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電去離子(EDI)系統運行試驗研究
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來(lái)源：公司官網(wǎng) 發(fā)布日期：2014-09-10 14:50:07 瀏覽次數：1922
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肖修林,祝酈偉（浙江省電力試驗研究所,浙江杭州310014）
摘要:電去離子（EDI）系統已經(jīng)廣泛應用于電子、醫藥等行業(yè),但在電力行業(yè)目前還應用較少;文章就電去離子系統在水處理系統的運行進(jìn)行了試驗研究,取得了運行、維護的數據,為電去離子(EDI)在電力系統的應用提供一定的經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞:電去離子（EDI）;運行;維護;化學(xué);試驗研究
中圖分類(lèi)號:TM621．8
文獻標識碼:B
文章編號:1007-1881(2004)05-0028-04
收稿日期:2004-07-05
作者簡(jiǎn)介:肖修林（1970年）,男,湖北洪湖人,高級工程師,碩士,從事電廠(chǎng)化學(xué)專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)及水處理新技術(shù)研究。
引言
電去離子（Eiectrodeionzation,簡(jiǎn)稱(chēng)EDI）技術(shù)很好地融合了電滲析技術(shù)和離子交換技術(shù),是一種將混床樹(shù)脂填充于離子交換膜之間,在直流電場(chǎng)作用下實(shí)現連續除鹽的新型水處理方法。它兼有電滲析技術(shù)的連續除鹽和離子交換技術(shù)深度脫鹽的優(yōu)點(diǎn),又避免了電滲析技術(shù)濃差極化和離子交換技術(shù)中的酸堿再生等帶來(lái)的問(wèn)題。該技術(shù)源于20世紀50年代,在現代工業(yè)飛速發(fā)展的背景下,于20世紀90年代取得了突破性進(jìn)展,現在廣泛地應用于電子、醫藥、能源等行業(yè)及實(shí)驗室,可望成為未來(lái)主流的水處理技術(shù)。
本文主要通過(guò)在浙江嘉興發(fā)電有限責任公司的EDI系統運行試驗研究,考察該電廠(chǎng)反滲透出口的預脫鹽水,通過(guò)脫碳處理后,能否通過(guò)EDI處理達到滿(mǎn)足鍋爐用水水質(zhì)的要求,同時(shí)也為EDI系統用于電力生產(chǎn)時(shí)的運行、維護提供相應的數據和經(jīng)驗。
1系統概述
1．1EDI原理
EDI在我國也稱(chēng)之為填充床電滲析。電滲析器的淡水室裝了陰、陽(yáng)混合離子交換劑（顆粒、纖維或編織物）,將電滲析和離子交換兩個(gè)過(guò)程在同一容器中進(jìn)行,使兩個(gè)過(guò)程內在地聯(lián)系在一起（如圖1）。
圖1EDI裝置工作原理圖
一般認為EDI的原理在橫向上可以分為離子交換、直流電場(chǎng)下離子的選擇性遷移和樹(shù)脂的電再生３方面［1］。在高純水中,離子交換樹(shù)脂的導電性能比與之相接觸的水要高2~3個(gè)數量級,所以幾乎全部的從溶液到脂面的離子遷移都是通過(guò)樹(shù)脂來(lái)完成的。水中的離子,首先因交換作用吸附于樹(shù)脂顆粒上,再在電場(chǎng)作用下,經(jīng)由樹(shù)脂顆粒構成的離子傳播通道遷移到膜表面并透過(guò)離子選擇性膜進(jìn)人濃水室。同時(shí),在樹(shù)脂、膜與水相接觸的界面處,界面擴散中的極化使水解離為氫離子和氫氧根離子。它們除部分參與負載電流外,大多數又起到對樹(shù)脂的再生作用,從而使離子交換、離子遷移、電再生3個(gè)過(guò)程相伴發(fā)生、相互促進(jìn),達到連續去離子的目的。
