EDI水處理技術的研究進展與展望

榮 梅,劉紅斌,王建友

(1.天津市市政工程設計研究院,天津市 300457;2.軍事醫學科學院,天津市 300161;3.南開大學,天津市 300071)

EDI水處理技術的研究進展與展望

榮 梅1,劉紅斌2,王建友3

(1.天津市市政工程設計研究院,天津市 300457;2.軍事醫學科學院,天津市 300161;3.南開大學,天津市 300071)

介紹了EDI技術的基本原理,綜述了EDI技術在純水制備、處理低濃度重金屬廢水、化工產品分離等領域的應用現狀,主要對膜堆結構、填充材料、床層結構的優化進行概述,分析了EDI運行過程的影響因素,提出了目前存在的問題并對未來EDI技術的發展進行展望。

電去離子;水處理;脫鹽

0 前言

電去離子(EDI)技術是將電滲析和離子交換有機結合的去離子工藝,在直流電場的作用下實現連續除鹽和樹脂的電再生,具有穩定、連續、無酸堿消耗的優點,因此成為一項新興的高效無污染的綠色生產技術。自從1987年美國Millipore公司［1］推出第一臺商品化的EDI裝置以來,EDI技術水平不斷發展,尤其進入20世紀以后,EDI裝置的市場規模不斷擴大,并逐漸成為超純水制備和低濃度重金屬離子廢水處理的主流技術,在電子、電力、醫藥、石油化工、汽車等眾多工業及實驗研究領域均有廣泛的應用［2］。

1 基本原理

EDI膜堆(見圖1)是由交替排列的陰、陽離子交換膜和濃淡室隔板組成,將混床離子交換樹脂填充在電滲析器的淡室中,進入淡室的離子首先經過離子交換吸附到樹脂顆粒的表面,然后在直流電場的作用下,沿著離子交換樹脂顆粒構成的通道分別到達陰陽離子交換膜的表面,借助離子交換膜對陰陽離子具有的選擇透過性,使得陰、陽離子通過離子交換膜而進入濃室得到富集,淡室則流出的是脫除了離子的淡水,從而完成脫鹽過程。

通常情況下,在EDI膜堆中有兩種截然不同的傳質機制［3］即“增強傳質”和“電再生”。在“增強傳質”機制下,淡室中的樹脂保持為鹽型,這些樹脂顆粒作為離子在隔室中傳遞至離子交換膜表面的媒介;在“電再生”機制下,淡室中發生水解離現象,實現樹脂被連續電再生為H型和OH型,水解離在反離子缺乏的隔室中優先在兩相(樹脂相/樹脂相和樹脂相/膜表面)的界面上發生,樹脂的連續電再生模型使得裝置可以用來去除碳酸、硅酸等弱電離的物質［4］。

圖1 EDI過程原理圖

2 EDI的應用

2.1 純水和超純水的制備

傳統的純水制備方法主要有蒸餾和離子交換。采用蒸餾的方法不僅能耗高,而且效率低,目前已很少被采用;早期的超純水主要來自于發電、化工、醫藥、造紙等行業,可采用離子交換的方法制備。該方法的缺點是需要酸堿藥劑再生失效的離子交換樹脂,再生過程要消耗大量的清洗水;并且出水的總有機碳(TOC)含量較高［5］。20世紀60年代以后,膜技術在世界范圍內興起,微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、電滲析(ED)等先進的水處理技術得到了長足發展。

由于EDI有著高效的除鹽功能,可以有效地替代傳統的復床、混床,與反滲透系統的聯合設計,一方面可以達到設計模塊化,具有較高的靈活性;另一方面,可以免除化學藥品的危險性、污染性;同時對SiO2、CO2等弱電解質也有很高的去除率,因而EDI技術越來越受到重視。

目前,主要有美國、加拿大等的一些公司能夠提供大型化EDI裝置,國外公司EDI裝置的產水量從數噸/h到數百噸/h不等;近年來,加拿大E-Cell公司推出EDI產品組件E-CellTM,并將組件組合最大產水量可達450 t/h［6］;產品水水質可以提高到16 MΩ·cm以上,接近純水電導率的理論值

18.3 MΩ·cm［7］。

在國內,從上世紀70年代起,核工業部原子能研究所、國家海洋局杭州水處理中心和742廠等一些單位曾做過填充床電滲析試驗裝置及相關技術的研究,也取得一些科研成果,但是由于非技術原因我國的填充床電滲析技術停滯了10多年［7］;可喜的是,近些年來國內研發EDI裝置的單位逐漸增多,國產EDI產品在產水量、產水品質、耗能等方面已達到國際先進水平,已經應用于工程實踐中。我國EDI技術市場已經處于快速發展階段。

2.2 重金屬廢水處理

傳統的重金屬廢水處理方法有化學法、蒸發濃縮法、離子交換法、電滲析法等。這些處理方法對較高濃度的重金屬廢水的處理有良好效果,但是對于處理100 mg/L的低濃度重金屬廢水的效果不明顯,而且存在投資大、耗能高、易產生污染的缺點。

