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EDI装置的原理和应用Principle and Application of EDI


EI D 装置的原理和应用 Pce pco f  破 A ri a Alt o D 。 ip n pan I nl d  i E i
北京化工大学信息科学与技术学院 (0 0 9 刘建伟          102 ) 杜美启
【 摘要】阐述了当今世界上超纯水领域最高性能价格比的高纯水制备技米装置, E T 即 D 装笠, 介绍 了它的原理及实际的应用, 及其与传统 D 技术相比所具有的明显优势 I 关钮词 E T 原理 再生 离子交换树脂 D

K y od  E T pi ie r ee t n i ecag r i ew r s  D ,  c l.  nr i ,  xhne  n r p e n g ao o n  e s 随着电子半导体工业,      原子能工业的发展, 对水 质要求越来越高, 要制备高纯水及超纯水。 制备超纯 水通常采用蒸馏法和离子交换法 蒸馏法耗能极高, 离子 交换法需要再生, 消耗大量酸碱, 操作管理不 便, 劳动强度大且污染环境 而电渗析是一项新型膜 法水处理技术, 它处理含盐量50-0  m / 0-3 00  L的 0 g 水时, 比离子交换法或蒸馏法经济。 填充床电渗析又 称电脱离子法(l t di n ao ) E I Ee r e -zt n简称 D , co o i i 是一 种把电渗析过程中 极化现象对离子交换填充床电化 学再生进行巧妙地结合起来的方法, 集中了电渗析 和离子交换法的优点, 克服了电渗析过程中的极化 现象和离子交换法需要化学再生过程的弊端。 ET      R 反渗透装置) D 技术与 O〔 联合工艺是一种 新工艺。无论是井水还是河水, 联合工艺 E I D 组件 可完成除盐率 9 0-  0, 8 a 9c硅的去除率为 8 %一 9 5 9%. T 7 E 装置每生产375 ' 的水的操作费用 D .  / 8. h 为 l7 .  E 工 美元 D 是节水型技术, 回收率达 9. %. 45 商业化的E I D 技术始于 18 年, 96 起初仅应用在实 验室和核工业, 且产水量很小。 前大约 60 D 目 0 套E T 系 统运行在世界各地.D 正朝着开发低价格的膜、 ET 模块化的构件方法、 更大的产水量方向发展, 能满足 从 11-34 丫 的产水量, .  6m h 4 甚至更高的要求。
过阴阳电极 加在 E 工 D 装置所有的室上, 阳极吸引离 子交换树脂的阳离子, 阴极吸引离子交换树脂的阴 离子, 由于每个树脂颗粒和其他树脂颗粒挨着, 离子 能从一个颗粒迁移至另一个颗粒, 在树脂上的离子 便向各自电极游移, 离子被电势驱动通过离子交换 膜进入浓水室。同时在淡水的出口处没有足够的离 子维持电流, 这儿所加直流电压产生水解作用, 把水 分解成氢离子和氢氧根离子, 这些离子连续再生离 子交换树脂从而连续地去除水中不纯物质, 从树脂 中置换出的盐被其他的离子交换颗粒吸收, 而这些 离子连续地迁移向浓水室 这些连续地水解过程再 生离子交换树脂, 使得 E I D 不需停止化学再生i可 } -

产 高 量 水 一 离 进 浓 室它 便 出 质 的 。旦 子 入 水 ,们 长奄
再 回到淡水室 。

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l       浓水窒和淡水室中均装有离子交换树脂 W眼, 3

EI            D 装置的工作原理
ET      D 装置的工作原理 ( 栈流程) 如图 1 所示 EI D 纯化水依靠电脱离子法。E T D 的电化学过程包 括离子树脂交换和电流连续纯化再生水的过程。 EI D 装置中的离子交换树脂去除进水中的阳离子和 阴离子, 而通过 E T D 装置中的电流连续再生离子交 换树脂。 连续再生允许 E I D 装置不用像传统的离子 交换装置那样周期性地停止和再生, 便可产出超
纯水

