Elektrodejonizacja wody.pdf

mgr Janusz Skwara

ZPBE Energopomiar Sp. z o.o.

Zakład Chemii i Diagnostyki

Elektrodejonizacja wody dla potrzeb technologicznych \ *

Elektrodejonizacja (EDI) stanowi stosunkowo nową metodę

ciągłego uzyskiwania wody o bardzo wysokiej czystości. Pod

względem technologicznym stanowi ona kombinację dwch

wcześniej znanych metod uzdatniania wody: elektrodializy (ED)

oraz demineralizacji na złożach jonitowych (DI). Zastosowanie

układu mieszanego pozwoliło na wyeliminowanie niekorzystnych

zjawisk występujących w każdej z tych metod indywidualnie.

W przypadku elektrodializy było to wysokie zużycie energii elek-

trycznej oraz dość niska jakość produktu końcowego, a w przypad-

ku klasycznej demineralizacji jonitowej cykliczność procesu,

zużycie regenerantw chemicznych oraz powstawanie agresyw-

nych ściekw. EDI pozwala na uzyskiwanie wody zdeminerali-

zowanej o stałej, bardzo wysokiej jakości w procesie ciągłym, bez

zużycia chemikaliw i przy niewysokim nakładzie energii elek-

trycznej.

Teoretyczne podstawy elektrodejonizacji znane są od około 40

lat i od tego czasu trwają badania i testy urządzeń w skali laborato-

ryjnej. Instalacje przemysłowe uzyskujące wydajność pozwalającą

na ich praktyczne wykorzystanie wprowadzono jednak do użytku

dopiero na początku lat dziewięćdziesiątych. Obecnie EDI uznaje

się za jedną z najbardziej obiecujących metod demineralizacji

wody, funkcjonującą w wielu rozwojowych wariantach techno-

logicznych.

Na dwch przeciwległych bokach modułu zainstalowano elek-

trody (anodę i katodę), pomiędzy ktrymi rozmieszczono kilka-

dziesiąt membran jonoselektywnych, na przemian anionoprze-

puszczalnych i kationoprzepuszczalnych. Membrany te są utrzy-

mywane na ramach wykonanych z aluminium lub z tworzywa

sztucznego (polimer inertny) i odpowiednio uszczelnionych, tak,

aby uniknąć niekontrolowanych przeciekw wody, mogących

pogorszyć jakość uzdatnianej wody. Membrany EDI rżnią się zde-

cydowanie od stosowanych w innych metodach membranowych,

takich jak: mikrofiltracja, ultrafiltracja czy odwrcona osmoza.

Zostały one wykonane z cienkiej warstwy polistyrenu o grubości

ok. 0,30-0,35 mm, stanowiącej matrycę, na ktrej znajdują się

grupy jonowymienne obsadzone jonami sodu (w przypadku mem-

brany kationoprzepuszczalnej) lub jonami chlorkowymi (w przy-

padku membrany anionoprzepuszczalnej). Uzyskano w ten sposb

efekt jonoselektywności mający podstawowe znaczenie dla proce-

su oczyszczania wody. Pod względem budowy membrany EDI są

zatem zbliżone do żywic jonowymiennych. Membrany te są prak-

tycznie nieprzepuszczalne dla wody.

Przestrzenie między membranami jonoselektywnymi tworzą

rwnoległe wąskie komory, z ktrych każda graniczy z jednej

strony z membraną anionoprzepuszczalną, a z drugiej z membraną

kationoprzepuszczalną. Pod względem funkcjonalnym w module

EDI rozrżniamy trzy typy komr: diluatu, koncentratu oraz elek-

trolitu.

W komorze diluatu (określanej też jako komora "D") następuje

stopniowe oczyszczanie strumienia wody zasilającej i uzyskiwanie

produktu końcowego o wysokiej czystości zwanego diluatem.

