Технология электродеионизации воды CEDI. Электродеионизация воды

Технология электродеионизации воды CEDI

Электродеионизация (ЭДИ) – это самый экономически выгодный процесс непрерывной полной деминерализации воды с использованием ионообменных смол, ионоселективных мембран и постоянного электрического тока (напряженного поля). Получаемая вода является ультрадеминерализованной, т.е. деионизованной, сопротивлением от 12 до 20 МОм*см, как после ионитных фильтров смешанного действия типа ФСД. Основной несущей силой процессов электродеионизации является разность потенциалов постоянного электрического поля (электрического напряжения) по обе стороны мембранного канала, образованного анионообменной и катионообменной мембраной, заполненного ионообменной смолой, смешанной с соотношении 66% (анионит) и 34% (катионит). Именно постоянное напряжение (разность потенциалов) обеспечивает пронизывающий перенос растворенных ионов из потока опресняемой воды через ионоселективные мембраны в сбрасываемый поток концентрированной воды, тем самым вызывая непрерывную регенерацию ионита (анионита и катионита). Исходной водой для данных систем CEDI может служить пермеат (опресненный поток) систем обратного осмоса, солесодержанием 0,1-10 мг/л. Применяются данные процессы в промышленных станциях водоподготовки отраслей фармацевтики, теплоэнергетики (в т.ч. атомной), в производстве полупроводников, современных чипов, микропроцессоров и пр.

Рис. 1. Принцип канального переноса ионов в потоке EDI

Единичным аппаратом для проведения электродеионизации является ячейка, которая состоит из чередующихся полостей, разделенных анион- и катионселективными мембранами. Полупроницаемые ионообменные мембраны расположены так, что образуют параллельные камеры, ограниченные электродами (катодом и анодом) с двух сторон. Исходная вода попадает в серию делюационных камер. Постоянный электрический ток пропускается через все камеры, вызывая миграцию ионов по направлению к соответствующим электродам. Катионообменная мембрана отделяет делюационную камеру от концентрационной. Концентрат рециркулирует в концентрационных камерах, способствуя перемешиванию и турбулизации потока над поверхностью мембраны и поддержанию электропроводности. Делюационные камеры, в которые подается исходная вода, заполнены одинаковыми по размеру и имеющими сферическую форму ионообменными смолами. Электрический ток делает возможным непрерывное перемещение ионов через ионообменную смолу, т.е. из потока исходной воды в поток концентрата. Электрический ток также разлагает молекулы воды на катионы водорода и анионы гидроксила. Ионы, попадающие в делюационную камеру, проходят сквозь ионообменные смолы и ионообменные мембраны в направлении градиента электрического потенциала и попадают в камеру концентрата. Концентрация ионов в делюационной камере будет уменьшаться (происходит деминерализация воды), а в концентрационной камере – увеличиваться (образуется рассольный концентрат). Использование ионообменных смол в делюационной камере – это отличительная черта процесса электродеионизации. Электрическое сопротивление через слой ионитов намного меньше, чем через разбавленный раствор, подающийся на EDI, поэтому делюационные камеры, наполненные ионообменной смолой, облегчают ионный перенос вдоль смешанного слоя смолы даже в случае сильно первоначально обессоленного раствора с высоким сопротивлением.

Рис. 2. Принципиальная схема EDI-потоков

Сам EDI-модуль содержит три типа проточных каналов: деминерализации (D-каналы), концентрата (C-каналы) и электролита (E-каналы) (рис. 1). Исходная вода поступает в D-каналы со слоями ионита, который сорбирует растворенные ионы в обмен на ионы гидроксила и водорода, перемещая их к соответствующим по заряду мембранам. Прошедшие через мембрану ионы попадают в С-канал и выносятся потоком концентрата. Основными параметрами регулирования ионных трансмембранных потоков являются: величина электрического потенциала, скорость потока в D-канале и соотношение потоков в D- и С-каналах, которое не должно допускать слишком высокого солесодержания в концентрате (концентрационной поляризации) и, как следствие, образования кристаллических осадков на поверхности мембран. Один D-канал, одна катионная мембрана, один С-канал и одна анионная мембрана вместе образуют EDI-ячейку. Сборка EDI -модуля делается кратной числу параллельно работающих EDI-ячеек. Концевые E-каналы содержат электроды, которые совместно с последней мембраной образуют Е-канал. Проходя через Е-каналы, поток концентрата обогащается трансмембранным ионным потоком от замыкающей мембраны. В катодный E-канал попадает также небольшое количество газообразного водорода, образующегося в результате восстановления протонов на катоде: 2H+ + 2e- = Н2. В анодный E-канал попадает небольшое количество газообразного кислорода и хлора, образующихся в результате окисления гироксил и хлорид-ионов: ОН- = 4e- + 2h3О + О2; 2Cl- = 2e- + Cl2. Поток из E-каналов отводится в дренаж, чтобы предотвратить хлорную и кислородную деструкцию мембран.

