CN105198133A - 一种防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统及方法，所述的制备系统主要由原水预处理系统、反滲透系统、电去离子系统组成，所述的原水预处理系统包括原水增压泵、机械过滤器、活性炭过滤器及精密滤器，原水通过管道进入增压泵，增压泵后依次连接机械过滤器、活性炭过滤器及精密滤器；所述的反滲透系统包括高压泵和由膜组件、膜壳、管阀件以及控制系统构成的一级反渗透装置；所述的电去离子系统包括淡水泵、EDI膜堆及整流器；一级反渗透装置后面配置的产水箱经所述淡水泵连接于EDI膜堆，并由整流器提供电场形成膜堆电流，EDI膜堆中的离子交换树脂通过离子交换不断去除水中的阴阳离子，从而产生超纯水。

Description

一种防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统及方法

技术领域

本发明涉及一种防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统及方法，属于超纯水的制备技术领域。

背景技术

电去离子装置制备超纯水技术是一种将电渗析技术和离子交换技术有机地结合在一起的膜分离脱盐过程。电去离子制备纯水装置是由分别位于两端的正极、负极和阳离子交换膜、浓水室、阴离子交换膜、填充有离子交换树脂的淡水室交替排列构成，在外加电场的作用下实现离子交换、定向迁移及树脂再生。电去离子装置能对纯水进行深度除盐制备超纯水，无需酸碱化学再生，无再生废水排放，是环保型的超纯水制备工艺。电去离子装置已于1987年被Millipore公司商业化，目前已在医药、电力、电子等领域等到较广泛应用。

然而，电去离子装置（EDI膜堆）一直存在装置易结垢的问题。电去离子装置在运行过程中，阴极反应和淡水室极化导致水电离生成OH^-离子，在阴极室和浓水室的阴膜表面形成局部的碱性环境（pH≥9），当水中含有微量的Fe²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-、SO₄ ^2-时，就会形成难溶于水的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐等沉淀，附着在极水室和浓水室的膜表面形成水垢。电去离子装置的结垢使得膜堆的电阻上升，所需的电压上升；水流阻力上升，操作压力上升；离子迁移受阻，产水水质下降；结垢严重时膜和电极粘连，造成局部缺水发热烧损，造成离子交换膜和电极板损坏。电去离子装置的结垢问题影响装置的使用性能和使用寿命。

为了防止电去离子装置结垢，许多EDI膜堆产品对于进水指标作出严格的限制，如进水的硬度指标设定为0.5-1.0mg/L（CaCO₃计），为此通常需要二级反渗透工艺作为前级处理才能达到要求。这些复杂的前级处理系统使得投资和运行成本大幅增加，这也限制了电去离子技术的广泛推广和使用。通过开发电去离子新工艺技术，降低EDI膜堆结垢，放宽进水条件从而简化反渗透工艺，对于电去离子技术的推广应用意义重大。

目前防止EDI膜堆结垢的技术主要有如下两种，一种是：如中国专利CN101538079B公开的淡水和浓水逆向流动技术，其中淡水与浓水流向相反的逆流运行方式，使得进入浓水的钙镁离子不流经阴离子交换膜高pH值的区域和高碳酸根区域，从而避免了浓水中硬度结垢。这种逆流运行方式设计要求浓水不能循环，因此膜堆的流程中离子浓度偏低、浓度分布很不均匀，其电阻偏高且分布也不均匀，运行电压偏高且电流偏流，影响除盐效果和产水水质；并且造成淡水进口压力的提升，增加水泵运行能耗，为此在浓水室填充离子交换树脂提高其导电性能，然而这增加了EDI膜堆结构复杂程度；

另一种是在浓水室增加一张多孔膜分成两个隔室的技术，如中国专利CN101195081B等；浓水室增加一张多孔膜分成两个隔室设计把迁移入浓水室的的阴离子与阳离子隔开，理论上减少阴阳离子的混合，避免浓水室中结垢的形成，但这种分隔室方式设计增加了结构的复杂程度，增加了电阻和电压，并且容易造成水流偏流，其实际使用性能有待检验。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构组成合理，能有效防止电去离子装置结垢，简化反渗透工艺，延长使用寿命，降低投资和运行成本的防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统及方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统，它主要由原水预处理系统、反滲透系统、电去离子系统组成；

