EDI技术在水处理中的应用

EDI技术在水处理中的应用桂成民摘要：主要介绍了EDI水处理技术的原理及其在水处理中各方面的应用，并对EDI今后的的发展趋势做了展望。0引言近年来，对于环境要求的越来越高，对于传统的污水处理工艺提出了更大的挑战，同时对于新型的处理技术及工艺的需求也与日俱增。对于工业高纯水、高含盐以及低浓度重金属离子的处理，传统工艺运行成本高，而且对环境的污染也增加。电去离子(Electordeionization缩写EDI)，它是一种新型的纯水处理技术，是将电渗析和离子交换技术有机结合的深度除盐新工艺。该技术是一种日益得到广泛重视的新型分离技术。EDI概念的提出始于20世纪50年代［1］经过多年的努力，该技术已初步发展成熟。近年来，EDI的技术水平、生产规模和产业化程度迅速提高，在电子、制药、发电、石化等众多工业领域获得了大规模的推广应用。电去离子技术作为一种新型的水处理技术，其在初级纯水制备、电厂锅炉补给水、重金属废水处理、水软化等方面得到了广泛的研究，其在革新水处理技术领域有着更加广阔的前景。1EDI水处理技术原理及特点在EDI中，阳、阴混合离子交换树脂被填充在淡水室中，利用除盐过程中的浓度极化和水电离产生的H+、OH-再生混合离子交换离子树脂，等同于连续获得再生的混合离子交换树脂，从而使混合离子交换树脂具有连续再生能力，再生过程不需要酸、碱等化学试剂，因此称为新型绿色环保水处理技术。根据用水水质的不同求，EDI一般和反渗透水处理技术(RO)结合在一起使用，用于反渗透水处理设备之后的精处理来替代混床，也可以作为混床的前处理。混合肉炉交巍树脂阳离子选择性膜阴痛子选择性膜图1EDI结构示意图EDI是一种物理除盐工艺，其基本原理如下:一套EDI由多个除盐单元组成，一个EDI单元由离子交换树脂、离子选择性膜以及直流电场组成。其结构如图1所示囹。离子选择性膜分为阴离子选择性透过膜和阴离子选择性透过膜，两者间隔排列，阳离子选择性透过膜只允许阳离子通过，阴离子和水不能通过。同样，阴离子选择性透过膜只允许阴离子通过。阴、阳混合树脂夹在阳、阴选择性透过膜中间，在外加直流电场的作用TCa+>Mg+、Na+、H+等阳离子向阴极移动，HCO/so3-、oh-等阴离了向阳极移动，通过选择透过性膜分别进入相临的弃水通道，从而降低淡水通道水中的离子含量，达到净化的目的。离子交换树脂所起的作用有两点：一是使产水通道中的电阻降低，加强了离子迁移，增强了电离子的去除能力，提高产水水质；二是在直流电场中不断地水解出H+、OH-，这种分离出来的H+、OH-在EDI中充当树脂的再生剂，可以始终维持一部分树脂处于再生状态，从而显著地提高产水量，如图2所示⑷。因此，离子交换树脂的再生在产水的同时完成，不需要添加酸碱等化学药品而具有连续的再生能力。图2EDI中离子交换树脂的电再生2EDI技术在水处理中的应用2.1EDI技术在发电厂水处理系统的应用我国电厂用水、排水在各行业当中都位于首位，一般电厂的循环冷却水系统耗水量约占全厂耗水量的70%〜80%，其中排污损失约占20%—30%【3］，一般污水都直接排放了，造成了水资源的巨大浪费，由于我国水资源日渐短缺，为节约水资源，循环冷却水的回用是一种必然趋势。针对不同的回用要求，回用水采取不同的处理工艺。由于冷却水的含盐率一般很高，这种没有经过净化处理的水中含有多种杂质.这种水进人水汽循环系统会使热力设备产生结垢、腐蚀、积盐等多种危害现象，严重影响热力设备安全运行m，降低运行经济性，增加检修工作量和运行费用。目前国内一般采用RO反渗透对循环水做脱盐处理⑸，其处理水一般可直接作为循环冷却水。但对用作锅炉补给水的中水一般有更高的要求，单一级反渗透处理往往不能满足标准，因此后续仍需深度除盐工艺。EDI技术作为一种新工艺，以其独特的特点在循环水中水回用方面受到越来越广泛的关注。其一般的工艺流程为：原水一原水池一原水泵一换热器一管道混合器一多介质过滤器一活性炭过滤器一保安过滤器一高压泵一反渗透一中间水箱一中间水泵一电去离子(EDI)一除盐水箱。许本辉［8］对黄河水采用“MF—RO—EDI”全膜工艺进行了除盐中试试验，结果表明经过砂滤MF—2级RO—EDI的工艺处理后，出水硬度、活性硅、电导率等各项指标完全能够满足电厂超高压、亚临界锅炉补给水的水质要求；在采用砂滤MF—l级RO—EDI工艺处理时，出水水质的各项指标也能满足锅炉补给水的水质要求。