Гидравлический контроль, токовый контроль и приборы

Подход к конструкции систем EDI (CEDI), состоящих из некоторого числа модулей, аналогичен подходу в конструировании систем обратного осмоса, при этом модуль EDI схематично аналогичен обратноосмотическому элементу. Система управления и приборы подбираются для системы, а не для модуля. Для систем с небольшим количеством крупных модулей иногда целесообразно подбирать систему управления и контроля отдельно для каждого модуля.

В любом случае минимальный набор приборов, устанавливаемых для системы EDI, включает:

• расходомер для фильтрата (продукта)
• датчик низкого расхода для фильтрата
• датчики давления на входе/выходе продукта
• расходомер для концентрата
• датчик низкого расхода для концентрата
• датчики давления на входе/выходе концентрата
• вольтметр
• амперметр
• датчик проводимости фильтрата
• впускной клапан для фильтрата
• выпускной клапан для фильтрата
• впускной клапан для концентрата
• выпускной клапан для концентрата
• блокировки от систем обратного осмоса

Основной задачей гидравлического контроля является обеспечение возможности выравнивать перепад давления в камерах фильтрата и концентрата. Традиционно давление на выходе продукта поддерживается на уровне на 0,1-0,3 атм выше, чем давление на выходе концентрата, чтобы предотвратить течи из камер концентрата в камеры фильтрата. В прямоточных системах это достигается путем настройки впускных и выпускных клапанов.

Подача тока

Система энергоснабжения превращает переменный ток в постоянный ток, используемый в качестве движущей силы процесса электродеионизации. Ее функция аналогична функции насоса высокого давления в обратном осмосе.

Существует два режима управления энергоснабжением: постоянное напряжение и постоянный ток. В режиме постоянного напряжения напряжение остается неизменным, а ток меняется. Например, при падении температуры исходной воды, омическое сопротивление стэков увеличивается, а сила тока уменьшается. Этот режим успешно используется во многих установках, но может потребовать периодической ручной настройки напряжения для поддержания требуемого значения тока и обеспечения высокого качества продукта.

Режим постоянного тока предполагает автоматическую настройку напряжения с целью поддержания постоянной силы тока на заранее установленном уровне. Это позволяет избежать ручной настройки, но не исключает вмешательство оператора, так как требуемая величина тока меняется в зависимости от расхода фильтрата и ионной нагрузки воды.

Рис. 4. Ионное концентрирование через мембраны

Оптимальная система энергоснабжения предполагает наличие отдельного выпрямителя для каждого модуля системы. Таким образом, при поломке одного из выпрямителей система может успешно функционировать, пока выпрямитель находится в ремонте. Наличие отдельных выпрямителей обеспечивает гибкость мониторинга и контроля, а также оптимизацию подачи тока на каждый из модулей.

Одним из наиболее важных рабочих параметров системы EDI является электрическое сопротивление модулей – подаваемое напряжение, деленное на получившийся ток (согласно закону Ома Rэл=U/I). Повышение электрической сопротивляемости может свидетельствовать о наличии проблем, например, о выпадении осадка на поверхности ионообменной мембраны. Чем раньше выявлена и устранена проблема, тем реже возникает необходимость ремонта.

Рис. 5. Станция деионизации воды, электродеионизация EDI

www.sibecolog.ru

Электродеионизация. Требования к исходной воде

ЭЛЕКТРОДЕИОНИЗАЦИЯ

Технология электродеионизации основана на процессе, сочетающем в себе глубину обессоливания фильтров смешанного действия, непрерывность и безреагентность мембранных технологий. Основной единицей установок электродеионизации является ячейка ЭДИ, которая состоит из чередующихся камер, ограниченных с двух сторон ионообменными мембранами. Камеры обессоливания, заполненные смешанным слоем катионита и анионита, чередуются с камерами концентрирования, по которым обеспечивается циркуляция концентрата. Пермеат обратного осмоса, проходя через слой смолы, образует делюат высокой чистоты, а задержанные в слое смолы ионы под действием постоянного электрического тока мигрируют через мембраны и отводятся вместе с частью концентрата из петли циркуляции. Мембраны, в данном случае, остаются непроницаемыми для воды, а пропускают только ионы.

