纯水制备三大工艺详解：离子交换、反渗透与EDI技术
纯水制备三大工艺详解：离子交换、反渗透与EDI技术
水处理是环境保护和资源利用的重要领域，其中纯水制备技术更是现代工业和科学研究的基础。本文将详细介绍纯水制备的核心工艺，包括离子交换法、反渗透法和EDI工艺，帮助读者全面了解水处理的基本知识。
离子交换工艺
离子交换工艺是通过离子交换树脂的化学交换来完成对水进行除盐的过程。阴阳树脂是具有网状立体结构的高分子多元酸或多元碱的聚合物，大部分需要酸碱再生，其再生频率大，酸碱用量大，对周围的水和大气环境均有较大程度的影响。
离子交换器的种类
- 钠离子交换器（软化器）：内含阳离子交换树脂，根据其树脂再生所用药剂可分为氢型和钠型；钠型阳离子交换器被称为软化器或钠离子交换器。
- 阴离子交换器：内含阴离子交换树脂，用阴树脂中的氢氧根交换掉水中的其他阴离子。
- 阴阳树脂（床）：俗称复床，由阳离子交换（阳床）和阴离子交换器（阴床）串联组成。在纯水制备过程中，一般先经过阳床，再经过阴床。当原水通过阳树脂时，水中的阳离子被吸附，树脂所带的H+被置换到水中，使水呈酸性（PH=3左右），当PH<4时几乎全以二氧化碳气体形式存在，经过除碳器脱除后进入到阴床，而阴离子交换柱在酸性介质中易于交换；如果不脱除，二氧化碳气体与阴树脂反应，缩短阴树脂的交换容量，缩短工作周期，增加制水成本。所以一般的复床结构为阳床+除碳器+阴床。一级复床的除盐率跟一级RO的除盐率相当，二级复床的除盐率和二级RO的除盐率相当。
树脂再生
树脂再生是一种使离子交换树脂珠子满载的过程，并去除在使用中循环期间吸附的离子，从而使树脂可以继续利用（阳离子树脂用盐酸，阴离子树脂用氢氧化钠）。阴阳离子交换系统由树脂床构成，可以通过离子交换获取硬度或其他元素。之后采用通高浓度（10％盐水）盐或其他再生化学品对树脂珠粒进行再生，恢复树脂的交换容量，使离子交换树脂系统可以反复使用。
抛光混合树脂（床）
俗称混床，内含抛光树脂。抛光树脂是由氢型强酸性阳离子交换树脂（H型）及氢氧型强碱性阴离子交换树脂（OH型）混合而成，混床水中的H离子与OH离子立即生成电离度很低的水分子，可以使交换反应进行得十分彻底，装填后无需再生（不可再生）。一般用于超纯水处理系统末端，来保证系统出水水质能够维持用水标准。一般出水水质都能达到18MΩ*cm以上，以及对TOC、SIO2都有一定的控制能力。
混合型离子交换器再生原理
- 反洗预分层：打开混合离子交换器反洗排放阀、反洗阀，以约10m/h流速进行反洗分层，使树脂处于充分膨胀流动状态，且正常颗粒树脂不被水流冲出来为最佳控制流速，反洗终点以阳、阴树脂基本分层为止，约5-10Min，关闭反洗阀。
- 沉降放水：打开排气阀，使反洗预分层后展开的树脂自然、均匀地沉降下来，然而后打开中排阀，使容器内液面排至树脂层面以上10~20cm，关闭中排阀，约5-10Min。
- 失效：关闭排气阀，关闭反洗排放阀，打开正排阀，打开进碱阀，启动再生水泵，打开再生水泵出口阀，打开混床碱计量箱出液阀，调整溶液浓度3-5%，进液时间20-25Min。关闭混床碱计量箱出液阀，关闭再生水泵出口阀，停再生水泵。关闭进碱阀，关闭正排阀。
- 反洗分层：打开反洗排放阀、反洗阀，控制反洗流速10m/h左右，以树脂充分膨胀流动，且正常颗粒树脂不被水冲出为最佳控制流速，以阳树脂分层界限分明为反洗终点。反洗结束时应缓慢关闭反洗阀，使树脂颗粒逐步沉降，以达到最佳分层效果。如一次操作未达要求，可重复操作以达到满意的效果。
- 沉降放水：打开排气阀，使反洗分层时展开的树脂自然沉降下来。而后打开中排阀，使容器内液面降至树脂层面以上10~20cm处，约5-10Min，关闭中排阀。
- 再生：关闭反洗排放阀，关闭排气阀。启动再生水泵，同时打开进酸阀，进碱阀，中排阀，打开再生水泵出口阀，打开混床酸计箱出液阀，打开混床碱计量箱出液阀，调整溶液浓度为3-5%，再生45Min。
- 置换：关闭混床碱计量箱出液阀，关闭混床酸计量箱出液阀，置换35Min （清洗时间为半小时或以排水基本中性为终点），关闭再生泵出口阀，停再生水泵，关闭进酸阀，进碱阀，中排阀。
- 灌水：打开排气阀，进水阀，至水充满设备。
- 正洗阴树脂：打开中排阀，关闭排气阀，正洗5-10Min。
- 串洗：打开正排阀，关闭中排阀，正洗10-15Min。关闭进水阀，关闭正排阀。
