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電去離子EDI技術(shù)發(fā)展沿革
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來(lái)源：公司官網(wǎng) 發(fā)布日期：2014-09-12 16:51:06 瀏覽次數：2458
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1.1 原理
電去離子（electrodeionization, 簡(jiǎn)稱(chēng)EDI）凈水技術(shù)[1,2] ，是一種將離子交換和電滲析膜技術(shù)相互有機地結合在一起、只用電來(lái)除去水中離子的脫鹽凈水的新方法，國內稱(chēng)之為填充床電滲析脫鹽法。圖1所示是EDI凈水設備工作原理圖。
圖1 EDI凈水設備工作原理圖1—陰離子交換膜；2—陽(yáng)離子交換膜；3—陰離子交換樹(shù)脂；4—陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；5—濃水室；6—淡水室在一定的工藝和操作條件下，當膜或樹(shù)脂與水的界面上極化過(guò)程發(fā)展到一定程度時(shí)，水就電離為H+和OH—離子，從而對樹(shù)脂實(shí)現動(dòng)態(tài)電再生，這一過(guò)程是EDI技術(shù)的核心和基礎。通俗地講，在普通電滲析的淡水室內填充混合樹(shù)脂，實(shí)現了
1）出水水質(zhì)變好，在進(jìn)水電導率 < 40 μS/cm下，出水電導率在0.067 μS/cm以下；
2）設備連續運行，樹(shù)脂自行再生。
優(yōu)點(diǎn)：
1）連續出水，不設置備用設備；
2）工作穩定可靠，無(wú)人值守，易于自動(dòng)化；
3）自行再生，不消耗酸、堿，環(huán)境效益好；
4）運行成本低，易于普及推廣；
5) 能除細菌和熱原，能除硅。
EDI與反滲透（RO）相結合的RO-EDI脫鹽系統[3]，將成為本世紀制備高純水用的主流脫鹽系統，將逐步代替離子交換，其市場(chǎng)占有率將不斷提高，估計未來(lái)可達85%左右。
1.2 發(fā)展歷史
1）國外：
1955年美國用EDI凈水設備處理放射性廢水；
1987年美國millipore公司首先實(shí)現EDI凈水設備生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化；
1991年Ionics公司進(jìn)行EDI凈水設備改型，并實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。
目前提供EDI凈水設備產(chǎn)品和工程服務(wù)的美國公司：Electropure 、Millipore、Ionpure 、Ionics、E-cell公司（加拿大與日本合作，現已被美國通用電氣公司收購）。
2）國內：
上世紀70～80年代，實(shí)驗研究進(jìn)入用自來(lái)水一步制備高純水的誤區；
1984年，原子能研究所制得1103型純水器；
1996～1997年，清華大學(xué)EDI及相關(guān)技術(shù)研究成果：
《電去離子純水器》實(shí)用新型專(zhuān)利（ZL96244874.5）；
《等空隙填充床電滲析器》實(shí)用新型專(zhuān)利（ZL97221361.9）；
《電去離子軟水方法及所用裝置》發(fā)明專(zhuān)利（ZL97116340.5）；
《離子交換樹(shù)脂的電再生方法及裝置》發(fā)明專(zhuān)利 （ZL 96120791.4）；用反應疊加實(shí)用模型解釋EDI過(guò)程。
1996年至今，以下等單位參與EDI研究：
天津大學(xué)和軍事醫學(xué)科學(xué)院；
杭州水處理技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心；
外資湖州歐美公司(卷式EDI凈水設備)。
1.3 進(jìn)展