但由于试验温度较低和反渗透衰减等因素，尚需要进一步验证工艺的稳定性。2.2EDI技术在电镀废水中的应用电镀作为一种通用性强的行业，广泛应用于生产的各个部门。电镀过程中产生的水含有为数不少的重金属离子，直接排放，不但环境污染严重，而且造成了资源的巨大浪费。采用传统的电渗析法和反渗透法，由于电镀行业产水中重金属的浓度低，难于制得高品质的纯水和高浓度的浓缩液。采用离子交换法，由于树脂再生要频繁使用酸碱再生剂，从而造成了二次污染。EDI工艺不但能通过浓缩将重金属离子回收，而且产生的纯水可以满足电镀水回用标准，因此EDI技术作为新的制水工艺，以其自身的特点，在电镀废水的处理中越来越受到重视。Johann等提出了图3所示的带有酸液循环的EDI膜堆形式，并考察了膜堆处理电镀CuSO4废水的效果。1一强酸阳离子交换树脂；2一阳离子交换膜；3一阴离子交换膜；4一电极;5—电镀CuSO4废水；6一脱阳离子水；7一酸液循环；8一浓缩液循环该装置在两张阳离子交换膜中间填充阳离子交换树脂，相邻的两个树脂室用阴离子交换膜隔成浓缩室和酸液室，浓缩液和酸液在其中不断循环。研究表明，

过程电流效率可达30%—40%，进料的含铜量由5000rng/L降低到0.5mg/L，浓缩液的含铜量则可达60g/L。装置成功的连续运行3个月，未出现异常现象，实现了电镀废水的处理再生和浓缩液的回收利用。Spoor［9］采用类似的EDI式，对处理电镀含竦废水进行了实验研究。研究结果表明，当EDI技术用于工厂规模测试时，处理含Ni+mg/L的进料，装置稳定运行3个月，所排放的淡水中Ni+平均浓度小于0.25mg/L。SungU0］提出了名为EDIX的膜堆形式，构型如图4所示⑵并研究了其对CuSO4的去除效果。图4EDIX图4EDIX膜堆形式管山［11］等也作了类似的研究，研究表明，在操作电流密度为11mA/cm3，进料Cu2+量为5mg/L时，浓缩液中Cu2+的含量为60mg/L，淡水中的Cu2+含量为0.5mg/L，试验取得了良好的效果。最近的研究中⑶，采用USFilter的CEDI膜堆来处理电镀CuSO4废水，膜堆形式如图5所示⑵：浓室进水淡室进水浓室进水浓缩水淡水依缅水&CEDI浓缩水淡水依缅水&CEDI膜堆形F子交换树脂研究表明，处理Cu2+质量浓度为100mg/L的进料，淡水Cu2+浓度低于仪器检测限度(0.0005mg/L)，浓缩水质量浓度可达4000mg/L，电流效率在5%一30%之间，该膜堆形式不仅获得了高质量的淡水，也得到了高浓度的浓缩液，过程可连续运行，对浓度和进料的波动有很大的适应性，该装置较好的实现了重金属废水去除和浓缩液的回收利用的目的。EDI在净水技术中的应用EDI技术自诞生以来，由于出水好、质量高的特点，其在净水领域的应用便备受人们重视。近年来随着£。1技术的不断发展，EDI装置的商品化也逐渐成熟，使其在各行业纯水领域的应用不断扩大。国外曾有学者预言，EDI将决定纯水技术的未来，足见其在今后纯水生产技术中的地位。美国Ionpure公司推出的电去离子净水装置，以连续出水而得名，被称为CDI（continuousdeionization）净水装置。该公司的装机容量已达^0784m3/h，实现了商品的商业化。在核工厂和半导体晶片清洗厂的应用表明：使用CDI装置后，电导率降低了99%以上，出水电导率达到或接近纯水的理论电导率0.0547us/cm，除弱电介质SiO2、CO2和特定离子的能力均很高。装置已连续稳定生产高纯水半年，无异常情况发生。加拿大E—Cell公司最新研制出的E—CellTM净水装置，在对原水采用预处理+RO处理工艺后，达到EDI装置的进水标准，各指标如下；TEA（含CO2）<25mg/L（以CaCO3计）；硬度<1mL（以CaCO3计）;TOC<0.5mg/L；活性SiO2<0.5mg/L；游离氯<0.05mg/L；Fe、Mn、H2S<0.01mL；pH为5〜9；温度5°。〜43°C；进水压力0.22〜0.72MPa。经过后续EDI净水装置处理后，出水效果良好，出水电导率保证达到0.0556〜0.0625us/cm,水的回收率为90%—95%。