EDI技术

第一章EDI技术介绍1.1EDI描述EDI技术是二十世纪八十年代以来逐渐兴起的净水技术。进入2000年以来，已在北美及欧洲占据了超纯水设备相当部分的市场。EDI系统代替传统的DI混合树脂床，生产去离子水，与离子交换不同。EDI不会因为补充树脂或者化学再生而停机。因此，EDI使水质稳定。同时，也最大限度地降低了设备投资和运行费用。1.2EDI的优点和传统离子交换（DI）相比EDI所具有的优点：☆EDI无需化学再生☆EDI再生时不需要停机☆提供稳定的水质☆耗能低☆运行费用低1.3电除盐过程EDI技术是将两种已经很成熟的水净化技术——电渗析和离子交换相结合，通过这样的技术更新，溶解的盐可以在低能耗的条件下被去除，且不需要化学再生，并生产出高质量的除盐水。EDI除盐是在电压作用下使离子从淡水水流进入到邻近的浓水水流。EDI与电渗析不同，它在淡水室中填充树脂，而树脂的存在可以大大提高离子的迁移速度，在此，树脂的作用是离子的导体而不是离子交换源，其工作状态是连续稳定的。1.4EDI技术概述图1表示了EDI的工作过程电除盐将离子交换树脂填充在阴、阳离子交换膜之间形成EDI单元，双在这个单元两边设置阴、阳电极，在直流电作用下，将离子从其给水（通常1是反渗透纯水）中进一步清除。离子交换膜和离子交换树脂的工作原理相近，可以使特定的离子迁移。阴离子交换膜只允许阴离子透过，不允许阳离子透过；而阳膜只允许阳离子透过，不允许阴离子透过。在EDI组件中将一定数量的EDI单元罗列在一起，使阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列，并使用网状物将每个EDI单元隔开，形成浓水室。EDI单元中间为淡水室。在给定的直流电的推动下，给水通过淡水室水中的离子穿过离子交换膜进入到浓水室被去除而成为除盐水；通过浓水室的水将离子带出系统，成为浓水。EDI组件将给水分成三股独立的水流：1．纯水（最高利用率为99%）2．浓水（5%—10%，可以用于RO给水）3．极水（1%，排放）极水先经过阳极流入阴极，极水可从电极区排除电触产生的氯气、氧气和氢气体。1.5EDI过程细节一般城市水源中存在钠、钙、镁氯化物、硝酸盐、碳酸氢盐、二氧化硅等溶解物。这些化合物由带负电荷的阴离子和带正电荷的阳离子组成。通过反渗透（RO）的处理，98%以上的离子可以被去除。另外，原水中也可能包括其它微量元素、溶解气体（例如CO2）和一些弱电解质（例如硼，二氧化硅），这些杂质在工业水中也被除掉。RO纯水（EDI给水）电阻率的一般范围是0.05—0.25MΩ·cm，即电导率的范围为20—4μS/cm。根据应用的情况，去离子水电阻率的范围一般为2—18MΩ·cm。EDI除盐过程。将水中离子和离子交换树脂中的氢氧根离子或氢离子交换，然后使这些离子迁移进入到浓水中。这就是EDI除盐过程。以上交换反应发生在组件的淡水室中，在淡水室中，阴离子交换树脂中的氢氧根离子（OH—）同水中的阴离子（例如氯化物中的Cl—）交换。相反，阳离子交换树脂中的氢离子（H+）同水中的阳离子（例如Na+）交换。被交换的离子在直流电作用下沿着树脂球的表面迁移。通过离子交换膜进入浓水室。2在图1中，离子交换膜用竖线表示，并标明它们允许通过的离子交换种类。这些离子交换膜是不允许水穿过的。因此，它们可以隔绝淡水和浓水水流。带负电荷的阴离子（例如OH—、Cl—）被阳极（+）吸引。这些离子通过阴膜，进入到邻近的浓水室中，而邻近的阳膜不允许其通过，这些离子即被阻隔在浓水中。淡水流中的阳离子（例如Na+、H+）被阴极吸引，通过阳离子交换膜进入到邻近的浓水中，而邻近的阴离子交换膜不允许其通过，这些离子即被阻隔在浓水中。在浓水中，来自两个方向的离子维持着电中性。同时，电流量和离子迁移量成正比。电流量由两部分组成，其一源于被除去离子的迁移，另一部分源于水本身电离为H+和OH—离子的迁移。当水流经淡水室和浓水室时，离子从淡水室中渐渐地进入到邻近浓水室中，而被浓水带出EDI组件。