EDI技术在超纯水生产中的应用
来源：谷腾水网 阅读：4939 更新时间：2008-06-03 11:40
1．前言
随着环保法规的日益严格、用水品质要求提高和水源匮乏加剧，世界各地的电厂、半导体微电子厂、化工、冶金企业正重新评估他们的超纯水处理设备，EDI作为无需化学品的一种经济实用的环保型先进超纯水处理技术，正在逐步取代混床，这正在为全球超纯水处理带来一场革命。
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E-CellTMEDI技术能够将二氧化硅和矿物质含量降至1ppb以下，能够将电阻率提高到16Mohm•cm以上，满足了高压及超高压锅炉、精细化工和电子行业对于超纯水的需要。同时E-CellTM EDI大大减少了水处理系统的维护成本，提高了生产效率，延长了设备的生命周期，并将生产现场的危险降至最低。
2．EDI介绍
EDI是英文Electrodeionization的缩写，中文全称为“连续电去离子技术”，其主要用于替代传统混床技术。
超纯水的生产在过去的二十年间，在成本、环境及品质等因素的驱动下，其供水系统发生了许多变化，特别值得一提的事，目前存在一个明确的方向，就是减少对离子交换工艺的依赖性，以便尽可能减少化学药品的使用，并提高产水量。有一项重要的事实可以说明该趋势—反渗透作为阴阳床的替代技术正在普及。
反渗透作为有效的脱盐技术，其脱盐率可以达到95~99%。但是，RO对离子的去处效果有一定的限度，一般来说，产水电导率0.5us/cm（2 MOhm-cm）是其脱盐的极限。
当产水水质有更高的要求的时候，就需要采用混床或等同技术。
EDI能高效去除残余离子和离子态杂质， 尤其当用户产水水质要求高，比如对电阻率（>10 或者16MOhm-cm）, 二氧化硅（<10ppb或者<1ppb）,钠离子,硼等有严格的要求的时候, EDI技术更体现了其品质的优 越性，且EDI系统的运行成本明显低于与混床，与混床装置及其辅助设备相比，其设备的生命周期总成本占有优势。
EDI技术在大约50年前就出现了，但是大型的商业化直到1986年才真正开始，时至如今EDI制造商已经为全球制造了1000套以上的EDI系统。
图1描述了RO，EDI取代传统离子交换工艺的过程。
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图1 EDI技术的发展 |
2．EDI工作原理
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图2 混床与EDI模块运行状态的比较 |
图2中所示，混床在运行过程中，其内部的树脂分为饱和区，交换区，新生区。饱和区的树脂已经被离子饱和，不再具有从进水中交换离子的能力；交换区的树脂处于部分饱和状态，离子交换主要在交换区完成；新生区的指树脂尚未发生离子交换。随着混床的运行，饱和区和交换区将逐步向上移动，新生区的空间将减少，直到被穿透。新生区的存在是产水水质的保证，而新生区被穿透的时候，也就意味着混床产水水质将下降，混床需要用化学药品再生。
EDI在运行过程中，树脂分为交换区和新生区，在运行过程中，虽然树脂不断进行离子交换，但电流连续不断的使树脂再生，从而形成了一种动态平衡；EDI模块内将能始终保持一定空间的新生区；这样EDI内的树脂也就不再需要化学药品的再生，且其产水品质也得到了高品质的保证。
如图3所示EDI由阴/阳离子交换膜，混床树脂，淡/浓水室和阴/阳电极构成。
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图3 EDI工作原理图 |
EDI技术将电渗析和离子交换技术完美的结合在一起。
EDI工作主要有三个过程：
1，淡水进水淡水室后，淡水中的离子与混床树脂发生离子交换，从而从水中脱离；
2，被交换的离子受电性吸引作用，阳离子穿过阳离子交换膜向阴极迁移，阴离子穿过阴离子交换膜向阳极迁移，并进入浓水室从而从淡水中去除。
离子进入浓水室后，由于阳离子无法穿过因离子交换膜，因此其将被截留在浓水室，同样，阴离子无法穿过阳离子交换膜，被截留在浓水室，这样阴阳离子将随浓水流被排出模块；与此同时，由于进水中的离子被不断的去除，那么淡水的纯度将不断的提高，待由模块出来的时候，其纯度可以达到接近理论纯水的水平。
3，水分子在电的作用下被不断的离解为H+和OH-，H+和OH-将分别使得被消耗的阳/阴树脂连续的再生。
过程1和过程3是树脂的消耗和再生的两个相反过程，这两者会在模块内部形成一个动态平衡。
图4，5为EDI系统典型的流程图
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图4 带浓水循环的EDI系统 |
图4中，进水从模块底部进入淡水室，并从顶部出来；浓水从模块底部进入模块，从模块顶部出来，浓水经过浓水循环泵后，大部分浓水将回流到模块的浓水室中循环，小部分浓水将排放；极水的进水与浓水进水为同一水流，只是分别进入不同的室（极水室和浓水室），并从模块顶部排出。
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图5 不带浓水循环的EDI系统 |
图5中，淡水从模块底部进入淡水室，从顶部出来；浓水从模块顶部进入模块，从模块底部出来；极水的进水与淡水进水为同一水流，只是分别进入不同的室（极水室和浓水室），并从模块顶部排出。
3．EDI与混床的比较
EDI相对与混床具有如下的优势：
–无需再生化学品的再生；不需要中和池及中和的酸碱；地面和高空作业能够极大地减少；所有的水处理系统操作都能够在控制室内完成