我國已開(kāi)始進(jìn)入EDI產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的門(mén)檻，EDI產(chǎn)品在其最大用戶(hù)火力發(fā)電廠(chǎng)內剛開(kāi)始使用，電網(wǎng)內有120 t/h EDI凈水設備，寶鋼自備電站有240t/h EDI凈水設備，山東有6～7家自備電站使用EDI產(chǎn)品。這些產(chǎn)品基本上是從國外進(jìn)口的，中國是個(gè)大國，不是進(jìn)口多少套EDI凈水設備就能滿(mǎn)足要求，市場(chǎng)很大，產(chǎn)品利潤空間還不小。利用國內離子交換膜等國產(chǎn)材料，生產(chǎn)出價(jià)廉而性能與國外產(chǎn)品相媲美的產(chǎn)品，將有望逐步提高國產(chǎn)EDI產(chǎn)品市場(chǎng)占有率。
在制造國產(chǎn)的EDI凈水設備時(shí)，除吸收國外他人之長(cháng)外，應采用國內材料，因地制宜，并利用自主的知識產(chǎn)權。作者所發(fā)明的“等孔隙填充床電滲析器”是一種較好的EDI凈水設備，它除具有其它EDI凈水設備的一系列優(yōu)點(diǎn)外，還具有填充床孔隙均勻一致，流阻小，流速快，使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。業(yè)已證實(shí)，等孔隙填充可使EDI凈水設備的漂洗電再生時(shí)間大大縮短。等孔隙填充技術(shù)已成為當今研制EDI凈水設備時(shí)，比較現實(shí)、方便且效果又較好的填充技術(shù)。
在EDI凈水設備的淡水室中，以陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，代替通常填裝的陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，就制得電去離子軟水器[4]。將它放在納濾反滲透設備或傳統的電滲析器之后，作為軟化處理系統中的精處理軟化設備之用，這些設備共同組成了毋需鹽再生的連續軟水系統。這種連續軟水系統，運行只消耗電，可無(wú)人值守，實(shí)現了軟水自動(dòng)化的變革。我國有50萬(wàn)臺工業(yè)鍋爐補給水要用軟水，國民經(jīng)濟中其他行業(yè)對軟水也有不小的需求，他們對推廣自動(dòng)化操作、無(wú)人值守、不用鹽再生只消耗電的電去離子軟水器懷有濃厚的興趣。盡管軟水器產(chǎn)品價(jià)位不高，但市場(chǎng)好，需求量大，推廣電去離子軟水器也會(huì )有很好的經(jīng)濟效益。
2 離子交換電再生技術(shù)
2.1 體外電再生系統[5，6]
在EDI凈水設備運行時(shí)，膜和樹(shù)脂與水的界面上不斷地進(jìn)行著(zhù)水的電離，電離所產(chǎn)生的H+和OH—離子不斷地再生著(zhù)失效的離子交換樹(shù)脂，結果在樹(shù)脂層底部形成一層由新鮮樹(shù)脂組成的保護層，從而使EDI凈水設備的出水水質(zhì)很好。因此，EDI凈水設備運行中能再生失效樹(shù)脂是其固有的特性，這一特性能否利用來(lái)再生普通離子交換器中的失效樹(shù)脂？可否設計一種結構類(lèi)似于EDI凈水設備而又讓樹(shù)脂在其中流動(dòng)暢快的體外電再生器？回答是肯定的。這時(shí)，只要源源不斷地將失效樹(shù)脂從體外電再生器進(jìn)口送入，在直流電場(chǎng)的作用的下就有再生好的樹(shù)脂從出口連續流出，在體外電再生器內，進(jìn)行著(zhù)樹(shù)脂的電再生過(guò)程。這樣，就利用這種體外電再生器代替了原來(lái)離子交換器再生所用的酸、堿再生系統，實(shí)現了失效離子交換樹(shù)脂的體外電再生。這種離子交換樹(shù)脂體外電再生構思是作者在研究EDI凈水設備中工作過(guò)程時(shí)形成的，這一體外電再生系統正確性的直接驗證是由目前正在使用的近萬(wàn)套EDI凈水設備所提供的，這些EDI凈水設備能可靠地運行不就是樹(shù)脂電再生正在EDI凈水設備中進(jìn)行的例證嗎？然而，人們并不滿(mǎn)足于這種驗證，設計了種種實(shí)驗裝置，演示了樹(shù)脂電再生過(guò)程，測定了有關(guān)數據，論證了實(shí)施樹(shù)脂電再生的可行性。
