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電去離子(EDI)系統運行試驗研究
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來源：公司官網 發布日期：2014-09-10 14:50:07 瀏覽次數：2246
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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）系統已經廣泛應用于電子、醫藥等行業,但在電力行業目前還應用較少;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驗。
關鍵詞:電去離子（EDI）;運行;維護;化學;試驗研究
中圖分類號: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
作者簡介:肖修林（1970年）,男,湖北洪湖人,高級工程師,碩士,從事電廠化學專業技術服務及水處理新技術研究。
引言
電去離子（Eiectrodeionzation,簡稱EDI）技術很好地融合了電滲析技術和離子交換技術,是一種將混床樹脂填充于離子交換膜之間,在直流電場作用下實現連續除鹽的新型水處理方法。它兼有電滲析技術的連續除鹽和離子交換技術深度脫鹽的優點,又避免了電滲析技術濃差極化和離子交換技術中的酸堿再生等帶來的問題。該技術源于20世紀50年代,在現代工業飛速發展的背景下,于20世紀90年代取得了突破性進展,現在廣泛地應用于電子、醫藥、能源等行業及實驗室,可望成為未來主流的水處理技術。
本文主要通過在浙江嘉興發電有限責任公司的EDI系統運行試驗研究,考察該電廠反滲透出口的預脫鹽水,通過脫碳處理后,能否通過EDI處理達到滿足鍋爐用水水質的要求,同時也為EDI系統用于電力生產時的運行、維護提供相應的數據和經驗。
1系統概述
1．1EDI原理
EDI在我國也稱之為填充床電滲析。電滲析器的淡水室裝了陰、陽混合離子交換劑（顆粒、纖維或編織物）,將電滲析和離子交換兩個過程在同一容器中進行,使兩個過程內在地聯系在一起（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、直流電場下離子的選擇性遷移和樹脂的電再生３方面［1］。在高純水中,離子交換樹脂的導電性能比與之相接觸的水要高2~3個數量級,所以幾乎全部的從溶液到脂面的離子遷移都是通過樹脂來完成的。水中的離子,首先因交換作用吸附于樹脂顆粒上,再在電場作用下,經由樹脂顆粒構成的離子傳播通道遷移到膜表面并透過離子選擇性膜進人濃水室。同時,在樹脂、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,大多數又起到對樹脂的再生作用,從而使離子交換、離子遷移、電再生3個過程相伴發生、相互促進,達到連續去離子的目的。
在縱向上我們又可以把EDI工作過程由進水側到產水側分成３部分,靠近進水側稱為飽和區,即這部分區間里,填充的樹脂已和進水的離子發生離子交換;靠近出水側的稱為再生區,即在這部分區間里,出水的大部分離子已經除去,少量弱電離離子在這里得到去除,同時純水在這個區間里被電離,生成的Ｈ+和ＯＨ-得以再生填充的樹脂。在飽和區和再生區之間稱為工作區,離子交換和電再生在這個區電里趨向平衡。
2.2 EDI技術的特點
化學除鹽系統工藝中,離子交換裝置從一級復床發展到兩級復床,直到混床。采用離子交換法可制得質量接近理論純水電阻率為18.2ＭΩ·ｃｍ的高純水。然而,離子交換樹脂可反復再生這一優點卻帶來了樹脂再生的廢酸堿,造成了環境污染。為了克服污染,反滲透技術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題。但是隨著對工藝要求的提高,此法暴露出兩個缺陷:混床再生需要貯備酸堿,操作繁瑣。隨著EDI技術的發展,以EDI設備代替混床,形成RO-EDI脫鹽系統,可以克服污染,進行自動化純水生產。
RO-EDI脫鹽系統的特點:不用酸堿,不污染環境;可連續生產,不需備用裝置;無人值守,水質穩定;占地面積小,運行費用低;對RO設備和EDI設備的進水有特殊要求。
2.3 系統工藝流程的選擇
目前嘉興發電有限責任公司的化學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系統結合的模式來進行。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。系統見圖2。
圖2EDI小型試驗系統圖
2．４EDI系統啟動階段的數據統計
從啟動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啟動時電壓、電流、進水電導率、產水電阻率
３EDI系統運行影響因素分析
EDI作為一項新型的水處理技術,其系統特性和技術維護一直是人們予以研究的焦點,下面對EDI系統運行中的主要影響因素進行分析,包括進水電導率、進水流量、電壓與電流、水的ｐＨ值、溫度及壓力的影響等。
３．1進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,隨著原水電導率的上升,脫鹽效果變差。這是因為進水電導超過一定范圍后,模塊的工作區間往下移動,乃至再生區消失,工作區穿透,模塊內的填充樹脂大部分呈飽和失效狀態。同時水中的離子濃度增加,在電壓恒定不變的情況下,電流增加,從而電離水的過程減弱,相應的水電離出的Ｈ+,ＯＨ-減少,直接導致樹脂的再生變差。這樣,在進水水質變差的情況下,模塊會由弱電離子開始慢慢穿透;系統的電流會增加,因為存在水的電離現象,在電壓恒定的情況下,電流的上升是非線性的。
３．2進水流量的影響
圖４進水電導和產水電阻之間的關系
圖５進水流量和產水電阻之間的關系
進水流量與EDI模塊的處理能力,進水水質以及進水壓力有關。在EDI模塊產水能力恒定條件下,進水水質越差,模塊的單位處理負擔就越重,進水流量應當調節的越小。在模塊的啟動階段,應注意當瞬間流量過大時,會造成膜的穿孔。
