0 Заявка на заказ комплектующих Подобрать оборудование

Установки электродеионизации воды ДЕЛЬТА ВПУ-EDI

Непрерывно возрастающие требования к качеству очищенной воды привело к созданию и последующему развитию новых технологий подготовки воды. Одной из таких технологий является электродеионизация.

Для того чтобы понять важность данной технологии давайте рассмотрим требования к очищенной воде в некоторых отраслях промышленности, где на данный момент электродеионизация нашла наиболее широкое применение.

Неоспоримым лидером по объёмам потребления сверхчистой воды является электронная промышленность и производство полупроводниковых компонентов и микросхем. Например, стандарт к качеству воды для электронной промышленности в США соответствует нормативам ASTM D5127-13, в России действует близкий по требованию к качеству воды стандарт ОСТ 11.029.003-80.

Приведём лишь некоторые требования стандарта, имеющие отношение к процессу электродеионизации:

Таблица 1. Вода, соответствующая требованиям электронной промышленности.

Тип E-I (разделяется на несколько подтипов)

Тип E-II

Тип E-III

Тип E-IV

Удельное электрическое сопротивление, (минимум, МОм/см)

18,1

 

16.5

 

12

0.5

SiO2(максимальная общая суточная нагрузка, µг/л)

5

10

50

1000

Количество частиц (на мл)

1

3

10

100

Содержание микроорганизмов, колоний в 100 мл

5

10

50

100

Суммарное содержание органического углерода (max, мкг/л)

25

50

300

1000

Эндотоксины (EU/мл), из стандарта ASTM D 5127-90

0.03

0.25

Не лимитируется

Не лимитируется

Красная медь (max, µг/л)

0.05

1

2

500

Хлор (max, мкг/л)

0.1

1

10

1000

Никель (max, мкг/л)

0.05

1

2

500

Нитрат (max, мкг/л)

0.1

1

5

500

Фосфат (max, мкг/л)

0.1

1

5

500

Калий (max, мкг/л)

0.05

2

5

500

Натрий (max, мкг/л)

0.05

1

5

1000

Сульфат (max, мкг/л)

0.1

1

5

500

Цинк (max, мкг/л)

0.05

1

5

500

Как видно из таблицы к качеству воды предъявляется чрезвычайно жёсткие требования и есть весьма небольшой набор методов способных обеспечить данное качество воды.

Другими отраслями промышленности, где требуется вода высокой чистоты, являются:

  • Вода для фармацевтических целей (производство лекарственных сред).

  • Вода для энергетики: питание паровых котлов высокого давления в процессе производства электроэнергии.

  • Вода для химической промышленности, где требуется ультрачистая вода.

  • Другие области применения, где требуется вода с удельным электросопротивлением 2-18 МОм/см.

До промышленного внедрения технологии электродеионизации основным процессом получения ультрачистой воды являлся метод ионного обмена, где последовательно применялись процессы: катионного обмена на смоле в водородной форме, далее применялась смола анионообменная в гидроксильной форме и финишным этапом, являлся процесс ионного обмена на смолах смешанного действия. Ионный обмен при всех своих преимуществах обладает рядом существенных недостатков основными из которых, являются: периодичность процесса, по исчерпании обменной ёмкости ионообменная смола требует регенерации. Отсюда вытекает второй недостаток – необходимость использования реагентов в процессе регенерации. Когда речь идёт о процессах деминерализации с использованием ионообменных смол, то используемые реагенты, это сильные минеральные кислоты и щёлочи, которые сами по себе являются опасными реагентами, требующими при обращении соблюдения требований техники безопасности, выбора материалов в соответствии с химической стойкостью, сложной системы реагентного хозяйства. Кроме того, после регенерации ионообменной смолы образуется высококонцентрированный сток, который требует отдельных, весьма сложных и дорогостоящих процессов утилизации.

Системы электродеионизации (EDI) лишены всех вышеперечисленных недостатков и обладают целым рядом преимуществ:

  • Преимущества EDI перед традиционной ионообменной технологией:

  • Работа EDI непрерывна, не требует периодических частых остановок.

  • Вырабатывает воду стабильного качества.

  • EDI не требует использования химических веществ для регенерации, что соответственно не требует организации сложного реагентного хозяйства.