2.2 可行性論證
1）河北建筑科技學(xué)院
李福勤等[7]受本樹(shù)脂電再生法這一發(fā)明的啟發(fā)，設計了淡水室為200mm×100mm×10mm的 EDI凈水設備試驗裝置，測定了影響混床離子交換樹(shù)脂電再生的有關(guān)參數。試驗證實(shí)，該試驗裝置可使樹(shù)脂充分再生，樹(shù)脂再生的效果極好，試驗顯示了樹(shù)脂電再生技術(shù)有良好的可行性。確定該試驗裝置的再生電壓為30V，再生時(shí)間為40min，計算得出淡水室流速為0.5～1.0cm/s。
用雙極膜進(jìn)行復床離子交換樹(shù)脂電再生的試驗研究，被列為河北省2000年科技攻關(guān)指導計劃項目（00213093）。雙極膜是陽(yáng)離子交換樹(shù)脂層、陰離子交換樹(shù)脂層和中間界面親水層所組成，在直流電場(chǎng)的作用下，它能將水電離成H+和OH—離子。李福勤等[8]用雙極膜（上海產(chǎn)）將淡水室一分為二，雙極膜兩側分別填充陰、陽(yáng)樹(shù)脂，用該試驗裝置進(jìn)行復床離子交換樹(shù)脂電再生可行性的試驗研究。試驗結果表明，當再生電壓為60V和再生時(shí)間為60min時(shí)，該樹(shù)脂電再生裝置可將失效樹(shù)脂再生至接近化學(xué)再生的程度，顯示了樹(shù)脂電再生技術(shù)有良好的可行性。
2）天津大學(xué)
王建友等[9]曾在自制的EDI凈水設備中填充鹽基型混床樹(shù)脂試驗樹(shù)脂電再生的可行性，以電導率為10～18μS/cm的RO出水作為該EDI凈水設備的進(jìn)水，通電運行約18 h，產(chǎn)品水電導率由3.3μS/cm下降至0.067μS/cm以下，使混床樹(shù)脂得到有效的再生。因此，在一定的工藝條件下，用EDI凈水設備可將Na、Cl型樹(shù)脂電再生處理到接近乃至超過(guò)酸、堿再生的程度[10] 。
3）北京國電龍源環(huán)保工程有限公司和華北電力大學(xué)
國家電力公司對離子交換樹(shù)脂電再生技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)工作，是由本文作者作為樹(shù)脂電再生專(zhuān)利發(fā)明人建議、北京國電龍源環(huán)保工程有限公司申辦的，并將它列為2001年國家電力公司科技基金項目（SP-2001-02-25）。由于某種原因，專(zhuān)利發(fā)明人未參加此研究開(kāi)發(fā)工作。
用自制的試驗裝置得出的研究結果表明，離子交換樹(shù)脂經(jīng)電再生后其工作交換容量可達到現場(chǎng)使用標準（300 mmol/L以上）。他們還用雙極膜進(jìn)行復床離子交換樹(shù)脂電再生試驗[11，12] 。試驗表明，國產(chǎn)膜不能滿(mǎn)足使用要求，而用日本膜可得到令人滿(mǎn)意的電再生效果。
用自制的試驗裝置得出的研究結果表明，混床離子交換樹(shù)脂經(jīng)電再生后其工作交換容量可達到現場(chǎng)使用標準（300 mmol/L以上），而再生效果的重現性差，在相同的試驗條件下重復6次試驗，所測得的再生后樹(shù)脂工作交換容量分別為288, 321, 163, 179, 204, 196 mmol/L。他們還發(fā)現，樹(shù)脂破碎程度隨著(zhù)試驗次數增多逐漸明顯，而這會(huì )影響樹(shù)脂再生效果。因此，測定了再生樹(shù)脂的耐磨率，一般樹(shù)脂的耐磨率的正常值為95%，而再生后的樹(shù)脂的測定值僅為19.6%（陽(yáng)樹(shù)脂）和3.7%（陰樹(shù)脂）。他們在論文[13]中驚呼：“使用過(guò)的樹(shù)脂在進(jìn)行耐磨率實(shí)驗時(shí)，基本沒(méi)有完整的圓形顆粒，絕大部分已成粉末”。他們把產(chǎn)生上述現象的原因歸結為樹(shù)脂的電再生所致，即認為，“樹(shù)脂顆粒發(fā)生了再生－失效－再生的循環(huán)過(guò)程，導致樹(shù)脂顆粒無(wú)數次的膨脹－收縮－膨脹，從而使樹(shù)脂易破裂，理化性能下降，再生效果不穩定?！?/span>
