EDI技術(shù)在水處理中應(yīng)用

1、EDI技術(shù)在水處理中的應(yīng)用摘要：EDI是一種清潔高效的新型分離技術(shù)，可連續(xù)深度去除并回收廢水中的離子態(tài)物質(zhì)。目前各國學(xué)者專家對EDI技術(shù)在廢水重金屬回收、高純水制備和脫鹽等方面展開了廣泛而深入的研究。綜述了目前EDI在廢水處理中的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，并介紹了在工程實踐中EDI技術(shù)存在的技術(shù)難題和常用的解決方法。關(guān)鍵詞：EDI 重金屬 高純水電去離子凈水技術(shù)是一種將電滲析和離子交換相結(jié)合的水處理新工藝，其英文名稱為electro deionization，縮寫成EDI。它具有不用使用酸堿藥劑再生，沒有二次污染，自動化程度高，降低勞動強度，適用范圍廣，可用于各行各業(yè)的水處理，運行成本低，穩(wěn)定性好，易于普

2、及推廣等優(yōu)點。50年代起，美國Walters等1曾首先論述過電去離子過程，并用它來進(jìn)行放射性廢水的濃縮處理，但以后它在水處理脫鹽領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)展不大。 30多年后，Millipore公司才推出以商品名為Ionpure TM CDI的第一臺電去離子凈水器；同時又研制出電去離子原理工作的ELIX組件，將它作為Milli-RXTM分析級純水器配件一起投放國際市場。 1990年，Ionpure公司又制造出改進(jìn)組件2。近年來，加拿大E- Cell 公司還推出EDI產(chǎn)品組件E- CellTM，并組合成最大產(chǎn)水量達(dá)450m3/ h的整套裝置。目前國際EDI在重金屬回收、氨氮回收、水質(zhì)脫鹽軟化和純水制備方面得到

3、了廣泛的應(yīng)用。1. EDI技術(shù)的基本原理 EDI技術(shù)是指將傳統(tǒng)的電滲析工藝和離子交換技術(shù)結(jié)合起來的水處理工藝。圖1為EDI工藝的示意圖。采用一般的電滲析脫鹽處理來制取超純水的進(jìn)程中，當(dāng)?shù)胰芤褐须娊赓|(zhì)離子的濃度極低時，電滲析過程就難以再進(jìn)行下去。當(dāng)電解質(zhì)濃度過低時，溶液電阻升高，耗電量增加，效率下降，以至實際上無法用一般的電滲析脫鹽來制得高質(zhì)量的純水。而EDI是將電滲析和離子交換這兩者有機的結(jié)合在了一起。如圖1所示，在電滲析器中的淡水室填裝了陰、陽混合離子交換劑(顆粒、纖維或編織物)3，將電滲析和離子交換置于一種容器中，兩者內(nèi)在地聯(lián)合成一體. 由于純水中離子交換劑的導(dǎo)電能力比一般所接觸的水要

4、高23個數(shù)量級，由于交換劑顆粒不斷發(fā)生交換作用與再生作用而構(gòu)成了“離子通道”，結(jié)果使淡水室體系(溶液、交換劑和膜)的電導(dǎo)率大大增加，從而減弱了電滲析器的極化現(xiàn)象，提高了電滲析器的極限電流，達(dá)到高度淡化。此外，當(dāng)?shù)覂?nèi)填裝離子交換劑時，淡水室中的液流速度比普通電滲析器中的大得多，而且交換劑起著攪拌作用，促進(jìn)離子擴散，改善了水力學(xué)狀態(tài)，從而也導(dǎo)致淡水室體系電導(dǎo)率的增大，極限電流密度也相應(yīng)地提高. 填充床電滲析器在運行電流超過極限電流時，膜和樹脂附近的界面層發(fā)生極化，它使水離解，產(chǎn)生OH-和H+，這些離子，除一部分被遷移至濃水室外,大部分將使淡水室中的陰陽離子交換劑再生，保持其交換能力。同時，交換

5、劑的水解作用會使其本身得到部分電化學(xué)再生。這樣，電滲析與離子交換兩者有機錯綜地結(jié)合在一起,所發(fā)生的反應(yīng)及過程，共同構(gòu)成了整個電去離子過程。即利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析過程因發(fā)生極化而脫鹽不徹底；又利用電滲析極化而發(fā)生水電離產(chǎn)生H+和OH-離子實現(xiàn)樹脂自再生來克服樹脂失效后通常要用化學(xué)藥劑再生的缺陷。從而，使電去離子過程達(dá)到一種比較完美的境界。2. EDI在回收廢水中重金屬的應(yīng)用重金屬廢水是指含有鉻銅鎳鋅等重金屬離子的工業(yè)廢水。機械加工業(yè)、礦山冶煉業(yè)及部分化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生重金屬廢水。該種廢水經(jīng)各種初步處理后重金屬離子的濃度<100mg/L，但這種低濃度重金屬廢水若直接排放

