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电去离子和树脂电再生技术的研究进展

 1  电去离子净水技术[1,2]

    1.1  原理

电去离子(electrodeionization,简称EDI)净水技术是一种将离子交换和电渗析膜技术相互有机地结合在一起、只用电来除去水中离子的脱盐净水的新方法,国内称之为填充床电渗析脱盐法。

1  EDI净水设备工作原理图

1—阴离子可透膜;2—阳离子可透膜;3—阴离子交换剂;

4—阳离子交换剂;5—浓水室;6—淡水室

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  EDI净水设备工作原理图

1—阴离子可透膜;2—阳离子可透膜;3—阴离子交换剂;

4—阳离子交换剂;5—浓水室;6—淡水室

 


1所示是EDI净水设备工作原理图。

EDI技术中,利用极化现象,在膜或树脂与水的界面上发生水的电离,使水电离出H+OH离子,它们不断自再生失效树脂,这一过程是EDI技术的核心基础。通俗地讲,在普通电渗析的淡水室内填充混合树脂,实现了

1)出水水质变好,在进水电导率 < 40 μS/cm下,出水电阻率达15MΩ·cm以上;

2)设备连续运行,树脂自行再生。

优点:

1)连续出水,不设备用设备;

2)工作稳定可靠,无人值守,为实现自动化创造条件;

3)自行再生,不消耗酸碱,环境效益好;

4)运行成本低,易于普及推广;

 

5) 能除细菌和热原,能除硅。

EDI与反渗透(RO)相结合的RO-EDI脱盐系统,将成为本世纪制备高纯水用的主流脱盐系统,将逐步代替离子交换。RO-EDI脱盐系统将不断提高市场占有率,有人估计将来可达85%左右。

    1.2  发展历史

1)国外:

1955年美国用EDI净水设备处理放射性废水;

1987年美国millipore公司首先实现EDI净水设备生产的产业化;

1991Ionics公司进行EDI净水设备改型,并实现产业化,

美国EDI净水设备产品:electropure Elix系列(Millipore公司),

E-cell(加拿大与日本合作,现已被美国通用电气公司收购),Ionpure

2)国内:

7080年代,实验研究进入用自来水一步制备高纯水的误区;

84年          原子能研究所制得1103型纯水器;

9697 清华大学EDI及相关技术研究成果:

《电去离子纯水器》实用新型专利 ZL96244874.5);

《等空隙填充床电渗析器》实用新型专利(ZL97221361.9);

《电去离子软水方法及所用装置》发明专利(ZL97116340.5);

《离子交换树脂的电再生方法及装置》发明专利 ZL96120791.4);

用反应叠加实用模型解释EDI过程。

972000  以下单位参与EDI研究:

天津大学和军事医学科学院;

杭州水处理技术研究开发中心;

外资湖州欧美公司(卷式EDI净水设备)

    1.3  现状

    我国开始进入EDI产品产业化的门槛,EDI产品的最大用户火力发电厂刚开始使用,电网内有120t/h EDI净水设备,宝钢自备电站有240t/h EDI净水设备。山东有67家自备电站使用EDI产品。中国是个大国,不是进口几台EDI净水设备就能满足要求。市场很大,产品利润空间还不小。利用国内离子交换膜等国产材料批量生产EDI设备逐步提高市场占有率,生产出价廉性能与国外产品相媲美的产品。

    2  离子交换电再生技术

    2.1  体外电再生系统[3~5]

EDI净水设备运行时膜和树脂与水的界面上不断地进行的水的电离,电离所产生的H+OH离子不断地再生着失效的离子交换树脂,从而使EDI净水设备的出水水质很好。因此,EDI净水设备运行中能再生失效树脂是其固有的特性,这一特性能否直接加以利用,也就是直接利用EDI净水设备来再生普通离子交换器中的失效树脂。这时,EDI净水设备变为用来再生失效树脂用的体外电再生器,只要源源不断地将失效树脂从进口送入,在直流电场的作用的下就有再生好的树脂从出口连续流出,在EDI净水设备体内,进行着树脂的电再生过程。这样,就利用这种体外电再生器代替了原来离子交换器再生所用的酸碱再生系统,实现了失效离子交换树脂的体外电再生。这种体外电再生失效树脂的系统如图2所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2  离子交换树脂体外电再生系统图

 

这种离子交换树脂体外电再生构思最初来源于EDI净水设备中水的电离,这一体外电再生系统正确性的直接验证是由目前正在使用的近万套EDI净水设备所提供的,这些EDI净水设备能可靠地运行不就是树脂电再生正在EDI净水设备中进行的例证吗?然而,人们并不满足于这种验证,设计了种种实验装置,演示了树脂电再生过程,测定了有关数据,论证了实施树脂电再生的可行性。

