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EDI超纯水系统详细使用说明及注意事项

2011-12-30

  离子交换膜和离子交换树脂的工作原理相近,可以使特定的离子迁移。阴离子交换膜只允许阴离子透过,不允许阳离子透过;而阳膜只允许阳离子透过,不允许阴离子透过。在一对阴阳离子交换膜之间充填混合离子交换树脂就形成了一个EDI单元。阴阳离子交换膜之间由混合离子交换树脂占据的空间被称为淡水室。将一定数量的EDI单元罗列在一起,使阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列,并使用网状物将每个EDI单元隔开,形成浓水室。在给定的直流电压的推动下,在淡水室中,离子交换树脂中的阴阳离子分别在电场作用下向正/负极迁移,并透过阴阳离子交换膜进入浓水室,同时给水中的离子被离子交换树脂吸附而占据由于离子电迁移而留下的空位。事实上离子的迁移和吸附是同时并连续发生的。通过这样的过程,给水中的离子穿过离子交换膜进入到浓水室被去除而成为除盐水。

  带负电荷的阴离子(例如OH-、Cl-)被正极(+)吸引而通过阴离子交换膜,进入到邻近的浓水室中。此后这些离子在继续向正极迁移中遇到邻近的阳离子交换膜,而阳离子交换不允许其通过,这些离子即被阻隔在浓水中。淡水流中的阳离子(例如Na+ 、H+)以类式的方式被阻隔在浓水中。在浓水中,透过阴阳膜的离子维持电中性。

  EDI组件电流量和离子迁移量成正比。电流量由两部分组成,一部分源于被除去离子的迁移,另一部分源于水本身电离产生的H+和OH-离子的迁移。

  在EDI组件中存在较高的电压梯度,在其作用下,水会电解产生大量的H+和OH-。这些就地产生的H+和OH-对离子交换树脂进行连续再生。

  EDI阻件中的离子交换树脂可以分为两部分,一部分称作工作树脂,另一部分称作抛光树脂,二者的界限称为工作前沿。工作树脂主要起导电作用,而抛光树脂在不断交换和被连续再生。工作树脂承担着除去大部分离子的任务,而抛光树脂则承担着去除象弱电解质等较难清除的离子的任务。

  EDI给水的预处理是EDI实现其最优性能和减少设备故障的首要的条件。给水里的污染物会对除盐组件有负面影响,增加维护量并降低膜组件的寿命。

  注意事项:

  1. 在操作和维护坎贝尔TM EDI系统时必须始终遵守使用手册中的有关规定

  2. 该使用手册中文版与英文版有分歧时以英文版为准

  3. 必须完全理解本手册内容或经过相关技术培训才能操作坎贝尔TM EDI系统

  4. 对于不符合本手册要求所造成的损失,北京易蒂艾公司不承担任何责任

  5. 坎贝尔TM EDI模块在使用期间出现异常现象,用户不得自行拆装,应立即通知售后服务商

  6. 我们保留不断改进产品的权利,如有变动恕不另行通知

  1.1 EDI描述

  连电除盐续(EDI,Electrodeionizatio或CDI,Continuous Electrodeionization),是利用混和离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子,同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用下,分别透过阴阳离子交换膜而被去除的过程。通过这样的技术更新可以代替传统的离子交换装置,生产出电阻率高达18 MΩ•cm的超纯水。

  1.2 EDI技术是的水处理工业的革命

  和传统离子交换(DI)相比,EDI所具有的优点:

  EDI无需化学再生

  EDI再生时不需要停机

  提供稳定的水质

  能耗低

  操作管理方便,劳动强度小

  运行费用低

  利用反渗透技术进行一次除盐,再用EDI技术进行二次除盐就可以彻底使纯水制造过程连续化并避免使用酸碱再生,因此EDI技术给水处理工业带来了革命性的进步。

  1.3 EDI过程细节

  一般城市水源中存在钠、钙、镁、氯化物、硝酸盐、碳酸氢盐等溶解物,这些化合物由带负电荷的阴离子和带正电荷的阳离子组成。通过反渗透(RO)的处理,98%以上的离子可以被去除。RO纯水(EDI给水)电阻率的一般范围是0.05-0.25 MΩ•cm,即电导率的范围为20-4μS/cm。根据应用的情况,去离子水电阻率的范围一般为1-18.2 MΩ•cm。另外,原水中也可能包括其它微量元素、溶解的气体(例如CO2)和一些弱电解质(例如硼,二氧化硅),这些杂质在工业除盐水中也必须被除掉。但是反渗透过程对于这些杂质的清除效果较差。

