EDI水处理技术的研究进展与展望 3页

'2015年3月第3期城市道桥与防洪防洪排水103EDI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30~71)摘要：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。关键词：电去离子；水处理；脱盐中图分类号：TU992．1文献标志码：A文章编号：1009—7716(2015)03—0103—03O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【雌出第一台商品化的EDI装置以来，EDI技术水平不断发展，尤其进入2O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浓水浓水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图1EDI过程原理图有广泛的应用口l。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1基本原理脂相和树脂相／膜表面)的界面上发生，树脂的连EDI膜堆(见图1)是由交替排列的阴、阳离子续电再生模型使得装置可以用来去除碳酸、硅酸交换膜和浓淡室隔板组成，将混床离子交换树脂等弱电离的物质[41。填充在电渗析器的淡室中，进入淡室的离子首先2EDI的应用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2．1纯水和超纯水的制备通道分别到达阴阳离子交换膜的表面，借助离子传统的纯水制备方法主要有蒸馏和离子交交换膜对阴阳离子具有的选择透过性，使得阴、阳换。采用蒸馏的方法不仅能耗高，而且效率低，目离子通过离子交换膜而进入浓室得到富集，淡室前已很少被采用；早期的超纯水主要来自于发电、则流出的是脱除了离子的淡水，从而完成脱盐过化工、医药、造纸等行业，可采用离子交换的方法程。制备。该方法的缺点是需要酸碱药剂再生失效的通常情况下，在EDI膜堆中有两种截然不同离子交换树脂，再生过程要消耗大量的清洗水；并的传质机制【3]即“增强传质”和“电再生”。在“增强且出水的总有机碳(TOC)含量较高『51。20世纪60传质”机制下，淡室中的树脂保持为盐型，这些树年代以后，膜技术在世界范围内兴起．微滤(MF)、脂颗粒作为离子在隔室中传递至离子交换膜表面超滤(UF)、反渗透(RO)、电渗析(ED)等先进的水的媒介；在“电再生”机制下，淡室中发生水解离现处理技术得到了长足发展。由于EDI有着高效的除盐功能，可以有效地收稿日期：2014—11-28替代传统的复床、混床，与反渗透系统的联合设作者简介：荣梅(1987一)，女，河北衡水人，工程师，从事给排水设计工作。计，一方面可以达到设计模块化，具有较高的灵活 104防洪排水城市道桥与防洪2015年3月第3期性；另一方面，可以免除化学药品的危险性、污染置运行4h后，NO和PO4的浓缩倍数分别为性；同时对SiO、CO：等弱电解质也有很高的去除4．8～6．8、2．7—4．0，出水离子浓度均低于0．1mg／L，率，因而ED1技术越来越受到重视。去除率大于97％；Ji—SukPark等fl2】采用倒极电渗目前，主要有美国、加拿大等的一些公司能够析(EDR)和倒极电去离子(EDIR)装置用来软化自提供大型化EDI装置，国外公司EDI装置的产水来水，经研究发现此装置不仅可以防止结垢现象，而量从数吨／h到数百吨／h不等；近年来，加拿大且经过处理后原水硬度由24．8mg／L降低到4mg／L；E—Cell公司推出EDI产品组件E—celIrM，并将组件采用EDR、EDIR过程能耗分别为21．3Wh／L产品水，组合最大产水量可达450t／h[；产品水水质可以提15．1Wh／L产品水，相比之下EDIR过程用于软化自高到16MQ·cm以上，接近纯水电导率的理论值来水更加经济适用。l8．3Mn·cmf。3EDI装置的优化在国内，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3．1EDI结构设计优化等一些单位曾做过填充床电渗析试验装置及相关通常生产的EDI膜堆主要有板框式和螺旋技术的研究，也取得一些科研成果，但是由于非技式。板框式是由电渗析装置的构造发展而来，板框术原因我国的填充床电渗析技术停滞了10多年；由两块夹紧板和拉紧螺栓与螺母紧固；板框内部可喜的是，近些年来国内研发EDI装置的单位逐为膜堆，每个膜对由阳离子交换膜、浓水隔板、阴渐增多，国产EDI产品在产水量、产水品质、耗能离子交换膜、淡水隔板构成；在淡室中装填离子交等方面已达到国际先进水平，已经应用于工程实换树脂，浓室和淡室交替排列。螺旋式EDI装置的践中。