Электродеионизация ( EDI ) — это технология очистки воды, которая использует постоянный ток , ионообменные мембраны и ионообменную смолу для деионизации воды . EDI обычно используется в качестве полирующей обработки после обратного осмоса (RO) и используется для производства сверхчистой воды . Она отличается от других методов полировки RO, таких как химически регенерированные смешанные слои, тем, что работает непрерывно без химической регенерации. [1]
Электродеионизацию можно использовать для получения воды высокой степени очистки, достигая значений удельного электрического сопротивления до 18,2 МОм/см.
Электродеионизация (ЭДИ) объединяет три различных процесса:
ЭДИ иногда называют «непрерывной электродеионизацией» (CEDI), поскольку электрический ток непрерывно регенерирует массу ионообменной смолы.
Для максимизации чистоты воды продукта, EDI-питающая вода нуждается в предварительной обработке, обычно выполняемой с помощью обратного осмоса. При подаче питательной воды с низким содержанием растворенных твердых веществ (например, очищенной с помощью обратного осмоса), продукт может достигать очень высоких уровней чистоты. Содержание питательной воды должно поддерживаться в определенных параметрах, чтобы предотвратить повреждение инструмента EDI.
Распространенными проблемами качества питательной воды являются:
Электродеионизация была разработана в начале 1950-х годов для устранения или минимизации явления концентрационной поляризации, присутствовавшего в системах электролиза того времени. Патент на технологию был подан в 1953 году, а последующие публикации популяризировали технологию. [2]
Технология была ограничена в применении из-за низкой переносимости общего содержания растворенных твердых веществ, жесткости и органики. В 1970-х и 1980-х годах обратный осмос стал предпочтительной технологией для ионообменной смолы для вод с высоким TDS . По мере того, как RO набирал популярность, EDI стал подходящей технологией полировки. Упакованные системы RO и EDI начали вытеснять химически регенерированные ионообменные системы.
В 1986 и 1989 годах несколько компаний разработали новые устройства EDI. Первые устройства были большими, дорогими и часто ненадежными. Однако в 1990-х годах были введены более мелкие и менее дорогие модульные конструкции. Тем не менее, эти конструкции и их современные потомки все еще сталкиваются с ограничениями, такими как стоимость и ограниченный эксплуатационный диапазон. [3] [4]
В электронной промышленности деионизированная вода используется для промывки компонентов в процессе производства. Это необходимо для предотвращения потенциальных коротких замыканий , которые могут разрушить электронные чипы. Поскольку электронные чипы очень малы, между компонентными элементами мало свободного пространства, и нежелательное электричество может проходить через компоненты даже через небольшое количество ионов, вызывая короткое замыкание. Использование деионизированной воды для очистки компонентов помогает минимизировать ионы на их поверхностях и, таким образом, минимизировать короткие замыкания.
В фармацевтической промышленности присутствие нежелательных ионов в воде, используемой при разработке лекарственных препаратов, может привести к нежелательным побочным реакциям и появлению вредных примесей.
При производстве электроэнергии присутствие ионов в питательной воде котла может привести к накоплению твердых частиц или разрушению стенок котла, что может снизить эффективность котла и создать угрозу безопасности.
В связи с большими финансовыми и техническими проблемами в этих трех отраслях, их экономический спрос на сверхчистую воду обеспечивает большую часть спроса на устройства и разработки EDI.
Системы электродеионизации также применялись для удаления тяжелых металлов из различных типов сточных вод горнодобывающей промышленности, гальванических и ядерных процессов. Основными ионами, удаляемыми в этих процессах, являются хром , медь , кобальт и цезий , хотя EDI также используется для удаления других. [5]
Электроды в электрохимической ячейке классифицируются как анод или катод . Анод — это электрод, на котором электроны покидают ячейку и происходит окисление , в то время как катод — это электрод, на котором электроны входят в ячейку и происходит восстановление . Каждый электрод может стать либо анодом, либо катодом в зависимости от напряжения, приложенного к ячейке.
Каждая ячейка деионизации состоит из электрода и электролита с ионами , которые подвергаются либо окислению, либо восстановлению. Поскольку они обычно состоят из ионов в растворе, электролиты часто называют «ионными растворами», но возможны также расплавленные и твердые электролиты.
Вода проходит между анодом и катодом. Ионоселективные мембраны позволяют положительным ионам отделяться от воды по направлению к отрицательному электроду, а отрицательным ионам — по направлению к положительному электроду. В результате ионы не могут покинуть ячейку, и получается деионизированная вода . [4]
При использовании тока, который выше необходимого для движения ионов, часть падающей воды будет расщепляться, образуя анионы гидроксида (ОН - ) и катионы водорода (Н + ) . Эти виды будут заменять примесные анионы и катионы в смоле. Этот процесс называется « регенерацией смолы на месте ». Поскольку эта замена происходит параллельно с процессом деионизации, она позволяет осуществлять непрерывную очистку, в отличие от методов деионизации, которые требуют паузы в работе для химической регенерации ионообменных смол. [6]
Целью ионообменной смолы является поддержание стабильной проводимости через питательную воду. Без смолы ионы могут быть удалены изначально, но проводимость резко упадет по мере уменьшения концентрации ионов. При более низкой проводимости электроды станут менее способными эффективно направлять поток электронов через ячейку, тогда как при добавлении смолы и, следовательно, при постоянной проводимости поток электронов остается стабильным и обеспечивает постоянную скорость удаления ионов. Таким образом, при использовании смолы конечные остаточные концентрации ионов в обработанной воде могут быть ниже на порядки. [5]
Типичная установка EDI имеет следующие компоненты: электроды, анионообменные мембраны, катионообменные мембраны и смолу. Простейшие конфигурации включают три отсека. Для увеличения интенсивности или эффективности производства количество отсеков или ячеек может быть увеличено по желанию.
После установки системы и начала протекания через нее питательной воды катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду. Через анионообменную мембрану могут проходить только анионы, а через катионообменную мембрану — только катионы. Такая конфигурация позволяет анионам и катионам течь только в одном направлении из-за селективности мембран и электрических сил, что делает питательную воду относительно свободной от ионов. Она также позволяет раздельно собирать потоки концентрации катионов и анионов, создавая возможность для более селективной утилизации отходов, переработки или повторного использования; это особенно полезно при удалении катионов тяжелых металлов .