    2.2  可行性论证

1)河北建筑科技学院

李福勤等[6]受本树脂电再生法这一发明的启发,设计了淡水室为200mm×100mm×10mm EDI净水设备试验装置,测定了影响混床离子交换树脂电再生的有关参数。试验证实,该试验装置可使树脂充分再生,树脂再生的效果极好,试验显示了树脂电再生技术有良好的可行性。确定该试验装置的再生电压为30V,再生时间为40min,计算得出淡水室流速为0.51.0cm/s

用双极膜进行复床离子交换树脂电再生的试验研究,被列为河北省2000年科技攻关指导计划项目(00213093)。双极膜是阳离子交换树脂层、阴离子交换树脂层和中间界面亲水层所组成,在直流电场的作用下,它能将水直接电离成H+OH离子。李福勤等[7]用双极膜(上海产)将淡水室一分为二,双极膜两侧分别填充阴阳树脂,用该试验装置进行复床离子交换树脂电再生可行性的试验研究。试验结果表明,当再生电压为60V和再生时间为60min时,该树脂电再生装置可将失效树脂再生至接近化学再生的程度,显示了树脂电再生技术有良好的可行性。

2)天津大学

王建友等[8]曾在自制的EDI净水设备中填充盐基型混床树脂试验树脂电再生的可行性,以电导率为1018μS/cmRO出水作为该EDI净水设备的进水,通电运行约18 h,产品水的电阻率由0.3 MΩ·cm上升至15 MΩ·cm以上,使混床树脂得到有效的再生。因此,在一定的工艺条件下,用EDI净水设备可将NaCl型树脂电再生处理到接近乃至超过酸碱再生的程度[9]

3)北京国电龙源环保工程有限公司和华北电力大学

国家电力公司对离子交换树脂电再生技术的研究和开发工作,是由树脂电再生专利发明人王方教授建议、北京国电龙源环保工程有限公司申办的,并将它列为2001年国家电力公

 

司科技基金项目(SP-2001-02-25)。由于某种原因,专利发明人未参加此研究开发工作。

用自制的试验装置得出的研究结果表明,离子交换树脂经电再生后其工作交换容量可达到现场使用标准(300 mmol/L以上)。他们还用双极膜进行复床离子交换树脂电再生试验。试验表明,国产膜不能满足使用要求,而用日本膜可得到令人满意的电再生效果。

他们在实验中发现,再生效果的重现性差,在相同的实验条件重复6次实验,所测得的再生后树脂工作交换容量分别为288, 321, 163, 179, 204, 196 mmol/L。他们还发现,树脂破碎程度随着实验次数增多逐渐明显,而这会影响树脂再生效果。因此,测定了再生树脂的耐磨率,一般树脂的耐磨率的正常值为95%,而再生后的树脂的测定值仅为19.6%(阳树脂)和3.7%(阴树脂)。他们在论文[10]中惊呼:“使用过的树脂在进行耐磨率实验时,基本没有完整的圆形颗粒,绝大部分已成粉末”。他们对造成上述现象的原因分析是:“树脂颗粒发生了再生-失效-再生的循环过程,导致树脂颗粒无数次的膨胀-收缩-膨胀,从而使树脂易破裂,理化性能下降,再生效果不稳定。”

本文作者在用EDI净水设备产品进行10余次树脂电再生试验时并未观察实验数据不稳定和树脂破裂等现象。从事水处理的专业人士都知道,正常的树脂合格产品,放于固定床水处理设备中使用时,由于使用损耗,年补充率为7%左右;放于流动床水处理设备中使用时,年补充率为15%左右。在正常情况下,不会发生树脂使用几次就基本变成粉末的情况。国内外有近万套EDI净水设备在运行,也未见经短期使用树脂就变成粉末的报道。所以,从上述电再生试验中树脂仅经历6次电再生就破裂成末的现象,不难推断,上述电再生试验所用的树脂可能是伪劣树脂,或者是再生树脂(报废树脂经加工处理后再用)。如果上述电再生试验中用的树脂是伪劣产品,那就很容易解释树脂破裂和再生效果重现性差等现象了。从另一个角度看,上述电再生试验中所观察到的现象正好说明,失效树脂电再生的可行性,电再生也能使伪劣产品的失效树脂恢复一部分交换能力。

