自于醫藥、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, 而且由于強型樹(shù)脂對一般有機分子去除效果很差, 出水中 TOC 含量高。隨著(zhù)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(dòng)了純水技術(shù)的發(fā)展。到八十年代, 膜技術(shù)得到廣泛應用, 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(cháng)足發(fā)展。RO - 混床系統取代了傳統的離子交換系統, 解決了TOC 問(wèn)題, 滿(mǎn)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(wèn)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(lái)越大, 因而以電化學(xué)為基礎的ED I 技術(shù)便得到了重視。

早在四十年前, ED I 就作為一種不用化學(xué)藥劑再生的水處理方法而用于實(shí)驗室。 ED I 技術(shù)的長(cháng)足發(fā)展是近十年, 尤其是近幾年來(lái)的事情。初期的ED I 系統設計不完善, 可靠性有問(wèn)題, 而且價(jià)格偏高, 只適合于小流量用戶(hù)�，F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)和大規模組合, 水量也能滿(mǎn)足工業(yè)用水量要求。

2　ED I 結構和工作原理

ED I 常與RO 連用, 構成RO-ED I 純水系統。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(gè) ED I 模塊結構如圖1 所示, 有數個(gè)雙腔室?jiàn)A在兩個(gè)電極(加直流電) 之間, 呈層疊式板框結構; 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(yáng)離子膜(亦稱(chēng)陰向膜或陽(yáng)向膜) , 陰、陽(yáng)膜間裝填陰陽(yáng)樹(shù)脂混合床構成D 室; 該陰、陽(yáng)膜分別與另一D 室中的陽(yáng)、陰膜間構成C 室。

圖1　ED I 工作原理示意圖

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

與普通混床不同之處在于, 進(jìn)入D 室中的陰、陽(yáng)離子先是與樹(shù)脂結合, 而后在直流電場(chǎng)作用下從樹(shù)脂上不斷離解, 分別通過(guò)陰、陽(yáng)膜向陽(yáng)極和陰極移動(dòng), 樹(shù)脂同時(shí)得以再生。由于上述平衡作用, 在水流方向上形成濃度梯度, 可根據進(jìn)水情況和出水要求調節電流(電壓) 大小, 使流出的水為不含陰、陽(yáng)離子的純水; 由于膜對陰、陽(yáng)離子的選擇通透性, 進(jìn)入C 室的離子不能通過(guò)另一極膜而在C 室濃縮。

典型的ED I 系統中, 90%～ 95% 的進(jìn)水是通過(guò)D 腔的, 5%～ 10% 的進(jìn)水通過(guò)C 腔。為了防止結垢, 濃水用泵強制循環(huán), 高速通過(guò)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(shù)特點(diǎn)及環(huán)保價(jià)值

ED I 技術(shù)的最大特點(diǎn)是用電場(chǎng)和離子膜取代離子交換樹(shù)脂的化學(xué)再生, 使RO-ED I 純水系統在設備結構、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(shù)脂所產(chǎn)生的廢水排放問(wèn)題，同時(shí)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(xún)具備類(lèi)似污水處理經(jīng)驗的企業(yè)。

(1) ED I 與RO 配套使用, 可調節電流以改變出水質(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, 該系統在100 磅/平方英寸(7 kg/ cm 2 ) 壓力下運行穩定, 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(mǎn)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(shí))。

(2) ED I 不用再生樹(shù)脂, 免除了樹(shù)脂化學(xué)再生配套設施(如酸堿貯罐、泵和管道) 使純水系統設備結構簡(jiǎn)化, 投資節省, 操作簡(jiǎn)化, 運行費用降低。近年來(lái), 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混床純水系統的技術(shù)經(jīng)濟性能作了專(zhuān)門(mén)的比較研究。結果表明, 前者的用工是0.5 人時(shí)/日, 后者為2 人時(shí)/ 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 投資系數為10% , ED I 在低流量情況下較混床系統經(jīng)濟得多; 在大流量時(shí)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(shù)經(jīng)濟比較還表明, ED I 比混床系統更能適應進(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) ED I 環(huán)境效益顯著(zhù), 表現在二個(gè)方面: ①克服了樹(shù)脂化學(xué)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(shù)應用前景

由于ED I 上述優(yōu)點(diǎn), ED I 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(xiāo)售RO - ED I 系統。其應用不僅在制藥、造紙、化工、發(fā)電等工業(yè)部門(mén), 而且還應用于其他領(lǐng)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(shù), 用于分析實(shí)驗室用純水制備, 其ED I 出水質(zhì)量符合分析實(shí)驗室用純水二級標準。事實(shí)上, ED I 已在國際上形成穩定市場(chǎng), 并在不斷拓展。隨著(zhù)環(huán)境意識的加強和環(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混床相比, ED I 技術(shù)將倍受青睞。并且隨著(zhù)膜技術(shù)的不斷發(fā)展, RO-ED I 系統可望有進(jìn)一步的改進(jìn)。有關(guān)專(zhuān)家預測, 未來(lái)3～ 5 年內85% 的工業(yè)水處理系統將采用RO-ED I 技術(shù)。

我國目前還沒(méi)有大規模應用ED I 技術(shù), 與U F 和RO 等膜技術(shù)研究相比, ED I 技術(shù)研究滯后。而國內水處理技術(shù)市場(chǎng)很大, 并且發(fā)展很迅猛。因此, 研究開(kāi)發(fā)和應用ED I 技術(shù)十分必要。

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