由于模塊中的電子流主要通過填充樹脂傳遞的,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鍵。在實際的試驗中可以發現,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。但是濃水流也并非越小越好,當濃水流量過小時會導致膜兩側濃度差過大,而形成濃差擴散［2］,影響水質。另一方面,由于弱電離子si及其離子態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。根據現場試驗可以大致得到濃水流量一般為進水的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生的氣體。一般電極水的流量是進水的1%左右。當電極水過小時,不能及時帶走電極表面的氣體,會影響整個模塊的運行。
３．３電壓和電流的影響
電壓的確定和模塊的設計有關,電壓是使離子遷移的動力,它使得離子從進水中遷移到濃水中,同時電壓也是電解水用于再生樹脂的關鍵。在規定范圍內如果電壓過低,會導致電解水減少,產生的Ｈ+和ＯＨ-離子不足以再生填充樹脂,同時電壓太低使得離子的遷移動力減弱,最終使模塊的工作區間下移,產水水質變差。如果電壓過高,就會電解出過剩的Ｈ+和ＯＨ-,使電流升高的同時也使離子極化和擴散加劇,導致產品水水質變差。電壓是否過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水電導和濃水的流量決定,比如當進水電導變大,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。
電流與進水電導及總的離子遷移數有直接關系［３］?？偟碾x子遷移包括水中原來的離子如Ｎａ+,ＣＩ-等,也包括新生成的Ｈ+和ＯＨ-,而Ｈ+和ＯＨ-與電壓有直接關系,所以電壓升高,電流也升高,但是兩者的變化不是線性的,因為電流一部分用于雜質離子的遷移,一部分用于水的解離。
３．４進水的ｐＨ值、溫度及壓力的影響
進水的ｐＨ值表示了進水中Ｈ+的含量,一般進水控制在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,CO2也是導致水質惡化的因素之一,所以在進EDI系統之前,一般可以安裝一個脫碳裝置,使得水中的CO2控制在５Mg/L以下。水中ｐＨ值和CO2存在一定溶解關系,理論上當ｐＨ＞1０時,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EDI系統前除去Ｃａ2+,Ｍｇ2+等離子。
溫度對系統壓力,產水電阻有直接影響。通常EDI的進水溫度應控制在５～３５℃之間,最佳溫度是在2５℃左右。溫度的降低會使水的活性降低,即水中離子的布朗運動減弱,宏觀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結果是離子和填充樹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溫度的下降而降低。如果溫度上升,則會表現出大致相反的現象。此時水中的離子活性增加,運動劇烈,水的電導相應增加,此時如果給定電壓不變的話,電流就會上升。當溫度超過一定溫度以后,產水水質會逐漸變壞,這主要是由于離子和填充樹脂、離子交換膜的交換過程受離子活性等影響而減弱,所以進水溫度低時,我們要適當提高電壓,以增加離子遷移的動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水來運行時,也可以以節能降低電壓的方式來取得同樣的出水水質。壓力的變化和控制是使得EDI模塊能夠正常運行的另一個重要因素。
通常情況下產品水的壓力＞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］。特別是當濃水進出口壓力差變大時,常伴隨的問題是濃水管路有堵,此時就需要人為的清潔管路,進行化學清洗或其他手段來降低壓差。因此在EDI系統進口,應保證進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系統在運行過程中存在一個平衡狀態,即:進離子總數＝出離子總數,宏觀表現就是３個工作區間相對穩定,不發生上下移動。如果模塊的工作條件發生變化,則需要比較長的時間來達到平衡狀態。
系統在運行中可調因素大致有進水流量、濃水流量、電壓等。
進水流量增加,模塊的工作壓力也相應增加,如果超過EDI的處理范圍,出水水質會顯著變差。所以當進水的電導比較高時,適當地調節進水的流量是必需的。當進水的電導比較小時,也可以在EDI系統壓力允許的范圍內增加進水的流量,以提高產水的效率。
濃水流量的變化是另一個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。所以進水的濃縮倍率達到一定程度后,si在濃水中就會飽和,導致不能進行更深度的除硅,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水的總離子水平提高的話,那么系統中的樹脂會更多的和離子發生交換,相應的工作區間就往出水側移動,直至達到新的平衡,或是穿透,這一過程中,出水電導會發生一定的變化,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水離子減少,則系統的工作區間會向進水側發生移動,表現為出水水質變好,弱電離子的含量減少。所以判斷系統的平衡狀態可以通過出水水質變化,弱電離子的漏出多少來實現,并可以通過工作區間的移動來解釋。
５結語
通過嘉興發電有限責任公司化學除鹽系統的EDI小型試驗,我們得到很多有關EDI實際操作的經驗。通過試驗表明進水的電導、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。根據實際情況因地制宜地協調和確定各操作條件之間的關系,也是EDI系統用于電力生產的關鍵?？梢栽O想在處理好以上問題后,EDI技術將憑借自身的優勢在未來的水處理行業中,占據重要的地位
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