連續(xù)電去離子（EDI）
EDI（Elcctrodeionization）是一種將離子交換技術(shù)、離子交換膜技術(shù)和離子電遷移技術(shù)相結(jié)合的純水制造技術(shù)。它巧妙的將電滲析和離子交換技術(shù)相結(jié)合，利用兩端電極高壓使水中帶電離子移動，并配合離子交換樹脂及選擇性樹脂膜以加速離子移動去除，從而達到水純化的目的。
因而,這里的EDI系統(tǒng)是一種純水制造系統(tǒng)。
與傳統(tǒng)離子交換（DI）相比，EDI 所具有的優(yōu)點：
● EDI 無需化學(xué)再生,節(jié)省酸和堿；
● EDI 可以連續(xù)運行；
● 提供穩(wěn)定的水質(zhì)；
● 操作管理方便，勞動強度小；
● 運行費用低；
EDI 除鹽過程
一般自然水源中存在鈉、鈣、鎂、氯化物、硝酸鹽、碳酸氫鹽等溶解物。這些化合物由帶負電荷的陰離子和帶正電荷的陽離子組成。通過反滲透（RO）的處理，95%-99%以上的離子可以被去除。RO 純水（EDI 給水）電阻率的一般范圍是0.05-1.0MΩ·cm，即電導(dǎo)率的范圍為20-1μS/cm。根據(jù)應(yīng)用的情況，去離子水電阻率的范圍一般為5-18 MΩ·cm。另外，原水中也可能包括其它微量元素、溶解的氣體（例如CO2）和一些弱電解質(zhì)（例如硼，二氧化硅），這些雜質(zhì)在工業(yè)除鹽水中必須被除掉。但是反滲透過程對于這些雜質(zhì)的清除效果較差。因此，EDI 的作用就是通過除去電解質(zhì)(包括弱電介質(zhì))的過程，將水的電阻率從0.05-1.0MΩ·cm 提高到5-18 MΩ·cm。
圖1 表示了EDI 的工作過程。在圖中，離子交換膜用豎線表示，并標明它們允許通過的離子種類。這些離子交換膜是不允許水穿過的，因此，它們可以隔絕淡水和濃水水流。
離子交換膜和離子交換樹脂的工作原理相近，可以選擇性地透過離子，其中陰離子交換膜只允許陰離子透過，不允許陽離子透過；而陽離子交換膜只允許陽離子透過，不允許陰離子透過。在一對陰陽離子交換膜之間充填混合離子交換樹脂就形成了一個EDI 單元。陰陽離子交換膜之間由混合離子交換樹脂占據(jù)的空間被稱為淡水室。將一定數(shù)量的EDI 單元羅列在一起，使陰離子交換膜和陽離子交換膜交替排列，在離子交換膜之間添加特殊的離子交換樹脂，其形成的空間被稱為濃水室。在給定的直流電壓的推動下，在淡水室中，離子交換樹脂中的陰陽離子分別向正、負極遷移，并透過陰陽離子交換膜進入濃水室，同時給水中的離子被離子交換樹脂吸附而占據(jù)由于離子電遷移而留下的空位。事實上離子的
遷移和吸附是同時并連續(xù)發(fā)生的。通過這樣的過程，給水中的離子穿過離子交換膜進入到濃水室被去除而成為除鹽水。
帶負電荷的陰離子（例如OH-、Cl-）被正極（+）吸引而通過陰離子交換膜，進入到鄰近的濃水室。此后這些離子在繼續(xù)向正極遷移中遇到鄰近的陽離子交換膜，而陽離子交換膜不允許陰離子通過，這些離子即被阻隔在濃水中。淡水流中的陽離子（例如Na+ 、H+）以類似的方式被阻隔在濃水室。在濃水室，透過陰陽膜的離子維持電中性。
EDI 組件電流量和離子遷移量成正比。電流量由兩部分組成，一部分源于被除去離子的遷移，另一部分源于水本身電離產(chǎn)生的H+和OH-離子的遷移。
在EDI 組件中存在較高的電壓梯度，在其作用下，水會電解產(chǎn)生大量的H+和OH-。這些就地產(chǎn)生的H+和OH-對離子交換樹脂有連續(xù)再生的作用。
圖1 EDI 除鹽過程示意圖
EDI 組件中的離子交換樹脂可以分為兩部分，一部分稱作工作樹脂，另一部分稱作拋光樹脂，二者的界限稱為工作前沿。工作樹脂承擔著除去大部分離子的任務(wù)，而拋光樹脂則承擔著去除弱電解質(zhì)等較難清除離子的任務(wù)。
EDI 給水的預(yù)處理是EDI 實現(xiàn)其最優(yōu)性能和減少設(shè)備故障的首要條件。給水里的污染物會對除鹽組件有負面影響，增加維護量并降低膜組件的壽命。
EDI 的組件結(jié)構(gòu)
EDI 主要由以下幾個部分組成:
（1）淡水室將離子交換樹脂填充在陰、陽離子交換膜之間形成淡水單元。
（2）濃水室在相鄰淡水單元中間添加樹脂，形成濃水室。