Komora ta jest wypełniona mieszaniną żywicy kationitowej

i anionitowej, popularnie zwaną dwujonitem, na ktrej zatrzymy-

wane są zanieczyszczenia usuwane z wody zasilającej. Dzięki

temu, że każde z ziaren żywicy (zarwno kationit, jak i anionit) ma

bezpośredni kontakt z innymi ziarnami swojego typu, w obrębie

złoża jonitowego wytwarzają się tzw. "ścieżki migracji jonw"

łączące dowolne ziarno jonitu z właściwą membraną jonoselekty-

wną. Po wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego zatrzy-

mane na ziarnach żywicy jony mają możliwość migracji po

powierzchni ziaren jonitu w kierunku odpowiedniej elektrody

(aniony migrują w kierunku anody, a kationy w kierunku katody)

i opuszczenia komory diluatu przez właściwą membranę jonose-

lektywną. Metoda ta pozwala na usuwanie szczątkowych

zanieczyszczeń wody przy stosunkowo niewielkich nakładach

energetycznych.

Drugim typem komory występującej w modułach EDI jest

komora koncentratu (określana też jako komora "C"). Jej funkcją

jest przejmowanie jonw przechodzących przez membrany jonose-

lektywne z komory diluatu, zagęszczanie ich do uzyskania wyma-

ganego stężenia, a następnie odprowadzenie z instalacji do kanali-

zacji lub powtrnego odzysku.

Budowa i oglne zasady działania modułw EDI

Instalacje do elektrodejonizacji wody mają charakter

modułowy tzn. składają się pojedynczych, pracujących niezależnie

od siebie kompaktowych urządzeń o wydajności od kilkudziesięciu

litrw do ok. 2,5 m 3 uzdat-

nianej wody na godzinę.

Urządzenia te mogą być

łączone ze sobą w układzie

rwnoległym, tworząc sys-

temy o dowolnej wydajnoś-

ci. Przykład takiego modułu

o wydajności maksymalnej

2,3 m 3 /h, produkowanego

przez firmę Electropure

przedstawiono na fot.1.

Budowa wewnętrzna

modułu jest typowa dla

urządzeń wytwarzanych

przez rżnych producentw

i została przedstawiona na

rysunku 1.

Fot. 1. Moduł EDI produkcji firmy

Electropure Inc.

Zespł komory diluatu i koncentratu ("D"+"C") jest określany

jako "celka" lub "podwjna komora" i traktowany jako podsta-

wowa jednostka budująca moduł EDI. Liczba celek tworzących

pakiet wypełniający wnętrze modułu jest rżna w przypadku

rżnych producentw, ale zazwyczaj kształtuje się na poziomie

30 - 40 sztuk.

W obrębie modułu EDI znajduje się jeszcze trzeci typ komr -

są to komory elektrolitu (komory "E"). Są one rozmieszczone po

obu stronach pakietu celek i zawierają w sobie elektrody (anodę

i katodę). Ich funkcją jest oddzielenie elektrod od migrujących

jonw, chłodzenie elektrod oraz odpłukiwanie z powierzchni ele-

ktrod zanieczyszczeń znajdujących się w elektrolicie lub będących

produktami dysocjacji i elektrolizy wody.

Obieg wody w modułach EDI

Klasyczny obieg wody w module EDI został przedstawiony na

rysunku 2. Należy jednak zaznaczyć, że obecny szybki rozwj

technologii EDI spowodował powstanie licznych rozwiązań

wariantowych, ktrych celem jest podwyższenie odzysku wody

oraz obniżenie nakładw energetycznych w trakcie uzdatniania

wody.

Zgodnie z rysunkiem 2 w obrębie modułu EDI wyrżniamy

3 strumienie wody przepływające przez poszczeglne rodzaje

komr.

Głwnym jest strumień diluatu, ktry w trakcie przejścia przez

złoże jonitowe w komorze "D" uzyskuje bardzo wysoką czystość.

Stanowi on około 90-95% oglnej ilości wody kierowanej na

moduł EDI. Wartość ta określa jednocześnie stopień odzysku na

modułach. W celu zapobieżenia ewentualnym przeciekom

zanieczyszczonej wody do produktu końcowego, w komorze dilu-

atu panuje wyższe ciśnienie niż w sąsiedniej komorze koncentratu.

Rżnica ciśnień między komorą "D" i "C" jest cechą charak-

terystyczną dla rżnych typw modułw, ale w większości przy-

padkw kształtuje się na poziomie 0,3-0,7 bara.