EDI技术在去除低浓度重金属污水中的应用研究传统的重金属废水处理方法很多，如化学法、蒸发浓缩法、离子交换法、电解法，较新的则有电渗析反渗透和纳滤等膜技术，以及“纳滤一反渗透”等集成膜过程。这些处理方法各有优点，对较高浓度的重金属废水处理效果尚佳，但仍不同程度地存在着投资大、能耗高、操作困难、产水水质偏低、易产生二次污染等缺点。尤其当原水中重金属离子浓度低时，去除效果并不明显。电去离子技术以其特点，为广大研究者在低浓度重金属废水的去除中提供了一个新的方法，相关研究表明，EDI技术在重金属的去除中取得了良好的效果。采用EDI技术去除废水中重金属离子的过程包括了重金属离子由液相迁移到树脂，进而在电场的作用下，重金属离子在树脂中转移到阳离子交换膜，最后通过交换膜进入浓缩室去除，因UtEDI中离子填充剂的选择对重金属去除起到很重要的作用YeonKyeongHo等对去除钻离子的研究表明，采用IRN77,CIEPU和CIET分别作为EDI的填充介质分别对钻离子的交换的吸附容量分别为126.85mg/g，110.00mg/g和23.15mg/g；而它们在钻离子质量浓度为50mg/L时，对钻离子的交换速率常数却分别为1.4626H-1，1.0019h-1和147.0h-1。显然，钻离子在CIET中的迁移最快。而最理想的离子交换介质是既具有高的交换容量又具有快速的交换动力学过程。采用深度除盐制纯水的EDI过程，该床层结构在处理低浓度废水时，易在离子交换膜表面形成氢氧化物沉淀，因此在处理重金属废水时，对床层结构的设计从而避免沉淀的形成至关重要。YeonKyeongHo等采用分层床结构，研究表明，该过程对重金属离子的去除率大于99%，淡水出水的pH值保持在6.8〜7.3，电导率可达0.5us・cm-1，电流效率高达30%。但该结构装填树脂十分繁琐、费时。因此，仍需寻求更合理的床层构型，来满足£。1技术更好的去除低浓度重金属废水的需要。为避免氢氧化物沉淀的生成，阻碍重金属离子的去除，合理的膜堆设计也是一个必不可少的考虑因素。YeonKyeongHo等设计的一个膜堆，在去除钻离子的研究中表明，有效避免了氢氧化钻沉淀的生成，且应用该装置处理钻离子浓度为10.6mg/L的硝酸钻废水，钻离子与硝酸根离子的去除率均大于99%，电流效率为29.8%，淡水室出口水中钻离子浓度小于0.1mg/L，且呈中性，实验出水结果良好。3结语EDI技术作为一种新的工艺，以其树脂用电再生而不需使用酸碱，从而减少了二次污染；由于再生过程与脱盐过程同步进行，因此实现了去离子过程的连续行；出水水质好，运行费用低，管理方便等特点，在水处理当中的受到愈来愈广泛的重视。EDI技术在电厂循环冷却水中水回用方面有其潜在的发展优势，预处理/RO/EDI工艺尤以全膜工艺(UF—RO—EDI)为代表的循环水回用处理工艺，由于不需要离子交换，节省了药剂费用，占地面积小、运行费用低、污染小、技术先进、产水水质稳定、水回收率好的特点，其在电厂循环水回用上的应用日渐增多。但由于其初期投资较高，限制了该工艺的发展，从发展的角度看，该工艺代替离子交换作为深度除盐工艺只是时间的问题；EDI技术在特殊行业高纯水、纯水生产中的应用，现在已有明显的主流优势；在低浓度重金属废水处理当中目前还处于研究阶段，仍有很大的工作需要做。如何更好的控制氢氧化物沉淀，如何更合理的选择离子交换膜、合理的设计膜堆构型、床层构造，如何实现EDI技术的工业化将成为今后研究的主要方向。EDI技术作为一种新的技术，其在国外的应用领域已相当广泛，目前该技术在我国纯水制造、电厂锅炉补给水处理方面已有应用，但其在水处理应用方面仍处于研究阶段。寻找EDI技术在水处理其它领域的应用，拓宽EDI技术的应用渠道，使得EDI技术得到更广泛的应用，将成为今后工作的一个重点。EDI技术理论方面的研究将对EDI装置的设计，对废水的脱盐具有指导意义。但近年来的研究主要集中于对EDI装置的设计，在理论方面的研究仍很薄弱：对EDI技术的传质机理、影响因素的分析等方面的研究还很少，仍需要很大的努力。我们相信随着EDI技术研究的逐步深入，其在水处理方面将会有更大的应用前景。4参考文献KomgoldE.Electrodialysisprocessusingion—exchangeresinsbetweenmembranes[J].Desalination，1975，16：225—233.丁禹，李聪聪等.电去离子技术(ED