制备纯水用电去离子工艺的进展

摘  要：制备纯水用电去离子（EDI）工艺，在工业上已应用近20年了。为了改善EDI装置的性能、增加可靠性和降低系统的总费用，在这期间，已先后推出了第一代“薄室”、第二代“厚室”和第三代“圆盘式”结构EDI装置的种种系列产品，EDI工艺已在发电、电子、制药等行业得到愈来愈多地应用。本文通过对“薄室”、“厚室”和“圆盘式”这三代EDI装置发展历程的讨论，重点阐述作者所发明的圆盘式这种新型EDI装置的结构和特点。还讨论了EDI装置的进水水质要求和出水水质标准方面的问题：在讨论前者时，主要论及硬度、二氧化碳、氧化剂、温度和总有机碳等，而在讨论后者时，建议EDI膜堆产品水的电阻率达到10 MΩ·cm以上的产品为优质品；达到5 MΩ·cm以上的为合格品。

　　关键词：电去离子  电渗析  膜法水处理  进展

　　电去离子（EDI）是一种将电渗析与离子交换有机地结合在一起的膜分离脱盐工艺，属高科技绿色环保技术。EDI净水设备具有连续出水、无需酸碱再生和无人值守等优点，已在制备纯水的系统中逐步代替混床作为精处理设备使用。这种先进技术的环保特性好，操作使用简便，愈来愈多地被人们所认可，也愈来愈多广泛地在医药、电子、电力、化工等行业得到推广，至今，国际上已有3千多套EDI装置在运行，总容量已超过3万m3/h。

　　1955年美国Walters等[1]首先论述了EDI工艺，1984年我国核工业部原子能研究所研制出采用EDI工艺的1103型纯水装置样机，可惜未能实现产业化。1987年美国Millipure公司水工业分部 (其中部分人员后来组成了Ionpure公司)，首先实现EDI工艺的产业化[2]，以后，美国Ionics、Electropure等公司相继涉及该领域。市场竞争，促进了EDI技术的进步，EDI产品性能提高，制造成本不断下降。不少人预言，在21世纪，EDI与反渗透（RO）相结合的RO-EDI系统，将成为制备纯水的主流脱盐系统，EDI工艺推动水处理中的脱盐工艺全面实现绿色环保化。

　　1  薄室EDI装置

　　1996年以前，几乎所有的工业用EDI装置都采用板框式结构，类似于普通的电渗析器，只是在普通的电渗析器中的淡水室内填充有混床离子交换树脂，所以EDI装置又称填充床电渗析器。根据Ganzi[3]的试验研究，在相应的操作条件下，EDI装置淡水室的膜间距以1.0 mm和2.3 mm为较好，所以，大多数工业用EDI装置淡水室的膜间距都选在2.5 mm左右，并以此膜间距作为薄室EDI装置的标志。

　　目前在国内使用的薄室EDI装置多半为美国Electropure公司的产品，单个膜堆的容量有1、0.5、0.25 m3/h等，用于产水量为几 m3/h的小型制备纯水系统。这类薄室EDI装置称为第一代产品。多半用于电子、制药行业。

　　2  厚室EDI装置

　　为适应用户对大产水量EDI产品的需求，1997年加拿大与日本合作组成E-Cell公司（现已为美国GE公司所收购），推出单个膜堆基本产水量约为3 m3/h的EDI装置，利用膜堆并联可使EDI装置达到几百 m3/h的产水量，实现了EDI装置构成的模块化，从而变更并联膜堆数目就能达到增减EDI装置容量的目的。EDI装置可不设置备用装置，将每个膜堆制成标准件，当个别膜堆损坏时，只需将它从并联膜堆中解联，很快换上备用的新膜堆即可。厚室膜堆和模块化的设计，为广大EDI装置的用户所接受，很快使E-Cell的产品在EDI产品市场中占有最大的份额。厚室EDI 装置将淡水室的厚度增加至8 ~10 mm。使单个膜堆的产水量达到3 m3/h左右。每个膜堆精工制作，成为标准化模块，便于生产、使用和检修。

　　EDI装置淡水室中的填充物通常为离子交换树脂或纤维制成品，但以填充树脂居多。常采用阴、阳混合树脂实现等空隙填充。有人根据树脂导电机理的研究，提出将阴、阳树脂分层填充，称此填充方式为分层床；还提出将阴、阳树脂分离放置，称此填充方式为分离床。分层床和分离床这种新型填充方式，似乎没有取得明显的实效，反而增加了填充树脂的复杂程度，因而没有得到推广，大多数的EDI装置仍然采用混合树脂填充。

　　1996年起，美国Ionpure公司，从向模块化发展、增加可靠性和耐用性以及降低费用三方面，逐步推出厚室EDI装置。使膜堆结构更紧凑更坚固，也给系统设计提供更大的灵活性，这是采用如下措施的综合结果：