Strumień koncentratu stanowi około 5-10% oglnej ilości wody

zasilającej kierowanej do modułu. Jest on recyrkulowany przez

komorę koncentratu przy pomocy pompy, w celu osiągnięcia

wysokiej koncentracji jonw usuwanych z komory diluatu (jest to

tzw. "pętla C"). Może on osiągnąć wysokie przewodnictwo

wynoszące 300-400 ´S/cm, a niektrych przypadkach nawet

1000 ´S/cm. Zagęszczony koncentrat jest odprowadzany do kanali-

zacji lub w ramach recyklingu zawracany przed odwrconą osmozę

(w tym przypadku wzrasta stopień odzysku na module), a układ

recyrkulacji zostaje uzupełniony wodą zasilającą.

Strumień elektrolitu stanowi 1-2% oglnej ilości wody

kierowanej do modułu EDI. W przedstawionym na schemacie

wariancie jest on zasilany wodą z recyrkulacji koncentratu. Zużyty

elektrolit nie może być odzyskiwany, lecz musi być kierowany do

kanalizacji. Przyczyną tego są zachodzące na elektrodach procesy

elektrolizy, w wyniku ktrych na anodzie powstaje wolny chlor

w postaci rozpuszczonej oraz wolny tlen w postaci gazowej, nato-

miast na katodzie wolny wodr w postaci gazowej.

Wykorzystywane w polskiej energetyce (EC Lublin Wrotkw

i EC Rzeszw Załęże) moduły EDI produkowane przez firmę

Electropure posiadają inny, znacznie uproszczony obieg wody

przedstawiony na rysunku 3. Woda zasilająca, stanowiąca permeat

po RO zasila wyłącznie strumień diluatu. Strumień koncentratu

i elektrolitu są zasilane przez koncentrat z drugiego stopnia odwr-

conej osmozy. Wyeliminowano także recyrkulację koncentratu;

Rys. 1. Budowa i działanie modułu EDI

Rys. 2. Obieg wody w module EDI produkcji firmy E-Cell Corp.

Rys. 3. Obieg wody w module EDI produkcji firmy Electropure Inc.

woda po jednorazowym przejściu przez komorę "C" i uzyskaniu

zasolenia kilkudziesięciu ´S/cm jest zawracana przed moduły RO.

Pojedynczy strumień elektrolitu przepływa najpierw przez anodę,

a potem przez katodę.

dukowana jest zbyt niska ilość jonw H + i OH - do regeneracji

żywic i spowolniona zostaje migracja jonw z komory diluatu do

komory koncentratu, co powoduje niekorzystne powiększenie

"złoża pracującego", a skrcenie "złoża doczyszczającego". W koń-

cowej części modułu, gdzie występuje diluat o wysokiej czystości

i koncentrat o wysokim zatężeniu może natomiast dojść do tzw.

"dyfuzji wstecznej", czyli powrotu jonw z koncentratu do diluatu

poprzez membrany jonoselektywne.

Niekorzystne także okazuje się zastosowanie zbyt wysokiego

napięcia. Obniża ono przede wszystkim ekonomiczność procesu.

Powoduje rwnież nadmierną produkcję jonw H + i OH - , ktre

konkurują z usuwanymi jonami o miejsca transportu przez

membrany. Nadmierna polaryzacja jonw powoduje też wzajemne

utrudnianie migracji przez jony o przeciwnych ładunkach. W kon-

sekwencji może to prowadzić do pogorszenia jakości diluatu.

Zalecane napięcie przykładane do modułw EDI w zależności

od producenta wynosi od 5-8 V/celkę do 20 V/celkę.

Prawidłowa eksploatacja modułw elektrodejonizacji pozwala

na osiągnięcie produktu końcowego nazywanego diluatem o stałej

bardzo wysokiej czystości, trudnej do osiągnięcia przy zastosowa-

niu innych technologii. Optymalne parametry diluatu kształtują się

następująco:

- oporność 18 megaohm/cm (co odpowiada przewodności

0,055 ´S/cm)

- zawartość krzemionki poniżej 5 ´g/l

- zawartość substancji organicznych (TOC) poniżej 10 ´g/l

Przebieg procesu uzdatniania wody w modułach EDI

Głwny strumień wody zasilającej moduły EDI stanowi zawsze

permeat po odwrconej osmozie, a więc jest to woda o wysokiej

czystości, z ktrej usunięto około 98% zanieczyszczeń. Zawiera

ona niewielkie ilości rozpuszczonych jonw (Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl - ,

