“RO-EDI-EDI”及其演变工艺制备工业高纯水的研究

摘要

电去离子(Electrodeionization，EDI)技术，是一种将电渗析(ED)和离子交换(IE)有机结合，在直流电场作用下实现连续去离子的复合脱盐过程。EDI技术以其独特的连续操作、工艺先进、环境友好等显著特点，广泛地应用于电厂、制药、微电子等工业领域。然而，现有EDI技术对进水要求十分苛刻，其中进水硬度一般不能超过1.0 mg·L－1(以CaCO3计)，甚至0.1 mg·L－1。这使得在多数情况下必须使用两级反渗透(RO)作为预处理，即采用“RO-RO－EDI”工艺。这导致了制水系统的投资居高不下，一定程度上限制了EDI的进一步发展。
　　 为解决上述问题，本文提出了新型的“RO-EDI－EDI”高纯水制备工艺。该工艺采用一级EDI，代替原工艺的第二级RO，即采用分级EDI技术制备高纯水。EDI进水硬度11.7 mg·L－1(以CaCO3计)，Ca2+3 mg·L－1，Mg2+1 mg·L－1。其中第一级EDI的主要目的是深度软化，因此也称为“深度软化EDI”。在已有研究的基础上，本文重点研究了模型构造的改变对过程分离性能的影响，并对操作参数进行了优化。第二级EDI的主要目的是深度脱盐，因此也称为“深度脱盐EDI”。本文主要研究了不同树脂类型、树脂型号对出水水质的影响。实验结果表明，“RO-EDI－EDI”技术上可行，是一种安全、可靠、高效的高纯水制备工艺。
　　 在“RO-EDI-EDI”工艺的基础上，本文提出另外两种纯水的制备工艺：“RO－EDI”和“EDIR－EDI－EDI”。“RO-EDI”工艺，是把原来的两级EDI的功能组合，即采用一级“超级EDI”同时实现软化、脱盐。本文重点研究了膜堆的I-V、pH-T、C-T等特征曲线。同时，本文先后考察了四个具有不同内部构造的EDI膜堆，在高硬度进水条件下的脱盐、防垢性能。在此基础上对优选的膜堆构型进行了320h的稳定运行考察。结果发现，通过操作参数优化，经改进的EDI其脱盐率达99.8％，吨水耗电量0.31－0.35 kw·h·m－3，产水电阻率可达17MΩ·cm，完全达到了高纯水的水质标准。
　　 “EDIR－EDI－EDI”工艺，则是采用三级EDI串联进行纯水制备。第一级EDI采用倒极EDI(EDIR)技术，主要作用为初级除盐，第二、第三级EDI主要作用分别为深度软化和深度脱盐。其中第一级EDI是研究的重点。实验首先研究了第一级EDI的软化特征；其次探讨了浓水流量、树脂填充策略对膜堆结垢的影响；最后重点介绍了倒极EDI(EDIR)的脱盐、防垢性能。EDIR进水电导率为480-520μS·cm－1，硬度约180 mg·L－1。EDIR倒极周期0-2h，倒极间歇期10-20s，采用500mA恒流方式运行。结果发现，膜堆出水电导率仅为60μS·cm－1，硬度17mg·L－1，出水水质能够满足制水系统的设计要求。实验表明，“EDIR－EDI－EDI”能够获得高电阻率纯水，主要缺陷是有机小分子物质脱除率低。
　　 与当前的主流的“RO-RO-EDI”纯水技术相比，本文研究开发的新型EDI膜集成技术在制水成本、水利用率、应用范围等方面取得了突破性进展。这将对EDI水处理技术的发展起到重要促进作用，有望在新一代纯水技术的研究应用中扮演重要角色。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

第一节 纯水和高纯水

1.1.1纯水、高纯水的应用

1.1.2纯水、高纯水的制备

第二节 电去离子技术

1.2.1 电去离子技术的基本原理

1.2.2 电去离子技术的发展

1.2.3 电去离子技术的应用

第二章 实验材料与技术路线设计

第一节 技术路线设计

2.1.1“RO-EDI-EDI”工艺设计

2.1.2“RO-EDI”工艺设计

2.1.3“EDIR-EDI-EDI”工艺设计

第二节 实验材料和仪器

2.2.1 离子交换树脂

2.2.2 离子交换膜

2.2.3 实验试剂

2.2.4 实验仪器

2.2.5 EDI膜堆构造

第三节 实验检测分析

2.3.1 测定方法与条件

2.3.2 标准曲线的绘制

第四节 膜堆结垢与分离性能的表征

2.4.1 膜堆结垢的形成与表征

2.4.2 EDI过程的分离性能

第三章“RO-EDI-EDI”膜集成工艺研究

第一节“RO-EDI-EDI”工艺设计思路

第二节 深度软化EDI实验研究

3.2.1 淡水流量对EDI过程的影响

3.2.2树脂填充策略对EDI过程的影响

第三节 深度除盐EDI实验研究

3.3.1树脂型号对EDI过程的影响

3.3.2树脂类型对EDI过程的影响

第四节 系统运行参数及经济性分析

本章小结

第四章“RO-EDI”膜集成工艺研究

第一节“RO-EDI”工艺设计思路

第二节 基本特征曲线

4.2.1 I-V特征曲线

4.2.2 pH-T特征曲线

4.2.3 C-T(离子浓度-时间)特征曲线

第三节 膜堆类型优化

4.3.1树脂填充方式对EDI过程的影响

4.3.2浓水运行流程对EDI过程的影响

4.3.3 M-4膜堆防垢原理

第四节 EDI系统运行参数及放大设计

4.4.1 实验条件与实验流程

4.4.2实验结果

4.4.3 EDI放大设计

本章小结

第五章“EDIR-EDI-EDI”膜集成工艺研究

第一节“EDIR-EDI-EDI”工艺设计思路

第二节 EDI软化、脱盐研究

5.2.1树脂比例对EDI过程的影响

5.2.2浓水流量对EDI过程影响

第三节 EDIR实验研究

5.3.1 EDIR倒极周期

5.3.2 EDIR不同倒极周期运行考察

本章小结

第六章 结论与建议

第一节 结论

第二节 创新点

第三节 对后续工作的建议

参考文献

致 谢

在学期间参与科研项目及发表论文情况