EDI水处理技术的研究进展与展望

荣 梅,刘红斌,王建友

(1.天津市市政工程设计研究院,天津市 300457;2.军事医学科学院,天津市 300161;3.南开大学,天津市 300071)

EDI水处理技术的研究进展与展望

荣 梅1,刘红斌2,王建友3

(1.天津市市政工程设计研究院,天津市 300457;2.军事医学科学院,天津市 300161;3.南开大学,天津市 300071)

介绍了EDI技术的基本原理,综述了EDI技术在纯水制备、处理低浓度重金属废水、化工产品分离等领域的应用现状,主要对膜堆结构、填充材料、床层结构的优化进行概述,分析了EDI运行过程的影响因素,提出了目前存在的问题并对未来EDI技术的发展进行展望。

电去离子;水处理;脱盐

0 前言

电去离子(EDI)技术是将电渗析和离子交换有机结合的去离子工艺,在直流电场的作用下实现连续除盐和树脂的电再生,具有稳定、连续、无酸碱消耗的优点,因此成为一项新兴的高效无污染的绿色生产技术。自从1987年美国Millipore公司［1］推出第一台商品化的EDI装置以来,EDI技术水平不断发展,尤其进入20世纪以后,EDI装置的市场规模不断扩大,并逐渐成为超纯水制备和低浓度重金属离子废水处理的主流技术,在电子、电力、医药、石油化工、汽车等众多工业及实验研究领域均有广泛的应用［2］。

1 基本原理

EDI膜堆(见图1)是由交替排列的阴、阳离子交换膜和浓淡室隔板组成,将混床离子交换树脂填充在电渗析器的淡室中,进入淡室的离子首先经过离子交换吸附到树脂颗粒的表面,然后在直流电场的作用下,沿着离子交换树脂颗粒构成的通道分别到达阴阳离子交换膜的表面,借助离子交换膜对阴阳离子具有的选择透过性,使得阴、阳离子通过离子交换膜而进入浓室得到富集,淡室则流出的是脱除了离子的淡水,从而完成脱盐过程。

通常情况下,在EDI膜堆中有两种截然不同的传质机制［3］即“增强传质”和“电再生”。在“增强传质”机制下,淡室中的树脂保持为盐型,这些树脂颗粒作为离子在隔室中传递至离子交换膜表面的媒介;在“电再生”机制下,淡室中发生水解离现象,实现树脂被连续电再生为H型和OH型,水解离在反离子缺乏的隔室中优先在两相(树脂相/树脂相和树脂相/膜表面)的界面上发生,树脂的连续电再生模型使得装置可以用来去除碳酸、硅酸等弱电离的物质［4］。

图1 EDI过程原理图

2 EDI的应用

2.1 纯水和超纯水的制备

传统的纯水制备方法主要有蒸馏和离子交换。采用蒸馏的方法不仅能耗高,而且效率低,目前已很少被采用;早期的超纯水主要来自于发电、化工、医药、造纸等行业,可采用离子交换的方法制备。该方法的缺点是需要酸碱药剂再生失效的离子交换树脂,再生过程要消耗大量的清洗水;并且出水的总有机碳(TOC)含量较高［5］。20世纪60年代以后,膜技术在世界范围内兴起,微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、电渗析(ED)等先进的水处理技术得到了长足发展。

由于EDI有着高效的除盐功能,可以有效地替代传统的复床、混床,与反渗透系统的联合设计,一方面可以达到设计模块化,具有较高的灵活性;另一方面,可以免除化学药品的危险性、污染性;同时对SiO2、CO2等弱电解质也有很高的去除率,因而EDI技术越来越受到重视。

目前,主要有美国、加拿大等的一些公司能够提供大型化EDI装置,国外公司EDI装置的产水量从数吨/h到数百吨/h不等;近年来,加拿大E-Cell公司推出EDI产品组件E-CellTM,并将组件组合最大产水量可达450 t/h［6］;产品水水质可以提高到16 MΩ·cm以上,接近纯水电导率的理论值

18.3 MΩ·cm［7］。

在国内,从上世纪70年代起,核工业部原子能研究所、国家海洋局杭州水处理中心和742厂等一些单位曾做过填充床电渗析试验装置及相关技术的研究,也取得一些科研成果,但是由于非技术原因我国的填充床电渗析技术停滞了10多年［7］;可喜的是,近些年来国内研发EDI装置的单位逐渐增多,国产EDI产品在产水量、产水品质、耗能等方面已达到国际先进水平,已经应用于工程实践中。我国EDI技术市场已经处于快速发展阶段。

2.2 重金属废水处理

传统的重金属废水处理方法有化学法、蒸发浓缩法、离子交换法、电渗析法等。这些处理方法对较高浓度的重金属废水的处理有良好效果,但是对于处理100 mg/L的低浓度重金属废水的效果不明显,而且存在投资大、耗能高、易产生污染的缺点。