图 1 D 装置的原理(             E 工 栈流程) 示意图

浓水室由阳离子膜和阴离子膜组成,      阳离子通 过阳膜进入浓水室, 一旦进入, 阳离子连续迁移向阴 极, 阳离子通过浓水室最终遭遇上阴膜, 阴膜排斥阳 离子 , 有效地搜集阳离子在浓水室中; 对于阴离子, 也发生类似于阳离子的情况, 最后将搜集到的离子 排出E I D 装置外

E I D 装置的应用

淡水室的入口处于不再生的状态。直流电流通      EI D 装置结构 01 1 《 新技术新工艺》 机械加工与自动化 20 年 第 1 期 ?

万方数据

我们在清华大学微电子所 V I      L 超纯水站, S 率 先采用了国内第 1 条自主设计的由预处理,两级反 渗透-E I D 装置组成的超纯水生产线, 该生产线由 于采用了世界领先的 EC L C r -E L  p公司生产的 o EI D 装置, 使得出水品质达到了以下指标:O 簇2 TC pb电导率妻1. MO 溶解氧簇4  . p. 81  , pb p 该E I      D 装置由几十个浓水室、 几十个淡水室和 2 个电极室组成, 这些浓水室和淡水室被阳离子交 换膜和阴离子交换膜隔开 , 这些膜类似于离子交换

的水从浓水流循环中排出, 使得浓水流的流量是可 调的, 并且决定了回收率。 该ET      D 装置有一部分水从电极流出 这部分电 极流可以带走电 极在水中电解产生的氢气, 氧气和
氯气。 2 这套超纯水生产线在二级反渗透出口加装      ) 了加碱装置, 选用 MIT N  Y电磁计量泵, LO R O 控

树脂, 过呈片状, 只不 而不是粒状。 D 中被纯化的 EI 水叫淡水或给水, 它流经淡水室, 这些室含阳离子
交换树脂和阴离子交换树脂, 类似于传统的混床, 这 些离子交换树脂去除水中的不纯物质。 该E I      D 装置有 5 种流程 : 产品水流、 浓水流( C 循环)电解流( 、 E循环)淡水流( 、 D循环)浓水排放 、 流。 E I 该 D 装置内部分有 3 个室: 有淡水室( D室) 、 浓水室( C室)电解室( 、 E室) 。

我们使用了EC L C p      -E L r 公司高效率的E I o D 膜和高 强度 集成 标准栈结 构。E I 置 由室 D 装 (E L , S A K 、 C L )栈(T C )机架( A K 组成。 D 装 RC) EI 置采用平板和框架式结构, 用户定制的框架上可任 意组合放人数个栈组成,  装置一个机架可以安 E] D 装4 - 个伐。 -8 我们这里选用了由4 个栈组成流量为 1. ' 14 / m h的框架。有 5 个管道分别连接到淡水入 口、 产品水出口、 浓水人口、 浓水出口和电解水出口。
这些栈能被用来并行处理所需的水流量。 该E ]      D 装置室结构为: 在阴阳离子膜之间填充 离子交换树脂组成 D室, 而C室在 D室的两边, 靠 伐的两边的室由E室组成, 包含阴电极和阳电极, 垫片和极板。 阴极材料是在T 上面的I / Iz阳 i r TO , 0