我国EDI技术市场已经处于快速发展阶段。外形类似于RO、NF、UF等膜组件，内部为螺旋式2．2重金属废水处理结构，最早由Christ公司I1]】设计出，其基本原理与传统的重金属废水处理方法有化学法、蒸发板框式装置相同，基本构造为：膜组件的中心为电浓缩法、离子交换法、电渗析法等。这些处理方法极芯，与外部的的反电极构成均匀电场，阴阳离子对较高浓度的重金属废水的处理有良好效果，但交换膜围绕电极芯旋转直到最外部反电极，在阴是对于处理100mg／L的低浓度重金属废水的效果阳离子交换膜之间填充混床离子交换树脂构成浓不明显，而且存在投资大、耗能高、易产生污染的淡室，隔室的边缘采用惰性人造树脂密封，不需要缺点。使用隔板。近期有研究者I14l设计了一种新型的模近年来，采用EDI技术处理重金属废水的研式，将传统的矩形隔板改成圆盘形隔板，用玻璃钢究逐渐增多『81，不仅分离效率高，而且投资少，污染材料的圆筒作为外部支撑装置；内部仍然采用板小，达到节约资源和保护环境的双重目的。Xiao框式构造、浓室、淡室交替排列。Grabowski等将Feng等I。1人设计一种新型构造的膜堆，膜堆由5个阴、阳树脂分别装填在两个相邻的淡室中，中间用独立的隔室构成，填充阳树脂的隔室通过两张阳双极膜隔开，再生树脂的H和OH由双极膜产膜与阳极室和浓室隔开；填充阴树脂的隔室通过生；此种方式不仅能够解决阴、阳树脂再生速率不两张阴膜与阴极室和浓室分开。用此装置处理含同步的问题；又能够增加淡室隔板的厚度，增加树有Ni、cu、zn、cd2+、Cr3等五种金属离子的电镀脂的填充量。废水金属离子去除率均达到99％以上，并且不会3．2填充材料的优化出现Ni(OH)等结垢现象。YunqingXing等【l0]研究由于EDI膜堆在淡水室中装填的混床离子交在水溶液中c以HCrO、CrO4、HCrO和换树脂，可以强化离子向交换膜表面的迁移传质Cr20z一等离子形式存在，这些离子均有毒性，对自过程。因此，EDI的性能很大程度上取决于其内部然和生态系统均有危害性，实验发现，经过处理的填充的离子交换树脂的性能，树脂的类别、颗粒废水中cr6+的浓度由最初的40—100mg／L降低至径、功能基团结构、交联度、交换容量、选择性系0．090．49mg／L；浓室回收液中Cr6+的浓度达到数、反离子的解离度以及溶液中电解质浓度均会6300mg／L~实验证明EDI技术可以高效的分离、对离子交换过程有影响。回收废水中的cr6+。Spoor等『l6l对交联度分别为2％、4％、8％的被2．3其它领域的应用镍离子饱和的阳离子交换树脂的再生过程进行了冯霄等⋯】研究表明EDI装置对水中低浓度实验研究，结论表明，交联度越低的树脂再生速率NO3一和PO43一等离子有良好的浓缩和脱除性能，装越快，再生率越高；Vasilyyuk等l171采用了具有磷酸 2015年3月第3期城市道桥与防洪防洪排水105基团的无机离子交换剂磷酸锆(ZrP—l，ZrP一2)填充【4]JonathanWood，JosephGiford，JohnArba，etc．ProductionofultrapurewaterbycontinuouselectrodeionizationfJ]．Desalination，于淡室中来去除溶液中铜离子，结果表明，当进水2010，250：973—976．铜离子的浓度为0～0．5mmol／L时，磷酸锆对铜离【5]沈晓鲤，宋国强，舒畅．EDI原理及其在纯水清洁生产中的应用子具有较高的选择性，去除效率也比较高。因此，[J】．环境科学与技术，2000(3)：41—43．在EDI装置中应当选择既具有高选择性系数，反【6】王方．电去离子净水技术[J】l膜科学与技术，2001，21(2)：50—54．离子迁移速率高，又具有良好导电性的离子交换【7]王建友．电去离~-(EDI)高纯水新技术及其研究进展【J]．上海化工，2000(21)：15—19．填充材料，以提高EDI膜堆的分离效率。[8】KoeneL，JansenLJJ．Removalofnickelfromindustrialprocess4结语liquids[J]．ElectrochimicaActa，2001，47(5)：695—703．[9】XiaoFeng，ZuchengWu，XuefenChen．RemovalofmetalionsfromEDI技术以其处理高效、工艺成熟、绿色无污eleetroplatingeffluenthyEDIprocessandrecycleofpurifiedwater染、市场前景广阔等优点正越来越受到关注，在许[J】．SeparationPurificationTechnology，2007，57：257—263．【10]YunqingXing，XuemingChen，PeidongYao，ete．