–无需前往现场；减小了EHS风险；连续工作，不是间歇操作，长时间稳定的出水水质；没有废弃树脂污染排放的风险。
3．1无需再生化学品的再生
无需化学品再生，意味着不需要相关化学品的运输，储存和使用（如图6），也避免了相关的ESH风险，并且大大降低了系统的运行费用。
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图6 化学品的运输，储存和使用过程 |
3.2 没有中和药剂的需要
混床再生会生成酸/碱废液，需要用碱/酸对之进行中和处理。
相比之下，EDI无酸碱废液产生，因此也就不需要酸碱中和池。此外，一般情况下，EDI的浓水可以完全回用；而且极水也可以在气液分离后回用。EDI系统能很好的满足ISO14000的要求。
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图7 EDI没有中和药剂的需要 |
3.3 运行成本低
EDI的运行的费用几乎全部为电耗，成本大幅往往低于混床。以E-Cell MK-3为例，平均产水1吨，其运行所需的电耗仅为0.132~0.396KWhr；而且其运行过程中，几乎不需要人工操作，降低了人工费用。
3.4 水利用率高
以E-Cell MK-3为例，相比于混床，由于没有化学再生的需要，其系统的水利用率为95~99%，这对于中大型系统、水资源紧缺地区的节水效益尤为明显。
3.5 极大地减少了地面和高空作业
E-cell是EDI模块化设计技术的倡导者和领导者，现在E-cell模块化技术已经成为一种行业标准。这种设计既使得EDI模块及其系统的安装十分简便，不同水量的系统就像搭积木一样方便。
图8为EDI系统示意图，对于一般的EDI系统而言，其高度在2.25米左右，因此，高空作业也就很少。
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图8 EDI系统示意图 |
3.4. 所有的水处理系统操作都能够在控制室内完成 – 无需前往现场
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图9 EDI系统控制示意图 |
EDI 系统的自动化程度很高，以 E-cell 为例，GE 在欧美具有二十几年的 EDI 系统工程自动化经验，EDI系统所有的操作均可以在中空室完成。这样平时操作，用户不再需要到现场，从而降低了劳动强度。
3.5. 连续工作，不是间歇操作，长时间稳定的出水水质
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如图10所示，混床运行过程为间歇运行过程，混床在运行一段时间后，树脂会被穿透，此时产水电阻率会下降，这时就需要对混床进行停机再生，再生后的混床将能继续提供高品质的产水，直到下一次再生。
如图11所示，EDI运行过程为连续过程，EDI 在运行过程中将能持续不断地提供 10~18Mohm•cm的产水，在运行过程中，几乎不需要人工干预，没有复杂的操作，并不需要化学药品的再生。
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图12 实际运行的E-Cell系统产水电阻率图 |
图12为某实际运行的E-Cell系统产水电阻率，当进水水质发生波动的时候，产水水质能很好的稳定在18Mohm•cm左右。
当用户要求对二氧化硅，硼，钠等进行控制的时候，EDI相对混床的优势就进一步体现出来。比如，混床运行过程中，常会出现硅先于电阻率穿透的现象，即使产水电阻率合格，但硅已经超过控制标准，这就意味着混床需要更为频繁的再生。
而E-CellTM率先对二氧化硅出水水质提供了担保，按照其进水中二氧化硅的含量可以提供<5ppb，<10ppb，<20ppb的担保（具体数据清参照表2）
| 表2 E-CellTM对于硅的保证值 |
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EDI对于二氧化硅的去除率相当高，一般在94.6~99.4%之间，图13为实际运行的E-Cell系统对于硅的去处效果。
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图13 E-Cell系统对于二氧化硅的去除率 |
3.6设备占地空间更小
相对与混床及其附属设备而言，EDI系统的占地空间更小，下图为的单套17~120t/hr产水量的E-Cell系统占地空间，而对于更大的系统，仅需将系统做相应的延伸或者增加套数即可。
| 表1标准E-CellTM系统的尺寸 |
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由表1可见，E-CellTM系统所需要的空间很小，而且对厂房的要求不高。
此外，其运输和安装重量也较轻。
4．E-Cell案例 E-Cell作为超纯水EDI设备的领导者，不仅在全球的业绩领先，而且在中国的电力、电子、化工、冶金等行业具有广泛的应用：
| GE E-cell部分中国业绩 |
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5．结论
EDI作为一种经济实用型的环保超纯水处理解决方案，相对与混床具有如下优点: 无需再生化学品的再生，运行成本低；没有中和药剂的需要；水利用率高；地面和高空作业能够极大地减少；全自动操作；减小了EHS风险；连续工作，出水水质稳定等优势。EDI技术是超纯水降低生产成本，提高生产效率，减少废水排放，将生产地的危险降至最低的有效手段。
EDI技术在超纯水生产将由于其突出的优势，将越来越多成为超纯水水处理的首选技术。