  • В процессе электродеионизации не образуются высококонцентрированные сточные воды.

  • Модули EDI компактны и требуют малых занимаемых площадей.

  • Невысокий расход электроэнергии.

  • Малые эксплуатационные расходы.

 Электродиализ объединяет в себя две общепринятые технологии очистки воды – электродиализ и деионизация ионообменными смолами. Движущей силой процесса EDI, является разность электрических потенциалов, ионы из потока очищаемой воды перемещаются смежные потоки и выводятся из модуля электродеионизации. При применении этого принципиального нового технического оборудования растворенные соли могут быть удалены с небольшими энергетическими затратами и без необходимости использования химической регенерации; результат – чистая вода высокого качества, которая может вырабатываться непрерывно при значительных скоростях потока. Ионообменные смолы в данном случае не поглощают ионы, а являются ионным проводником, который непрерывно регенерируется в процессе разложения воды на ионы водорода и гидроксильные ионы.

Как это работает?

В процессе электродеионизации используется комплекс ионообменных мембран и ионообменных смол, находящихся между двух электродов (анод (положительно заряженный электрод) и катод (отрицательно заряженный электрод)). К электродам приложено напряжение постоянного тока, что позволяет перемещать ионы.

Ионообменные мембраны функционируют по тому же принципу и с применением тех же материалов, что и ионообменные смолы, они используются для транспортировки ионов с определённым зарядом. Анионообменные мембраны (матрица мембраны заряжена положительно) проницаемы для анионов, но не проницаемы для катионов; катионообменные мембраны проницаемы для катионов, но не проницаемы для анионов. Сами мембраны водонепроницаемы.

При размещении чередующихся слоев анионо- и катионообменных мембран в модуле организованному по принципу фильтр-пресса, образуется набор параллельных очищающих и концентрирующих камер. Ионообменные мембраны прикреплены к полимерной раме. Камеры, выполняющие роль очищающих заполнены смешанной ионообменной смолой в Н+ и ОН- форме. Камеры концентрата, как правило, не заполняются смолами и содержат специальные турбулизирующие вставки (сетки).

электр-ция.jpg

Рисунок 1. Принцип работы и устройство модуля EDI

Этот основной повторяющийся элемент модуля электродеионизации, проиллюстрирован на рисунке 1. Набор очищающих и концентрирующих камер расположен между двумя электродами, которые подключены к источнику постоянного тока. Под действием напряжения постоянного тока ионы перемещаются через мембраны из очищающих камер в концентрирующие камеры. Таким образом, при продвижении воды вдоль очистительной камеры вода очищается от ионов.

Исходная вода в модуле EDI разделена на три отдельных потока:

1.       Поток исходной воды на входе в модуль и соответственно поток очищенной воды на выходе из модуля. Поток очищенной воды составляет до 99% от потока исходной воды, в случае если концентрат возвращается на вход обратного осмоса.

2.       Поток концентрата (обычно 10% от потока исходной воды). Поток концентрата значительно чище потока исходной воды перед процессом обратного осмоса, что позволяет возвращать его на вход обратноосмотической установки, делая процесс электродеионизации практически бессточным.

3.       Поток через электроды, как правило, от анода к катоду. Данный поток весьма небольшой, в большинстве случаев около 10 л/час и всегда сбрасывается в дренаж, так как в процессе контакта с электродами насыщается такими газами как кислород, водород и газообразный хлор.

Детали технологического процесса ЭДИ Electropure

Вода из всех источников содержит различные загрязнения, в том числе растворенные соли, которые состоят из отрицательно заряженных ионов (анионы) и положительно заряженных ионов (катионы). Обычные ионы включают в себя натрий, кальций, магний, хлорид, сульфат, нитрат, карбонат, углекислую соль и т.д. Около 98% этих ионов может быть удалено применением метода обратного осмоса. В водных источниках также содержатся органические вещества, растворенные газы (например, O2, CO2), следы металла и слабоионизованные неорганические соединения (например, бор и кремний), которые должны быть удалены для использования в самих промышленных процессах. Система обратного осмоса (и ее предварительная очистка) также устраняют многие из этих загрязнителей.