- 排水：打开排气阀、反洗排放阀、正排阀，将容器液面排至树脂层面以上10~20cm处，约3-5Min，使树脂层有充分的混合空间，关闭正排阀。
- 混合：打开进气阀，压力： 1~1.5 kg/cm2，混合时间为2分钟左右，或以容器内打开进气阀，两种树脂充分混合而定，关闭进气阀。
- 排水：快速排水，将容器内液面排至树脂层面，打开正排阀，促使树脂迅速下沉，以防止树脂在沉降过程中重新分层，引起混合不彻底，同时要防止树脂层脱水。关闭正排阀，关闭反洗排放阀。
- 正洗：打开混合离子交换器排气阀、进水阀，水流自上而下，当水充满设备时打开正排阀，关闭排气阀，正洗流速同制水流速，入正洗工况，达到出水指标转入制水或备用，约20-30Min。
反渗透法工艺
当前处理水以一定的压力被送至回用膜时，利用反渗透膜的分离特性（在高于溶液渗透压的压力作用下，借助于只允许水透过而不允许其他物质透过的半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分离），水透过膜上的微小孔径，经收集后得到纯水，而水中的杂质如可溶性固体、有机物、胶体物质及细菌等则被截留。一级膜可去除原水中97%以上的溶解性固体，99%以上的有机物及胶体，几乎 100% 的细菌。RO膜的工作温度0-45℃，一般参考值为25℃是标准工业参数。RO 设备是目前世界上水处理设备中制取纯水的最先进的设备之一，其运行费用低、经济、操作方便、运行可靠，是用户首选的制取纯水设备。
EDI工艺
电去离子工艺，将电渗析技术和离子交换技术相融合，通过阴、阳离子交换膜对阴、阳离子的选择性透过作用与离子交换树脂对离子的交换作用，在直流电场的作用下实现离子的定向迁移，从而完成水的深度除盐，水质可达15MΩ*cm以上。在进行除盐的同时，水电离解产生的氢离子和氢氧根离子对离子交换树脂进行再生，因此不需酸碱化学再生而能连续制取超纯水。它具有技术先进、操作简便和优异的环保特性。
EDI的影响因素及控制手段
进水电导率的影响：在相同的操作电流下，随着原水电导率的增加，EDI对弱电解质的去除率减小，出水的电导率也增加。如果原水电导率低则离子的含量也低，而低浓度离子使得在淡水室中树脂和膜的表面上形成的电动势梯度也大，导致水的解离程度增强，极限电流增大，产生的H+和OH-的数量较多，使填充在淡水室的阴、阳离子交换树脂的再生效果良好。因此，需对进水电导率进行控制，使EDI进水电导率小于40us/cm，可以保证出水电导率合格以及弱电解质的去除。
工作电压、电流的影响：工作电流增大，产水水质不断变好。但如果在增至最高点后再增加电流，由于水电离产生的H+和OH-离子量过多，除用于再生树脂外，大量富余离子充当载流离子导电，同时由于大量载流离子移动过程中发生积累和堵塞，甚至发生反扩散，结果使产水水质下降。因此，必须选择适当的工作电压、电流。
浊度、污染指数（SDI）的影响：EDI组件产水通道内填充有离子交换树脂，过高的浊度、污染指数会使通道堵塞，造成系统压差上升，产水量下降。因此，需进行适当的预处理，RO出水一般都满足EDI进水要求。
硬度的影响：如果EDI中进水的残存硬度太高，会导致浓缩水通道的膜表面结垢，浓水流量下降，产水电阻率下降，影响产水水质，严重时会堵塞组件浓水和极水流道，导致组件因内部发热而毁坏。可结合除CO2，对RO进水进行软化、加碱；进水含盐量高时，可结合除盐增加一级RO或纳滤来调节硬度的影响。
TOC（总有机碳）的影响：进水中如果有机物含量过高，会造成树脂和选择透过性膜的有机污染，导致系统运行电压上升，产水水质下降。同时，也容易在浓缩水通道形成有机胶体，堵塞通道。因此，在处理时，可结合其他指标要求，增加一级R0来满足要求。
Fe、Mn等金属离子的影响：Fe、Mn等金属离子会造成树脂的“中毒”，而树脂的金属“中毒”会造成EDI出水水质的迅速恶化，尤其是硅的去除率迅速下降。另外，变价金属对离子交换树脂的氧化催化作用，会造成树脂的永久性损伤。一般来说，运行中控制EDI进水的Fe低于0.01mg/L。
进水中C02的影响：进水中CO2生成的HCO3-是弱电解质，容易穿透离子交换树脂层而造成产水水质下降。进水前可用脱气塔进行去除。
总阴离子含量（TEA）的影响：高的TEA将会降低EDI产水电阻率，或需要提高EDI运行电流，而过高的运行电流会导致系统电流增大，极水余氯浓度增大，对极膜寿命不利。除了上面这8个影响因素，进水温度、pH值、SiO2以及氧化物亦对EDI系统运行有影响。
本文原文来自CSDN博客