Такимобразом,ЭДИпредставляетсобойФСД,которыйпостоянно регенерируется при помощи мембран и постоянного электрического тока. Установка ЭДИ состоит из  обессоливающих аппаратов (стеков), блока питания (источникапостоянноготока),оборудованияКИПиА,блокауправления контроллером, установленных на раме.

Требования к исходной воде

Надлежащий уровень предочистки исходной воды – стандартное требование для оптимального протекания процесса ЭДИ. Существуют требования к уменьшению общего солесодержания, жесткости, концентрации твердых веществ и концентрации активного хлора. Главная лимитирующая стадия процесса ЭДИ состоит в осадкообразовании солей жесткости и других минеральных соединений на поверхности мембран. Хлор взаимодействует с ионитами и вызывает размыкание цепей ИО смол, что приводит к уменьшению ИО емкости. Твердые вещества, органические вещества и коллоиды могут вызвать образование отложений на мембране и в слоях ионитов.

Количество Na-катионированной  воды, поступающей на электродеионизационную установку:

- производительность электродеионизационной установки.

Процент извлечения очищенной воды 95%.

Количество концентрата, образующегося на ЭДУ:

.

Выбираем 4 блока электродеионизации GEMK3-18 METRIC производительностью по 67,6 м3/ч.

Требования к исходной воде для ЭДИ модулей Е-Сеll, производящихся компанией GE Water Technologies, следующие:

1.  Электропроводность (по NaCl): < 62 мкСм/см

2.  Концентрация СО2: < 10 мг/л

3.  Щелочность: < 0,4 мг-экв/л

4.  Жесткость: < 20 мкг-экв/л

5.  Концентрация силикатов: < 500 мкг/л (по SiO2)

Все ЭДИ модули имеют верхний температурный предел примерно равный 40°С, который обусловлен свойствами материалов прокладки и самой мембраны, а также анионита, присутствующего в делюационной камере.

Современные ЭДИ установки работают с очень высокой степенью извлечения: 90-95%. Это достигается тем, что большая часть потока концентрата рециркулирует, лишь небольшая его часть отбирается и сбрасывается.

Компания GE Water Technologies рекомендует степень извлечения 90% для исходной воды с жесткостью 20 мкг-экв/л. Если жесткость исходной воды меньше, чем 2 мкг-экв/л, то приемлемым является степень извлечения 95%.

Техническая спецификация:

Качество обессоленной воды после ЭДИ приведено в таблице  1.4

          Таблица 1.4

Даже относительно небольшая жесткость исходной воды может привести к образованию достаточного количества отложений в концентрационной и катодной камерах установки ЭДИ. Для удаления подобных осадков в концентрационной и катодной камерах применяется периодическая циркуляция моющего раствора с низким показателем рН (кислотного).

Обязательным условием длительной работы ячеек является минимальное значениевзвешенныхвеществиколлоидов, таккакотсутствуетоперация взрыхленияиобратнойпромывки,применяемаяприрегенерациифильтров смешанного действия. Это достигается путем использования в качестве начальных ступеней предочистки и обратного осмоса, в ходе которых полностью удаляются взвешенные вещества, коллоиды и крупномолекулярная органика.

vunivere.ru

Модули электродеионизации воды: варианты исполнения

6.2.3. Модули электродеионизации воды: варианты исполнения

Модули электродеионизации имеют два основных варианта исполнения: в виде фильтр-пресса и рулонного элемента.

В фильтр-прессных электродеионизаторах непрерывного действия, например, серии E - CELL фирмы «Osmonics» [248, 257, 258] или серии LX фирмы «Ionpure» [249, 259–262] каждый модуль содержит N С-каналов концентрата (воды, обогащенной растворенными примесями), N D-каналов фильтрата (исходной воды) и 2 приэлектродных E -канала электролита (рис. 6.11, 6.12). Каналы (камеры) разделены плоскими катионообменными и анионообменными мембранами.

Рис. 6.11. Внешний вид плоскорамного модуля электродеионизации воды

Рис. 6.12. Устройство плоскорамного модуля электродеионизации воды

Камеры представляют собой специальные, выполняющие одновременно роль герметизирующих прокладок, рамки с полостью, в которую помещен слой смеси ионитов, или она остается пустой. Рамки имеют каналы, соединяющие их друг с другом в определенной последовательности. По краям модуля размещаются приэлектродные камеры и сами электроды. Весь пакет герметизируется за счет стягивания шпильками.

Для увеличения производительности и снижения электросопротивления приэлектродных камер в них вводят раствор NaCl достаточно высокой концентрации или так же заполняют ионитами.