（3）極水室在電極板與相鄰離子交換膜中間添加樹脂，形成極水室，一個組件中有正、負兩個極水室。
（4）絕緣板和壓緊板
（5）電源及水路連接
供電
直流電源是使離子從淡水室進入濃水室的推動力。另外，局部的電壓梯度使得水離解為H+和OH-并使這些離子遷移，由此實現(xiàn)組件中的樹脂再生。膜塊運行的電壓由膜塊內(nèi)阻和最佳工作電流決定。
EDI 直流電源的紋波系數(shù)應(yīng)小于等于5%。
純水質(zhì)量與電流的關(guān)系
獲得高質(zhì)量的純水對應(yīng)著一個最佳電流量。若實際運行電流低于此電流，產(chǎn)品水中離子不能被完全清除，部分離子被樹脂吸附，短時間內(nèi)產(chǎn)水水質(zhì)較好，當樹脂失效后，產(chǎn)水水質(zhì)大幅下降；若實際運行電流過多的高于此電流，多余的電流引起離子極化現(xiàn)象使產(chǎn)品水的電阻率降低。
電流與給水水質(zhì)的關(guān)系
可以把給水中所有離子(如Na+、Cl-、 HCO3-等)和在EDI 組件中可轉(zhuǎn)化成離子的物質(zhì)（如CO2 、SiO2 等）的總和稱為總可交換物TES (Total Exchangeable Substance)。TES 以碳酸鈣計，單位是mg/L 或mg/L。TES 是TEA（Total Exchangeable Anion）和TEC (TotalExchangeable Cation) 的總和。
EDI 工作電流與EDI 組件中離子遷移數(shù)量成正比。這些離子包括TES，也包括由水離解產(chǎn)生的H+、OH-。水離解產(chǎn)生的H+、OH- 擔負著再生EDI 拋光層樹脂的作用，因此是必要的。水的電離速率取決于電壓梯度，因此當施加于淡水室的電壓較高時， H+、OH-遷移量也大。值得注意的是過大的電壓梯度將使離子交換膜表面產(chǎn)生極化，影響產(chǎn)品水水質(zhì)。
每個組件最佳工作電流與給水的TES 和純水水質(zhì)要求有關(guān)。如果給水水質(zhì)較好，運行電流量可能接近或低于2A，如果給水水質(zhì)較差，運行電流量可能接近6A，當水質(zhì)太差時，EDI 無法正常工作。
由于二氧化碳和二氧化硅對TEA 有貢獻，因此TEA 經(jīng)常會大于TEC。因而用TEA計算最佳工作電流更準確�？梢愿鶕�(jù)以下經(jīng)驗公式估算最佳工作電流量：
C(A) = 0.22 x TEA(mg/L)。
事實上，工作電流還與總可交換物質(zhì)的組成有關(guān)，因此以上經(jīng)驗公式只能提供一個粗略的估算值，實際調(diào)試時的電流應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況仔細調(diào)試才能確定。
3.2.4 穩(wěn)定運行狀態(tài)
運行條件改變后，組件將需要運行8－24 個小時才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)是指進出組件的離子達到物料平衡。
如果電流降低或給水離子總量增加，拋光層樹脂將會吸收多余的離子。在這種狀態(tài)下，離開組件工作樹脂層的離子數(shù)將小于進入組件的離子數(shù)。最后達到新的穩(wěn)定狀態(tài)時離子遷移速率和給水離子相協(xié)調(diào)。此時，離子交換樹脂的工作前沿將向出水端移動，拋光層樹脂總量減少。
如果電壓升高或給水離子濃度減小，樹脂將會釋放一些離子進入濃水，離開組件工作樹脂層的離子數(shù)將大于進入組件的離子數(shù)。最后達到新的穩(wěn)定狀態(tài)時離子遷移速率和給水離子相協(xié)調(diào)。此時，離子交換樹脂的工作前沿將向給水端移動，拋光層樹脂總量增加。
進出組件的離子達到物料平衡是判斷EDI 組件是否處于穩(wěn)定運行狀態(tài)的有效手段。
嚴重警告:當電流通過EDI 膜塊時會產(chǎn)生熱量。在EDI 運行過程中必須用水流將熱量全部帶出。因此，當EDI 淡水、濃水水流不暢或停止時必須停止供電，否則將使EDI 膜塊徹底燒壞。
給水要求
以下每項指標均是保證EDI 正常運行的必要最低條件，為了使系統(tǒng)運行結(jié)果更佳，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)適當提高。