近年来,采用EDI技术处理重金属废水的研究逐渐增多［8］,不仅分离效率高,而且投资少,污染小,达到节约资源和保护环境的双重目的。Xiao Feng等［9］人设计一种新型构造的膜堆,膜堆由5个独立的隔室构成,填充阳树脂的隔室通过两张阳膜与阳极室和浓室隔开;填充阴树脂的隔室通过两张阴膜与阴极室和浓室分开。用此装置处理含有Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Cr3+等五种金属离子的电镀废水金属离子去除率均达到99%以上,并且不会出现Ni(OH)2等结垢现象。Yunqing Xing等［10］研究在 水 溶 液 中 Cr6+以 HCrO4-、CrO42-、HCrO7-和Cr2O72-等离子形式存在,这些离子均有毒性,对自然和生态系统均有危害性,实验发现,经过处理的废水中Cr6+的浓度由最初的40～100 mg/L降低至0.09～0.49 mg/L;浓室回收液中Cr6+的浓度达到6 300 mg/L。实验证明EDI技术可以高效的分离、回收废水中的Cr6+。

2.3 其它领域的应用

冯霄等［11］研究表明EDI装置对水中低浓度NO3-和PO43-等离子有良好的浓缩和脱除性能,装置运行4 h后,NO3-和PO43-的浓缩倍数分别为4.8～6.8、2.7～4.0,出水离子浓度均低于0.1 mg/L,去除率大于97%;Ji-Suk Park等［12］采用倒极电渗析(EDR)和倒极电去离子(EDIR)装置用来软化自来水,经研究发现此装置不仅可以防止结垢现象,而且经过处理后原水硬度由24.8 mg/L降低到4 mg/L;采用EDR、EDIR过程能耗分别为21.3 Wh/L产品水, 15.1 Wh/L产品水,相比之下EDIR过程用于软化自来水更加经济适用。

3 EDI装置的优化

3.1 EDI结构设计优化

通常生产的EDI膜堆主要有板框式和螺旋式。板框式是由电渗析装置的构造发展而来,板框由两块夹紧板和拉紧螺栓与螺母紧固;板框内部为膜堆,每个膜对由阳离子交换膜、浓水隔板、阴离子交换膜、淡水隔板构成;在淡室中装填离子交换树脂,浓室和淡室交替排列。螺旋式EDI装置的外形类似于RO、NF、UF等膜组件,内部为螺旋式结构,最早由Christ公司［13］设计出,其基本原理与板框式装置相同,基本构造为:膜组件的中心为电极芯,与外部的的反电极构成均匀电场,阴阳离子交换膜围绕电极芯旋转直到最外部反电极,在阴阳离子交换膜之间填充混床离子交换树脂构成浓淡室,隔室的边缘采用惰性人造树脂密封,不需要使用隔板。近期有研究者［14］设计了一种新型的模式,将传统的矩形隔板改成圆盘形隔板,用玻璃钢材料的圆筒作为外部支撑装置;内部仍然采用板框式构造、浓室、淡室交替排列。Grabowski等［15］将阴、阳树脂分别装填在两个相邻的淡室中,中间用双极膜隔开,再生树脂的H+和OH+由双极膜产生;此种方式不仅能够解决阴、阳树脂再生速率不同步的问题;又能够增加淡室隔板的厚度,增加树脂的填充量。

3.2 填充材料的优化

由于EDI膜堆在淡水室中装填的混床离子交换树脂,可以强化离子向交换膜表面的迁移传质过程。因此,EDI的性能很大程度上取决于其内部填充的离子交换树脂的性能,树脂的类别、颗粒径、功能基团结构、交联度、交换容量、选择性系数、反离子的解离度以及溶液中电解质浓度均会对离子交换过程有影响。

Spoor等［16］对交联度分别为2%、4%、8%的被镍离子饱和的阳离子交换树脂的再生过程进行了实验研究,结论表明,交联度越低的树脂再生速率越快,再生率越高;Vasilyyuk等［17］采用了具有磷酸基团的无机离子交换剂磷酸锆(ZrP-1,ZrP-2)填充于淡室中来去除溶液中铜离子,结果表明,当进水铜离子的浓度为0～0.5 mmol/L时,磷酸锆对铜离子具有较高的选择性,去除效率也比较高。因此,在EDI装置中应当选择既具有高选择性系数,反离子迁移速率高,又具有良好导电性的离子交换填充材料,以提高EDI膜堆的分离效率。

4 结语

EDI技术以其处理高效、工艺成熟、绿色无污染、市场前景广阔等优点正越来越受到关注,在许多工艺领域得到广泛的应用,当前已经成为生产纯水的主流技术,在低浓度重金属废水处理、化工产品的浓缩分离等方面也展现出不可比拟的优势。但是,目前EDI仍然存在一些不足需要完善,亟需在离子交换填充剂的研究、膜堆构造的设计、工艺流程的完善、操作条件的控制、过程的自动控制、技术标准的规范等方面进行深入和系统的研究,以促进EDI技术良好发展,推进EDI技术在工业领域的应用。

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TU992.1

A

1009-7716(2015)03-0103-03

2014-11-28

荣梅(1987-),女,河北衡水人,工程师,从事给排水设计工作。