在较高的电压梯度作用下，水会电解产生大量的H+和OH—。这些就地产生的H+和OH—对离子交换树脂进行连续再生。因此，EDI组件中的离子交换树脂不需要用化学物质再生。EDI给水的预处理是EDI实现其最优性能和减少设备故障的首要条件。给水里的污染物会对除盐组件有负面影响，增加维护量并降低膜组件的寿命。EDI组件中的离子交换树脂可以分为两部分，一部分称作工作树脂，另一部分称作抛光树脂，二者界限称为工作前沿。工作树脂主要起导电作用，而抛光树脂在不断交换和被连续再生。工作树脂承担着除去大部分离子的任务，而抛光树脂则承担着去除像弱电解质等较难清除的离子的任务。对浓水而言，在工作树脂区电导率与RO纯水相当，相对较低，而在抛光区，其电导则成倍地增长；对纯水而言，在工作树脂区电导率与RO纯水相当，由于树脂的增导电效应，电导率较高；而在抛光区，其电导则成倍地降低。因此，在工作树脂区，大部分电压施加于浓水，纯水室的电压梯度不高，而在抛光区，部分电压施加于淡水区，其电压梯度较高，有利于弱电解质的离解和清除。同时，此处水的电离率也较高，树脂处于较高的活化状态。1.6污染物对除盐效果的影响对EDI影响较大的污染物包括硬度(钙、镁)、有机物、固体悬浮物、变价金属离子（铁）、氧化物（氯、臭氧）以及二氧化碳（CO2）。3设计RO/EDI系统时应在EDI的预处理过程除掉这些污染物。给水中这些污染物的浓度限制见3.3节。在预处理中除降低这些污染物的浓度可以提高EDI性能。其它有关EDI设计策略将在本手册其它部分详述。氯和臭氧会氧化离子交换树脂和离子交换膜,引起EDI组件功能减低。氧化还会使TOC含量明显增加。氧化副产品会污染离子交换树脂和膜，降低离子迁移速度。另外，氧化作用使得树脂破裂，通过组件的压力损失将增加。铁和其它的变价金属离子可对树脂氧化起催化作用，永久地降低树脂和膜的性能。硬度能在反渗透和EDI单位中引起结垢。结垢一般在浓水室膜的表面发生，该处PH值较高。此时，浓水入水和出水间的压力差增加，电流量降低。EDI组件设计采取了避免结垢的措施。不过，使入水硬度降到最小将会延长清洗周期。悬浮物和胶体会引起膜和树脂的污染和堵塞，树脂间隙的堵塞导致EDI组件的压力损失增加。有机物被吸引到树脂和膜的表面导致其被污染，使得被污染的膜和树脂迁移离子的效率降低，膜堆电阻将增加。二氧化碳有两种效果，首先，CO32—和Ca2+、Mg2+形成碳酸盐类结垢，这种垢的形成与给水的离子浓度和PH有关。第二，由于CO2的电荷变化与PH值有关，而其被RO和EDI的去除都依赖于其电荷。因此它的去除效率是变化的。即使较低的CO2都能显著地降低产品水的电阻率。1.7术语汇编◇阳离子：一种带有一个或更多正电荷的离子（原子或者原子团）例如Na+、NH4+和Ca2+。◇阴离子：一种带有一个或更多负电荷的离子（原子或者原子团），例如OH—和SO22—。◇阳极：带正电的电极。◇阳极电解液：阳极区水，包括阴离子和聚集在阳极的气体。◇阴极：带负电的电极。◇阴极电解液：阴极区水，包括阳离子和聚集在阴极的气体。◇浓水：（1）通过浓水室并汇集了离子的水流；（2）通过电极并汇集了电解质的水流。二者可以被汇集在一起，也可以独立流出。4◇电导率：水的导电能力，取决于水中离子的浓度和水的温度。◇DC电压：直流电压。◇电极液：通过两个电极区的水流。◇给水：进入EDI组件的水。它被分为淡水流，浓水流和极水流。EDI给水一般是反渗透纯水。◇GPM（gpm）：加仑/分钟，流量单位。1.0gpm=227L/h，4.4gpm=1.0m3/hr。◇离子交换膜：一种包含离子交换团的膜，有选择地允许阳离子或阴离子透过。◇离子交换树脂：一种包含离子交换团的树脂，有选择性地将水中的阴离子或阳离子用OH—或H+交换。◇兆欧：（Megohm·cm，MΩ·cm）电阻率的度量单位，水的纯度表示方法之一。在25℃时，绝对纯水的电阻率为18.24MΩ·cm。◇PH：氢离子（H+）摩尔浓度的负指数。PH值范围为0——14。