頻繁倒極電滲析（EDR）在反滲透（RO）制造純水技術(shù)中的應用
摘要：本文通過介紹EDR的脫鹽及防垢機理，提出了EDR在RO制造純水工藝的應用流程，分析了流程的技術(shù)特點，經(jīng)濟價值和可操作性。
關(guān)鍵詞：電滲析（ED）、頻繁倒極電滲析（EDR）、反滲透（RO）、純凈水
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，飲用水與健康成為人們廣泛關(guān)注的課題，飲用純凈水已進入千家萬戶。目前廣泛應用于純凈水制造領(lǐng)域的原水處理技術(shù)有頻繁倒極電滲析（EDR）技術(shù)和反滲透（RO）技術(shù)，同時作為自動化程度較高，可操作性較強的EDR和RO，既可以單獨使用又可以聯(lián)合使用〔1〕，兩種技術(shù)在礦物質(zhì)成分的分離原理、工藝與及維護保養(yǎng)都有所不同，特別是預處理要求上RO有更嚴格的要求。本文通過對EDR和RO的脫鹽原理、流程設(shè)計及防垢措施等方面的介紹，分析EDR與RO結(jié)合制造純凈水流程的優(yōu)點和經(jīng)濟價值。
一、 頻繁倒極電滲析（EDR）及反滲透（RO）的脫鹽機理
頻繁倒極電滲析技術(shù)（EDR）是在電滲析（ED）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，ED是利用陰、陽離子交換膜交替排列于正、負電極之間，并通過有特定性能的隔板將兩張膜隔開，組成濃水和淡水兩個系統(tǒng)。當向隔室通入陰陽離子的含鹽水、在直流電場作用下，淡水隔室的陽離子如Na＋，向陰極遷移，陰離子如Cl－向陽極遷移，Na＋和Cl－分別透過陽離子交換膜CM和陽離子交換膜AM而遷移到相鄰的隔室中去。這樣淡水隔室中的陰、陽離子濃度逐漸降低，濃水隔室中的陰、陽離子濃度逐漸升高，從電滲析器中就能源源不斷地流出淡化水和濃縮液〔2〕。其脫鹽率可從45~99％選擇。
EDR是根據(jù)上述原理，每隔一定時間，正負電極極性相互 倒換－稱頻繁倒極，同時濃水隔室和淡水隔室亦相應調(diào)換，起到自動清洗離子換交膜和電極表面形成的污垢，以確保脫鹽率長期穩(wěn)定，EDR的流程如圖2所示，EDR從70年代的成功開發(fā)，近十年成功地把電子控制技術(shù)引入EDR控制系統(tǒng)，使得EDR應用越來越廣。我國的EDR與美國和日本的EDR技術(shù)基本相接，但價格卻有很大的優(yōu)勢，從而有十分廣泛的應用前景。
反滲透（RO）是以壓力為推動力，利用高分子分離膜的透水特性，從而使水質(zhì)中有機物、微生物和無機鹽類從水中分離，達到提純?nèi)軇ㄋ┑哪康。目前市場上使用高分子分離膜（RO膜）大部分來自于美國Hydranautics公司和DOW Chemcal公司，在純水制造上以芬香族聚酰胺復合膜為主，其最低脫鹽能力可達 99.0%〔3〕。
國內(nèi)反滲透的應用始于70年代后期，最早用于電子、半導體純水，90年代起在飲用水處理方面獲普及，并且進入到家庭飲用純水。目前在飲用純水方面以RO為主的工藝占主導地位，直接或配合使用EDR則較少，其主要原因有兩個方面：一方面，RO機組的結(jié)構(gòu)相當簡單，一般在RO膜銷售商的簡單指導下即可生產(chǎn)。另一方面，制造周期短，一臺普通反滲透機組只需1~2周即可組裝完畢。但是RO制造純凈水工藝在流程設(shè)計及使用維護方面卻出現(xiàn)不少問題，較為普遍的問題有：（1）脫鹽率不高，出水電導率達不到要求。（2）采用二級RO處理，投資成本很高。（3）預處理增加軟化流程，使制水成本提高。（4）結(jié)垢嚴重，不按技術(shù)要求清洗，導致膜性能降低，使用壽命短。
二、 EDR的防垢機理和RO的預處理
（一） EDR的防垢機理
1、EDR的運行程序
EDR系統(tǒng)主要由電滲析本體、整流器及自動控制（倒極）系統(tǒng)組成，其運行過程如下：A狀態(tài)→倒極，濃淡室互換→B狀態(tài)→倒極，濃淡室互換→A狀態(tài)。
2、EDR防垢機理
電滲析運行過程中產(chǎn)生的污垢主要有三類〔4〕：（一）由電極反應和極化產(chǎn)生的主要是鈣、鎂的碳酸鹽污垢。（二）在濃水中，因過飽和而慢慢析出的主要是鈣、鎂的硫酸鹽污垢。（三）在直流電場作用下，帶電物質(zhì)在膜表面的沉積物，主要是有機物、膠體和微生物。極化結(jié)垢大多數(shù)發(fā)生在濃室的陰膜面上，也就是發(fā)生在陰膜的陽極面上，因為濃室溶液體系呈堿性，滿足CaCO3、MgCO3的沉淀條件，電極極性倒換后，濃、淡室相應地發(fā)生變化，使原來在陰膜面上沉積物溶解（此時系統(tǒng)呈酸性），而在陰膜的另一面上又有沉積物生成。通過定時的極性轉(zhuǎn)換，從而打破了CaCO3等垢物的生成條件，便起到自身清洗作用。在負極上因電極反應可生成CaCO3沉淀結(jié)垢，以及硫酸鹽，膠體等污垢，同樣因為頻繁轉(zhuǎn)換電極極性，互換濃、淡水室而打破了沉積條件，或使沉積物溶解而隨水流（濃水和極水）排出。這樣就保證了膜的性能和電極長期穩(wěn)定，從而確保脫鹽率和出水水質(zhì)的穩(wěn)定。