所述的原水预处理系统包括原水增压泵、机械过滤器、活性炭过滤器及精密滤器，原水通过管道进入增压泵，增压泵后依次连接机械过滤器、活性炭过滤器及精密滤器；

所述的反滲透系统包括高压泵、膜组件、膜壳、管阀件以及控制系统，所述精密滤器相接于高压泵，该高压泵后面相接有由膜组件、膜壳、管阀件以及控制系统构成的一级反渗透装置；

所述的电去离子系统包括淡水泵、EDI膜堆及整流器；一级反渗透装置后面配置的产水箱经所述淡水泵连接于EDI膜堆，并由整流器提供电场形成膜堆电流，EDI膜堆中的离子交换树脂通过离子交换不断去除水中的阴阳离子，从而产生超纯水；

所述的电去离子系统配置有浓水处理系统，该浓水处理系统由软化器和精密滤器组成；从EDI膜堆之后接出的浓水管道通过一浓水泵依次连接所述的软化器和精密滤器，经过精密滤器之后一路回流管路连接所述的电去离子系统，另一路通过排放管进行排放或处理。

作为一种优选：所述增压泵与机械过滤器中间的管道上串接有加入絮凝剂的计量泵，所述的机械过滤器内填装有用于过滤去除水中悬浮物和胶体的无烟煤和石英砂滤料；所述的活性炭过滤器内填充有用于去除水中有机物和余氯的活性炭滤料；所述的精密滤器内装有微滤滤芯；

所述的反渗透装置是在膜壳内串联安装反渗透膜组件构成，所述的软化器内装有阳离子交换树脂；所述的连接于软化器之后的精密滤器内装有微滤滤芯或超滤膜。

一种利用所述防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统进行超纯水制备的方法，所述的超纯水制备方法包括：

a）原水预处理：包括自来水、地下水的原水经过絮凝、机械过滤及活性炭吸附处理，去除原水中的悬浮物、胶体、有机物和余氯，满足反渗透系统的进水要求，防止反渗透膜的污染和EDI膜堆的污染；

b）反渗透处理：预处理后的水由高压泵加压进入反渗透膜组件，反渗透膜组件能连续除去水中的绝大部分无机盐及溶解性有机物、胶体、微粒、病毒和热源杂质，反渗透产水不但含盐量大为降低，而且可大幅度降低对电去离子系统污染的中性或弱电性有机物含量；

c）电去离子处理：合格的反渗透系统产水经淡水泵增压进入电去离子系统，整流器提供电场形成膜堆电流，EDI膜堆中离子交换树脂通过离子交换不断去除水中的阴、阳离子产生超纯水，而通过膜堆电流持续电离部分水分子，使之产生H⁺和OH^-离子，电离产生H⁺和OH^-离子将再生离子交换树脂，同时交换下来的阴、阳离子经过阴膜和阳膜进入浓水室；EDI膜堆的淡水和浓水采用同方向流动形式，有利于淡水室和浓水室的压力差较均匀，EDI膜堆进口压力要求较低；

d）浓水处理：所述的进入浓水室的浓水经过浓水处理系统处理，处理后的浓水用浓水泵循环回流以保持浓水的导电性能，部分浓水以及极水排放。

作为一种优选：所述浓水处理系统中的软化器内填充凝胶型或大孔型强酸性阳离子交换树脂，处理流速10-30m/h；通过离子交换将浓水中大部分的Fe²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子去除，深度脱除浓水的硬度，减少水垢的形成；

所述浓水处理系统中的精密滤器中采用微滤滤芯或超滤膜；在浓水室形成Fe(OH)₃、CaCO₃、MgCO₃等沉淀物以微粒的形式存在，粒径一般在0.1-5.0微米之间；在浓水循环过程中进入精密滤器，通过筛分原理可以截留绝大部分微粒而不再进入到EDI膜堆中，从而减少结垢，同时也能截留运行过程中可能形成的破碎的离子交换树脂及其它杂质。

本发明在电去离子的浓水循环系统中采用软化处理与微滤处理，软化处理去除大部分易形成水垢的Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子，微滤（或超滤）处理截留浓水中结晶析出的氢氧化物和碳酸盐等固体微粒，从而防止电去离子装置的浓水室中形成水垢，并且不增加电去离子装置的复杂程度，不影响产水的水质和水量。

本发明具有防止电去离子装置结垢，简化反渗透工艺，延长使用寿命，降低投资和运行成本等特点。

附图说明

图1本发明的系统组成流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的一种防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统，它主要由原水预处理系统、反滲透系统、电去离子系统及浓水处理系统组成，其中：

所述的原水预处理系统包括原水增压泵2、机械过滤器4、活性炭过滤器5及精密滤器6，原水1通过管道进入连接的增压泵2，增压泵2后依次连接机械过滤器4、活性炭过滤器5及精密滤器6；