本文作者在用EDI凈水設備產(chǎn)品進(jìn)行10余次樹(shù)脂電再生試驗時(shí)并未觀(guān)察到試驗數據不穩定和樹(shù)脂破裂等現象，至今也沒(méi)看到其他在進(jìn)行樹(shù)脂電再生時(shí)發(fā)生樹(shù)脂破裂的報道。從事水處理的專(zhuān)業(yè)人士都知道，正常的樹(shù)脂合格產(chǎn)品，放于水處理設備中使用時(shí)，由于使用損耗，年補充率為7~15％左右；在正常情況下，不會(huì )發(fā)生樹(shù)脂使用幾次就基本變成粉末的情況。國內外有近萬(wàn)套EDI凈水設備在運行，也未見(jiàn)經(jīng)短期使用樹(shù)脂就變成粉末的報道。所以，產(chǎn)生上述現象的原因不能歸結為樹(shù)脂的電再生所致。上述電再生試驗中樹(shù)脂僅經(jīng)歷6次電再生就破裂成末的現象實(shí)在令人費解，有些人推測，上述電再生試驗所用的樹(shù)脂可能是偽劣樹(shù)脂，或者是再生樹(shù)脂（報廢樹(shù)脂經(jīng)加工處理后再用），也可能在樹(shù)脂的保管和使用方面出了差錯。
4）武漢藝達水處理工程有限公司和武漢大學(xué)
鄒向群等[14]用自制的直徑200mm、高400mm圓柱形樹(shù)脂電再生裝置進(jìn)行樹(shù)脂電再生的試驗研究。電再生裝置的中間隔室，裝載比例不同的已使用一年的凝膠型混合陰、陽(yáng)樹(shù)脂，隔室兩側面分別為均相陰、陽(yáng)離子交換膜。樹(shù)脂電再生試驗時(shí)，失效樹(shù)脂從裝置頂部間斷送入，相應的已再生好的樹(shù)脂從裝置底部間斷排出，進(jìn)水為電導率＜2μS/cm的一級除鹽水。試驗結果如表1所示。從表1數據可見(jiàn)，用直流電對失效離子交換樹(shù)脂可以進(jìn)行一定程度的再生，再生過(guò)程中的電流效率隨樹(shù)脂再生度的提高而下降。表1中序號2、4、5樹(shù)脂再生度的數據，還表明樹(shù)脂再生度可逐步提高，如按序號2中陽(yáng)樹(shù)脂從3.5%提高到44.3％，其次按序號4中陽(yáng)樹(shù)脂從49.4％提高到57.5％，再按序號5中陽(yáng)樹(shù)脂從85.4％提高到88.7％，這樣分三步從很低的再生度3.5％提高到很高的再生度88.7％，這也間接說(shuō)明該試驗裝置高度不夠，樹(shù)脂在試驗裝置內停留時(shí)間不夠長(cháng)，以致不能一步就實(shí)現樹(shù)脂徹底再生。5）清華大學(xué)和保定環(huán)工機械電子有限公司表1 陽(yáng)、陰樹(shù)脂電再生的試驗結果[14]序號樹(shù)脂再生度 / ％陽(yáng)與陰樹(shù)脂體積比再生電流/A再生時(shí)間/ h再生前再生后1陽(yáng)樹(shù)脂3.531.71：1.53.0～4.34.0陰樹(shù)脂1.727.52陽(yáng)樹(shù)脂3.544.31：1.52.1～4.311.0陰樹(shù)脂1.732.23陽(yáng)樹(shù)脂1731.01：1.32.8～3.69.5陰樹(shù)脂30.557.04陽(yáng)樹(shù)脂49.457.51：21.4～1.815.1陰樹(shù)脂14.832.55陽(yáng)樹(shù)脂85.488.71：22.8～3.85.0陰樹(shù)脂88.491.1
與上述試驗研究中采用自制樹(shù)脂電再生裝置不同，這次試驗采用EDI凈水設備的產(chǎn)品，即采用美國Ionpure公司的1 t/h EDI凈水設備。由于EDI凈水設備產(chǎn)品所選定的結構與材料及工藝參數對實(shí)現樹(shù)脂電再生比較合適，產(chǎn)品性能比較完善，所以選定選用EDI凈水設備產(chǎn)品作為樹(shù)脂靜態(tài)電再生的試驗裝置比上述自制的樹(shù)脂電再生試驗裝置更可靠更完善。