Пермеату обратного осмоса (исходная вода EDI) в идеале следует варьироваться от 1-6 мкСм/см (см. таблицу 1 ниже). Ультрачистая (деионизированная) вода варьируется в диапазоне от 2.0 – 18.2 МОм/см в зависимости от применения. Обычно меньшее содержание ионов в исходной воде EDI приводит к более высокому качеству очищенной воды.

В процессе работы EDI из воды удаляются нежелательные ионы путем поглощения их смолами в очищающих камерах и затем перемещением их в поток концентрата под действием постоянного электрического поля. В очищающей камере модуля происходит обменная реакция, где анионообменные смолы обменивают свои гидроксильные ионы
(OH-) на анион растворенной соли (например, хлорид, Cl-). Катионообменные смолы обменивают свои водородные ионы (H+) на катион растворенной соли (например, натрий Na+).

Электрическое поле постоянного тока действует между анодом и катодом, расположенными на обоих концах пакета ячеек электродеионизации. Напряжение постоянного тока вызывая движение ионов по поверхности слоя смолы через мембраны в концентрирующую камеру. Также напряжение постоянного тока под действием электролиза разрушает молекулы воды для образования гидроксильных ионов и водородных ионов:

H2O = OH- + H+

На рисунке 1 ионообменные мембраны представлены вертикальными линиями, отмеченными обозначениями их ионной проницаемости. Так как ионообменные мембраны не позволяют воде проникать в них, они являются барьером для потока воды.

Отрицательно заряженные анионы (например, OH-, Cl-) притягиваются к аноду (+) и отталкиваются катодом (-). Анионы проходят через анионообменную мембрану в смежный поток концентрата. Они не проходят через катионообменную мембрану с дальней стороны камеры и, таким образом, уносятся водой в поток концентрата. Положительно заряженные катионы (например, H+, Na+) в очищающей камере притягиваются катодом (-) и отталкиваются анодом (+). Катионы проходят через катионообменную мембрану в смежный поток концентрата, где они блокируются анионообменной мембраной и уносятся водой в поток концентрата.

В потоке концентрата поддерживается электрическая нейтральность. Перемещенные ионы в двух направления нейтрализуют заряды друг друга. Потребление тока от источника питания пропорционально количеству перемещенных ионов.

Так как вода продвигается через два типа камер параллельного потока, ионы в очищающей камере перемещаются в смежные потоки концентрата, которые выводятся из модуля и возвращаются на вход обратного осмоса или сбрасываются в дренаж.

Использование ионообменных смол в очищающих камерах является принципиальным моментом в технологии EDI. Важный феномен заключается в применении ионообменных смол в очистительных камерах. На локализованных участках высокой напряженности электрического поля вырабатывается существенное количество H+ и OH- путем электрохимического «расщепления» воды. Локальная выработка H+ и OH- в смешанном слое ионообменных смол приводит к постоянному восстановлению (регенерации) ионообменной ёмкости смол и мембран без добавления химических веществ.

Расщепление воды важно для поддержания модуля в стерильном состоянии и для доочистки от кремния и бора.

Соответствующая предварительная очистка исходной воды EDI – основное требование, необходимое для оптимального выполнения процесса и беспроблемной эксплуатации EDI. Наличие загрязнителей в исходной воде может негативно сказаться на деионизационном модуле и может либо потребовать ремонта, либо сократить срок службы модуля. Следовательно, решающими являются система обратного осмоса и предварительная очистка.

Важность предподготовки.

Учитывая особенности процесса электродеионизации как финишного этапа очистки воды и особенности эксплуатации модулей EDI, совершенно необходимым и чрезвычайно важным этапом является предварительная подготовка воды, что уже было отмечено выше.

В таблице ниже приведены требования к качеству воды, поступающей на процесс электродеионизации одного из ведущих мировых производителей модулей EDI.