  下图表示了EDI的工作过程。在图中,离子交换膜用竖线表示,并标明它们允许通过的离子种类。这些离子交换膜是不允许水穿过的,因此,它们可以隔绝淡水和浓水水流。

  

EDI超纯水系统

 

  1.4 污染物对除盐效果的影响

  对EDI影响较大的污染物包括硬度(钙、镁)、有机物、固体悬浮物、变价金属离子(铁、锰)、氧化剂(氯,臭氧)和二氧化碳(CO2)以及细菌。

  设计RO/EDI系统时应在EDI的预处理过程除掉这些污染物。给水中这些污染物的浓度限制见3.2节。在预处理中降低这些污染物的浓度可以提高EDI性能。其它有关EDI设计策略将在本手册其它部分详述。

  氯和臭氧会氧化离子交换树脂和离子交换膜,引起EDI组件功能减低。氧化还会使TOC含量明显增加,污染离子交换树脂和膜,降低离子迁移速度。另外,氧化作用使得树脂破裂,通过组件的压力损失将增加。

  铁和其它的变价金属离子可对树脂氧化起催化作用,永久地降低树脂和膜的性能。

  硬度能在反渗透和EDI单元中引起结垢。结垢一般在浓水室膜的表面发生,该处pH值较高。此时,浓水入水和出水间的压力差增加,电流量降低。坎贝尔™组件设计采取了避免结垢的措施。不过,使入水硬度降到最小将会延长清洗周期并且提高EDI系统水的利用率。

  悬浮物和胶体会引起膜和树脂的污染和堵塞,树脂间隙的堵塞导致EDI组件的压力损失增加。

  有机物被吸引到树脂和膜的表面导致其被污染,使得被污染的膜和树脂迁移离子的效率降低,膜堆电阻将增加。

  二氧化碳有两种效果。首先,CO32-和Ca2+、Mg2+形成碳酸盐类结垢,这种垢的形成与给水的离子浓度和pH有关。其次,由于CO2的电荷与pH值有关,而其被RO和EDI的去除都依赖于其电荷,因此它的去除效率是变化的。即使较低的CO2都能显著地降低产品水的电阻率。

  细菌导致藻类生长和粘垢形成,使模块的压力损失增大,水质下降。

  2.1 EDI的应用领域

  超纯水经常用于微电子工业、半导体工业、发电工业、制药行业和实验室。EDI纯水也可以作为制药蒸馏水、食物和饮料生产用水、发电厂的锅炉补给水,以及其它应用超纯水的工业。

  坎贝尔™ EDI组件单件流量范围从2 gpm到16 gpm。每个组件都有一个推荐的流量范围。组件并行排列可以产生一个几乎无限规模的系统。根据给水和运行的条件,组件可生产出电阻率达10-18.2 MΩ•cm的纯水。

  2.2 EDI的组件结构

  EDI主要由以下几个部分组成:

  (1)淡水室 将离子交换树脂填充在阴、阳离子交换膜之间形成淡水单元。

  (2)浓水室 用网状物将每个EDI单元隔开,形成浓水室。

  (3)极水室

  (4)绝缘板和压紧板

  (5)电源及水路连接

  2.3 EDI组件优势

  坎贝尔™ EDI组件和其它的EDI组件相比,有下列优势:

  独特的淡水室、浓水室和极水室设计

  低电压、低能耗

  并排排列管线,连接更简单

  结实的机械设计

  安装、维护、运行简单

  所有水路和电源均在一侧

  防水电源接头

  不断追求技术创新

  第 3章 运行条件

  3.1 标准运行条件

  EDI组件运行结果取决于各种各样的运行条件,其中包括系统设计参数。用于测试组件的水经活性炭、精密过滤器、一级或双级反渗透处理,TDS = 2.5~4.0 ppm。测试电压和流量按下表各组件范围中间值。

