什么是倒极电渗析及其创新应用?

27 September, 2018

关键点

  • 本文概述了倒极电渗析(EDR)技术及其特定的适用性。
  • 技术创新让倒极电渗析技术能:

                         o 处理高度结垢废水,无需昂贵的化学处理

                         o 选择性地提取离子

                         o 处理含高有机物废水

 

倒极电渗析和反渗透技术不是竞争关系,两种技术各有优点。 在一些应用中,例如烟气脱硫废水(FGD)或油气产水,倒极电渗析可以提供明显的经济优势。

倒极电渗析的工作原理是什么?

作为第二广泛应用的膜脱盐技术,电渗析技术自20世纪60年代开始广泛用于工业脱盐。 电渗析通过施加直流(DC)电场,驱使阳离子沿一个方向通过阳离子交换膜(CEM),驱使阴离子沿相反方向通过阴离子交换膜(AEM)。 两种类型的膜交替排列构成膜堆(见图1)。

图 1. 电渗析膜堆

随着工艺给水(或废水)进入淡化(产水)室,沿着膜堆从下向上平行于电渗析膜流动,离子通过离子交换膜从产水中分离。这些离子浓缩在平行于产水室的浓缩室中,见下图2。倒极电渗析的倒极性能是近期的创新,它实现电极的极性反转以及进水流向的反转,从而有助于保持电渗析膜的清洁。

图 2. 电渗析工作原理

传统的电渗析系统由以上阳离子和阴离子交换膜组成。然而,基于膜技术的最新发展,利用Saltworks创新开发的IonFlux离子交换膜,可以实现单价离子选择分离。IonFlux离子交换膜可以分离98%的二价离子,选择性地提取单价离子。这种单价倒极电渗析 (mEDR)可用于多种水处理和再利用项目,例如:

  • 去除氯离子以解决水循环回用中的腐蚀问题,减少废水排放。尤其适用于烟气脱硫废水处理,其中90%的废水可被回收再循环,而最后10%的浓水可以与燃煤灰或粉煤灰混合处理。
Figure 3. mEDR简化工艺流程图
  • 去除导致冷却塔排污结垢的石膏,以实现更高的冷却塔循环率,使用前提是该冷却塔可以接受高浓盐水,或者除去引起腐蚀的氯离子。
  • 选择性地去除钠离子,以降低农业或垂直农法废水中的钠吸附比(SAR),从而能够回收废水中的营养物与多价离子肥料副产品。
  • 从锂浓水中选择性提取锂离子。

倒极电渗析与反渗透的比较:脱盐驱动力

反渗透和倒极电渗析是膜法脱盐技术的两大前沿技术,各自具有独特的适用范围。它们不应被视为竞争关系。然而,两种系统的相对经济性在很大程度上取决于水质、工艺设计和现场要求。以下是倒极电渗析和反渗透技术的比较。

无机结垢:

反渗透的主要工作原理是利用高压驱使水通过皮米至纳米级的微孔从而分离盐分。反渗透系统通常需要阻垢剂以减少结垢。对于高结垢废水,需要化学预处理来除去结垢物。

 

与反渗透不同,倒极电渗析使用电压差驱使离子从水溶液中穿过膜而分离;膜表面没有压力差。这意味着倒极电渗析对无机结垢和有机污垢的耐受性更高,从而减少预处理。此外,倒极电渗析配有简单的系统自清洁设计,并且使用电极的极性反转和水流的流向转向,驱使离子向相反方向流动,同时使得浓缩室被低浓度产水清洁,进一步减少结垢风险。

无机结垢:

一般情况下,有机物对膜系统都有影响。由于有机物的类似溶剂性质,膜容易受到损坏。通常需要使用氧化剂如漂白剂或氯水将有机物预除去。但是残留的氧化剂也会损坏膜,必须在膜系统之前除去。然而,Saltworks的Flex EDR Organix系统创新应用了具有耐有机物的交联电渗析膜。该膜同时能够耐受漂白剂或二氧化氯,可使用氧化剂清洁,可运行于含高有机废水或高度结垢水。

浓水和净水:

反渗透系统将水中的所有污染物没有选择性地浓缩成单一浓水。这也意味着由反渗透系统处理的净水的盐度和总溶解固体含量(TDS)通常非常低。反渗透系统可达到的浓水浓度取决于所施加的压力。假设所有的结垢化合物已被除去,典型的反渗透系统可以浓缩至80,000 mg/L TDS(1200 psi)或130,000 mg/L TDS(1800 psi)。然而,进一步浓缩浓水极具挑战性,因为反渗透膜只能承受一定量的压力。因此反渗透系统处理后的浓水的体积相对较大。

 

由于电渗析不依靠压力,并且更耐受结垢物,它可以浓缩到180,000mg/L TDS。与典型的反渗透系统相比,可将反渗透浓水体积减半。由于不同离子交换膜组装的灵活性,倒极电渗析系统可以被调试以选择性地浓缩或者提取某些离子。这也允许用户调试处理后净水的盐度至任何TDS浓度。