Поскольку на аноде при электролизе воды выделяются активные хлор и кислород, то он должен изготавливаться из химически стойкого материала. Обычно используют титан с нанесенным слоем платины или оксидов IrO / TiO2 . Материал катода, на котором выделяется неагрессивный водород – нержавеющая сталь.

В табл. 6.2 и 6.3 представлены данные по основным параметрам ЕДИ модулей типа E - CELL фирмы «Osmonics» и LX фирмы «Ionpure».

6.2. Параметры ЕДИ-модулей типа E - CELL фирмы « Osmonics » [248, 257, 258]

Режим работы модуля (стэка) должен находиться в определенных границах. Например для модулей типа E - CELL :

• Максимальная производительность, м 3 /час 2,84
• Минимальная производительность, м 3 /час 1,36
• Рабочее напряжение постоянного тока на модуле, В 600
• Максимальный рабочий ток, А 9

6.3. Параметры очищенной воды, обеспечиваемые модулями серии LX фирмы « Ionpure » [249, 259–262]

Опыт практического применения установок ЕДИ показывает, что для получения стабильного качества фильтрата с удельным сопротивлением не ниже 15 МОм*см требуется, чтобы электропроводность исходной воды не превышала 10–15 мкСм/см.

В процессе работы обратноосмотических установок качество фильтрата постепенно ухудшается, а иногда и сильно, например, вследствие резкого увеличения солесодержания исходной воды в паводковый период. Поэтому для обеспечения стабильной работы установок электродеионизации (а при солесодержании исходной воды более 500 мг/л – особенно) рекомендуется в качестве предподготовки перед системами EDI использовать двухступенчатые обратноосмотические установки.

Модули фильтр-прессного типа производства Ionpure серии VNX отличаются размещением всех мембран, прокладок, слоев ионита в герметичном цилиндрическом корпусе (рис. 6.13). Это гарантирует отсутствие протечек.

Модули серии VNX фирмы « Ionpure » обеспечивают параметры очищенной воды, приводимые в табл. 6.4.

6.4. Параметры ЕДИ модулей серии VNX фирмы « Ionpure »

Развитие конструкции и технологии производства ЭДИ-модулей позволило резко снизить их стоимость (рис. 6.14), что способствовало началу их внедрения в промышленные процессы обессоливания.

Принципиально другим вариантом исполнения ЭДИ-модулей являются рулонные элементы фирмы «Omexell», подразделения «Dow Water Solutions» [250, 260–263]. Такие элементы более компактны, герметичны, не содержат многочисленных прокладок, но пока они применяются в ограниченном количестве.

Рис. 6.13. Внешний вид и схема модуля электродеионизации воды фильтр-прессного типа Ionpure серии VNX , заключенного в трубчатый корпус

Рис. 6.14. Снижение стоимости модулей электродеионизации воды фирмы « Ionpure »

Внешний вид рулонного модуля показан на рис. 6.15. Он представляет собой центральный катод, относительно небольшой площади, вокруг которого в виде спирали (рулона) намотаны катионитная и анионитная мембраны, разделенные слоем смеси ионитов и сетчатыми разделительными прокладками. Анод размещен вокруг всего рулона.

Исходная вода поступает в модуль снизу и по спиральному в сечении D-каналу поднимается вертикально вверх через смесь ионообменных смол между двумя ионообменными мембранами. Содержащихся в воде ионы солей сорбируются на смеси ионитов и вода обессоливается. На выходе из D-канала получается деионизованная вода. Через элемент по радиусу пропускается постоянный ток, расщепляющий некоторое количество молекул воды на ионы H + и OH – , которые непрерывно регенерируют ионообменную смолу. Под действием электрического поля ионы солей, проходя через ионообменные мембраны, оказываются в спиральном С-канале, из которого они и удаляются через верхнюю часть центральной трубки потоком концентрата, который организуется путем вынужденной циркуляции специальным насосом. Для поддержания постоянной оптимальной концентрации солей в концентрате производится его частичный отвод из цикла и подпитка свежей исходной водой, как показано на рис. 6.15. Поток, омывающий анод, выводится отдельно.

Технические характеристики модулей « Omexell » приведены в таблице 6.5.

6.5. Параметры ЕДИ-модулей серии EDI -210 фирмы « Omexell »

Степень обессоливания воды, обеспечиваемая обоими типами модулей электродеионизации примерна одинакова. Требования к питающей воде практически совпадают, только для Omexell EDI -210 более жестко ограничивается мутность – 0,1 NTU . Выбор типа модуля для конкретного процесса производится по требуемым показателям цена-надежность-качество.