l 給水：二級反滲透或單級反滲透產(chǎn)水。
l TEA（總可交換陰離子，以CaCO3 計）：<35mg/L。
TEA 包括所有陰離子及以陰離子形式被EDI 除去的物質(zhì)。由于水中所含的 CO2 、SiO2 和H3BO3 以HCO3- / CO32-、HSiO3- / SiO32-和B(OH)4-的形式被EDI 清除，根據(jù)經(jīng)驗計算TEA 時分別以電荷為-1.7、-1.5 和-1.0 計。給水中HCO3- 也有一部分是以CO32-形式被清除，在計算TEA 時電荷也以-1.7 計。TEA 計算公式如下：
TEA=50[CCl-/35.5+2CSO42-/96+1.7CCO2/44+1.7CHCO3-/61+1.5CSiO2/60+ …]
其中所有物質(zhì)濃度均以mg/L 計
l pH ：6.0～9.0
當總硬度低于0.1mg/L 時，EDI 最佳工作的pH 范圍為 8.0～9.0。
注：PH 是入水的參考指標，其是影響入水CO2 含量的指標之一。
l 溫度： 5-35°C。
l 進水壓力：<4bar（60psi）。
濃/極水的入口壓力一般低于產(chǎn)品水的出口壓力0.3-0.5kgf/cm2。
l 硬度（以CaCO3 計）：<10.0 mg/L。
注意：EDI 工藝需要限定進水硬度以免結(jié)垢。在進水硬度 <10.0 mg/L 時，Canpure™ EDI系統(tǒng)最高的回收率是 100%，濃極水可以回收利用。在進水硬度超過10.0mg/L 時運行Canpure ™ EDI 膜塊，會造成結(jié)垢和不可修復(fù)的損壞，應(yīng)與坎貝爾公司聯(lián)系。
l 有機物（TOC）：<0.5 mg/L。
l 氧化劑：Cl2<0.05 mg/L，O3<0.02 mg/L。
l 變價金屬：Fe<0.01 mg/L，Mn<0.01 mg/L。
鐵錳離子對離子交換樹脂有中毒作用。而對于EDI，鐵錳離子對樹脂的中毒現(xiàn)象要比混床嚴重很多倍。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的：（1）由于在EDI 陰膜附近pH值很高，致使鐵錳在該區(qū)域中毒現(xiàn)象較明顯；（2）混床在運行時陽離子交換樹脂不斷釋放氫離子，這些氫離子在局部對中毒的離子交換樹脂有洗脫作用；（3）在用酸對混床中的陽離子交換樹脂再生時對中毒鐵錳有洗脫作用；（4）由于EDI 中樹脂總量較少，使全部樹脂中毒的時間也比混床短很多倍。由于這些原因，當給水鐵或錳含量超標時，EDI 膜件可能在幾個至幾十個小時內(nèi)中毒。
另外變價金屬對離子交換樹脂的氧化催化作用，會造成樹脂的永久性損傷。
l H2S ：<0.01 mg/L。
l 二氧化硅 ：<0.5 mg/L。
l SDI 15min：<1.0。
l 色度: <5 APHA 。
l 二氧化碳的總量：二氧化碳含量和pH 值將明顯影響產(chǎn)品水電阻率。如果CO2 大于10 mg/L，Canpure ™EDI 系統(tǒng)不能制備高純度的產(chǎn)品水。可以通過調(diào)節(jié)反滲透進水 pH值或使用脫氣裝置來降低CO2 量。
l 電導(dǎo)率: <60μS/cm。
電導(dǎo)率只能作為EDI 運行的一個參考性指標。
污染物對除鹽效果的影響
對EDI 影響較大的污染物包括硬度（鈣、鎂）、有機物、固體懸浮物、變價金屬離子（鐵、錳）、氧化劑（氯，臭氧）。
設(shè)計RO/EDI 系統(tǒng)時應(yīng)在EDI 的預(yù)處理過程除去這些污染物。給水中這些污染物的濃度限制見以下章節(jié)。在預(yù)處理中降低這些污染物的濃度可以提高EDI 性能。其它有關(guān)EDI 設(shè)計策略將在本手冊其它部分詳述。
氯和臭氧會氧化離子交換樹脂和離子交換膜，引起EDI 組件功能減低。氧化還會使TOC 含量明顯增加，污染離子交換樹脂和膜，降低離子遷移速度。另外，氧化作用使得樹脂破裂,通過組件的壓力損失將增加。
鐵和其它的變價金屬離子可對樹脂氧化起催化作用和使樹脂中毒，永久地降低樹脂和膜的性能。