（二） RO系統(tǒng)的預處理
從RO純水制造工藝可知，對于沒有EDR系統(tǒng)的工藝流程，其前處理過程通常是加入防垢劑或增加軟化裝置。根據(jù)反滲透系統(tǒng)的設(shè)計要求〔3〕，預處理要求的主要指標：①濁度1.0NTU（最好<0.3 NTU），②15minSDI值≤5.0（最好<3.0），③TOC<2.0 mg/L，④余氯<0.05mg/L，⑤ρ（Fe）<0.3mg/L，⑥ρ（Mn）<0.1mg/L。另外，對于TDS≥200 mg/L的水源，按95％的脫鹽率計算，一級RO則很難確保電導率<10µs/cm，按目前較多企業(yè)控制電導率<5µs/cm，除了較嚴格的預處理流程以外，TDS的控制亦顯得相當重要，本文把進入RO之前的過程全部稱為預處理，即包括TDS控制部分，因此，以RO為主要分離裝置的純凈水制造工藝中的預處理包括流程如下：
砂濾→碳濾→精濾→防垢→預脫鹽
該流程中的前三個環(huán)節(jié)已為所有廠商或制造商所公認，這里不再贅述。而后二個環(huán)節(jié)則顯得較為雜亂。以加防垢劑、軟化器和電滲析占主導地位，采用EDR作為預脫鹽及防垢的流程具有以下特點：
（1） EDR的預處理要求沒有RO嚴格
電滲析器的進水水質(zhì)指標：①濁度<3NTU，②15minSDI<10,③余氯<0.3mg/L，④TOC<3mg/L，⑤ρ(Fe)<0.3mg/L，⑥ρ（Mn）<0.1mg/L。
（2） EDR的脫鹽率范圍廣
EDR的脫鹽率可在45~95%范圍內(nèi)選擇（甚至可達99%），使得EDR與RO配套使用靈活，對低礦化度水質(zhì)，可選擇較低脫鹽率，而對高礦化度可選擇高脫鹽率。
（3） 適用TDS范圍寬
對只考慮一級RO的流程，前置EDR適用的TDS范圍可在100~500mg/L，甚至更高。按500mg/L的TDS原水，EDR采用85~90%。脫鹽水則出水TDS<80 mg/L，經(jīng)一級RO后電導率可穩(wěn)定在5μS/cm以內(nèi)。
（4） EDR的設(shè)備投資及運行費用低
EDR的運行壓力<0.2MPa，以湛江市康寧路自用純凈水工程（工程－1），肇慶市端州八路商業(yè)純凈水工程（工程－2），廣東省地建集團粵西公司凈水工程（工程－3）為例，單獨使用EDR與選用軟化器DI＋RO流程進行比較，經(jīng)濟指標列表1如下：
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（5）EDR有效防止結(jié)垢
從EDR過程中離子遷移性能可知Ca2+、Mg2+具有較高的選擇性，硬度的脫除率大于總脫除率，達到軟化的目的。表2列出上述EDR工程的原水及出水水質(zhì)結(jié)果對照。
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（6）EDR自動化程度高，故障率低
EDR采用可編程控制器實現(xiàn)自動控制，自動化程度高，長期穩(wěn)定運行。
（7）EDR組件幾乎全部國產(chǎn)化，維修方便。
三、結(jié)論
從上述分析，EDR作為RO制造純水工藝流程中的前處理部分，不但確保預處理過程的穩(wěn)定可靠，同時可在較寬的范圍內(nèi)降低原水的TDS，既防止結(jié)垢，又使后續(xù)RO的產(chǎn)水量及電導率有效地控制在最優(yōu)水平。使用EDR的產(chǎn)水成本僅為DI+RO成本的10~15%，設(shè)備投資為DI+RO的 50%，EDR水利用率較高。所以EDR在純水制造工藝中不但科學可行，同時能給用戶帶來明顯的經(jīng)濟效益。
參考文獻
〔1〕徐榮安 膜技術(shù)在飲用水深度處理中的應用水處理技術(shù)，1999，25（5）
〔2〕張維潤等著 電滲析工程學科學出版社 北京 1995年
〔3〕徐平、張烽等 分離膜技術(shù)應用論文集（內(nèi)部資料） 1998年9月版
〔4〕邵剛、奚鳳翔 頻繁倒椎電滲析（EDR）及其應用 環(huán)境工程 1995年
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