EDI技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

EDI技術(shù)在水處理中的應(yīng)用桂成民摘要：主要介紹了EDI水處理技術(shù)的原理及其在水處理中各方面的應(yīng)用，并對(duì)EDI今后的的發(fā)展趨勢做了展望。0引言近年來，對(duì)于環(huán)境要求的越來越高，對(duì)于傳統(tǒng)的污水處理工藝提出了更大的挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)于新型的處理技術(shù)及工藝的需求也與日俱增。對(duì)于工業(yè)高純水、高含鹽以及低濃度重金屬離子的處理，傳統(tǒng)工藝運(yùn)行成本高，而且對(duì)環(huán)境的污染也增加。電去離子(Electordeionization縮寫EDI)，它是一種新型的純水處理技術(shù)，是將電滲析和離子交換技術(shù)有機(jī)結(jié)合的深度除鹽新工藝。該技術(shù)是一種日益得到廣泛重視的新型分離技術(shù)。EDI概念的提出始于20世紀(jì)50年代［1］經(jīng)過多年的努力，該技術(shù)已初步發(fā)展成熟。近年來，EDI的技術(shù)水平、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化程度迅速提高，在電子、制藥、發(fā)電、石化等眾多工業(yè)領(lǐng)域獲得了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。電去離子技術(shù)作為一種新型的水處理技術(shù)，其在初級(jí)純水制備、電廠鍋爐補(bǔ)給水、重金屬廢水處理、水軟化等方面得到了廣泛的研究，其在革新水處理技術(shù)領(lǐng)域有著更加廣闊的前景。1EDI水處理技術(shù)原理及特點(diǎn)在EDI中，陽、陰混合離子交換樹脂被填充在淡水室中，利用除鹽過程中的濃度極化和水電離產(chǎn)生的H+、OH-再生混合離子交換離子樹脂，等同于連續(xù)獲得再生的混合離子交換樹脂，從而使混合離子交換樹脂具有連續(xù)再生能力，再生過程不需要酸、堿等化學(xué)試劑，因此稱為新型綠色環(huán)保水處理技術(shù)。根據(jù)用水水質(zhì)的不同求，EDI一般和反滲透水處理技術(shù)(RO)結(jié)合在一起使用，用于反滲透水處理設(shè)備之后的精處理來替代混床，也可以作為混床的前處理?；旌先鉅t交巍樹脂陽離子選擇性膜陰痛子選擇性膜圖1EDI結(jié)構(gòu)示意圖EDI是一種物理除鹽工藝，其基本原理如下:一套EDI由多個(gè)除鹽單元組成，一個(gè)EDI單元由離子交換樹脂、離子選擇性膜以及直流電場組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示囹。離子選擇性膜分為陰離子選擇性透過膜和陰離子選擇性透過膜，兩者間隔排列，陽離子選擇性透過膜只允許陽離子通過，陰離子和水不能通過。同樣，陰離子選擇性透過膜只允許陰離子通過。陰、陽混合樹脂夾在陽、陰選擇性透過膜中間，在外加直流電場的作用TCa+>Mg+、Na+、H+等陽離子向陰極移動(dòng)，HCO/so3-、oh-等陰離了向陽極移動(dòng)，通過選擇透過性膜分別進(jìn)入相臨的棄水通道，從而降低淡水通道水中的離子含量，達(dá)到凈化的目的。離子交換樹脂所起的作用有兩點(diǎn)：一是使產(chǎn)水通道中的電阻降低，加強(qiáng)了離子遷移，增強(qiáng)了電離子的去除能力，提高產(chǎn)水水質(zhì)；二是在直流電場中不斷地水解出H+、OH-，這種分離出來的H+、OH-在EDI中充當(dāng)樹脂的再生劑，可以始終維持一部分樹脂處于再生狀態(tài)，從而顯著地提高產(chǎn)水量，如圖2所示⑷。因此，離子交換樹脂的再生在產(chǎn)水的同時(shí)完成，不需要添加酸堿等化學(xué)藥品而具有連續(xù)的再生能力。圖2EDI中離子交換樹脂的電再生2EDI技術(shù)在水處理中的應(yīng)用2.1EDI技術(shù)在發(fā)電廠水處理系統(tǒng)的應(yīng)用我國電廠用水、排水在各行業(yè)當(dāng)中都位于首位，一般電廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)耗水量約占全廠耗水量的70%?80%，其中排污損失約占20%—30%【3］，一般污水都直接排放了，造成了水資源的巨大浪費(fèi)，由于我國水資源日漸短缺，為節(jié)約水資源，循環(huán)冷卻水的回用是一種必然趨勢。針對(duì)不同的回用要求，回用水采取不同的處理工藝。