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EDI装置在超纯水制备工艺中的重要作用

文章出处:EDI水处理作者:EDI水处理发表时间:2013-02-27 10:02:24

  1超纯水制备的发展进程

  早期超纯水的需求主要来自于发电、医药、化工、造纸等行业,水质要求相对较低,其制备主要采用离子交换,该方法的主要缺点是需要化学药剂再生,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[1]。随着半导体工业的发展,对超纯水质量要求不断提高,从而大大推动了纯水技术的发展。到上个世纪九十年代,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。由于反渗透过程对于原水中的其它微量元素、溶解的气体(如CO2)和一些弱电解质(如硼,二氧化硅)的清除效果较差;而混床需要周期性的再生且再生过程中使用大量的酸碱和纯水,造成一定的环境污染。因而EDI技术便得到了重视和长足的发展。

  2 EDI结构和工作原理

  电去离子(EDI)是在电渗析器的淡化室中填充离子交换树脂,借助外直流电场的作用使离子选择性地定向迁移,同时利用水的解离再生混床树脂,从而使离子选择性迁移、深度除盐、树脂电化学再生三个过程同时发生,相当于连续获得再生的混床离子交换柱,可高效不间断地生产高纯水。EDI模块结构及原理如图1所示,EDI膜堆是由夹在两个电极之间一定对数的单元组成。在每个单元内分别用阴、阳离子交换膜形成两类不同的室:淡水室和收集除去杂质离子的浓水室,淡水室中用均匀的阳、阴离子交换树脂填满。进水按一定比例通过浓水室和淡水室。离子在淡水室的

  收稿日期:2006-03-25

  吕宏德(1964-),男,副教授。广州市,510070

  图1 EDI结构及原理示意图

  反应可以分为4个过程:①交换树脂上的离子在电场作用下向浓水室迁移;②进水中的离子与树脂结合;③水的电离和迁移,迁移到浓水室中的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,同时在较高的电压梯度作用下,水会电解产生大量的H+

  和OH,使树脂不断再生。它们在电场作用下达成平衡(以Na+为例):Na++R-SO3←→RSO3-NaNa++RSO3H←→H++RSO3NaH++OH←→H2O与普通混床不同之处在于,进入淡水室中的阴、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,进入浓水室的离子不能通过另一极膜而在浓水室浓缩。典型的EDI系统中,90%的进水是通过淡水室的,10%Na+H+Na+H+OH-Cl-阳极极阳阴阳阴待处理水浓水室淡水室浓水室阴离子交换树脂阳离子交换树脂Cl-OH-60电站系统工程2006年第22卷的进水通过浓水室[2]。为了防止结垢,浓水用泵强制循环。排放的浓水可返回RO再处理,增加了水的利用率。

  3影响EDI的主要因素及控制手段

  3.1影响EDI系统运行的主要因素

  (1)EDI进水电导率的影响。在相同的操作电流下,随着原水电导率的增加EDI对弱电解质的去除率减小,出水的电导率也增加[3]。如果原水电导率低则离子的含量也低,而低浓度离子使得在淡室中树脂和膜的表面上形成的电动势梯度也大,导致水的解离程度增强,极限电流增大,产生的H+和OH-的数量较多,使填充在淡室中的阴、阳离子交换树脂的再生效果良好。

  (2)工作电压-电流的影响。工作电流增大,产水水质不断变好。但如果在增至最高点后再增加电流,由于水电离产生的H+和OH-离子量过多,除用于再生树脂外,大量富余离子充当载流离子导电,同时由于大量载流离子移动过程中发生积累和堵塞,甚至发生反扩散,结果使产水水质下降。

  (3)浊度、污染指数(SDI)的影响。EDI组件产水通道内填充有离子交换树脂,过高的浊度、污染指数会使通道堵塞,造成系统压差上升,产水量下降。

  (4)硬度的影响。如果EDI中进水的残存硬度太高,会导致浓缩水通道的膜表面结垢,浓水流量下降,产水电阻率下降;影响产水水质,严重时会堵塞组件浓水和极水流道,导致组件因内部发热而毁坏。

  (5)TOC(总有机碳)的影响。进水中如果有机物含量过高,会造成树脂和选择透过性膜的有机污染,导致系统运行电压上升,产水水质下降。同时也容易在浓缩水通道形成有机胶体,堵塞通道。

  (6)Fe、Mn等金属离子的影响。Fe、Mn等金属离子会造成树脂的“中毒”。树脂的金属“中毒”会造成EDI出水水质的迅速恶化,尤其是硅的去除率迅速下降。另外变价属对离子交换树脂的氧化催化作用,会造成树脂的永久性损伤。

  (7)进水中CO2的影响。进水中CO2生成的HCO3-是弱电解质,容易穿透离子交换树脂层而造成产水水质下降。

  (8)总阴离子含量(TEA)的影响。高的TEA将会降低EDI产水电阻率,或需要提高EDI运行电流,而过高的运行电流会导致系统电流增大,极水余氯浓度增大,对极膜寿命不利。

  另外,进水温度、pH值、SiO2以及氧化物亦对EDI系统运行有影响。

  3.2系统进水水质指标控制手段

  (1)进水电导率的控制。严格控制前处理过程中的电导率,使EDI进水电导率小于40μS/cm,可以保证出水电导率合格以及弱电解质的去除。

  (2)工作电压-电流的控制。系统工作时应选择适当的工作电压-电流。同时由于EDI净水设备的电压-电流曲线上存在一个极限电压-电流点的位置,与进水水质、膜及树脂的性能和膜对结构等因素有关[4]。为使一定量的水电离产生足够量H+和OH-离子来再生一定量的离子交换树脂,选定的EDI净水设备的电压-电流工作点必须大于极限电压-电流点。

  (3)进水CO2的控制。可在RO前加碱调节pH,最大限度地去除CO2,也可用脱气塔和脱气膜去除CO2。

  (4)进水硬度的控制。可结合除CO2,对RO进水进行软化、加碱;进水含盐量高时,可结合除盐增加一级RO或纳滤。

  (5)TOC的控制。结合其他指标要求,增加一级RO来满足要求。

  (6)浊度、污染指数的控制。浊度、污染指数是RO系统进水控制的主要指标之一,合格的RO出水一般都能满足EDI的进水要求。

  (7)Fe的控制。运行中控制EDI进水的Fe低于0.01

  mg/L。如果树脂已经发生了“中毒”,可以用酸溶液作复苏处理,效果比较好[5]。

  3.3 EDI系统进水水质要求

  综合以上各方面的分析,对于EDI进水的水质要求如表所示,可以保证其出水指标达到电子行业半导体制造需要的高纯水的要求。

  表EDI进水水质要求表

  TEA(以CaCO3计,含CO2)/mg·L-1<25 pH值5~9总硬度(以CaCO3计)/mg·L-<1温度/℃15~25TOC/mg·L-1<0.5余氯/mg·L-1<0.05Fe、Mn、H2S/mg·L

  -1<0.01 O3/mg·L-1<0.02电导率(25℃)/μS·cm

  -140~2 SiO2/mg·L-1<0.5

  4 EDI的经济技术特点

  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RO+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。

  (1)EDI系统不需使用酸碱溶液对树脂进行再生,避免了再生造成的废水污染;同时,EDI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,没有

  二次污染。

  (2)EDI不用酸碱再生树脂,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。

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