4)武汉艺达水处理工程有限公司和武汉大学

邹向群等[11]用自制的树脂电再生装置进行树脂电再生的试验研究。树脂电再生试验时,失效树脂从装置顶部间断送入,相应的已再生好的树脂从装置底部间断排出。试验结果如表1所示。从表1数据可见,用直流电对失效离子交换树脂可以进行一定程度的再生,再生过程中的电流效率随树脂再生度的提高而下降。表1中序号245树脂再生度的数据,还表明树脂再生度可局部提高,如按序号2中阳树脂从3.5%提高到44.3%,其次按序号4中阳树脂从44.4%提高到57.5%,再按序号5中阳树脂从85.4%提高到88.7%,这样分三步从很低的再生度3.5%提高到很高的再生度,这也间接说明该试验装置高度不够,树脂在试验装置内停留时间不够长,以致不能一步就实现树脂彻底再生。

 

1  阳、阴树脂电再生的试验结果[11]

序号

树脂

再生度 /

再生电流/A

再生时间

再生前

再生后

1

阳树脂

3.5

31.7

3.04.3

4.0

阴树脂

1.7

27.5

2

阳树脂

3.5

44.3

2.14.3

11.0

阴树脂

1.7

32.2

3

阳树脂

17

31.0

2.83.6

9.5

阴树脂

30.5

57.0

4

阳树脂

49.4

57.5

1.41.8

15.1

阴树脂

14.8

32.5

5

阳树脂

85.4

88.7

2.83.8

5.0

阴树脂

88.4

91.1

 

5)清华大学和保定环工机械电子有限公司

与上述试验研究中采用自制树脂电再生装置不同,这次试验采用EDI净水设备的产品,即采用美国Ionpure公司的1t/h EDI净水设备。由于EDI净水设备产品所选定的工艺参数对实现树脂电再生最合适,产品结构和性能也最完善,所以选定选用EDI净水设备产品作为树脂电再生的实验装置必定是最佳的选择。

在这次试验中,用RO装置的出水(电导率约13 μS/cm)或高纯水(电导率0.1 μS/cm以下)作为树脂电再生用EDI净水设备的进水,连续通水和通电,使EDI净水设备淡水室内的阴阳混合树脂电再生,直致出水电导率达到0.067μS/cm为止,记录EDI净水设备连续运行的时间。图3所示就是该试验得出的EDI净水设备出水电导率与再生延续时间的关系曲线。

时间/min

文本框: 电导率/μS•cm-1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


3  EDI净水设备出水电导率与再生延续时间的关系曲线

 

试验表明,EDI净水设备的进水水质越好,树脂电再生的时间越短。本试验所用的Ionpure产品,在其浓水室填充有导电树脂,因而在EDI净水设备运行时浓水室的电阻较小,在一定电压下所相应的电流就较大,本Ionpure产品的最大电流可达10 A,比上述的试验装置所用的电流都大,结果可缩短再生时间。该Ionpure产品经十余次失效-再生的树脂电再生试验得出,在3.57h内可将Ionpure产品内盐基型失效树脂完全再生为HOH型混合树脂。这时,往Ionpure产品内再送入RO出水,其产水电导率可在0.067μS/cm以下。再生延续时间的长短主要取决于再生所用的电流的大小。本试验的详细结果待发表。

    2.3  前景

离子交换树脂电再生是绿色水处理工艺,是现有离子交换水处理的工艺变革,适用于老厂改造,废除酸碱再生系统,改用体外电再生。也就是说,原有的离子交换器失效后,将树脂输送到体外电再生器(不装树脂的空EDI装置),树脂电再生后,回输到原离子交换器。

由于离子交换水处理是水除盐系统使用最广最通用的处理方式,如火力发电厂锅炉补给

 

水处理系统有90%以上均用离子交换法(近年来,推广RO技术,离子交换法的占有率有所下降),所以,这种离子交换树脂电再生的改造市场容量很大,按所消耗的酸碱量估算,国内市场为2030亿元。另外,还可出口占领国际大市场。因此,推广树脂电再生技术有巨大的经济和环保效益。

    3  结论

    1)  电去离子净水技术

在高纯水制备系统中,用EDI代替混床组成RO-EDI系统,由于这种系统是本世纪主流脱盐系统,所以EDI生产行业是个朝阳产业,有广阔的发展前景。这种EDI净水设备国外已产业化,国内尚未批量生产。当务之急是增加投资,吸取国外诸家之长,利用自主的知识产权,实现EDI净水设备的批量生产,逐步提高国产品的分额。

在电去离子软水方面,我国有50万台工业锅炉,从原有的离子交换软化器改用电去离子软水器,可不用盐再生,只消耗电,实现无人值守,软水自动化变革。由于软水器产品价位不高,但市场好,销售量大,推广电去离子软水器会有很好的经济效益[12]

2)  离子交换树脂电再生技术

对该技术可行性的研究表明,该技术产业化可行,混合树脂静态电再生已成功,尚需进一步开发流态化电再生。树脂与水两相流体外再生是一成熟的技术,只有运用得当,必将很快实现离子交换树脂电再生技术的产业化。

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