由于冷卻水的含鹽率一般很高，這種沒有經(jīng)過凈化處理的水中含有多種雜質(zhì).這種水進(jìn)人水汽循環(huán)系統(tǒng)會(huì)使熱力設(shè)備產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕、積鹽等多種危害現(xiàn)象，嚴(yán)重影響熱力設(shè)備安全運(yùn)行m，降低運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，增加檢修工作量和運(yùn)行費(fèi)用。目前國內(nèi)一般采用RO反滲透對(duì)循環(huán)水做脫鹽處理⑸，其處理水一般可直接作為循環(huán)冷卻水。但對(duì)用作鍋爐補(bǔ)給水的中水一般有更高的要求，單一級(jí)反滲透處理往往不能滿足標(biāo)準(zhǔn)，因此后續(xù)仍需深度除鹽工藝。EDI技術(shù)作為一種新工藝，以其獨(dú)特的特點(diǎn)在循環(huán)水中水回用方面受到越來越廣泛的關(guān)注。其一般的工藝流程為：原水一原水池一原水泵一換熱器一管道混合器一多介質(zhì)過濾器一活性炭過濾器一保安過濾器一高壓泵一反滲透一中間水箱一中間水泵一電去離子(EDI)一除鹽水箱。許本輝［8］對(duì)黃河水采用“MF—RO—EDI”全膜工藝進(jìn)行了除鹽中試試驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)過砂濾MF—2級(jí)RO—EDI的工藝處理后，出水硬度、活性硅、電導(dǎo)率等各項(xiàng)指標(biāo)完全能夠滿足電廠超高壓、亞臨界鍋爐補(bǔ)給水的水質(zhì)要求；在采用砂濾MF—l級(jí)RO—EDI工藝處理時(shí)，出水水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)也能滿足鍋爐補(bǔ)給水的水質(zhì)要求。但由于試驗(yàn)溫度較低和反滲透衰減等因素，尚需要進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的穩(wěn)定性。2.2EDI技術(shù)在電鍍廢水中的應(yīng)用電鍍作為一種通用性強(qiáng)的行業(yè)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)部門。電鍍過程中產(chǎn)生的水含有為數(shù)不少的重金屬離子，直接排放，不但環(huán)境污染嚴(yán)重，而且造成了資源的巨大浪費(fèi)。采用傳統(tǒng)的電滲析法和反滲透法，由于電鍍行業(yè)產(chǎn)水中重金屬的濃度低，難于制得高品質(zhì)的純水和高濃度的濃縮液。采用離子交換法，由于樹脂再生要頻繁使用酸堿再生劑，從而造成了二次污染。EDI工藝不但能通過濃縮將重金屬離子回收，而且產(chǎn)生的純水可以滿足電鍍水回用標(biāo)準(zhǔn)，因此EDI技術(shù)作為新的制水工藝，以其自身的特點(diǎn)，在電鍍廢水的處理中越來越受到重視。Johann等提出了圖3所示的帶有酸液循環(huán)的EDI膜堆形式，并考察了膜堆處理電鍍CuSO4廢水的效果。1一強(qiáng)酸陽離子交換樹脂；2一陽離子交換膜；3一陰離子交換膜；4一電極;5—電鍍CuSO4廢水；6一脫陽離子水；7一酸液循環(huán)；8一濃縮液循環(huán)該裝置在兩張陽離子交換膜中間填充陽離子交換樹脂，相鄰的兩個(gè)樹脂室用陰離子交換膜隔成濃縮室和酸液室，濃縮液和酸液在其中不斷循環(huán)。研究表明，

過程電流效率可達(dá)30%—40%，進(jìn)料的含銅量由5000rng/L降低到0.5mg/L，濃縮液的含銅量則可達(dá)60g/L。裝置成功的連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了電鍍廢水的處理再生和濃縮液的回收利用。Spoor［9］采用類似的EDI式，對(duì)處理電鍍含竦廢水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)EDI技術(shù)用于工廠規(guī)模測試時(shí)，處理含Ni+mg/L的進(jìn)料，裝置穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月，所排放的淡水中Ni+平均濃度小于0.25mg/L。SungU0］提出了名為EDIX的膜堆形式，構(gòu)型如圖4所示⑵并研究了其對(duì)CuSO4的去除效果。圖4EDIX圖4EDIX膜堆形式管山［11］等也作了類似的研究，研究表明，在操作電流密度為11mA/cm3，進(jìn)料Cu2+量為5mg/L時(shí)，濃縮液中Cu2+的含量為60mg/L，淡水中的Cu2+含量為0.5mg/L，試驗(yàn)取得了良好的效果。