型号
CP-500
CP-1000
CP-2000
CP-3000
电压(V,DC)
30-60
80-120
160-240
220-330
电流(A,DC)
2-3
2-3
2-3
2-3
产品水流量(m3/h)
0.3-0.5
0.7-1.0
1.6-2.0
3.0-3.6
产品水流量(gpm)
1-2
4-5
7-9
12-16
浓水流量(m3/h)
0.03-0.15
0.07-0.30
0.16-0.60
0.30-1.08
极水流量(m3/h)
0.04-0.06
0.04-0.06
0.04-0.06
0.04-0.06
  3.2 给水要求

  以下是保证EDI正常运行的最低条件,为了使系统运行结果更佳,系统设计时应适当提高。

  给水:通常为一级反渗透+软化或二级反渗透来水,一般电导率为1-40μS/cm。进水的电导率值是参考性指标,还需要详细的水质报告。

  TEA(总可交换阴离子):小于25ppm,以CaCO3 计。由于进水中所含的 CO2 会转化成HCO3- 或 CO32-,因此TEA(总可交换阴离子)中应包括CO2 的量。

  TEC(总可交换阳离子):小于25ppm,以CaCO3 计。

  pH :6.0~9.0(最佳电阻率性能对应的pH范围为 7.0~9.0,但是,在此pH条件下,硬度不能太高)。

  温度: 5-35°C。

  进水压力:最大为4bar(60psi)。注意:组件压力损失取决于流量。

  出水压力:浓水和极水的出口压力必须低于产品水的出口压力。

  硬度(以CaCO3计):最大为1.0 ppm,取决于回收率高低。

  注意:EDI工艺需要限定进水硬度以免结垢。在进水硬度 <0.1 ppm时坎贝尔™ EDI系统最高的回收率是 95%;而当进水硬度 >0.1 ppm时浓水中需要加盐,而且需要定期清洗。在进水硬度超过0.5 ppm时必须事先得到易蒂艾公司的书面确认,否则坎贝尔™ EDI的质量保证无效。若在超过允许的最大回收率下运行坎贝尔™ EDI模块,会造成结垢和不可修复的损坏。

  有机物(TOC):最大为0.5 ppm。

  氧化剂:Cl2最大为0.05 ppm,O3最大为0.02 ppm。

  变价金属:Fe最大为0.01 ppm,Mn最大为0.01 ppm 。

  H2S :最大为0.01 ppm。

  二氧化硅 :一般应小于0.5 ppm。

  SDI 15min:小于1.0。

  色度: 小于5 APHA 。

  二氧化碳的总量:二氧化碳含量和pH值将明显影响产品水电阻率。如果CO2 大于10 ppm,坎贝尔™ EDI系统不能制备高纯度的产品水。可以通过调节反渗透进水 pH 值或使用脱气装置来降低CO2 量。

  3.3 浓水循环

  坎贝尔™ EDI系统一般需要浓水循环。但在某些条件下也可以不循环,例如EDI给水硬度<0.1 ppm 并且电导率较高的情况。

  浓水室的进出口压力必须小于淡水室的进出口压力,所以浓水的流量由压力决定。

  在运行过程中,浓水循环可以增加浓水室的导电性,同时有助于提高浓水的流速以避免结垢。

  坎贝尔™ EDI模块的浓水流量最小不能低于产品水的10%。低于该流量运行时,浓水室容易结垢,也可能造成模块内部组成受热变形而漏水。

  为避免浓水中离子过度积累,需要排放少量浓水,排放掉的浓水由进水补充。

  控制浓水的电导率在50 到 600 S/cm之间。

  3.4 系统加盐

  进水电导率低时,坎贝尔™ EDI模块的电流较小,这样会影响产品水水质。这时可以选择加盐装置,来提高浓水电导率。

  加盐装置一般包括计量泵、盐箱和低液位开关。

  计量泵最好由PLC控制自动运行,当浓水循环泵启动并且浓水电导率低于设定值时计量泵开始工作。

  加盐的规格如下:

  氯化钠 >99.00%

  钙和镁 (以Ca计) <0.05%

  铁 <0.1ppm

  重金属 (以Pb计算) <0.1ppm

  注意: 某些杂质可能引起模块结垢。

  第4章 运行参数及影响

  4.1 供电电压

  电压是使离子从淡水室进入浓水室的推动力。同时,局部的电压梯度使得水电解为H+和OH-并使这些离子迁移,由此实现组件中的树脂再生。

  4.1.1 纯水质量与电压的关系

  获得高质量的纯水对应着一个最佳电压。若低于此电压,在产品水离开组件前,因推动力不足,部分离子将不能迁移入浓水室,而残留于淡水室中。若高于此电压,多余的电压将电解水,从而增大电流;同时引起离子极化并产生反向扩散,降低产品水的电阻率。

  4.1.2 电流与给水电导率的关系

  当给水的电导率为5-8uS/cm,在给定电压下,坎贝尔™ EDI组件的一般电流为

  1.5-3A。

  电流与离子迁移数量基本上成正比,这些离子包括给水中杂质离子,如Na+、Cl-,也包括由水电解产生的H+、OH-。水的电离速率取决于电压梯度,因此施加于淡水室的电压较高时, H+、OH-迁移量也大。

  一部分电流与给水的离子含量(TDS)或者电导率成正比,另一部分的电流随电压增加非线性地增加。

  在每个组件建议的电压范围内,最佳电压取决于给水电导率和水的回收率。给水中较多的离子迁移流量和较高的水回收率使得离子在浓水室中高度浓缩,这将降低膜堆的电阻,从而使最佳电压降低。

  4.1.3 稳定运行状态

  运行条件改变后,组件将需要运行8-24个小时才能达到稳定状态。稳定状态是指进出组件的离子达到物料平衡。

  如果电压降低或给水离子浓度增加,树脂将会吸收多余的离子。在这种状态下,离开组件的离子数将小于进入组件的离子数。最后达到新的稳定状态时离子迁移速率和给水离子相协调。此时,离子交换树脂的工作前沿将向出水端移动。

  如果电压升高或给水离子浓度减小,树脂将会释放一些离子进入浓水,离开组件的离子数将大于进入组件的离子数。最后达到新的稳定状态时离子迁移速率和给水离子相协调。此时,离子交换树脂的工作前沿将向给水端移动。

  进出组件的离子达到物料平衡是判断EDI组件是否处于稳定运行状态的有效手段。

  4.2 离子性质

  EDI从水中去除离子的能力与离子的特性有关。与传统混床一样,树脂对某种离子的吸收能力与离子的大小、水合度以及树脂类型有关。

  此外,在EDI中,离子的电荷数量更为重要,因为它是推动离子沿着树脂表面迁移并透过膜的原动力。

  4.2 .1 离子大小

  下表是在25°C的溶液中离子的有效尺寸,其中包括了水合分子。离子的有效尺寸越大,离子扩散速率越低,越难以被EDI除去。另外,离子有效尺寸越大,电荷越分散,越不易被树脂吸收。

Ionic Radius, Å
Cations
Anions
<3.0
K+, NH4+
Cl-, NO3-
3.5
 
OH-, F-
4.0-4.5
Na+
SO42-, CO32-
6.0
Li+, Ca2+, Fe2+
 
8.0-9.0
H+, Mg2+, Fe3+
 
  4.2 .2 离子电荷

  离子所带电荷越多,使之通过离子交换膜需要供给的电压越大,另外,这些离子有较高的水合度,而较大并较重的离子扩散速度也较慢。

  4.2 .3 离子相对树脂的选择系数

  下面的表格显示了离子相对树脂的选择性。这是离子被树脂吸收强度的一种量度,较强的选择性使之不易从混床或EDI泄露出来。

  离子交换树脂对离子的选择性系数表

Cation
Selective
Coefficient
Anion
Selective
Coefficient
Li+
0.8
HSiO3-
 
H+
1.0
F-
0.1