所述的反滲透系统包括高压泵7、一级反渗透装置8，精密滤器6之后通过相接的高压泵7连接于由膜组件、膜壳、管阀件以及控制系统构成的一级反渗透装置8；

所述的电去离子系统主要包括淡水泵10、EDI膜堆11及整流器15，通过反渗透装置之后经一淡水泵10连接于EDI膜堆11，由整流器15提供电场形成膜堆电流，EDI膜堆11中的离子交换树脂通过离子交换不断去除水中的阴阳离子，从而产生超纯水；

所述的电去离子系统配套有浓水处理系统，从EDI膜堆之后接出的浓水管道通过一浓水泵12依次连接软化器13和精密滤器14，经过精密滤器14之后一路回流管路连接所述电去离子系统中的EDI膜堆11，另一路通过排放管进行排放或处理。

图中所示，本发明所述增压泵2与机械过滤器4中间的管道上串接有加入絮凝剂的计量泵3，所述的机械过滤器4内填装有用于过滤去除水中悬浮物和胶体的无烟煤和石英砂滤料；所述的活性炭过滤器5内填充有用于去除水中有机物和余氯的活性炭滤料；所述的精密滤器6内装有微滤滤芯。

本发明所述的软化器13内装有阳离子交换树脂，所述的精密滤器14内装有微滤滤芯或超滤膜；所述的精密滤器6之后相接有一级反渗透装置8，且在该级反渗透装置8之前相接有一将进水压力提高的高压泵7，所述的反渗透装置8的膜壳内串联安装有反渗透膜组件。

一种利用所述防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统进行超纯水制备的方法，所述超纯水制备的方法包括：

a）原水预处理：原水如自来水、地下水经过絮凝、机械过滤及活性炭吸附处理，去除原水中的悬浮物、胶体、有机物和余氯，满足反渗透系统的进水要求，防止反渗透膜的污染和EDI膜堆的污染；

b）反渗透处理：预处理后的水由高压泵加压进入反渗透膜组件，反渗透膜组件能连续除去水中的绝大部分无机盐及溶解性有机物、胶体、微粒、病毒和热源等杂质，反渗透产水不但含盐量大为降低，而且可大幅度降低对电去离子系统污染的中性或弱电性有机物含量；本发明采用一级反渗透的产水水质比二级反渗透产水略差但投资和运行成本大幅度下降；由于本发明减少了EDI膜堆浓水室水垢的形成，从而放宽进水水质标准，所以采用一级反渗透工艺。

c）电去离子处理：合格的反渗透产水经淡水泵增压进入电去离子系统，整流器提供电场形成膜堆电流，EDI膜堆中离子交换树脂通过离子交换不断去除水中的阴、阳离子产生超纯水，而通过膜堆电流持续电离部分水分子，使之产生H⁺和OH^-离子，电离产生H⁺和OH^-离子将再生离子交换树脂，同时交换下来的阴、阳离子经过阴膜和阳膜进入浓水室；EDI膜堆的淡水和浓水采用同方向流动形式，有利于淡水室和浓水室的压力差较均匀，EDI膜堆进口压力要求较低。

d）浓水处理：本发明所述的进入浓水室的浓水经过浓水处理系统处理，处理后的浓水用浓水泵循环回流以保持浓水的导电性能，部分浓水以及极水排放；

所述浓水处理系统中的软化器内填充凝胶型或大孔型强酸性阳离子交换树脂，处理流速10-30m/h；通过离子交换将浓水中大部分的Fe²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子去除，深度脱除浓水的硬度，减少水垢的形成。

在电去离子系统的浓水循环流程中设置软化器比在电去离子的进水流程中设置软化器具有明显的优势，因为浓水和极水的排放流量约为进水流量的10%，而产水中几乎不含离子，所以浓水中的Ca²⁺、Mg²⁺离子浓度提高10倍，如进水中的硬度为1.0mg/L（CaCO₃计）,则浓水中的硬度约为10mg/L，离子浓度提高后有利于软化器去除这些离子，通常软化器处理后的硬度可小于3.0mg/L，可去除浓水中70%以上的硬度，从而减少结垢。EDI膜堆浓水的循环流量约为总进水量的1/3，所以选用的软化器直径较小，填充的离子交换树脂较少，节省了投资又达到良好的处理效果。