最近的研究中⑶，采用USFilter的CEDI膜堆來處理電鍍CuSO4廢水，膜堆形式如圖5所示⑵：濃室進(jìn)水淡室進(jìn)水濃室進(jìn)水濃縮水淡水依緬水&CEDI濃縮水淡水依緬水&CEDI膜堆形F子交換樹脂研究表明，處理Cu2+質(zhì)量濃度為100mg/L的進(jìn)料，淡水Cu2+濃度低于儀器檢測限度(0.0005mg/L)，濃縮水質(zhì)量濃度可達(dá)4000mg/L，電流效率在5%一30%之間，該膜堆形式不僅獲得了高質(zhì)量的淡水，也得到了高濃度的濃縮液，過程可連續(xù)運(yùn)行，對(duì)濃度和進(jìn)料的波動(dòng)有很大的適應(yīng)性，該裝置較好的實(shí)現(xiàn)了重金屬廢水去除和濃縮液的回收利用的目的。EDI在凈水技術(shù)中的應(yīng)用EDI技術(shù)自誕生以來，由于出水好、質(zhì)量高的特點(diǎn)，其在凈水領(lǐng)域的應(yīng)用便備受人們重視。近年來隨著￡。1技術(shù)的不斷發(fā)展，EDI裝置的商品化也逐漸成熟，使其在各行業(yè)純水領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。國外曾有學(xué)者預(yù)言，EDI將決定純水技術(shù)的未來，足見其在今后純水生產(chǎn)技術(shù)中的地位。美國Ionpure公司推出的電去離子凈水裝置，以連續(xù)出水而得名，被稱為CDI（continuousdeionization）凈水裝置。該公司的裝機(jī)容量已達(dá)^0784m3/h，實(shí)現(xiàn)了商品的商業(yè)化。在核工廠和半導(dǎo)體晶片清洗廠的應(yīng)用表明：使用CDI裝置后，電導(dǎo)率降低了99%以上，出水電導(dǎo)率達(dá)到或接近純水的理論電導(dǎo)率0.0547us/cm，除弱電介質(zhì)SiO2、CO2和特定離子的能力均很高。裝置已連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)高純水半年，無異常情況發(fā)生。加拿大E—Cell公司最新研制出的E—CellTM凈水裝置，在對(duì)原水采用預(yù)處理+RO處理工藝后，達(dá)到EDI裝置的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)，各指標(biāo)如下；TEA（含CO2）<25mg/L（以CaCO3計(jì)）；硬度<1mL（以CaCO3計(jì)）;TOC<0.5mg/L；活性SiO2<0.5mg/L；游離氯<0.05mg/L；Fe、Mn、H2S<0.01mL；pH為5?9；溫度5°。?43°C；進(jìn)水壓力0.22?0.72MPa。經(jīng)過后續(xù)EDI凈水裝置處理后，出水效果良好，出水電導(dǎo)率保證達(dá)到0.0556?0.0625us/cm,水的回收率為90%—95%。EDI技術(shù)在去除低濃度重金屬污水中的應(yīng)用研究傳統(tǒng)的重金屬廢水處理方法很多，如化學(xué)法、蒸發(fā)濃縮法、離子交換法、電解法，較新的則有電滲析反滲透和納濾等膜技術(shù)，以及“納濾一反滲透”等集成膜過程。這些處理方法各有優(yōu)點(diǎn)，對(duì)較高濃度的重金屬廢水處理效果尚佳，但仍不同程度地存在著投資大、能耗高、操作困難、產(chǎn)水水質(zhì)偏低、易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)。尤其當(dāng)原水中重金屬離子濃度低時(shí)，去除效果并不明顯。電去離子技術(shù)以其特點(diǎn)，為廣大研究者在低濃度重金屬廢水的去除中提供了一個(gè)新的方法，相關(guān)研究表明，EDI技術(shù)在重金屬的去除中取得了良好的效果。采用EDI技術(shù)去除廢水中重金屬離子的過程包括了重金屬離子由液相遷移到樹脂，進(jìn)而在電場的作用下，重金屬離子在樹脂中轉(zhuǎn)移到陽離子交換膜，最后通過交換膜進(jìn)入濃縮室去除，因UtEDI中離子填充劑的選擇對(duì)重金屬去除起到很重要的作用YeonKyeongHo等對(duì)去除鉆離子的研究表明，采用IRN77,CIEPU和CIET分別作為EDI的填充介質(zhì)分別對(duì)鉆離子的交換的吸附容量分別為126.85mg/g，110.00mg/g和23.15mg/g；而它們在鉆離子質(zhì)量濃度為50mg/L時(shí)，對(duì)鉆離子的交換速率常數(shù)卻分別為1.4626H-1，1.0019h-1和147.0h-1。顯然，鉆離子在CIET中的遷移最快。