Рулонные модули разработаны также фирмой «Christ» и выпускаются под маркой SEPTRON [264–269]. Производитель не раскрывает их устройство, но заявленные характеристики близки к характеристикам модулей Omexell .

Сравнение плоскорамных и рулонных модулей электродеионизации воды приведено в работе [270].

www.mediana-filter.ru

Установки электродеионизации воды

Непрерывная деминерализация в условиях разности потенциалов электрического поля, происходящая при помощи ионообменных смол и ионселективных мембран, называется электродеионизацией.

Сразу стоит отметить, что этот процесс, требующий предварительной очистки воды обратным осмосом, считается самым перспективным для получения технологических жидкостей с удельным сопротивлением 18 МОм·см. К тому же он намного безопаснее для окружающей среды, чем ионообменная деионизация, поскольку не требует при регенерации ионитов применения химических реагентов.

АППАРАТ ЭЛЕКТРОДЕИОНИЗАЦИИ, КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ:

В основе электродеионизации лежит три процесса:

•  Ионный обмен, происходящий между ионами исходной воды и ионообменной смолы.
•  Постоянный вывод ионов через прослойку ионита и ионселективную мембрану в зону концентрации солей. 
•  Непрекращающаяся регенерация ионита ионами Н+ и ОН-, полученными в ходе электролиза молекул воды.

Таким образом, аппарат электродеионизации представляет собой блок с камерами-отсеками, которые ограничиваются катионопроницаемыми и анионопроницаемыми мембранами. Отсеки чередуются: те, в которые добавлена ионообменная смола, называются отсеками разбавления или опреснения, остальные – отсеками концентрирования. Введение шариков ионита повышает выход по току катионов и анионов и делает их перенос более полезным.

При подаче гальванического тока на катод и анод, ионы из камеры разбавления начинают мигрировать через шарики смолы и ионопроницаемые мембраны в камеры, где собирается концентрат. По окончании процесса рассол и глубоко очищенная вода выводятся по соответствующим трубопроводам.Восстановление ионита осуществляется за счет ионов водорода и гидроксила, которые образуются в ходе электролиза молекулы воды.

Сам аппарат электродеионизации может состоять из большого количества модулей и питаться от электросетей напряжением 220/380 Вольт. Все процессы в нем автоматизированы. Управление осуществляется при помощи панельного компьютера. В результате получается ультрачистая вода, которая востребована в микроэлектронике, теплоэнергетике, медицине.

Компания НТК Солтек, имея большой опыт в проектировании различных систем очистки воды для промышленной эксплуатации, предлагает профессиональный подход в выборе аппаратов электродеионизации, их доставку, монтаж и наладку модулей.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭДИ УСТАНОВОК:

• Производительность по деионизованной воде 0,5 – 150,0 м3/ч; 
• Степень извлечения деионизованной воды 90 – 99 %;
• Номинальная селективность: общая > 99 %
• По окиси кремнию и бору 90 – 99 %
• Входное давление 2 – 7 атм
• Удельное сопротивление деионизованной воды 16 - 18 Мом см
• Электропитание 3 х 380-400В, 50 Гц
• Мощность электрооборудования 0,5 – 95,0 кВт

ТРЕБОВАНИЯ К ИСХОДНОЙ ВОДЕ:

• Температура исходной воды, 0С +5 +40;
• Значение рН 4 – 11;
• Общая жесткость, мг-экв/л 0,02 – 0,04;
• Окись кремния, мг/л 1,0;
• Тяжелые металлы (Fe, Mn и т.п.), мг/л < 0,01;
• Сульфиды, мг/л < 0,01;
• Сильные окислители (хлор, KMnO4), мг/л < 0,01;
• Удельная проводимость( включая CO2), мкСм/см < 40

КОМПЛЕКТАЦИЯ ЭДИ УСТАНОВОК:

• ЭДИ модули;
• Электрический шкаф;
• Контроллер для управления работой установки;
• Блок контроля сопротивления / электропроводности;
• Ротаметры / расходомеры;
• Пробоотборники деионизованной воды и концентрата;
• Трубопроводы и арматура;
• Рамная конструкция

water-treatment.ru

Смотрите также

• 
  Бикарбонатная вода
• 
  Вода всколыбалася
• 
  Вода витаминная
• 
  Структуризация воды
• 
  Алкин вода
• 
  Реабсорбция воды
• 
  Вода завьяловская
• 
  Вода аквамарин
• 
  Карловарская вода
• 
  Сарыагаш вода
• 
  Вода тибетская