制E I D 入口水 p H值在 8 0 -1 之间; 在二级反渗透 出口加装了投加 N C 装置, 20 R al 由 0L  O产水溶解 1k N C 制成盐溶液, MIT N  Y电磁 9g  l a 选用 L O R O 计量泵加盐, 以确保 E I D 入水的电导率在 66 X .  7 1--2 1-Mf之间; 01 X  1 3 0 由二级反渗透直接进入 E] D 装置安装 了安全阀以确保 压力不超过 。 0 .  7 M ; E T P 在 D 装置之前还安装了 T O A a R J N公司的 UV  4m 系统以减少可能发生的微生物污染; 2 n 5 通 常在二级反渗透的上游需安装 2 个串联的软化器以 确保E T 的硬度小于 10 gL 也可在R D 入口 .  / , m O之 后安装一个软化器, 在这里水的硬度很低, 故未安装 软化器; E T 在 D 的下游安装了抛光混床, 以确保出 水电导率大于 1 Mo 8  . 3 该E 工      装置有一套加盐装置。D 装置低电 ) D ET 导的进水若不能满足维持足够的浓水电导, 就不能 有足够的电流通过 E T D 装置, 而没有足够的电流, E] D 装置不能产出高纯水。 盐能增加浓水的电导, 所 以根据进水电导的情况, 选择了注盐系统。 注盐系统 由注盐计量泵和计量罐来完成把盐注人 E T D 装置
的浓水回路 。

ET        D 装置应用时应注意的问题
1 浓水室结垢问题      . 浓水室结垢是一个何题:      离子诸如迁移向阴膜 的钙离子和镁离子进入浓水室, 而阴膜有大量的氢 氧根离子通过阴膜迁移向阴极, 大量的氢氧根离子 增加了阴膜表面的p H值, 造成一个理想的结垢环 境。 为了阻止结垢, 离子浓度和硬度必须被控制在一 定的范围。控制的方法包括设置适当的回收率和限 制进水的组成成分。 该E 工      D 对进水水质有一定的要求, 4 包括 个方

极材料为不锈钢。膜的制造厂家为 A ai s sh Ga ls Cr ri (G , op ao A O 阴阳离子交换树脂生产厂家 o tn  为A C E I G ,  装置回收率为 9%-9%, D 0 5 加在阴阳 电极上的直流整流电压为60 , 0V  整流最大输出电流
为 1A. 8

2E I      .  装置的独特设计 D 1 该E T      装置使一部分浓水经离心泵再循环 ) D 回浓水室。一部分浓水再循环回浓水室的优点有: () 1为了去除弱带电离子. 诸如硅, 必须有足够的电
流维持树脂在一个很高的再生状态, 而为了保持通

面: 交 离 E (o l  a e o) 总 换阴 子T ATt Ec n Ai 。 a x g nn 总 h
交换阳离子T C T t E cag C tn ,O 和 E (o l hne i ) , a x ao C 硬度指标。E T D 能处理最大 2m 5 盯L的阳离子和 2m / 5 gL的阴离子( aO 而言) 一般进水的阴 对CC 。 。 离子和阳离子是平衡的, 但大多数进水含有C 2 0, 它

过E T D 装置的电流,D 装置的电阻必须很小。 EI 再 循环回的浓水增加了浓水电导, 从而增加了通过 EI D 装置的电流;2一些浓水参与再循环增加了浓 () 水的流量从而增加了浓水室的流速, 减少了结垢的 们转换成阴离子( C 3或 c 一 ,E H 0 一 o产 )T A总是大于 可能性。() 3为了防止浓缩达到沉淀点, 有很少数量 T C, E 所以只需要计算进水的 T A,( 】的去除是 E :。 ( 《 新技术新工艺》 机械加工与自 ? 动化 20 年 挤 1 期 01 1 .2 . 3

万方数据

靠调整 R O的进水 p H值或使用脱气装置脱气, 进 水的 C)用m / 的离子表示, ( gl , 为了转换 C z O到 CC  aO ,可以这样简单的计算: m / C , 0 5  L  =  g O 1 m / 的CC , 倍的关系。 g  aO , I 即2 在栈内部阴离子膜的表面p      H值是 1-1, 3 4易 结垢, 为了阻止结垢, 淡水进水CC : a O 必须小于 10 . m /, gL进水的硬度必须小于 1 m / , .  L 即使进水小 0  g 于 10 / . g  m L的硬度, 浓水室也会有离子沉淀在膜 上 结垢的可能, 这时, 必须让 一定数量的浓水流排 出, 排出浓水量计算与回收率有关 当进水硬度小于 l0  厂 , . m 工 最大回收率为 9 写, g 0 进水硬度大于 1。 m /, gI最大回收率为9%, 收率由 5 回 下式计算:
回收率 二      0 淡水产水流量十浓水排出流量+电f1 1 x  0 1 币 友戛 1 叮 于