　　1）采用强度高的隔板材料，用工程塑料如聚砜代替聚乙烯；

　　2）隔板和膜之间用O形环密封，保证无泄漏；

　　3）浓水室填充导电树脂，无需浓水循环系统，无需加盐，无极水排放。

　　Ionpure公司的产品种类较多，除了小型膜堆和P系列和工业用H系列膜堆以外，2001年初又推出LX系列膜堆，其中包括工业用X系列膜堆。制备超纯水用UP系列膜堆和热水消毒用HWS系列膜堆。

　　近年来，国家海洋局杭州水处理技术开发中心等单位相继推出了类似E-Cell产品的EDI装置，在一定的范围内得到推广应用，为国内普及EDI净水技术做出了很有成效的贡献。

　　3  新型结构的EDI装置

　　为了使EDI膜堆的结构更为合理，更好地满足用户所提出的要求，本着改善EDI膜堆性能，改进加工工艺和制造方案，节省材料和减少劳务支出，使EDI装置性能更好，工作更可靠，增加耐用性和降低费用。最近，Ionpure公司，推陈出新，更新换代，推出了第三代EDI装置，称此为VNX产品。他们还对27.4 m3/h三代EDI装置制造费用的情况作了比较，第三代EDI装置的制造费用已比第一代产品降低了2/3，且已低于混床的制造费用[4]。

　　作者在推广原有厚室EDI膜堆的基础上，消化吸收国外先进技术，正在开发一种新型结构的EDI装置[5]，这种装置也属于第三代EDI装置。图1 为新型圆盘式EDI净水装置（双膜对）结构的剖面示意图；图2为新型圆盘式EDI净水装置18单元组装外观示意图。

　　由图可知，圆盘式EDI净水装置呈圆柱形，它包括圆盘形膜堆、圆盘形电极装置和圆盘形端部夹紧装置这三个主要部分，还包括圆柱形套筒和等边三角形支架这两个附属部分。

　　圆盘形膜堆由若干个膜对重叠叠放而成，每个膜对依次由阴离子交换膜5、淡水室空心隔板6、阳离子交换膜7、浓水室空心隔板8各一张组成，以固定的顺序交替排列（见图1）。淡水室空心隔板6的厚度为10 mm，浓水室空心隔板8的厚度为3～5 mm，其空腔中填充的离子交换材料均按等空隙填充法填充。如采用均相离子交换膜，则隔板和离子交换膜连接处要用O形密封圈密封；如采用异相离子交换膜，则就不必采用这种密封措施。并联排列的膜对数越多，一个EDI净水装置，可处理的水量就越大。
 

　　1—左端板；2—正电极隔板；3—正电极；4—正电极室；5—阴离子交换膜；6—淡水室空心隔板；

　　7—阳离子交换膜；8—浓水室空心隔板；9—负电极室；10—负电极；11—负电极隔板；

　　12—右端板；13—螺栓；14—圆柱形套筒；15—等边三角形支架。
　　图1  新型圆盘式EDI净水装置（双膜对）结构的剖面示意图
　　Fig.1  Schematic drawing of new EDI module with two disk-cell

　　电极装置设置在膜堆外侧两端，包括正电极隔板2 、正电极3、正电极室4、负电极室9、负电极10和负电极隔板11。电极装置中阳极是钌钛板、钌钛网、钌钛多孔板或石墨板，阴极是金属板、多孔不锈钢板或导电的石墨板。

　　夹紧装置设置在电极装置外侧两端，包括左端板1和右端板12，以及10对螺栓13，按一定顺序拧紧螺栓上的螺母，就可以将若干膜对、正电极隔板2、正电极3、负电极10、负电极隔板11、左端板1和右端板12压紧成一个整体装置。

　　圆柱形套筒14和等边三角形支架15是圆盘式EDI净水装置的附属部分，圆柱形套筒14作为圆盘形膜堆、圆盘形电极装置和圆盘形端板压紧装置这三个主要部分的侧面封闭用。等边三角形支架15位于圆柱形套筒两端，可供圆盘式EDI净水装置竖立放置或水平放置用。支架侧面有小螺栓，用来连接和固定各EDI净水装置单元，安装就位。各个EDI净水装置单元进出水用内连接管并联，各端板上均有管接头，连接很方便。

　　三个EDI净水装置单元可纵向连成一个标准部件，依靠等边三角形支架，几个标准部件可按某种几何形状连接就位，占地空间小，装卸方便。EDI净水装置单元，既可竖立放置，也可水平放置。

　　图2中，上图是18个竖立放置的EDI装置单元组合的正视图，下图是其俯视图，从图上可看到，6个等边三角形支架已组成1个等边六角形支架。

　　圆盘式EDI净水装置的特点如下：性能稳定，运行可靠；O形密封圈和圆柱形外套筒双层密封，不漏水；结构合理，材料利用充分；加工容易，费用低廉；占地空间小，管道简单；装卸方便，整体美观，具有模块化功能。

　　图2 新型圆盘式EDI净水装置18单元组装外观示意图

　　[8]Jonathan W and Joe G. Process and systems design for reliable operation of RO-CEDI systems[C]. Proceedings of the International Water Conference. Pittsburgh. Pa. 2004：42~50.