EDI超純水設備的原理及其在純水清潔生產中的應用
摘要:簡述了EDI超純水設備技術的發展歷史,介紹了EDI超純水設備技術的結構、原理、經濟技術特點和環保價值,展望了EDI超純水設備技術的市場前景,并認為EDI超純水設備這一高新技術具有顯著的經濟效益和環境效益,我國研究開發應用該技術十分必要。

1、EDI超純水設備技術的發展

電去離子(EDI超純水設備-electrodeionisation)是一種將離子交換樹脂和離子膜相結合,在電場作用下連續去除離子的水處理方法。該技術是隨著工業生產對純水質量要求不斷提高和環保對水處理中水利用率和化學物品的排放控制要求提高而逐步發展起來的。

歷史上,早期的純水的需求主要來自于醫藥、化工、發電、造紙等行業,水質要求相對較低。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,后者需要化學藥劑再生,既麻煩又不經濟,而且由于強型樹脂對一般有機分子去除效果很差,出水中TOC含量高。隨著半導體工業的發展,對純水質量要求不斷提高,從而大大推動了純水技術的發展。到八十年代,膜技術得到廣泛應用,微濾、超濾、電滲析和反滲透(RO)等先進的水處理技術得到長足發展。RO-混床系統取代了傳統的離子交換系統,解決了TOC問題,滿足了諸如電子等行業對純水質量要求。但是,由于RO脫鹽率有限,混床需要化學藥劑再生的問題仍未解決,并且出于環保需要,減少化學再生藥劑使用的呼聲越來越大,因而以電化學為基礎的EDI超純水設備技術便得到了重視。

早在四十年前,EDI超純水設備就作為一種不用化學藥劑再生的水處理方法而用于實驗室。EDI超純水設備技術的長足發展是近十年,尤其是近幾年來的事情。初期的EDI超純水設備系統設計不完善,可靠性有問題,而且價格偏高,只適合于小流量用戶。現在國外如美國E-CELL等公司已成功地商業化生產EDI設備,出水質量可與混床出水相媲美;EDI與RO一樣設計成標準模塊,可大批量生產和大規模組合,水量也能滿足工業用水量要求。

2、EDI超純水設備結構和工作原理

EDI常與RO連用,構成RO-EDI純水系統。如上所述,EDI已設計成標準模塊,EDI單元就是由若干模塊組合而成。每個EDI模塊結構如圖1所示,有數個雙腔室夾在兩個電極(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、陽離子膜(亦稱陰向膜或陽向膜),陰、陽膜間裝填陰陽樹脂混合床構成D室;該陰、陽膜分別與另一D室中的陽、陰膜間構成C室。

進水按一定比例通過C室和D室。離子在D室的行為可以理解為四個過程:①離子在電場作用下向濃水室遷移;②離子與樹脂的結合;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由于電場作用,離子不斷從樹脂上離解,使樹脂不斷再生。
與普通混床不同之處在于,進入D室中的陰、陽離子先是與樹脂結合,而后在直流電場作用下從樹脂上不斷離解,分別通過陰、陽膜向陽極和陰極移動,樹脂同時得以再生。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、陽離子的純水;由于膜對陰、陽離子的選擇通透性,進入C室的離子不能通過另一極膜而在C室濃縮。

典型的EDI系統中,90%～95%的進水是通過D腔的,5%～10%的進水通過C腔。為了防止結垢,濃水用泵強制循環,高速通過膜面。濃水部分排放;排放的濃水可返回RO再處理。

3、EDI超純水設備的經濟技術特點及環保價值

EDI超純水設備技術的最大特點是用電場和離子膜取代離子交換樹脂的化學再生,使RO-EDI純水系統在設備結構、使用操作、運行費用等方面與RO2混床相比具有明顯優勢;并克服了再生樹脂所產生的廢水排放問題，同時有廢水需要處理的單位，也可以到污水寶項目服務平臺咨詢具備類似污水處理經驗的企業。

(1)EDI與RO配套使用,可調節電流以改變出水質量,用標準模塊組合改變出水量。十多年的商業應用表明,該系統在100磅/平方英寸(7kg/cm2)壓力下運行穩定,出水電阻率可達到16M8·cm以上,含Si量在20ppb以下,水質可靠,能滿足目前最嚴格的工業用水質量要求,出水量可高達2000加侖/分(450立方米/小時)。

(2)EDI不用再生樹脂,免除了樹脂化學再生配套設施(如酸堿貯罐、泵和管道)使純水系統設備結構簡化,投資節省,操作簡化,運行費用降低。近年來,國外E2CELL公司和ECODYNE公司在不同流量(50、200、600加侖/分)、不同水質(低、中、高TDS)情況下,對RO-EDI與RO2混床純水系統的技術經濟性能作了專門的比較研究。結果表明,前者的用工是0.5人時/日,后者為2人時/日;EDI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,EDI投資系數為10%,EDI在低流量情況下較混床系統經濟得多;在大流量時相當。上述比較中未考慮占地和環保管理等費用,在這方面EDI占明顯優勢。

(3)技術經濟比較還表明,EDI比混床系統更能適應進水中TDS變化而不影響出水質量,而且對制水成本影響很小。

(4)EDI環境效益顯著,表現在二個方面:①克服了樹脂化學再生造成的廢水污染;②EDI排放的濃水可直接回到RO之前再利用,這樣EDI單元可以做到沒有廢水排放。

4、EDI超純水設備技術應用前景

由于EDI上述優點,EDI超純水設備技術和產品發展很快。目前,國際上已有多家公司生產銷售RO-EDI系統。其應用不僅在制藥、造紙、化工、發電等工業部門,而且還應用于其他領域。如美國Millipore公司Elix系列純水設備就采用了RO-EDI技術,用于分析實驗室用純水制備,其EDI出水質量符合分析實驗室用純水二級標準。事實上,EDI已在國際上形成穩定市場,并在不斷拓展。隨著環境意識的加強和環保要求的提高,與需要化學再生而產生大量廢水污染的傳統混床相比,EDI超純水設備技術將倍受青睞。并且隨著膜技術的不斷發展,RO-EDI系統可望有進一步的改進。有關專家預測,未來3～5年內85%的工業水處理系統將采用RO-EDI技術。

我國目前還沒有大規模應用EDI超純水設備技術,與UF和RO等膜技術研究相比,EDI超純水設備技術研究滯后。而國內水處理技術市場很大,并且發展很迅猛。因此,研究開發和應用EDI超純水設備技術十分必要。