在縱向上我們又可以把EDI工作過(guò)程由進(jìn)水側到產(chǎn)水側分成３部分,靠近進(jìn)水側稱(chēng)為飽和區,即這部分區間里,填充的樹(shù)脂已和進(jìn)水的離子發(fā)生離子交換;靠近出水側的稱(chēng)為再生區,即在這部分區間里,出水的大部分離子已經(jīng)除去,少量弱電離離子在這里得到去除,同時(shí)純水在這個(gè)區間里被電離,生成的Ｈ+和ＯＨ-得以再生填充的樹(shù)脂。在飽和區和再生區之間稱(chēng)為工作區,離子交換和電再生在這個(gè)區電里趨向平衡。
2.2 EDI技術(shù)的特點(diǎn)
化學(xué)除鹽系統工藝中,離子交換裝置從一級復床發(fā)展到兩級復床,直到混床。采用離子交換法可制得質(zhì)量接近理論純水電阻率為18.2ＭΩ·ｃｍ的高純水。然而,離子交換樹(shù)脂可反復再生這一優(yōu)點(diǎn)卻帶來(lái)了樹(shù)脂再生的廢酸堿,造成了環(huán)境污染。為了克服污染,反滲透技術(shù)被引入到水的脫鹽系統,即反滲透+混床脫鹽系統,其廢酸堿排量與離子交換脫鹽系統相比,減少了90%,基本上解決了廢酸堿排放的問(wèn)題。但是隨著(zhù)對工藝要求的提高,此法暴露出兩個(gè)缺陷:混床再生需要貯備酸堿,操作繁瑣。隨著(zhù)EDI技術(shù)的發(fā)展,以EDI設備代替混床,形成RO-EDI脫鹽系統,可以克服污染,進(jìn)行自動(dòng)化純水生產(chǎn)。
RO-EDI脫鹽系統的特點(diǎn):不用酸堿,不污染環(huán)境;可連續生產(chǎn),不需備用裝置;無(wú)人值守,水質(zhì)穩定;占地面積小,運行費用低;對RO設備和EDI設備的進(jìn)水有特殊要求。
2.3 系統工藝流程的選擇
目前嘉興發(fā)電有限責任公司的化學(xué)補水給水系統由一級RO+兩級離子交換除鹽組成,據此,本次運行試驗采用了一級RO和EDI系統結合的模式來(lái)進(jìn)行。具體工藝流程如下:
一級RO→反滲透后的預脫鹽水箱→升壓泵→脫碳器→EDI升壓泵→EDI模塊→出水
由于反滲透后的預脫鹽水中含有游離的CO2,為了減小EDI模塊的負擔,在EDI模塊前安裝了CO2脫碳器。系統見(jiàn)圖2。
圖2EDI小型試驗系統圖
2．４EDI系統啟動(dòng)階段的數據統計
從啟動(dòng)階段的數據中可以看到,在電壓保持不變的情況下,系統的電流和出水的電阻都變大。
圖３EDI啟動(dòng)時(shí)電壓、電流、進(jìn)水電導率、產(chǎn)水電阻率
３EDI系統運行影響因素分析
EDI作為一項新型的水處理技術(shù),其系統特性和技術(shù)維護一直是人們予以研究的焦點(diǎn),下面對EDI系統運行中的主要影響因素進(jìn)行分析,包括進(jìn)水電導率、進(jìn)水流量、電壓與電流、水的ｐＨ值、溫度及壓力的影響等。
３．1進(jìn)水電導率對脫鹽效果的影響
在保證其它條件不變的前提下,隨著(zhù)原水電導率的上升,脫鹽效果變差。這是因為進(jìn)水電導超過(guò)一定范圍后,模塊的工作區間往下移動(dòng),乃至再生區消失,工作區穿透,模塊內的填充樹(shù)脂大部分呈飽和失效狀態(tài)。同時(shí)水中的離子濃度增加,在電壓恒定不變的情況下,電流增加,從而電離水的過(guò)程減弱,相應的水電離出的Ｈ+,ＯＨ-減少,直接導致樹(shù)脂的再生變差。這樣,在進(jìn)水水質(zhì)變差的情況下,模塊會(huì )由弱電離子開(kāi)始慢慢穿透;系統的電流會(huì )增加,因為存在水的電離現象,在電壓恒定的情況下,電流的上升是非線(xiàn)性的。
３．2進(jìn)水流量的影響
圖４進(jìn)水電導和產(chǎn)水電阻之間的關(guān)系
圖５進(jìn)水流量和產(chǎn)水電阻之間的關(guān)系
