頻繁倒極電滲析設(shè)備在制造純水技術(shù)中的應(yīng)用

一、 頻繁倒極電滲析（EDR）及反滲透（RO）的脫鹽機(jī)理

頻繁倒極電滲析技術(shù)（EDR）是在電滲析（ED）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，ED是利用陰、陽(yáng)離子交換膜交替排列于正、負(fù)電極之間，并通過(guò)有特定性能的隔板將兩張膜隔開(kāi)，組成濃水和淡水兩個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)向隔室通入陰陽(yáng)離子的含鹽水、在直流電場(chǎng)作用下，淡水隔室的陽(yáng)離子如Na＋，向陰極遷移，陰離子如Cl－向陽(yáng)極遷移，Na＋和Cl－分別透過(guò)陽(yáng)離子交換膜CM和陽(yáng)離子交換膜AM而遷移到相鄰的隔室中去。這樣淡水隔室中的陰、陽(yáng)離子濃度逐漸降低，濃水隔室中的陰、陽(yáng)離子濃度逐漸升高，從電滲析器中就能源源不斷地流出淡化水和濃縮液〔2〕。其脫鹽率可從45~99％選擇。

EDR是根據(jù)上述原理，每隔一定時(shí)間，正負(fù)電極極性相互 倒換－稱頻繁倒極，同時(shí)濃水隔室和淡水隔室亦相應(yīng)調(diào)換，起到自動(dòng)清洗離子換交膜和電極表面形成的污垢，以確保脫鹽率長(zhǎng)期穩(wěn)定，EDR的流程如圖2所示，EDR從70年代的成功開(kāi)發(fā)，近十年成功地把電子控制技術(shù)引入EDR控制系統(tǒng)，使得EDR應(yīng)用越來(lái)越廣。我國(guó)的EDR與美國(guó)和日本的EDR技術(shù)基本相接，但價(jià)格卻有很大的優(yōu)勢(shì)，從而有十分廣泛的應(yīng)用前景。

反滲透（RO）是以壓力為推動(dòng)力，利用高分子分離膜的透水特性，從而使水質(zhì)中有機(jī)物、微生物和無(wú)機(jī)鹽類從水中分離，達(dá)到提純?nèi)軇ㄋ┑哪康?。目前市?chǎng)上使用高分子分離膜（RO膜）大部分來(lái)自于美國(guó)Hydranautics公司和DOW Chemcal公司，在純水制造上以芬香族聚酰胺復(fù)合膜為主，其*低脫鹽能力可達(dá) 99.0%〔3〕。

國(guó)內(nèi)反滲透的應(yīng)用始于70年代后期，*早用于電子、半導(dǎo)體純水，90年代起在飲用水處理方面獲普及，并且進(jìn)入到家庭飲用純水。目前在飲用純水方面以RO為主的工藝占主導(dǎo)地位，直接或配合使用EDR則較少，其主要原因有兩個(gè)方面：一方面，RO機(jī)組的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，一般在RO膜銷售商的簡(jiǎn)單指導(dǎo)下即可生產(chǎn)。另一方面，制造周期短，一臺(tái)普通反滲透機(jī)組只需1~2周即可組裝完畢。但是RO制造純凈水工藝在流程設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面卻出現(xiàn)不少問(wèn)題，較為普遍的問(wèn)題有：（1）脫鹽率不高，出水電導(dǎo)率達(dá)不到要求。（2）采用二級(jí)RO處理，投資成本很高。（3）預(yù)處理增加軟化流程，使制水成本提高。（4）結(jié)垢嚴(yán)重，不按技術(shù)要求清洗，導(dǎo)致膜性能降低，使用壽命短。

二、 EDR的防垢機(jī)理和RO的預(yù)處理

（一） EDR的防垢機(jī)理

1、EDR的運(yùn)行程序

EDR系統(tǒng)主要由電滲析本體、整流器及自動(dòng)控制（倒極）系統(tǒng)組成，其運(yùn)行過(guò)程如下：A狀態(tài)→倒極，濃淡室互換→B狀態(tài)→倒極，濃淡室互換→A狀態(tài)。

2、EDR防垢機(jī)理

電滲析運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的污垢主要有三類〔4〕：（一）由電極反應(yīng)和極化產(chǎn)生的主要是鈣、鎂的碳酸鹽污垢。（二）在濃水中，因過(guò)飽和而慢慢析出的主要是鈣、鎂的硫酸鹽污垢。（三）在直流電場(chǎng)作用下，帶電物質(zhì)在膜表面的沉積物，主要是有機(jī)物、膠體和微生物。極化結(jié)垢大多數(shù)發(fā)生在濃室的陰膜面上，也就是發(fā)生在陰膜的陽(yáng)極面上，因?yàn)闈馐胰芤后w系呈堿性，滿足CaCO3、MgCO3的沉淀?xiàng)l件，電極極性倒換后，濃、淡室相應(yīng)地發(fā)生變化，使原來(lái)在陰膜面上沉積物溶解（此時(shí)系統(tǒng)呈酸性），而在陰膜的另一面上又有沉積物生成。通過(guò)定時(shí)的極性轉(zhuǎn)換，從而打破了CaCO3等垢物的生成條件，便起到自身清洗作用。在負(fù)極上因電極反應(yīng)可生成CaCO3沉淀結(jié)垢，以及硫酸鹽，膠體等污垢，同樣因?yàn)轭l繁轉(zhuǎn)換電極極性，互換濃、淡水室而打破了沉積條件，或使沉積物溶解而隨水流（濃水和極水）排出。這樣就保證了膜的性能和電極長(zhǎng)期穩(wěn)定，從而確保脫鹽率和出水水質(zhì)的穩(wěn)定。

