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- + 2H2О + 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