進(jìn)水流量與EDI模塊的處理能力,進(jìn)水水質(zhì)以及進(jìn)水壓力有關(guān)。在EDI模塊產(chǎn)水能力恒定條件下,進(jìn)水水質(zhì)越差,模塊的單位處理負擔就越重,進(jìn)水流量應當調節的越小。在模塊的啟動(dòng)階段,應注意當瞬間流量過(guò)大時(shí),會(huì )造成膜的穿孔。
由于模塊中的電子流主要通過(guò)填充樹(shù)脂傳遞的,所以濃水電流在一定程度上成了影響模塊中電子流遷移的關(guān)鍵。在實(shí)際的試驗中可以發(fā)現,減少濃水的流量可以提高系統的電流,并且在一定程度上提高水質(zhì)。但是濃水流也并非越小越好,當濃水流量過(guò)小時(shí)會(huì )導致膜兩側濃度差過(guò)大,而形成濃差擴散［2］,影響水質(zhì)。另一方面,由于弱電離子si及其離子態(tài)化合物的溶解度很小,所以容易在低流量的濃水中形成飽和,從而影響弱電離子的去除。根據現場(chǎng)試驗可以大致得到濃水流量一般為進(jìn)水的５%～1０%為宜。
電極水的作用主要是給電極降溫和帶走電極表面產(chǎn)生的氣體。一般電極水的流量是進(jìn)水的1%左右。當電極水過(guò)小時(shí),不能及時(shí)帶走電極表面的氣體,會(huì )影響整個(gè)模塊的運行。
３．３電壓和電流的影響
電壓的確定和模塊的設計有關(guān),電壓是使離子遷移的動(dòng)力,它使得離子從進(jìn)水中遷移到濃水中,同時(shí)電壓也是電解水用于再生樹(shù)脂的關(guān)鍵。在規定范圍內如果電壓過(guò)低,會(huì )導致電解水減少,產(chǎn)生的Ｈ+和ＯＨ-離子不足以再生填充樹(shù)脂,同時(shí)電壓太低使得離子的遷移動(dòng)力減弱,最終使模塊的工作區間下移,產(chǎn)水水質(zhì)變差。如果電壓過(guò)高,就會(huì )電解出過(guò)剩的Ｈ+和ＯＨ-,使電流升高的同時(shí)也使離子極化和擴散加劇,導致產(chǎn)品水水質(zhì)變差。電壓是否過(guò)高可以從電極水出水中的氣泡多少加以判斷。最佳電壓范圍的確定主要由進(jìn)水電導和濃水的流量決定,比如當進(jìn)水電導變大,濃水的濃度也變大的情況下由于系統的電阻減少,所以系統的電壓也應當相應的下調。
電流與進(jìn)水電導及總的離子遷移數有直接關(guān)系［３］?？偟碾x子遷移包括水中原來(lái)的離子如Ｎａ+,ＣＩ-等,也包括新生成的Ｈ+和ＯＨ-,而Ｈ+和ＯＨ-與電壓有直接關(guān)系,所以電壓升高,電流也升高,但是兩者的變化不是線(xiàn)性的,因為電流一部分用于雜質(zhì)離子的遷移,一部分用于水的解離。
３．４進(jìn)水的ｐＨ值、溫度及壓力的影響
進(jìn)水的ｐＨ值表示了進(jìn)水中Ｈ+的含量,一般進(jìn)水控制在5-9.5之間。通常情況下ｐＨ值偏低是由于CO2的溶解所引起的。由于是弱電離物質(zhì),CO2也是導致水質(zhì)惡化的因素之一,所以在進(jìn)EDI系統之前,一般可以安裝一個(gè)脫碳裝置,使得水中的CO2控制在５Mg/L以下。水中ｐＨ值和CO2存在一定溶解關(guān)系,理論上當ｐＨ＞1０時(shí),去除效率最佳［４］,對于弱電離子si,也是同樣的道理,因為硅酸的ｐＫｉ是９．８。高ｐＨ值有助于去除弱電離子,但是前提是必須在進(jìn)EDI系統前除去Ｃａ2+,Ｍｇ2+等離子。
溫度對系統壓力,產(chǎn)水電阻有直接影響。通常EDI的進(jìn)水溫度應控制在５～３５℃之間,最佳溫度是在2５℃左右。溫度的降低會(huì )使水的活性降低,即水中離子的布朗運動(dòng)減弱,宏觀(guān)上表現為水的黏性增加,系統壓力上升。離子遷移減弱的另一個(gè)結果是離子和填充樹(shù)脂及膜的交換速度降低,濃差極化將成為影響速度的瓶頸。而且膜的交換能力一般也隨著(zhù)溫度的下降而降低。如果溫度上升,則會(huì )表現出大致相反的現象。