HCO 3 - , HSiO 3 - ), a także substancje organiczne, żelazo oraz gazy

(O 2 , CO 2 ). Zanieczyszczenia te są usuwane w trakcie przepływu

strumienia wody przez komorę diluatu (rysunek 1). Rozpuszczone

silne kationy i aniony są stosunkowo łatwo usuwane w początko-

wym odcinku komory diluatu na znajdującym się tu złożu dwu-

jonitowym. W wyniku tego procesu grupy jonowymienne anionitu

i kationitu zostają obsadzone przez jony usunięte ze strumienia

wody zasilającej. Ta część komory diluatu, w ktrej w trakcie

eksploatacji żywice znajdują się w stanie wyczerpanym określana

jest często jako "złoże pracujące". Jednocześnie pod wpływem

przyłożonego napięcia w obrębie modułu dochodzi do stałej dysoc-

jacji wody na jony wodorowe (H + ) i wodorotlenowe (OH - ). Jony te

powodują ciągłą regenerację wyczerpanej masy dwujonitowej.

Przyłożone napięcie powoduje także migrację jonw znajdujących

się w komorze diluatu w kierunku odpowiednich elektrod (anionw

w kierunku anody i w kierunku katody). Migracja ta w obrębie

komory "D" ma charakter przesuwania się po powierzchni ziaren

jonitw tworzących wspomniane już wcześniej "ścieżki migracji

jonw". Kationy znajdujące się w komorze diluatu przesuwając się

w stronę katody, przechodzą przez membranę kationoprze-

puszczalną i trafiają do komory koncentratu, ktre nie mogą już

opuścić, gdyż są blokowane przez membranę anionoprze-

puszczalną. W analogiczny sposb aniony poruszające się w stronę

anody przechodzą przez membranę anionoprzepuszczalną i trafiają

do komory koncentratu, ktre nie mogą już opuścić, gdyż są

blokowane przez membranę kationoprzepuszczalną. W wyniku

omwionego procesu woda w komorze diluatu ulega stopniowemu

oczyszczeniu, natomiast w komorze koncentratu dochodzi do

zatężania zanieczyszczeń, odprowadzanych następnie poza moduł.

"Złoże pracujące" znajdujące się w stanie wyczerpanym

i usuwające silne kationy i aniony stanowi tylko niewielką część

komory diluatu. Pozostała część komory "D", zwana "złożem

doczyszczającym" pozostaje w stanie wysoko zregenerowanym

isłuży do usuwania CO 2 i HCO 3 - , a w szczeglności krzemionki,

co ma decydujący wpływ na jakość produktu końcowego

opuszczającego moduł EDI. Optymalne dla produkcji wody

zdemineralizowanej jest zatem niskie zasolenie wody zasilającej,

co powoduje skrcenie "złoża pracującego" oraz niska zawartość

CO 2 (najlepiej poniżej 5 mg/l), dzięki czemu wzrasta skuteczność

usuwania krzemionki na "złożu doczyszczającym".

Dla procesw regeneracji żywic jonowymiennych, transportu

jonw przez membrany jonoselektywne, zapewnienia czystości

diluatu na odpływie oraz dla ekonomiki procesu, istotne jest zasto-

sowanie odpowiedniego napięcia elektrycznego w poprzek modułu

EDI. Napięcie to rżni się nie tylko w zależności od zastosowanego

wariantu technologicznego, ale także od jakości wody zasilającej

(przewodnictwa permeatu po RO, temperatury, założonego stopnia

odzysku i czystości diluatu).

W przypadku zastosowania zbyt niskiego napięcia pro-

Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej

moduły EDI

Jednym z poważniejszych mankamentw uzdatniania wody

w procesie elektrodejonizacji jest konieczność zastosowania

wysokiej jakości wody zasilającej moduły. W praktyce warunki te

spełnia jedynie permeat po odwrconej osmozie, dlatego instalacje

przemysłowe do demineralizacji mają w tym przypadku charakter

zespołw RO-EDI (odwrcona osmoza może być jedno lub dwu-

stopniowa). Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej EDI

podawane przez rżnych producentw zamieszczono w tabeli 1.