水在PH值为0——7时呈酸性，在PH值为7时呈中性，在PH值为7——14时呈碱性。◇极化：水在电流的作用下被分成H+和OH—。在淡水室，当离子浓度较低时，较多的水分子被电离，以保证一定的电流量。极化经常会引起PH值的波动。EDI是利用水的极化来再生离子交换树脂的。◇ppm：一百万分之一。1ppm=1毫克/升。◇电阻率：水对电流阻碍能力的电量度，该值随着离子浓度的降低的而增大。◇盐：一种化合物，是阴离子和阳离子的结合物。◇TOC：有机碳的总数。水样里的有机物含量的量度。单位为PPM或mg/L。◇供电电压：直流电施加于每个组件的阳极和阴极，该值与组件型号直接相关。◇电流值：通过每个组件的直流电流。该电流值的大小取决于反渗透给水中离子的浓度、水利用率、水分解的数量，与组件型号基本无关。◇组件电阻：供电电压除以电流值。◇供电要求：电源需要提供必要的电流和电压。单位为KW/gpm。◇电效率：理论上迁移离子需要的电流除以实际电流。◇给水流：进入淡水室转变成产品水的水流，也可以包括进入浓水室和电极室中的给水。5◇淡水流：从淡水室流出的产品水。◇浓水流：从离子聚集的浓水室流出的废水，一般占给水的5%——10%。◇电极水流：从阳极和阴极室流出的废水。一般不超嘉宾给水的1%。◇回收率：产品水流量除以整个的给水流量。如果考虑到浓水返回前置RO，回收率一般为99%。如果浓水被排放，回收率可为90%——95%。6第二章组件简介2.1EDI的应用范围及技术参数超纯水经常于微电子工业、半导体工业、生物制药和实验室。EDI纯水也可以作为制药蒸馏水、食物和饮料生产用水、发电厂的锅炉给水，以及其它应用超纯水的工业。以下是一些与EDI有关的水质要求：表1半导体工业用水水质要求：TestUnitsAttainableAcceptableAlertCriticalResistivity,25℃MΩ·cm18.218.217.917.5Silica,dissolvedppb＜0.2＜1＜3＜10Boronppb表二发电厂锅炉补给水水质要求：TestUnitsTypicalResistivity,25℃MΩ·cm10—13Silica,totalppb10—20表三制药工业用水水质要求（对于注射用水，WFI、USP规定使用蒸馏或反渗透为最给养净化手段，EDI可以作为预处理）：TestUnitsUSP23limitsConductivity,25℃μS/cm＜1.3(stage1)PH5.0-7.0表四一般蒸馏水水质要求：TestUnitsTypicalResistivity,25℃MΩ·cm＜22.2EDI组件使用指南NBJ使用的组件和其它的EDI组件相比,有下列优势：△使并排排列的管线连接更简单△体积小，重量轻△所有水路均在一侧7△防水电源接头NBJEDI组件单件流量范围从0.5gpm到10gpm。每个组件都有一个推荐的流量范围。组件并行排列可以阁下一个几乎无限规模的系统。根据给不和运行的条件，组件可生出电阻率达10——18.2MΩ·cm的纯水。表五XL系统组件的流量范围型号流量（gpm）流量（m3/hr）电压（V，DC）长度（宽9″，高22″）XL—1001/4—3/40.05—0.230—606″XL—2001/2—3/20.10—.360—1207″XL—3003/2—40.3—0.9100—1609″XL—4003—70.7—1.5150—25011″XL—5006—101.3—2.3200—35014″2.3组件重组XL系列为一次性装置。8第三章运行条件3.1标准运行条件EDI组件运行结果取决于各种各样的运行条件，其中包括系统设计参数。用不动声色测试组件的水经活性炭、精密过滤器和反渗透处理，TDS=2.5~4.0ppm，测试电压和流量按表五各组件范围中间值。3.2给水要求以下是保证EDI正常运行的最低条件，为了使系统运行结果更佳,系统设计时应适当提高。●给水：RO纯水，一般电导率为4—30μS/cm。●PH：6.0~8.0（最佳电阻