Таблица 1

Нормативы

Предварительные замечания

Допустимый рабочий диапазон

Оптимальная значения

Источник исходной воды

Вода после процесса обратного осмоса (2-х ступенчатого или 1 ступень обратного осмоса и мембранный дегазатор), непосредственная подача или при использовании промежуточной ёмкости, после ёмкости на входе в EDI механический фильтр с абсолютным рейтингом
1 мкм

 

 

Электропроводность исходной воды перед EDI

 

1-20 мкСм/см

1-6 мкСм/см

Эквивалентная электропроводность исходной воды**

FCE = Проводимость + 2.79×CO2 + 1.94×SiO2

См. прим. ниже**

<33 мкСм/см

<9 мкСм/см

Уровень pH

Чем ниже уровень рН исходной воды, тем больше в исходной воде углекислоты CO2, тем хуже качество воды на выходе с EDI

5.0-9.5

7.0-7.5

Общее содержание карбонатных соединений

CO2 + HCO3-

<5 мг/л

<2 мг/л

Температура

от 5ºС до 35ºC

от 20 до 30ºC

Жесткость, мг-экв/л

Ca+ + Mg+

<0,02 мг-экв/л
 при 90% восстановлении

<0,01 мг-экв/л
 при 90% восстановлении

Органические вещества

Суммарное содержание органического углерода

<0,5 мг/л

Не определяется

Металлы

Fe, Mn, переходные металлы

< 10 мкг/л

Не определяется

Кремний как SiO2

Растворенный, химически активный

<0,5 мг/л

<0,2 мг/л

Окислители

Обычно Cl2 и O3

Полностью отсутствуют

Полностью отсутствуют

Давление на входе

Зависит от потока и температуры

Max 5 бар

2-3 бар обычно

** FCE=Электропроводность исх. воды + 2.79*(CO2) + 1.94*(SiO2)

Так, если электропроводность = 5.0 мкСм/см, CO2 = 3.5 мг/л, SiO2 = 0.5 мг/л, то FCE = 5.0 +2.79*(3.5) + 1.94*(0.5) = 15.7 мкСм/см.

Загрязнители, которые неблагоприятно влияют на EDI процесс включают в себя: общую жесткость (кальций, магний), органические вещества, взвешенные частицы, металлы способные давать гидроксидные осадки (железо, марганец и т.д.), окислители (хлор, озон) и углекислый газ.

Процесс предварительной подготовки, должен устранить эти загрязнители из исходной воды максимально возможно.

Общая жёсткость может способствовать образованию карбонатных отложений в обратном осмосе и в концентрирующих камерах EDI на поверхности анионообменных мембран с высоким уровнем рН. Последствия: возрастает перепад давления в концентрате и уменьшается эффективность процесса электродеионизации. Сведение до минимума общей жесткости на входе увеличит время между химическими очистками поверхности мембран.

Органические вещества (общее количество органического углерода - TOC) адсорбируются на поверхности смол и мембран. Это может привести к возникновению засорения на активных участках. Загрязненные смолы и мембраны неэффективны для удаления и перемещения ионов. Электрическое сопротивление модуля увеличится.

Взвешенные частицы, коллоиды способствуют забиванию и загрязнению мембран и смол в камерах. Забивание пор смолы увеличивает перепад давления в модуле.

Железо и другие активные металлы (например, Mn) могут катализировать окисление смолы и стойко адсорбироваться на поверхности смол и мембран, а также уменьшить их производительность. Подобные процессы наблюдаются даже при весьма малых концентрациях загрязнителей.

Хлор (в том числе хлорамин) и озон агрессивно воздействуют на ионообменные смолы и мембраны и вызывают разрушение (окисление) полимеров составляющих матрицу смол и мембран, что приводит к снижению производительности. Окисление увеличит общее количество органических загрязнений в очищенной воде, а побочные продукты вызывают засорение анионной смолы и мембраны, ухудшая кинетику ионного переноса. Разрушение поперечных связей окислением также приводит к тому, что смолы разрушаются, и таким образом, увеличится потеря давления в модуле. Сократится срок службы модуля. Идеальный уровень концентрации окислителей на входе равен нулю.

Углекислота, углекислый газ имеет два последствия. Во-первых, CO32- взаимодействует с Ca+2 и Mg+2 и образует карбонатные отложения. Уровень образования отложений варьируется в зависимости от концентраций карбонатов, кальция и магния, температуры воды и pH. Во-вторых, так как CO2 изменяет заряд в зависимости от уровня pH, а его удаление обратным осмосом и EDI зависит от заряда, эффективность его удаления может быть разной. Даже низкий уровень CO2 (ниже 5 мг/л) может оказать влияние на электрическое сопротивление очищенной воды и на эффективность удаления кремния и бора.

Электродеионизация2.jpg