Wynika z niej, że parametry jakościowe wody kierowanej na

moduły elektrodejonizacji podawane przez rżnych producentw

są zbliżone i bardzo wymagające. Zastosowanie jako etapu

poprzedzającego odwrconej osmozy pozwala jednak uzyskać stru-

mień wody zasilającej o właściwych parametrach. Niedotrzymanie

tych warunkw może natomiast prowadzić do pogorszenia jakości

diluatu, skrcić okresy między zabiegami konserwującymi oraz

oglną żywotność układu, a także ekonomiczność omawianego

procesu.

Poniżej omwiono skrtowo wpływ poszczeglnych para-

metrw jakościowych wody zasilającej na funkcjonowanie

modułw EDI.

Przewodność jest wywoływana głwnie przez silne kationy

i aniony. Ich zwiększona obecność obciąża masy jonitowe w "złożu

pracującym", prowadząc automatycznie do skrcenia "złoża

doczyszczającego" przeznaczonego do usuwania wodorowęglanw

i krzemionki, przez co obniża się jakość diluatu.

pH przy wartościach odbiegających od wymaganego zakresu

prowadzi do zakłcenia rwnowagi jonowej. Zbyt niskie powodu-

je powstawanie trudno usuwalnego wolnego CO 2 , zbyt wysokie

sprzyja powstawaniu osadw węglanowych w komorze koncen-

tratu (scaling).

- iągłość procesu (bez konieczności cyklicznej regeneracji)

- stała wysoka jakość produktu końcowego

- niewielkie rozmiary, mało instalacji towarzyszących (szafa

sterownicza, instalacja do czyszczenia chemicznego)

- budowa modułowa pozwalająca na rozbudowę systemu

w zależności od potrzeb, oraz wyłączanie dowolnej części

układu z eksploatacji

- niskie koszty eksploatacji

- obsługa zautomatyzowana wymagająca niewielkiego nadzoru.

Głwne wady i niedogodności elektrodejonizacji w porwnaniu

z klasyczną końcową demineralizacją wody na dwujonitach to:

- wysoki koszt inwestycyjny

- wysokie wymagania dotyczące jakości wody zasilającej

(konieczność zastosowania odwrconej osmozy jako etapu

poprzedzającego)

- wrażliwość na zanieczyszczenia

- niewielkie doświadczenia w krajowej energetyce.

Temperatura wpływa na lepkość wody, opory przepływu przez

złoże jonitowe, szybkość migracji jonw a także przewodzenie

prądu elektrycznego czyli ekonomiczność procesu.

Wodorowęglany i CO 2 powodują obciążenie "złoża doczysz-

czającego" utrudniając usuwanie krzemionki, co obniża jakość

diluatu. Przy podwyższonym pH wraz z jonami Ca 2+ i Mg 2+ tworzą

osady węglanowe w komorze koncentratu (scaling).

Twardość oglna przy podwyższonym pH powoduje pow-

stawanie osadw węglanowych w komorze koncentratu (scaling).

Substancje organiczne (TOC) akumulują się na powierzchni

ziaren jonitw i membran prowadząc do ich zanieczyszczenia

(foulingu) oraz zablokowania miejsc aktywnych, co dotyczy

szczeglnie żywicy anionitowej i membran anionoprzepuszczal-

nych.

Tabela 1

Wymagania jakościowe dla wody zasilającej moduły EDI wg

wybranych producentw

Krzemionka jest najtrudniej usuwalna na modułach EDI,

wymaga długiego odcinka "złoża doczyszczającego", obniża jakość

diluatu.

Żelazo i mangan mogą katalizować utlenianie matrycy mem-

bran i żywic jonowymiennych, a także akumulować się w bardzo

wysokich ilościach w membranach i ziarnach jonitw.

Utleniacze (Cl 2 , O 3 ) powodują degradację żywic jonowymien-

nych i membran obniżając skuteczność ich działania oraz żywot-

ność.

Oleje absorbują się na powierzchni membran i ziaren żywicy

powodując ich zablokowanie.

Zawiesiny mechaniczne (SDI, mętność) powodują mecha-

niczne zanieczyszczenia żywic i membran (fouling), zwiększają

opory przepływu, przy dużym nagromadzeniu mogą blokować

"ścieżki migracji jonw".

Wady i zalety elektrodejonizacji

Głwne zalety elektrodejonizacji w porwnaniu z klasyczną

końcową demineralizacją wody na dwujonitach to:

- wyeliminowanie zużycia regenerantw i powstawania agresyw-

nych ściekw

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: