EDI技术在水处理中应用.docx

EDI技术在水处理中的应用摘要：EDI是一种清洁高效的新型分离技术，可连续深度去除并回收废水中的离子态物质。目前各国学者专家对EDI技术在废水重金属回收、高纯水制备和脱盐等方面展开了广泛而深入的研究。综述了目前EDI在废水处理中的研究应用现状，并介绍了在工程实践中EDI技术存在的技术难题和常用的解决方法。关键词：EDI 重金属 高纯水电去离子净水技术是一种将电渗析和离子交换相结合的水处理新工艺，其英文名称为electro deionization，缩写成EDI。它具有不用使用酸碱药剂再生，没有二次污染，自动化程度高，降低劳动强度，适用范围广，可用于各行各业的水处理，运行成本低，稳定性好，易于普及推广等优点。50年代起，美国Walters等1曾首先论述过电去离子过程，并用它来进行放射性废水的浓缩处理，但以后它在水处理脱盐领域应用的进展不大。 30多年后，Millipore公司才推出以商品名为Ionpure TM CDI的第一台电去离子净水器；同时又研制出电去离子原理工作的ELIX组件，将它作为Milli-RXTM分析级纯水器配件一起投放国际市场。 1990年，Ionpure公司又制造出改进组件2。近年来，加拿大E- Cell 公司还推出EDI产品组件E- CellTM，并组合成最大产水量达450m3/ h的整套装置。目前国际EDI在重金属回收、氨氮回收、水质脱盐软化和纯水制备方面得到了广泛的应用。1. EDI技术的基本原理 EDI技术是指将传统的电渗析工艺和离子交换技术结合起来的水处理工艺。图1为EDI工艺的示意图。采用一般的电渗析脱盐处理来制取超纯水的进程中，当淡水室溶液中电解质离子的浓度极低时，电渗析过程就难以再进行下去。当电解质浓度过低时，溶液电阻升高，耗电量增加，效率下降，以至实际上无法用一般的电渗析脱盐来制得高质量的纯水。而EDI是将电渗析和离子交换这两者有机的结合在了一起。如图1所示，在电渗析器中的淡水室填装了阴、阳混合离子交换剂(颗粒、纤维或编织物)3，将电渗析和离子交换置于一种容器中，两者内在地联合成一体. 由于纯水中离子交换剂的导电能力比一般所接触的水要高23个数量级，由于交换剂颗粒不断发生交换作用与再生作用而构成了“离子通道”，结果使淡水室体系(溶液、交换剂和膜)的电导率大大增加，从而减弱了电渗析器的极化现象，提高了电渗析器的极限电流，达到高度淡化。此外，当淡水室内填装离子交换剂时，淡水室中的液流速度比普通电渗析器中的大得多，而且交换剂起着搅拌作用，促进离子扩散，改善了水力学状态，从而也导致淡水室体系电导率的增大，极限电流密度也相应地提高. 填充床电渗析器在运行电流超过极限电流时，膜和树脂附近的界面层发生极化，它使水离解，产生OH-和H+，这些离子，除一部分被迁移至浓水室外,大部分将使淡水室中的阴阳离子交换剂再生，保持其交换能力。同时，交换剂的水解作用会使其本身得到部分电化学再生。这样，电渗析与离子交换两者有机错综地结合在一起,所发生的反应及过程，共同构成了整个电去离子过程。即利用离子交换能深度脱盐来克服电渗析过程因发生极化而脱盐不彻底；又利用电渗析极化而发生水电离产生H+和OH-离子实现树脂自再生来克服树脂失效后通常要用化学药剂再生的缺陷。从而，使电去离子过程达到一种比较完美的境界。2. EDI在回收废水中重金属的应用重金属废水是指含有铬铜镍锌等重金属离子的工业废水。机械加工业、矿山冶炼业及部分化工企业在生产过程中会产生重金属废水。该种废水经各种初步处理后重金属离子的浓度99.99%。H. Lu等6也报导了用EDI工艺回收镀镍废水的研究，试验表明当进料Ni2+质量浓度为55mg/L时，镍的去除率可达99%以上，淡水室出水中的Ni2+质量浓度0.05%，其电阻率稳定在2.022.59 Mcm。浓水中Ni2+的质量浓度高达1263mg/L。Dzyazko等7对比了分别填充四种凝胶型强酸性阳离子交换树脂的EDI装置对稀溶液中Ni2+的去除效果，发现 Dowex HcR-s树脂最为适合，EDI过程电流效率达到14%，从1m3含 lmol NiSO4的溶液中去除0.35molNi2+的能耗经计算为208Wh。后来Dzyazko等人又分别考察了填充无机离子交换剂磷酸错和填充大孔强酸性阳离子交换树脂的EDI过程中Ni2+的迁移。结果表明，由于磷酸错含水率太高，导致Ni2+在磷酸错中的迁移速率较低，最终的EDI去除效率仅为77%；Ni2+在大孔型强酸性阳离子交换树脂内的扩散系数低于凝胶型树脂，电迁移速率也较低，最终的去除效率仅有40%。3. EDI在回收废水中的氨氮的应用化肥、制碱等行业在生产过程中所产生的含氮化合物的废水俗称氨氮废水，其中含氮的化合物有有机物和无机物两种。一般氨氮废水主要含NH4Cl、(NH4)2CO3、 NH4HCO3、 NH4HSO4等含氮的无机物，这种氨氮废水的特点是水质很单纯，大多是蒸汽冷凝液，含有的氨氮质量浓度不高，回收价值不高，又没有投资低的处理方法，直接排入水体会严重污染环境，造成水体富营养化。王方等8人利用电去离子技术回收废水中的氨氮，并创新性的在除去氨氮废水中的杂质后，将该废水分离为纯水和含氮化工产品，加以回收利用，实现了废水系统的闭路循环。 以NH4NO3和NH4Cl 这两种化学纯化工产品分别配成模拟废水，按浓水循环增浓法完成了电去离子浓缩试验，相应得到两者浓缩倍率分别为33和47，从而拓宽了电去离子技术的应用范围。4. EDI在纯水制备和软化方面的应用随着现代科技的发展，人们对水的纯度提出了越来越高的要求。电子工业用水、医疗及制药工业用水、电厂发电锅炉用水等均对水质有及其严格的要求，尤其是电子芯片清洗水其水质要求已经接近理论纯水的指标(18.3Mcm)。EDI由于具有诸多优势，目前已成为主流纯水生产技术。EDI装置的产品水电阻率一般可达到15Mcm 以上的水平，以两级RO为前处理时最高可达到17.5 Mcm 左右，EDI下游接抛光混床树脂时可确保产水电阻率稳定地大于18 Mcm，由于EDI出水水质已经很高，因此这种抛光树脂的使用寿命甚至超过EDI装置3-4年的保用期，期内无须进行任何化学再生。80年代末期，研究者即将EDI用于电子级水的生产，大大降低了生产成本和维护费用，使得电子级水的生产操作工艺极大简化和自动化9。1999年，美国某超大规模电子芯片厂使用两级RO压Dl电子级水生产系统，其工程报告包括工程开工、系统总述、新系统性能要求、技术评价、技术选择、工程管理和控制等多方面内容，充分表明了当前EDI在超纯水生产中所占据的地位10。药用水除了对水中的无机物含量有严格的限制外，还对细菌、细菌内毒素等微生物指标有特殊要求11。在EDI脱盐工艺之后辅以终端过滤可以很好地完成处理要求。90年代初期，已开始有火电厂和核电厂使用RO/EDI用于发电锅炉给水处理，并联的两组两级RO/EDI系统使得电耗较化学法水处理大为减少，单位产品水生产成本较离子交换法下降84%，产水水质优于离子交换，而且由于不使用化学药品再生，它提供的RO浓缩水还可直接用作安全的冷却水。5. EDI膜堆结垢的防止EDI处理低浓度重金属废水的研究表明，避免重金属氢氧化物沉淀的产生对于EDI过程非常重要。EDI运行过程中，水解离产生的OH-离子穿过阴膜进入浓室，在浓室的阴膜表面形成局部的强碱性环境。当浓水中重金属离子浓度较高时，易形成金属的氢氧化物沉淀，附着在浓室的阴膜表面，造成膜堆结垢。结垢使得部分膜孔堵塞，膜堆电阻增大，设备性能下降，出水水质降低，严重影响EDI过程的稳定运行。目前防止EDI装置结垢的措施有：倒极、加酸降低原水pH值、在浓水中加入阻垢剂、浓水和淡水逆流操作及在浓室增加一张离子交换膜将浓室分成两个室、在浓室填充树脂及两台EDI装置串联操作等。这些措施在一定程度上能够防止结垢，但是也存在各自的缺陷。这些措施在一定程度上能够防止结垢，但是也存在各自的缺陷和不足之处。频繁倒极使得装置和流程比较复杂繁琐，而且倒换电极后的水质稳定需要一定时间，出水水质较低。原水酸化需要额外加入大量的酸，而且产品水呈酸性。采用阻垢剂增加了化学药剂的使用，降低出水质量。串连操作使得装置复杂，成本增加。由于浓水中离子浓度很高，浓室填充树脂也只是权宜之计，现在已较少应用。逆流操作和特殊的浓室结构设计要求极水和浓水不能循环使用，而且需要不断向极室和浓室进水中注入盐溶液以维持其导电性，导致水和化学品的消耗量非常大，此外，整个流程中离子分布很不均匀，增大了膜堆内部电阻的不均匀性，对于EDI的长期稳定运行而言，其实用性有待实践检验。参考文献 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陶祖贻王方姜志新. 当代离子交换技术M. 北京: 化学工业出版社, 1993. 3王方. 电去离子纯水器: 1996-11-29. 4胡国飞孟祥和. 重金属废水处理M. 北京: 化学工业出版社, 2000. 5Guan S W S. Purification and concentration of acid copper electroplatiing rinsewater by continuous electrodeionization processJ. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2004,55(1):166-167. 6Lu H Y B W J. recovery of nickel ions from dilute solutions by electrodeionization processJ. Journal of chemical Industry and Engineering, 2007,58(5):1259-1261. 7Y. S. Dzyazko V N B. Purification of a diluted nickel solution containing nickel by a process combing ion exchange and electrodialysisJ. Desalination, 2004,162:179-189. 8王明太王方王明亚. 回收氨氮废水用电去离子技术的工业试验研究J. 环境科学与技术, 2010,33(12):295-297. 9Parise P L. Demineralization: the use of Ionpure continuous Deionization for the production of pharmaceutical and semiconductor grades of waterJ. U1trapure water, 1990,7(8):14-28.10J. Weems K P. Lessons learned: the installation of a 300 to 600 GP