在這次試驗中，用RO裝置的出水（電導率約14.5 μS/cm）作為樹(shù)脂電再生用EDI凈水設備的進(jìn)水，連續通水和通電，使EDI凈水設備淡水室內的失效陰、陽(yáng)混合樹(shù)脂電再生，直至出水電導率達到0.067 μS/cm為止，記錄EDI凈水設備連續運行時(shí)出水電導率與再生延續時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)（如圖2所示）。
試驗表明，EDI凈水設備的進(jìn)水水質(zhì)越好，樹(shù)脂電再生的時(shí)間越短。本試驗所用的Ionpure產(chǎn)品，在其濃水室內填充有導電樹(shù)脂，因而在運行時(shí)濃水室的電阻較小，在一定電壓下相應的電流就較大，最大電流可達10 A，比上述的試驗裝置所用的電流都大，結果可縮短再生時(shí)間。該Ionpure產(chǎn)品經(jīng)10余次失效－再生的樹(shù)脂電再生試驗得出，在7～10 h內可將Ionpure產(chǎn)品內鹽基型失效樹(shù)脂完全再生為H、OH型混合樹(shù)脂。這時(shí)，往Ionpure產(chǎn)品內再送入RO出水，其產(chǎn)水電導率可在0.067 μS/cm以下。再生延續時(shí)間的長(cháng)短主要取決于再生所用的電流的大小。本試驗的詳細結果待發(fā)表。
電導率/μS·cm－1
時(shí)間/min圖2 EDI凈水設備出水電導率與再生延續時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)2.3 前景
離子交換樹(shù)脂體外電再生是綠色水處理工藝，是現有離子交換水處理的工藝變革，適用于老廠(chǎng)改造。只需廢除酸、堿再生系統，待原有的離子交換器失效后，將樹(shù)脂輸送到體外電再生器，樹(shù)脂電再生后，回輸到原離子交換器即可。
由于離子交換水處理是水除鹽系統使用最廣最通用的處理方式，如火力發(fā)電廠(chǎng)鍋爐補給水處理系統有90％ 以上均用離子交換法（近年來(lái)，推廣RO技術(shù)，離子交換法的占有率有所下降），所以，這種離子交換樹(shù)脂電再生的改造市場(chǎng)容量很大，按所消耗的酸、堿量估算，國內市場(chǎng)為20～30億元。另外，還可出口占領(lǐng)國際大市場(chǎng)。因此，推廣樹(shù)脂電再生技術(shù)有巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益。
3 結論
在高純水制備系統中，用EDI代替混床組成RO-EDI系統，由于這種系統是本世紀主流脫鹽系統，所以EDI生產(chǎn)行業(yè)是個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，有廣闊的發(fā)展前景。這種EDI凈水設備國外已產(chǎn)業(yè)化，國內尚未批量生產(chǎn)。當務(wù)之急是增加投資，吸取國外諸家之長(cháng)，利用自主的知識產(chǎn)權，實(shí)現EDI凈水設備的批量生產(chǎn)，逐步提高國產(chǎn)品的份額。
開(kāi)發(fā)電去離子軟水設備是我國應用EDI凈水技術(shù)的特色，值得大力推廣。
對離子交換樹(shù)脂電再生技術(shù)可行性的研究表明，失效樹(shù)脂可用電再生技術(shù)再生。為使樹(shù)脂電再生能在工程上實(shí)現，需要設法縮短電再生時(shí)間，適當擴大體外電再生器填充樹(shù)脂的容量，尚需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)流態(tài)化電再生。樹(shù)脂與水兩相流體外再生是一成熟的技術(shù)，只要運用得當，有望很快實(shí)現離子交換樹(shù)脂電再生技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。
參考文獻
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