而最理想的離子交換介質(zhì)是既具有高的交換容量又具有快速的交換動(dòng)力學(xué)過程。采用深度除鹽制純水的EDI過程，該床層結(jié)構(gòu)在處理低濃度廢水時(shí)，易在離子交換膜表面形成氫氧化物沉淀，因此在處理重金屬廢水時(shí)，對(duì)床層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從而避免沉淀的形成至關(guān)重要。YeonKyeongHo等采用分層床結(jié)構(gòu)，研究表明，該過程對(duì)重金屬離子的去除率大于99%，淡水出水的pH值保持在6.8?7.3，電導(dǎo)率可達(dá)0.5us?cm-1，電流效率高達(dá)30%。但該結(jié)構(gòu)裝填樹脂十分繁瑣、費(fèi)時(shí)。因此，仍需尋求更合理的床層構(gòu)型，來滿足￡。1技術(shù)更好的去除低濃度重金屬廢水的需要。為避免氫氧化物沉淀的生成，阻礙重金屬離子的去除，合理的膜堆設(shè)計(jì)也是一個(gè)必不可少的考慮因素。YeonKyeongHo等設(shè)計(jì)的一個(gè)膜堆，在去除鉆離子的研究中表明，有效避免了氫氧化鉆沉淀的生成，且應(yīng)用該裝置處理鉆離子濃度為10.6mg/L的硝酸鉆廢水，鉆離子與硝酸根離子的去除率均大于99%，電流效率為29.8%，淡水室出口水中鉆離子濃度小于0.1mg/L，且呈中性，實(shí)驗(yàn)出水結(jié)果良好。3結(jié)語EDI技術(shù)作為一種新的工藝，以其樹脂用電再生而不需使用酸堿，從而減少了二次污染；由于再生過程與脫鹽過程同步進(jìn)行，因此實(shí)現(xiàn)了去離子過程的連續(xù)行；出水水質(zhì)好，運(yùn)行費(fèi)用低，管理方便等特點(diǎn)，在水處理當(dāng)中的受到愈來愈廣泛的重視。EDI技術(shù)在電廠循環(huán)冷卻水中水回用方面有其潛在的發(fā)展優(yōu)勢，預(yù)處理/RO/EDI工藝尤以全膜工藝(UF—RO—EDI)為代表的循環(huán)水回用處理工藝，由于不需要離子交換，節(jié)省了藥劑費(fèi)用，占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、污染小、技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定、水回收率好的特點(diǎn)，其在電廠循環(huán)水回用上的應(yīng)用日漸增多。但由于其初期投資較高，限制了該工藝的發(fā)展，從發(fā)展的角度看，該工藝代替離子交換作為深度除鹽工藝只是時(shí)間的問題；EDI技術(shù)在特殊行業(yè)高純水、純水生產(chǎn)中的應(yīng)用，現(xiàn)在已有明顯的主流優(yōu)勢；在低濃度重金屬廢水處理當(dāng)中目前還處于研究階段，仍有很大的工作需要做。如何更好的控制氫氧化物沉淀，如何更合理的選擇離子交換膜、合理的設(shè)計(jì)膜堆構(gòu)型、床層構(gòu)造，如何實(shí)現(xiàn)EDI技術(shù)的工業(yè)化將成為今后研究的主要方向。EDI技術(shù)作為一種新的技術(shù)，其在國外的應(yīng)用領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛，目前該技術(shù)在我國純水制造、電廠鍋爐補(bǔ)給水處理方面已有應(yīng)用，但其在水處理應(yīng)用方面仍處于研究階段。尋找EDI技術(shù)在水處理其它領(lǐng)域的應(yīng)用，拓寬EDI技術(shù)的應(yīng)用渠道，使得EDI技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用，將成為今后工作的一個(gè)重點(diǎn)。EDI技術(shù)理論方面的研究將對(duì)EDI裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)廢水的脫鹽具有指導(dǎo)意義。但近年來的研究主要集中于對(duì)EDI裝置的設(shè)計(jì)，在理論方面的研究仍很薄弱：對(duì)EDI技術(shù)的傳質(zhì)機(jī)理、影響因素的分析等方面的研究還很少，仍需要很大的努力。我們相信隨著EDI技術(shù)研究的逐步深入，其在水處理方面將會(huì)有更大的應(yīng)用前景。4參考文獻(xiàn)KomgoldE.Electrodialysisprocessusingion—exchangeresinsbetweenmembranes[J].Desalination，1975，16：225—233.丁禹，李聰聰?shù)?電去離子技術(shù)(ED