此時(shí)水中的離子活性增加,運動(dòng)劇烈,水的電導相應增加,此時(shí)如果給定電壓不變的話(huà),電流就會(huì )上升。當溫度超過(guò)一定溫度以后,產(chǎn)水水質(zhì)會(huì )逐漸變壞,這主要是由于離子和填充樹(shù)脂、離子交換膜的交換過(guò)程受離子活性等影響而減弱,所以進(jìn)水溫度低時(shí),我們要適當提高電壓,以增加離子遷移的動(dòng)力和更有效的電離水分子;而當我們使用相對溫度較高的進(jìn)水來(lái)運行時(shí),也可以以節能降低電壓的方式來(lái)取得同樣的出水水質(zhì)。壓力的變化和控制是使得EDI模塊能夠正常運行的另一個(gè)重要因素。
通常情況下產(chǎn)品水的壓力＞濃水壓＞電極水壓。這樣才能有效防止濃水擴散污染產(chǎn)品水的現象。壓力的變化還是判斷EDI模塊是否被污染,管路是否被堵的有效手段［５］。特別是當濃水進(jìn)出口壓力差變大時(shí),常伴隨的問(wèn)題是濃水管路有堵,此時(shí)就需要人為的清潔管路,進(jìn)行化學(xué)清洗或其他手段來(lái)降低壓差。因此在EDI系統進(jìn)口,應保證進(jìn)水的污染指數在合格范圍。
４系統平衡的判斷、調節及維護
EDI系統在運行過(guò)程中存在一個(gè)平衡狀態(tài),即:進(jìn)離子總數＝出離子總數,宏觀(guān)表現就是３個(gè)工作區間相對穩定,不發(fā)生上下移動(dòng)。如果模塊的工作條件發(fā)生變化,則需要比較長(cháng)的時(shí)間來(lái)達到平衡狀態(tài)。
系統在運行中可調因素大致有進(jìn)水流量、濃水流量、電壓等。
進(jìn)水流量增加,模塊的工作壓力也相應增加,如果超過(guò)EDI的處理范圍,出水水質(zhì)會(huì )顯著(zhù)變差。所以當進(jìn)水的電導比較高時(shí),適當地調節進(jìn)水的流量是必需的。當進(jìn)水的電導比較小時(shí),也可以在EDI系統壓力允許的范圍內增加進(jìn)水的流量,以提高產(chǎn)水的效率。
濃水流量的變化是另一個(gè)調節系統平衡的要素,特別是對于系統中的電流有直接影響。濃水的流量對去除弱電離子si也有一定關(guān)系。由于si在25℃,ｐＨ值是6-8的水體中的溶解度是120Mg/L。所以進(jìn)水的濃縮倍率達到一定程度后,si在濃水中就會(huì )飽和,導致不能進(jìn)行更深度的除硅,這也是確定濃水流量下限的條件之一。
如果電壓降低或是進(jìn)水的總離子水平提高的話(huà),那么系統中的樹(shù)脂會(huì )更多的和離子發(fā)生交換,相應的工作區間就往出水側移動(dòng),直至達到新的平衡,或是穿透,這一過(guò)程中,出水電導會(huì )發(fā)生一定的變化,出水的弱電離子增加是最明顯的表現。如果電壓上升或是進(jìn)水離子減少,則系統的工作區間會(huì )向進(jìn)水側發(fā)生移動(dòng),表現為出水水質(zhì)變好,弱電離子的含量減少。所以判斷系統的平衡狀態(tài)可以通過(guò)出水水質(zhì)變化,弱電離子的漏出多少來(lái)實(shí)現,并可以通過(guò)工作區間的移動(dòng)來(lái)解釋。
５結語(yǔ)
通過(guò)嘉興發(fā)電有限責任公司化學(xué)除鹽系統的EDI小型試驗,我們得到很多有關(guān)EDI實(shí)際操作的經(jīng)驗。通過(guò)試驗表明進(jìn)水的電導、施加的電壓、濃水的流量、水溫等都是控制EDI模塊系統正常運行的重要因素。根據實(shí)際情況因地制宜地協(xié)調和確定各操作條件之間的關(guān)系,也是EDI系統用于電力生產(chǎn)的關(guān)鍵?？梢栽O想在處理好以上問(wèn)題后,EDI技術(shù)將憑借自身的優(yōu)勢在未來(lái)的水處理行業(yè)中,占據重要的地位
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