6、也會對環(huán)境和人體造成巨大的危害4。近年來，國內(nèi)外的一些專家學(xué)者采用電去離子技術(shù)（EDI）處理低濃度重金屬廢水，取得了良好的進(jìn)展。用于回收重金屬廢水的EDI的特點是在廢水凈化室上部填充陽樹脂，用它截留住重金屬離子并將其遷移至濃水室而獲得含重金屬離子的濃水，在廢水凈化室下部分層填充陰、陽樹脂，用它截留住殘留鈉鹽而將其遷移到濃水室，從而獲得純水同時回收利用濃水和純水。在這種過程中不會有重金屬氫氧化物生成，避免了膜的堵塞。管山等5進(jìn)行了EDI用于含銅廢水的研究，他們在研究中使用了濃水部分循環(huán)的一級兩段6個膜對的兩級EDI膜堆，膜堆的有效面積為135cm2，淡水室填充有陰陽混合大孔樹脂，試驗用水中Cu2

7、+質(zhì)量濃度為50mg/L。 在一定的操作條件下經(jīng)該膜堆處理后，膜堆淡水室產(chǎn)品水的電阻率可達(dá).25.6M·cm，所含銅濃度低于儀器的檢測下限，去除率>99.99%。H. Lu等6也報導(dǎo)了用EDI工藝回收鍍鎳廢水的研究，試驗表明當(dāng)進(jìn)料Ni2+質(zhì)量濃度為55mg/L時，鎳的去除率可達(dá)99%以上，淡水室出水中的Ni2+質(zhì)量濃度<0.05%，其電阻率穩(wěn)定在2.022.59 M·cm。濃水中Ni2+的質(zhì)量濃度高達(dá)1263mg/L。Dzyazko等7對比了分別填充四種凝膠型強酸性陽離子交換樹脂的EDI裝置對稀溶液中Ni2+的去除效果，發(fā)現(xiàn) Dowex HcR-s樹脂最為適合，

8、EDI過程電流效率達(dá)到14%，從1m3含 lmol NiSO4的溶液中去除0.35molNi2+的能耗經(jīng)計算為208Wh。后來Dzyazko等人又分別考察了填充無機離子交換劑磷酸錯和填充大孔強酸性陽離子交換樹脂的EDI過程中Ni2+的遷移。結(jié)果表明，由于磷酸錯含水率太高，導(dǎo)致Ni2+在磷酸錯中的遷移速率較低，最終的EDI去除效率僅為77%；Ni2+在大孔型強酸性陽離子交換樹脂內(nèi)的擴散系數(shù)低于凝膠型樹脂，電遷移速率也較低，最終的去除效率僅有40%。3. EDI在回收廢水中的氨氮的應(yīng)用化肥、制堿等行業(yè)在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的含氮化合物的廢水俗稱氨氮廢水，其中含氮的化合物有有機物和無機物兩種。一般氨氮廢

9、水主要含NH4Cl、(NH4)2CO3、 NH4HCO3、 NH4HSO4等含氮的無機物，這種氨氮廢水的特點是水質(zhì)很單純，大多是蒸汽冷凝液，含有的氨氮質(zhì)量濃度不高，回收價值不高，又沒有投資低的處理方法，直接排入水體會嚴(yán)重污染環(huán)境，造成水體富營養(yǎng)化。王方等8人利用電去離子技術(shù)回收廢水中的氨氮，并創(chuàng)新性的在除去氨氮廢水中的雜質(zhì)后，將該廢水分離為純水和含氮化工產(chǎn)品，加以回收利用，實現(xiàn)了廢水系統(tǒng)的閉路循環(huán)。 以NH4NO3和NH4Cl 這兩種化學(xué)純化工產(chǎn)品分別配成模擬廢水，按濃水循環(huán)增濃法完成了電去離子濃縮試驗，相應(yīng)得到兩者濃縮倍率分別為33和47，從而拓寬了電去離子技術(shù)的應(yīng)用范圍。4. EDI在純水