倒极电渗析脱盐的经济性:ΔTDS的重要性

倒极电渗析技术的经济性主要取决于进水的起始总溶解固体浓度和最终处理后的总溶解固体浓度,这就是ΔTDS(总溶解固体浓度的变化)。随着ΔTDS的增加,或者说电渗析系统脱盐量的增加,电渗析系统将需要更大的膜面积和更多的膜堆(增大投资成本),以及更大的功率(增大运行成本)。

 

倒极电渗析系统的尺寸基于电流密度和电流效率。电流密度是每单位面积膜可施加的电流量(通常单位是‘A/m2’)。电流效率是对施加电流跨膜移动离子有效程度的测量。电流密度和电流效率越高,越多的离子可被驱使通过膜,所需的膜面积和功率也越小。下面的图4说明了电流密度与脱盐量之间的关系,假设80%的电流效率,脱盐量基于一次通过全尺寸膜堆E200的脱盐量。下图展示了两种不同类型的浓水:NaCl浓水和CaCl2浓水—大多数废水的水质通常会落在所示的两种浓水线之间。取决于进水的起始TDS浓度,倒极电渗析系统处理后净水最佳经济性TDS约为1500mg/L。处理至更低的TDS浓度会增加ΔTDS,从而增加处理成本。

图4:总溶解固体量变化与能耗的关系-基于Flex EDR E200 膜堆

所需提到的是, 施加的最大电流密度受限于电流密度极限。如果施加电流密度高于电流密度极限,膜边界层的水分子会电离为H+和OH,浪费能量,并降低电流效率。由于我们的IonFlux离子交换膜提供低电阻、小边界层和平滑的膜表面, Flex EDR系统可以在比传统电渗析系统更高的电流密度下运行。

 

电流密度极限随着总溶解固体含量TDS的减小而减小,为了实现最佳经济性,有时可以串联不同的膜堆,使其在不同的电流下运行。比如,用一个在200A/m2条件下运行的膜堆1先处理高TDS浓度的废水,然后用第二个在60A/m2条件下运行的膜堆2终处理膜堆1的产水避免由于TDS减小导致电流密度极限减小而引起的水分子电离。

反渗透与倒极电渗析的成本比较

衡量反渗透系统和倒极电渗析系统的适用性需要深入了解您的项目需要和水质。一个简单的小试可帮助评估适用于您的独特水处理需求以提供最佳方法。

 

系统效率是评估反渗透或倒极电渗析系统成本的一个重要因素。由于反渗透系统需要施加压力,反渗透膜性能更易受水质影响而降低,结垢离子、污垢或有机物都将损坏膜。这种性能的降低不仅降低系统的处理效率,而且带来额外的人力维护和部件维修的运行和维护成本。倒极电渗析对以上影响因素更具耐受性,与反渗透相比,倒极电渗析处理更具挑战性废水的运行成本相对低一些。

 

在反渗透和倒极电渗析系统中,浓缩盐水的能耗都取决于其总溶解固体含量TDS。水中溶解的盐越多,水处理费用就越高。倒极电渗析随TDS增加而增加的处理费用比反渗透相对多一些,因为ΔTDS决定其投资和运行成本。因此,当需要显著降低TDS时,反渗透往往更具经济效益;当只需要选择性提取离子或者小幅降低TDS时,电渗析可能更具经济效益。

倒极电渗析技术的未来[ Flex EDR的优势]

均质与交联膜

与反渗透膜和纳滤膜制作不同,现代电渗析膜由聚合物连续浇铸制成,不会有层裂问题。电渗析膜技术的下一步是发展极端化学耐受性性能。Saltworks的IonFlux离子交换膜是这种膜的一个例子:其高度交联的聚合物使其具有化学耐受性以及延展性和平滑性。

模块化设计

顾客得益于一个可扩容和系统处理量可变的废水处理系统。Flex EDR为此而设计。Flex EDR整套系统具有模块化拼装能力,容易扩容。

 

Saltworks提供三个尺寸膜堆用于项目测试——E5小试膜堆、E100中试膜堆和全尺寸E200膜堆,它们分别具有5、100和200m3/天的处理容量。我们的标准框架由六个E200膜堆组成,具有1200 m3/天容量,这些膜堆可以移除或添加,以适应不同项目的处理需求。

图5: 三个Flex EDR膜堆:E5小试膜堆、E100中试膜堆和E200全尺寸膜堆

减少预处理的需要

倒极电渗析技术与其他技术相比的优势在于其低预处理需要。倒极电渗析膜技术的进展进一步减少了预处理的需要,例如,Flex EDR系统中使用的IonFlux离子交换膜具有对有机物的耐受性,可以用于处理油田产水。经济优势随预处理需求的减少而更加显著。

了解更多

现代倒极电渗析技术可以为特定项目提供显著的成本优势。如果您对Flex EDR感兴趣,希望了解系统及其报价,可以通过info@saltworkstech.com与我们联系,咨询您的项目。

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