硬度能在EDI 單元中引起結(jié)垢。結(jié)垢一般在濃水室陰膜的表面發(fā)生，該處pH 值較高。濃水區(qū)形成一定的垢斑后，垢斑處的水流量降低，由電流形成的熱量無法轉(zhuǎn)移，最終會將膜燒壞。
懸浮物和膠體會引起膜和樹脂的污染和堵塞，樹脂間隙的堵塞導(dǎo)致EDI 組件的壓力損失增加，會引起膜過熱燒毀。
有機物被吸附到樹脂和膜的表面導(dǎo)致其被污染，使得被污染的膜和樹脂遷移離子的效率降低，膜堆電阻將增加。
離子所帶電荷越多，使之通過離子交換膜需要供給的電壓越大，另外，這些離子有較高的水合度，而較大并較重的離子擴散速度也較慢。
組件的清洗及維護
l 在運行中，如果將較差的給水引進組件，或者電源不足，就會增加維修工作量。
l 給水中主要引起污染的是有機物、硬度和鐵。
l 給水硬度較高將引起離子交換膜濃水側(cè)結(jié)垢，而使純水水質(zhì)降低。給水硬度、溶解的CO2 和高pH 會加速結(jié)垢。可以用適當?shù)乃崛芤呵逑次酃�。清洗過程請參考附錄。
l 給水中的有機物污染，會在離子交換樹脂和離子交換膜表面形成薄膜，因而將嚴重影響離子遷移速率，因此影響純水水質(zhì)。當發(fā)生此現(xiàn)象時，純水室需用適當?shù)那逑磩┣逑�。有機物清洗過程請參考附錄。
l 如果EDI 組件在無電或給電不足的情況下運行，淡水室內(nèi)離子處于離子飽和狀態(tài)，純水的水質(zhì)會降低。為了再生離子交換樹脂，將水流通過組件，并慢慢增加電源供應(yīng)電壓，使被吸附的離子遷移出系統(tǒng)而對樹脂進行再生。樹脂再生時，組件應(yīng)在較高電流和較低水流量的條件下運行。
l 警告：如果電源沒有過流保護，注意不要超過電源的供電容量。
系統(tǒng)開機運行程序
開機前檢查
l 1) 必須仔細閱讀Canpure ™ EDI 的設(shè)計與使用手冊，并明確控制面板的內(nèi)容。
l 2) 檢查所有的水管道和電路連接。
l 3) 調(diào)校儀表。
l 4) 檢查各流量開關(guān)動作是否正常。
l 5) 檢查電源系統(tǒng)輸出是否正常。
l 6) 準備好數(shù)據(jù)表格和運行記錄本，記錄起始數(shù)據(jù)和觀察到的任何現(xiàn)象。
開機運行程序
l 1) 打開EDI 系統(tǒng)控制電源。
l 2) 開啟EDI 給水泵，將純水入水和濃、極水補水調(diào)節(jié)閥緩慢旋開。
l 3) 觀察EDI 入水的電導(dǎo)率，超過設(shè)定值時自動排放，水質(zhì)合格后入水閥打開，排水閥關(guān)閉。
l 4) 對濃、極水、純水管道實行脈沖供水以進一步從EDI 系統(tǒng)中排出空氣。在啟動時除去空氣很重要，因為組件里的氣體會影響流量和產(chǎn)品水電阻率。
l 5) 調(diào)節(jié)使純水壓力和流量、濃極水壓力和流量均達到設(shè)計范圍。
l 6) 檢查濃極水和純水的壓力損失是否正常。
l 7) 啟動EDI 電源供電系統(tǒng)，慢慢旋動“電流調(diào)節(jié)”鈕至規(guī)定電流。
l 8) 觀察純水的產(chǎn)量及出水水質(zhì)，水質(zhì)超過設(shè)定值時，超標排放閥自動打開。
l 9) 檢查組件的初始電流。初始電流一般要高于正常運行電流，多個組件并聯(lián)時，
l 兩個組件的初始電流應(yīng)當近似。
l 10) 檢查組件進出離子的物料平衡。如果正在再生則排出離子數(shù)多于進入的離子數(shù)，如果給電不足則相反。
l 11) 檢查所有開關(guān)裝置、流量傳感器，設(shè)置是否合理且正確信號被送到控制中心。
l 12) EDI 運行幾個小時之后，水質(zhì)、電流應(yīng)趨于穩(wěn)定。
l 13) 記錄電壓、電流、進出水水質(zhì)和產(chǎn)品水、濃極水的流量以及運行時間。
l 14) 運行中如果出現(xiàn)過載保護，當故障排除后才能按下復(fù)位開關(guān)重新工作。如果過載保護頻繁出現(xiàn)，應(yīng)停機仔細檢查，并對運行參數(shù)做適當調(diào)整。
關(guān)機程序
l 1) 關(guān)閉有關(guān)閥門
l 2) 切斷EDI 給水泵的電源。
l 3) 關(guān)閉EDI 系統(tǒng)控制電源。 |
