EDI 原理及其在純水清潔生產(chǎn)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)、原理、經(jīng)濟(jì)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(rèn)為ED I 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(guó)研究開(kāi)發(fā)應(yīng)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脂和離子膜相結(jié)合, 在電場(chǎng)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(duì)純水質(zhì)量要求不斷提高和環(huán)保對(duì)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(yī)藥、化工、發(fā)電、造紙等行業(yè), 水質(zhì)要求相對(duì)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(duì)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(duì)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(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(zhǎng)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(wèn)題, 滿足了諸如電子等行業(yè)對(duì)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(chǔ)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(yàn)室。 ED I 技術(shù)的長(zhǎng)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(tǒng)設(shè)計(jì)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，F(xiàn)在國(guó)外如美國(guó)E- CELL 等公司已成功地商業(yè)化生產(chǎn)ED I 設(shè)備, 出水質(zhì)量可與混床出水相媲美; ED I 與RO 一樣設(shè)計(jì)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 ED I 結(jié)構(gòu)和工作原理
ED I 常與RO 連用, 構(gòu)成RO-ED I 純水系統(tǒng)。如上所述, ED I 已設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)如圖1 所示, 有數(shù)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(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(duì)陰、陽(yáng)離子膜(亦稱陰向膜或陽(yáng)向膜) , 陰、陽(yáng)膜間裝填陰陽(yáng)樹脂混合床構(gòu)成D 室; 該陰、陽(yáng)膜分別與另一D 室中的陽(yáng)、陰膜間構(gòu)成C 室。
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| 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(chǎng)作用, 離子不斷從樹脂上離解, 使樹脂不斷再生。它們?cè)陔妶?chǎng)作用下達(dá)成平衡(以N a+ 為例) :
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與普通混床不同之處在于, 進(jìn)入D 室中的陰、陽(yáng)離子先是與樹脂結(jié)合, 而后在直流電場(chǎng)作用下從樹脂上不斷離解, 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(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(yáng)離子的純水; 由于膜對(duì)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(tǒng)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(jié)垢, 濃水用泵強(qiáng)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(jì)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脂的化學(xué)再生, 使RO-ED I 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RO 2混床相比具有明顯優(yōu)勢(shì); 并克服了再生樹脂所產(chǎn)生的廢水排放問(wèn)題:
(1) ED I 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(7 kg/ cm 2 ) 壓力下運(yùn)行穩(wěn)定, 出水電阻率可達(dá)到16M 8 ·cm 以上, 含Si 量在20 ppb 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(shí))。
(2) ED I 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(jiǎn)化, 投資節(jié)省, 操作簡(jiǎn)化, 運(yùn)行費(fèi)用降低。近年來(lái), 國(guó)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(duì)RO-ED I 與RO 2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(shí)/日, 后者為2 人時(shí)/ 日; ED I 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(jì), ED I 投資系數(shù)為10% , ED I 在低流量情況下較混床系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)得多; 在大流量時(shí)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ED I 占明顯優(yōu)勢(shì)。
(3) 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較還表明, ED I 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(duì)制水成本影響很小。
(4) ED I 環(huán)境效益顯著, 表現(xiàn)在二個(gè)方面: ①克服了樹脂化學(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(yīng)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(guó)際上已有多家公司生產(chǎn)銷售RO - ED I 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(guó)M illipo re 公司Elix 系列純水設(shè)備就采用了RO - ED I 技術(shù), 用于分析實(shí)驗(yàn)室用純水制備, 其ED I 出水質(zhì)量符合分析實(shí)驗(yàn)室用純水二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上, ED I 已在國(guó)際上形成穩(wěn)定市場(chǎng), 并在不斷拓展。隨著環(huán)境意識(shí)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, ED I 技術(shù)將倍受青睞。并且隨著膜技術(shù)的不斷發(fā)展, RO-ED I 系統(tǒng)可望有進(jìn)一步的改進(jìn)。有關(guān)專家預(yù)測(cè), 未來(lái)3～ 5 年內(nèi)85% 的工業(yè)水處理系統(tǒng)將采用RO-ED I 技術(shù)。
我國(guó)目前還沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)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(guó)內(nèi)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(yīng)用ED I 技術(shù)十分必要。
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