近年來,采用EDI技術處理重金屬廢水的研究逐漸增多［8］,不僅分離效率高,而且投資少,污染小,達到節約資源和保護環境的雙重目的。Xiao Feng等［9］人設計一種新型構造的膜堆,膜堆由5個獨立的隔室構成,填充陽樹脂的隔室通過兩張陽膜與陽極室和濃室隔開;填充陰樹脂的隔室通過兩張陰膜與陰極室和濃室分開。用此裝置處理含有Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Cr3+等五種金屬離子的電鍍廢水金屬離子去除率均達到99%以上,并且不會出現Ni(OH)2等結垢現象。Yunqing Xing等［10］研究在 水 溶 液 中 Cr6+以 HCrO4-、CrO42-、HCrO7-和Cr2O72-等離子形式存在,這些離子均有毒性,對自然和生態系統均有危害性,實驗發現,經過處理的廢水中Cr6+的濃度由最初的40～100 mg/L降低至0.09～0.49 mg/L;濃室回收液中Cr6+的濃度達到6 300 mg/L。實驗證明EDI技術可以高效的分離、回收廢水中的Cr6+。

2.3 其它領域的應用

馮霄等［11］研究表明EDI裝置對水中低濃度NO3-和PO43-等離子有良好的濃縮和脫除性能,裝置運行4 h后,NO3-和PO43-的濃縮倍數分別為4.8～6.8、2.7～4.0,出水離子濃度均低于0.1 mg/L,去除率大于97%;Ji-Suk Park等［12］采用倒極電滲析(EDR)和倒極電去離子(EDIR)裝置用來軟化自來水,經研究發現此裝置不僅可以防止結垢現象,而且經過處理后原水硬度由24.8 mg/L降低到4 mg/L;采用EDR、EDIR過程能耗分別為21.3 Wh/L產品水, 15.1 Wh/L產品水,相比之下EDIR過程用于軟化自來水更加經濟適用。

3 EDI裝置的優化

3.1 EDI結構設計優化

通常生產的EDI膜堆主要有板框式和螺旋式。板框式是由電滲析裝置的構造發展而來,板框由兩塊夾緊板和拉緊螺栓與螺母緊固;板框內部為膜堆,每個膜對由陽離子交換膜、濃水隔板、陰離子交換膜、淡水隔板構成;在淡室中裝填離子交換樹脂,濃室和淡室交替排列。螺旋式EDI裝置的外形類似于RO、NF、UF等膜組件,內部為螺旋式結構,最早由Christ公司［13］設計出,其基本原理與板框式裝置相同,基本構造為:膜組件的中心為電極芯,與外部的的反電極構成均勻電場,陰陽離子交換膜圍繞電極芯旋轉直到最外部反電極,在陰陽離子交換膜之間填充混床離子交換樹脂構成濃淡室,隔室的邊緣采用惰性人造樹脂密封,不需要使用隔板。近期有研究者［14］設計了一種新型的模式,將傳統的矩形隔板改成圓盤形隔板,用玻璃鋼材料的圓筒作為外部支撐裝置;內部仍然采用板框式構造、濃室、淡室交替排列。Grabowski等［15］將陰、陽樹脂分別裝填在兩個相鄰的淡室中,中間用雙極膜隔開,再生樹脂的H+和OH+由雙極膜產生;此種方式不僅能夠解決陰、陽樹脂再生速率不同步的問題;又能夠增加淡室隔板的厚度,增加樹脂的填充量。

3.2 填充材料的優化

由于EDI膜堆在淡水室中裝填的混床離子交換樹脂,可以強化離子向交換膜表面的遷移傳質過程。因此,EDI的性能很大程度上取決于其內部填充的離子交換樹脂的性能,樹脂的類別、顆粒徑、功能基團結構、交聯度、交換容量、選擇性系數、反離子的解離度以及溶液中電解質濃度均會對離子交換過程有影響。

Spoor等［16］對交聯度分別為2%、4%、8%的被鎳離子飽和的陽離子交換樹脂的再生過程進行了實驗研究,結論表明,交聯度越低的樹脂再生速率越快,再生率越高;Vasilyyuk等［17］采用了具有磷酸基團的無機離子交換劑磷酸鋯(ZrP-1,ZrP-2)填充于淡室中來去除溶液中銅離子,結果表明,當進水銅離子的濃度為0～0.5 mmol/L時,磷酸鋯對銅離子具有較高的選擇性,去除效率也比較高。因此,在EDI裝置中應當選擇既具有高選擇性系數,反離子遷移速率高,又具有良好導電性的離子交換填充材料,以提高EDI膜堆的分離效率。

4 結語

EDI技術以其處理高效、工藝成熟、綠色無污染、市場前景廣闊等優點正越來越受到關注,在許多工藝領域得到廣泛的應用,當前已經成為生產純水的主流技術,在低濃度重金屬廢水處理、化工產品的濃縮分離等方面也展現出不可比擬的優勢。但是,目前EDI仍然存在一些不足需要完善,亟需在離子交換填充劑的研究、膜堆構造的設計、工藝流程的完善、操作條件的控制、過程的自動控制、技術標準的規范等方面進行深入和系統的研究,以促進EDI技術良好發展,推進EDI技術在工業領域的應用。

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TU992.1

A

1009-7716(2015)03-0103-03

2014-11-28

榮梅(1987-),女,河北衡水人,工程師,從事給排水設計工作。