浓水处理系统中的精密滤器内装有微滤滤芯或超滤膜，在浓水室形成的Fe(OH)₃、CaCO₃、MgCO₃等沉淀物以微粒的形式存在，粒径一般在0.1-5.0微米之间。在浓水循环过程中进入微滤（或超滤）装置，通过筛分原理可以截留绝大部分微粒而不再进入到EDI膜堆中，从而减少结垢，同时也能截留运行过程中可能形成的破碎的离子交换树脂及其它杂质。精密滤器的流量与软化器的流量相等，处理流量较小，所以选用的装置也较小，投资费用少。

本发明在软化器内填充凝胶型强酸性阳离子交换树脂，型号为001×7，树脂粒度0.315-1.25mm，处理流速10-30m/h。可以根据原水的化学成分情况调整软化装置内填充树脂的型号。所述精密滤器内的微滤滤芯的形式有平板式、折叠式等，操作压力小于0.40MPa，温度5-40℃，膜材料选用PP、N-6、PS、PES、PVDF中的一种；超滤膜为卷式膜或中空纤维膜，操作压力小于0.40MPa，温度5-40℃，膜材料为PP、PVC、PAN、PS、PES、PVDF中的任意一种。

实施例1：某微电子企业用电去离子工艺制备超纯水，原水为自来水，经过原水增压泵增压输送进入机械过滤器，其流量为4.0m³/h,压力达到0.3MPa以上；进水管道连接计量泵，加入ST絮凝剂，加药量0.3-0.8mg/L，并加入PAC絮凝剂，加药量1.5-3.0mg/L。机械过滤器直径为800mm,内填装无烟煤与石英砂滤料，经过过滤去除水中悬浮物和胶体的水进入活性炭滤器。活性炭滤器直径700mm,内填充果壳型活性炭，用于吸附水中的有机物及余氯。经过活性炭滤器吸附的水进入精密滤器，进一步去除水中的微粒杂质，精密滤器直径为220mm，内装精度5μm长度30英寸PP微滤膜折叠滤芯5支。精密滤器的出水经过高压泵增压达到1.0MPa以上进入一级反渗透装置。一级反渗透装置串联安装4支8英寸反渗透膜元件，总产水量为3.0m³/h。反渗透产水用淡水泵送入到某国产EDI膜堆,超纯水流量为2.7m³/h，浓水排放流量为0.20m³/h，极水排放流量为0.10m³/h。浓水泵用于循环浓水，提高浓水室的导电性和均匀性，流量为1.0m³/h。在浓水泵的出口到EDI膜堆之间设置软化器和精密滤器。软化器直径为250mm,内装001×7阳离子交换树脂，填充高度0.8米。阳离子交换树脂交换饱和后用5-8%的氯化钠溶液进行再生。精密滤器直径为200mm，内装1μm长度10英寸N-6微滤膜折叠滤芯3支。原水电导率210μs/cm，一级反渗透产水电导率4μs/cm,EDI膜堆产水电阻率16.5MΩ·cm，浓水室结垢问题明显改善，EDI膜堆使用寿命达5年。

实施例2：某制药企业用电去离子工艺制备超纯水，原水也为自来水，经过原水增压泵增压输送进入机械过滤器，其流量为8.0m³/h,压力达到0.3MPa以上。进水管道连接计量泵，加入ST絮凝剂，加药量0.5-1.5mg/L。机械过滤器直径为1200mm,内填装无烟煤与石英砂滤料，经过过滤去除水中悬浮物和胶体的水进入活性炭滤器。活性炭滤器直径1000mm,内填充果壳型活性炭，用于吸附水中的有机物及余氯。经过活性炭滤器吸附的水进入精密滤器，进一步去除水中的微粒杂质，精密滤器直径为250mm，内装精度5μm长度30英寸PP微滤膜折叠滤芯7支。精密滤器的出水经过高压泵增压达到1.0MPa以上进入一级反渗透装置。一级反渗透装置串联安装8支8英寸反渗透膜元件，总产水量为6.0m³/h。反渗透产水用淡水泵送入到2台并联安装的某进口EDI膜堆,超纯水流量为5.2m³/h，浓水排放流量为0.60m³/h，极水排放流量为0.20m³/h。浓水泵用于循环浓水，提高浓水室的导电性和均匀性，流量为1.60m³/h。在浓水泵的出口到EDI膜堆之间设置软化器和精密滤器。软化器直径为350mm,内装001×7阳离子交换树脂，填充高度1.0米。阳离子交换树脂交换饱和后用5-8%的氯化钠溶液进行再生。精密滤器直径为220mm，内装1μm长度10英寸PP微滤膜折叠滤芯5支。原水电导率230μs/cm，一级反渗透产水电导率6μs/cm,EDI膜堆产水电阻率16.0MΩ·cm，浓水室结垢问题明显改善，EDI膜堆使用寿命达6年。