（二） RO系統(tǒng)的預(yù)處理

從RO純水制造工藝可知，對(duì)于沒(méi)有EDR系統(tǒng)的工藝流程，其前處理過(guò)程通常是加入防垢劑或增加軟化裝置。根據(jù)反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求〔3〕，預(yù)處理要求的主要指標(biāo)：①濁度1.0NTU（*好<0.3 NTU），②15minSDI值≤5.0（*好<3.0），③TOC<2.0 mg/L，④余氯<0.05mg/L，⑤ρ（Fe）<0.3mg/L，⑥ρ（Mn）<0.1mg/L。另外，對(duì)于TDS≥200 mg/L的水源，按95％的脫鹽率計(jì)算，一級(jí)RO則很難確保電導(dǎo)率<10μs/cm，按目前較多企業(yè)控制電導(dǎo)率<5μs/cm，除了較嚴(yán)格的預(yù)處理流程以外，TDS的控制亦顯得相當(dāng)重要，本文把進(jìn)入RO之前的過(guò)程全部稱為預(yù)處理，即包括TDS控制部分，因此，以RO為主要分離裝置的純凈水制造工藝中的預(yù)處理包括流程如下：

砂濾→碳濾→精濾→防垢→預(yù)脫鹽

該流程中的前三個(gè)環(huán)節(jié)已為所有廠商或制造商所公認(rèn)，這里不再贅述。而后二個(gè)環(huán)節(jié)則顯得較為雜亂。以加防垢劑、軟化器和電滲析占主導(dǎo)地位，采用EDR作為預(yù)脫鹽及防垢的流程具有以下特點(diǎn)：

（1）  EDR的預(yù)處理要求沒(méi)有RO嚴(yán)格

電滲析器的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)：①濁度<3NTU，②15minSDI<10,③余氯<0.3mg/L，④TOC<3mg/L，⑤ρ(Fe)<0.3mg/L，⑥ρ（Mn）<0.1mg/L。

（2）  EDR的脫鹽率范圍廣

EDR的脫鹽率可在45~95%范圍內(nèi)選擇（甚至可達(dá)99%），使得EDR與RO配套使用靈活，對(duì)低礦化度水質(zhì)，可選擇較低脫鹽率，而對(duì)高礦化度可選擇高脫鹽率。

（3）  適用TDS范圍寬

對(duì)只考慮一級(jí)RO的流程，前置EDR適用的TDS范圍可在100~500mg/L，甚至更高。按500mg/L的TDS原水，EDR采用85~90%。脫鹽水則出水TDS<80 mg/L，經(jīng)一級(jí)RO后電導(dǎo)率可穩(wěn)定在5μS/cm以內(nèi)。

（4）  EDR的設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用低

EDR的運(yùn)行壓力<0.2MPa，以湛江市康寧路自用純凈水工程（工程－1），肇慶市端州八路商業(yè)純凈水工程（工程－2），廣東省地建集團(tuán)粵西公司凈水工程（工程－3）為例，單獨(dú)使用EDR與選用軟化器DI＋RO流程進(jìn)行比較，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)列表1如下：

（5）EDR有效防止結(jié)垢

從EDR過(guò)程中離子遷移性能可知Ca2+、Mg2+具有較高的選擇性，硬度的脫除率大于總脫除率，達(dá)到軟化的目的。表2列出上述EDR工程的原水及出水水質(zhì)結(jié)果對(duì)照。

（6）EDR自動(dòng)化程度高，故障率低

EDR采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，自動(dòng)化程度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（7）EDR組件幾乎全部國(guó)產(chǎn)化，維修方便。

  三、結(jié)論

從上述分析，EDR作為RO制造純水工藝流程中的前處理部分，不但確保預(yù)處理過(guò)程的穩(wěn)定可靠，同時(shí)可在較寬的范圍內(nèi)降低原水的TDS，既防止結(jié)垢，又使后續(xù)RO的產(chǎn)水量及電導(dǎo)率有效地控制在*優(yōu)水平。使用EDR的產(chǎn)水成本僅為DI+RO成本的10~15%，設(shè)備投資為DI+RO的 50%，EDR水利用率較高。所以EDR在純水制造工藝中不但科學(xué)可行，同時(shí)能給用戶帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。