就足够了。

2      .各室压力要求问题 EI      D 在运行时. 必须保证淡水室的压力比浓水 室的压力高, 且淡水室和浓水室必须保证严格的压 力差, 压力差太大, 膜将会渗漏, 如果浓水进入淡水, 产品水质将受到影响,鉴于此 需保证: 1浓水室的压力必须小于淡水室 。 3 .       ) . -07
MP ; a 

2 浓水进      口压 力 必 须 小 于 淡 水 入 口 压 力 )
0 3 -. M p ; .  0 7  a ^

3      出 口 压 力 必 须 小 于 淡 水 出 口 )浓 水
0 3 - .  a . ^ 0 7  MP

淡 水产水流量

由此便可计算出浓水排出量,      排出的浓水被循

E I 极流可冷却电      D 的电 极并排出电解产生的气 体, 由于一部分氯气溶于水中, 产生氧化作用, 且电 极流流量很小, 所以这部分电 极流被排出, 不回收

环回二级反渗透进水可再利用。回收率应作出随着 时间变化的趋势图, 看是否超过最大回收率, 如果超
过, 结垢会很快发生。 EI      D 在运行中可通过监视淡水流和浓水流的流 量与E I D 压力降的平方根, E I 测知 D 结垢或污染的
程度 :

结 语                
EI      D 装置与传统 D 混床相比较, I 有以下优点: 1      .无化学危险品使用, 基本无化学废物排放,
利于环保 ;

A      A互l
J压力降     

2      .可连续再生, 简单地启动运行和维护; 3 高纯的出水(      . 出水电阻>1.  ) 681 和高的回 Nn 收率, 降低了C s is T C指标, O ,  和 O S o 且不受入口

水质的波动或尖峰(PK ) S IE 的影响; 产品水的流量                     

了 玉 石f      -      (*
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x 的 数 伐 个

4 高的      . 性价比 采用无渗漏设计, 栈更换容易,
且无须停机 ; 有多种流量组合, 适应各种流量范围;

5 很小的占地面积,      . 适应恶劣环境的工业化设
浓水流量 计, 技术成熟, 应用广泛

六i 又t      不 丽 乏 石, 了 伐 个 i l 汞 f LI x的数 i 万 i
把淡水流量与压力降的平方根之比      和浓水流量 与压力降的平方根之比随着时间变化的情况绘成趋 势图、 如果最后改变到原始值的 20, 0 那么就需要 / ,
采取必要的措施, 包括确定是 自然的结垢, 还是污染 了, 并根据需要作出适当的清洗过程。 为保证 E 产出高质量的水,      I D 找电流必须满足 进水的离子负荷, 离子负荷越大, 需要更大的电流。

参考文献                
1 E C L T O es  n a 2 2 C L C r. .  E L M  wnr Ma ul  E E L  p - . - o

2 P R C e ,.  no d  At Hg -ui Wae .  y  n S Aos a H l i pry  t .  h l n .  ,  h t r
P o u t n  t T e ae t  o ua E eto eo i t n rd ci Wi o h  h L ts M d lr lcrd inz i ao

丁 cnl y ppr  sn d d  tbt a U r ue eho g ,  e peet a d r u d  ha r o a r e n i i e t  p s Wa r rp ' Sm oi A s ra 19,,5 t E oe  y ps m,  t dm,  92 e u 9 6  u m e 96
3 V. e ,  J Slet a d  , e tn A o ai n .  A ln N.  i sr n M F no , C mp r o l .  v i  s

如果要去除硅, 将需要更大的电流。 不同T A的进 E 水, 需要不同的电流, 对于大多数进水条件,A 栈 2/
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《 新技术新工艺》 机械加工与自 ? 动化 20 年 第1 期 01 1

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