10、制備和軟化方面的應(yīng)用隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們對水的純度提出了越來越高的要求。電子工業(yè)用水、醫(yī)療及制藥工業(yè)用水、電廠發(fā)電鍋爐用水等均對水質(zhì)有及其嚴(yán)格的要求，尤其是電子芯片清洗水其水質(zhì)要求已經(jīng)接近理論純水的指標(biāo)(18.3M·cm)。EDI由于具有諸多優(yōu)勢，目前已成為主流純水生產(chǎn)技術(shù)。EDI裝置的產(chǎn)品水電阻率一般可達(dá)到15M·cm 以上的水平，以兩級RO為前處理時最高可達(dá)到17.5 M·cm 左右，EDI下游接拋光混床樹脂時可確保產(chǎn)水電阻率穩(wěn)定地大于18 M·cm，由于EDI出水水質(zhì)已經(jīng)很高，因此這種拋光樹脂的使用壽命甚至超過EDI裝置3-4年的保用期，期內(nèi)無

11、須進(jìn)行任何化學(xué)再生。80年代末期，研究者即將EDI用于電子級水的生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本和維護(hù)費用，使得電子級水的生產(chǎn)操作工藝極大簡化和自動化9。1999年，美國某超大規(guī)模電子芯片廠使用兩級RO壓Dl電子級水生產(chǎn)系統(tǒng)，其工程報告包括工程開工、系統(tǒng)總述、新系統(tǒng)性能要求、技術(shù)評價、技術(shù)選擇、工程管理和控制等多方面內(nèi)容，充分表明了當(dāng)前EDI在超純水生產(chǎn)中所占據(jù)的地位10。藥用水除了對水中的無機物含量有嚴(yán)格的限制外，還對細(xì)菌、細(xì)菌內(nèi)毒素等微生物指標(biāo)有特殊要求11。在EDI脫鹽工藝之后輔以終端過濾可以很好地完成處理要求。90年代初期，已開始有火電廠和核電廠使用RO/EDI用于發(fā)電鍋爐給水處理，并聯(lián)的兩組

12、兩級RO/EDI系統(tǒng)使得電耗較化學(xué)法水處理大為減少，單位產(chǎn)品水生產(chǎn)成本較離子交換法下降84%，產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于離子交換，而且由于不使用化學(xué)藥品再生，它提供的RO濃縮水還可直接用作安全的冷卻水。5. EDI膜堆結(jié)垢的防止EDI處理低濃度重金屬廢水的研究表明，避免重金屬氫氧化物沉淀的產(chǎn)生對于EDI過程非常重要。EDI運行過程中，水解離產(chǎn)生的OH-離子穿過陰膜進(jìn)入濃室，在濃室的陰膜表面形成局部的強堿性環(huán)境。當(dāng)濃水中重金屬離子濃度較高時，易形成金屬的氫氧化物沉淀，附著在濃室的陰膜表面，造成膜堆結(jié)垢。結(jié)垢使得部分膜孔堵塞，膜堆電阻增大，設(shè)備性能下降，出水水質(zhì)降低，嚴(yán)重影響EDI過程的穩(wěn)定運行。目前防止EDI

13、裝置結(jié)垢的措施有：倒極、加酸降低原水pH值、在濃水中加入阻垢劑、濃水和淡水逆流操作及在濃室增加一張離子交換膜將濃室分成兩個室、在濃室填充樹脂及兩臺EDI裝置串聯(lián)操作等。這些措施在一定程度上能夠防止結(jié)垢，但是也存在各自的缺陷。這些措施在一定程度上能夠防止結(jié)垢，但是也存在各自的缺陷和不足之處。頻繁倒極使得裝置和流程比較復(fù)雜繁瑣，而且倒換電極后的水質(zhì)穩(wěn)定需要一定時間，出水水質(zhì)較低。原水酸化需要額外加入大量的酸，而且產(chǎn)品水呈酸性。采用阻垢劑增加了化學(xué)藥劑的使用，降低出水質(zhì)量。串連操作使得裝置復(fù)雜，成本增加。由于濃水中離子濃度很高，濃室填充樹脂也只是權(quán)宜之計，現(xiàn)在已較少應(yīng)用。逆流操作和特殊的濃室結(jié)構(gòu)設(shè)計

14、要求極水和濃水不能循環(huán)使用，而且需要不斷向極室和濃室進(jìn)水中注入鹽溶液以維持其導(dǎo)電性，導(dǎo)致水和化學(xué)品的消耗量非常大，此外，整個流程中離子分布很不均勻，增大了膜堆內(nèi)部電阻的不均勻性，對于EDI的長期穩(wěn)定運行而言，其實用性有待實踐檢驗。參考文獻(xiàn) 1Walters W R W D W M. Concentration of radioactive aqueous wasters: Electromigration throughion-exchange membranesJ. Ind Eng Chem Res, 1955,47(1):61-67. 2陶祖貽王方姜志新. 當(dāng)代離子交換技術(shù)M. 北京: 化

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