Continuous多工艺领域得到广泛的应用，当前已经成为生产electrodeionizationforremov-alandrecoveryofCrfⅥ1from纯水的主流技术，在低浓度重金属废水处理、化工wastewater『J]．SeparationPurificationTechnology，2009，67：产品的浓缩分离等方面也展现出不可比拟的优123—126．势。但是，目前EDI仍然存在一些不足需要完善，[11]冯霄．电去离子技术浓缩与脱除水中重金属离子和营养盐研亟需在离子交换填充剂的研究、膜堆构造的设计、究【D】．浙江杭州：浙江大学，2008．工艺流程的完善、操作条件的控制、过程的自动控[12Jji—SukPark，Jung-HoonSong，Kyeong-HoYeon，etc．Removalofhardnessionsfromtapwaterusingelectromembraneprocesses[J]．制、技术标准的规范等方面进行深人和系统的研Desalination，2007，202：1-8．究，以促进EDI技术良好发展，推进EDI技术在工【13]PhilippeR，SamuelA，HansA．High-puritywaterproductionwith业领域的应用。thelatestmodularelectr-odeionizationtechnology[J】．UltrapureWater，1997(14)：4O一46．【14】L．Liang．EvolutionindesignofCEDIsystems『J]．UltrapureWater，参考文献2003，2O(8)：13-17．[1】GanziGC，EgozyY，GufridaAJ．Highpuritywaterby[15】AndrejGrabowski，GuiqingZhang，HeinerStrathmann，eta]．electrodeionization：PerformanceoftheionpurecontinuousProductionofhigh-puritywaterbycontinuouselectrodeionizationdeionizationsystems[J]．UltrapureWater，1987，4(3)：43-50．withbipolarmembranes：Influenceofconcentrateandprotection【2】GanziGC，WoodJH，Gfi~nC．WaterPurificationandRecyclingcompartment[J]．SeparationandPurificationTechnology，2008，60：86．UsingtheCDIProcess【J】．EnvironmentalProgress，1992，11(1)：[16】SpoorPB，GrabovskaL，KoeneL，eta1．Pilotscaledeionizationofa49-53galvanicnickelsolutionusingahybridion—exchange／electrodialysis【3】G．CGanzi．IonpureCDIEleetrodeionizationSystems：NewProductsystem[J]．ChemEngJ，2002，89(1—3)：193—202．andProcessDevelopme—tsforHishPurityWaterProduction，，New【17】VasilyukSL，MaltsevaTV，BelyakovVN．InfluenceofwaterDevelopmentsinIonExchangeMaterials，Fundamentalsandhardnessonremovalofcopperionsbyion-exchangeassistodApplications【A】．Tokyo，JapanPmceedingsoftheInternationalelectrodialysis[J]．Desalination，2004，162(1—3)：249—254．ConferenceonIonExchange，ICIE91，1991．广西与中国交通建设股份有限公司合建两条高速公路广西壮族自治区政府、广西交通投资集团分别与中国交通建设股份有限公司近日在北京签署《贵港至隆安高速公路项目投资协议》、《荔浦至玉林高速公路项目投资建设合作框架协议》。按照规划，两条高速公路总里程486km，预计总投资约400亿元。其中，贵港至隆安高速公路始于贵港，经宾阳、武呜，终于隆安，上接梧州至贵港高速公路，下接隆安至硕龙高速公路，是横贯广西中部东西向、连接滇桂粤的省际通道。荔浦至玉林高速公路经过桂林、梧州、贵港、玉林四市辖区，将与玉林至铁山港高速公路构成桂林及沿线地区出北部湾最便捷的大通道。'