EDI原理及其在纯水清洁生产中的应用

 1、EDI技术的发展

    电去离子(EDI-electrodeionisation)是一种将离子交换树脂和离子膜相结合,在电场作用下连续去除离子的水处理方法。该技术是随着工业生产对纯水质量要求不断提高和环保对水处理中水利用率和化学物品的排放控制要求提高而逐步发展起来的。

    历史上,早期的纯水的需求主要来自于医药、化工、发电、造纸等行业,水质要求相对较低。在六、七十年代,纯水制备主要采用蒸馏和离子交换。前者能耗很高,后者需要化学药剂再生,既麻烦又不经济,而且由于强型树脂对一般有机分子去除效果很差,出水中TOC含量高。随着半导体工业的发展,对纯水质量要求不断提高,从而大大推动了纯水技术的发展。到八十年代,膜技术得到广泛应用,微滤、超滤、电渗析和反渗透(RO)等先进的水处理技术得到长足发展。RO-混床系统取代了传统的离子交换系统,解决了TOC问题,满足了诸如电子等行业对纯水质量要求。但是,由于RO脱盐率有限,混床需要化学药剂再生的问题仍未解决,并且出于环保需要,减少化学再生药剂使用的呼声越来越大,因而以电化学为基础的EDI技术便得到了重视。

    早在四十年前,EDI就作为一种不用化学药剂再生的水处理方法而用于实验室。EDI技术的长足发展是近十年,尤其是近几年来的事情。初期的EDI系统设计不完善,可靠性有问题,而且价格偏高,只适合于小流量用户。现在国外如美国E-CELL等公司已成功地商业化生产EDI设备,出水质量可与混床出水相媲美;EDI与RO一样设计成标准模块,可大批量生产和大规模组合,水量也能满足工业用水量要求。

    2、EDI结构和工作原理

    EDI常与RO连用,构成RO-EDI纯水系统。如上所述,EDI已设计成标准模块,EDI单元就是由若干模块组合而成。每个EDI模块结构如图1所示,有数个双腔室夹在两个电极(加直流电)之间,呈层叠式板框结构;双腔室包括淡水腔(用D表示)和浓水腔(用C表示);二腔之间隔以一对阴、阳离子膜(亦称阴向膜或阳向膜),阴、阳膜间装填阴阳树脂混合床构成D室;该阴、阳膜分别与另一D室中的阳、阴膜间构成C室。

                               图1EDI工作原理示意图

    进水按一定比例通过C室和D室。离子在D室的行为可以理解为四个过程:①离子在电场作用下向浓水室迁移;②离子与树脂的结合;③水的电离和迁移,迁移到C室中的H+和OH-离子又结合成水;④由于电场作用,离子不断从树脂上离解,使树脂不断再生。它们在电场作用下达成平衡(以Na+为例):

    与普通混床不同之处在于,进入D室中的阴、阳离子先是与树脂结合,而后在直流电场作用下从树脂上不断离解,分别通过阴、阳膜向阳极和阴极移动,树脂同时得以再生。由于上述平衡作用,在水流方向上形成浓度梯度,可根据进水情况和出水要求调节电流(电压)大小,使流出的水为不含阴、阳离子的纯水;由于膜对阴、阳离子的选择通透性,进入C室的离子不能通过另一极膜而在C室浓缩。

    典型的EDI系统中,90%～95%的进水是通过D腔的,5%～10%的进水通过C腔。为了防止结垢,浓水用泵强制循环,高速通过膜面。浓水部分排放;排放的浓水可返回RO再处理。

    3、EDI的经济技术特点及环保价值

    EDI技术的最大特点是用电场和离子膜取代离子交换树脂的化学再生,使RO-EDI纯水系统在设备结构、使用操作、运行费用等方面与RO2混床相比具有明显优势;并克服了再生树脂所产生的废水排放问题，同时有废水需要处理的单位，也可以到污水宝项目服务平台咨询具备类似污水处理经验的企业。

    (1)EDI与RO配套使用,可调节电流以改变出水质量,用标准模块组合改变出水量。十多年的商业应用表明,该系统在100磅/平方英寸(7kg/cm2)压力下运行稳定,出水电阻率可达到16M8·cm以上,含Si量在20ppb以下,水质可靠,能满足目前最严格的工业用水质量要求,出水量可高达2000加仑/分(450立方米/小时)。

    (2)EDI不用再生树脂,免除了树脂化学再生配套设施(如酸碱贮罐、泵和管道)使纯水系统设备结构简化,投资节省,操作简化,运行费用降低。近年来,国外E2CELL公司和ECODYNE公司在不同流量(50、200、600加仑/分)、不同水质(低、中、高TDS)情况下,对RO-EDI与RO2混床纯水系统的技术经济性能作了专门的比较研究。结果表明,前者的用工是0.5人时/日,后者为2人时/日;EDI安装费用比混床低得多。设备投资安装和运行费用按10年摊还期计,EDI投资系数为10%,EDI在低流量情况下较混床系统经济得多;在大流量时相当。上述比较中未考虑占地和环保管理等费用,在这方面EDI占明显优势。

    (3)技术经济比较还表明,EDI比混床系统更能适应进水中TDS变化而不影响出水质量,而且对制水成本影响很小。

    (4)EDI环境效益显著,表现在二个方面:①克服了树脂化学再生造成的废水污染;②EDI排放的浓水可直接回到RO之前再利用,这样EDI单元可以做到没有废水排放。

    4、EDI技术应用前景

    由于EDI上述优点,EDI技术和产品发展很快。目前,国际上已有多家公司生产销售RO-EDI系统。其应用不仅在制药、造纸、化工、发电等工业部门,而且还应用于其他领域。如美国Millipore公司Elix系列纯水设备就采用了RO-EDI技术,用于分析实验室用纯水制备,其EDI出水质量符合分析实验室用纯水二级标准。事实上,EDI已在国际上形成稳定市场,并在不断拓展。随着环境意识的加强和环保要求的提高,与需要化学再生而产生大量废水污染的传统混床相比,EDI技术将倍受青睐。并且随着膜技术的不断发展,RO-EDI系统可望有进一步的改进。有关专家预测,未来3～5年内85%的工业水处理系统将采用RO-EDI技术。

    我国目前还没有大规模应用EDI技术,与UF和RO等膜技术研究相比,EDI技术研究滞后。而国内水处理技术市场很大,并且发展很迅猛。因此,研究开发和应用EDI技术十分必要。