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电去离子运行过程中的结垢问题及防止措施

[导读]通过极水室和浓水室中填充离子交换树脂降低膜堆电阻的结构设计

预防结垢的膜堆设计 现有EDI技术对进水水质的要求比较苛刻,而在 实际工程应用中,由于原水负荷波动、EDI进水预处理 不合格等原因,EDI膜堆结垢问题屡屡发生,大量研究 者从膜堆结构设计方面出发寻找防止膜堆结垢的方法。 

1 浓水循环并添加酸、 阻垢剂防止膜堆结垢 众所周知,浓缩室内发生结垢主要在靠近阴离 子交换膜一侧。有研究报道[13-14],浓缩室靠近阴离子 交换膜一侧存在碱性环境,导致阴膜表面易结垢,向 循环运行的浓缩室加酸,使浓水室始终保持酸性,可 以抑制膜堆结垢的发生。文献[15]中提出在 EDI 装 置的浓水和电极水中加入阻垢剂。阻垢剂的加入,通 过络合增溶作用使硬度离子形成络合物和螯合物或 抑制沉淀微粒的成核、成长而防止结垢。虽然浓水循 环加酸、加阻垢剂可以防止结垢,但增加了化学药剂 的使用,可能降低出水质量,增加运行成本。 

2 特殊的浓室结构设计防止膜堆的结垢 有文献[16]提出在浓水室引入一张离子交换膜将浓室分成 2 个室,消除了 Ca2+、Mg2+ 离子向阴膜表 面的对流传递,避免了结垢。特殊的浓室结构设计虽 然可以减轻膜堆的结垢,延长膜堆的使用寿命,但其 实用性还有待验证。 

3 浓水室中添加离子交换树脂防止膜堆结垢 有研究者[17]提出在浓室填充阳离子交换树脂或 混合离子交换树脂,既可以增加浓水的导电性,降低 膜堆电阻,同时可以减少富集在浓水室阴膜表面的 硬度离子,防止结垢。已有国外 EDI 制造商如 Ionpure 开发了浓水室中装填离子交换树脂的 EDI 模块,在浓水室中装填树脂,既增加浓水的导电性, 避免了向浓水室中加盐,使浓水回用成为了可能,减 少了成本,同时又能减少了氯气的产生,延长膜堆的 使用寿命。 

4 改变浓、 淡水流的操作方式选择防止膜堆结垢 有研究者[17-18]提出了浓淡水流错流方式操作的 设想,同时在浓淡水室中都装填树脂,在这种设计 中,Ca2+、Mg2+ 离子从淡水进水端开始迁移通过阳离 子交换膜,在向阴极迁移的同时,它们又随着水流向 浓水出水端移动,阻止了 Ca2+、Mg2+ 离子向浓室阴膜 的富集,从而降低了浓室结垢的可能性。浓淡水错流 的操作方式已经在 EDI 膜堆的设计中得到了应用, 并且可以得到更稳定的高品质超纯水。 

5 其他方式防止膜堆的结垢 吴祖成等[19]提出了一种无结垢并回收阴阳离子 的电去离子净水装置及方法。原水先后流经填充阳 离子交换树脂的第一淡室和填充阴离子交换树脂的 第二淡室产生纯水,膜堆的构造使得浓室始终保持 酸性环境,抑制了阴膜表面的结垢。有研究者[20]提出 了分级去离子的方法,第一级电去离子在低电压下 先除去强电解质,第二级电去离子在较高电压下除 去弱电解质,从而避免了结垢。

6种方法的实用性都 有待实践的验证。 

7总结与展望 目前,国外主要 EDI 制造商一致要求尽量采用 二级反渗透作为 EDI 进水预处理工艺,主要是二级 反渗透预处理工艺能得到稳定的进水水质。虽然二 级反渗透能有效除去 EDI 进水中的硬度离子及 CO2,以防止 EDI 膜堆的结垢,然而反渗透的设计规 模庞大,第二级反渗透的能耗大,辅助设备和电控单 元的投资很大,使整个工艺的投资额都较大。国外也 有厂商采用一级反渗透工艺,虽然整体设备投资比 二级反渗透工艺节省很多,但是如果工艺中出问题,

会导致 EDI 进水水质不合格,另外,一级反渗透初 始不合格产水必须自动排放,以保证 EDI 进水水质 稳定。在工艺 1.2、1.3 中,CO2 的含量很低,即使进水 的硬度有一些超过了进水要求,EDI 仍然可以安全 运行。同时根据 EDI 对硬度小于 1 mg·L-1 的进水要 求,按照常规一级反渗透对硬度 98%的系统脱除率 计算,只要原水硬度在 50 mg·L-1 以下,反渗透之前 可以不用软化器。因此,在选择 EDI 的预处理工艺 防止 EDI 膜堆结垢,需协调好 EDI 系统运行的稳定 性和投资的合理性两大问题。 以 EDI 为核心的超纯水生产技术日趋成熟,必 将取代传统的以离子交换树脂床为代表的化学制水 技术,发展成为纯水技术的主流。解决 EDI 技术在 实际应用中的结垢问题,必将推动 EDI 技术的大规 模推广和应用。今后,EDI 进水预处理工艺的优化、 膜堆结构的创新设计、新型离子交换剂的开发将成 为 EDI 研究的重要方向。此外,还需加强有关 EDI 结垢问题理论研究,建立一套完整 EDI 运行规律的 理论体系,以指导 EDI 的生产、设计和应用。


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