Claims (4)

1.一种防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统，它主要由原水预处理系统、反滲透系统、电去离子系统组成，其特征在于：

所述的原水预处理系统包括原水增压泵、机械过滤器、活性炭过滤器及精密滤器，原水通过管道进入增压泵，增压泵后依次连接机械过滤器、活性炭过滤器及精密滤器；

所述的反滲透系统包括高压泵、膜组件、膜壳、管阀件以及控制系统，所述精密滤器相接于高压泵，该高压泵后面相接有由膜组件、膜壳、管阀件以及控制系统构成的一级反渗透装置；

所述的电去离子系统包括淡水泵、EDI膜堆及整流器；一级反渗透装置后面配置的产水箱经所述淡水泵连接于EDI膜堆，并由整流器提供电场形成膜堆电流，EDI膜堆中的离子交换树脂通过离子交换不断去除水中的阴阳离子，从而产生超纯水；

所述的电去离子系统配置有浓水处理系统，该浓水处理系统由软化器和精密滤器组成；从EDI膜堆之后接出的浓水管道通过一浓水泵依次连接所述的软化器和精密滤器，经过精密滤器之后一路回流管路连接所述的电去离子系统，另一路通过排放管进行排放或处理。

2.根据权利要求1所述的防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统，其特征在于所述增压泵与机械过滤器中间的管道上串接有加入絮凝剂的计量泵，所述的机械过滤器内填装有用于过滤去除水中悬浮物和胶体的无烟煤和石英砂滤料；所述的活性炭过滤器内填充有用于去除水中有机物和余氯的活性炭滤料；所述的精密滤器内装有微滤滤芯；

所述的反渗透装置是在膜壳内串联安装反渗透膜组件构成，所述的软化器内装有阳离子交换树脂；所述的连接于软化器之后的精密滤器内装有微滤滤芯或超滤膜。

3.一种利用权利要求1或2所述防止电去离子装置结垢的超纯水制备系统进行超纯水制备的方法，其特征在于所述的超纯水制备方法包括：

a）原水预处理：包括自来水、地下水的原水经过絮凝、机械过滤及活性炭吸附处理，去除原水中的悬浮物、胶体、有机物和余氯，满足反渗透系统的进水要求，防止反渗透膜的污染和EDI膜堆的污染；

b）反渗透处理：预处理后的水由高压泵加压进入反渗透膜组件，反渗透膜组件能连续除去水中的绝大部分无机盐及溶解性有机物、胶体、微粒、病毒和热源杂质，反渗透产水不但含盐量大为降低，而且可大幅度降低对电去离子系统污染的中性或弱电性有机物含量；

c）电去离子处理：合格的反渗透系统产水经淡水泵增压进入电去离子系统，整流器提供电场形成膜堆电流，EDI膜堆中离子交换树脂通过离子交换不断去除水中的阴、阳离子产生超纯水，而通过膜堆电流持续电离部分水分子，使之产生H⁺和OH^-离子，电离产生H⁺和OH^-离子将再生离子交换树脂，同时交换下来的阴、阳离子经过阴膜和阳膜进入浓水室；EDI膜堆的淡水和浓水采用同方向流动形式，有利于淡水室和浓水室的压力差较均匀，EDI膜堆进口压力要求较低；

d）浓水处理：所述的进入浓水室的浓水经过浓水处理系统处理，处理后的浓水用浓水泵循环回流以保持浓水的导电性能，部分浓水以及极水排放。

4.根据权利要求3所述超纯水制备的方法，其特征在于所述浓水处理系统中的软化器内填充凝胶型或大孔型强酸性阳离子交换树脂，处理流速10-30m/h；通过离子交换将浓水中大部分的Fe²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子去除，深度脱除浓水的硬度，减少水垢的形成；

所述浓水处理系统中的精密滤器中采用微滤滤芯或超滤膜；在浓水室形成Fe(OH)₃、CaCO₃、MgCO₃等沉淀物以微粒的形式存在，粒径一般在0.1-5.0微米之间；在浓水循环过程中进入精密滤器，通过筛分原理可以截留绝大部分微粒而不再进入到EDI膜堆中，从而减少结垢，同时也能截留运行过程中可能形成的破碎的离子交换树脂及其它杂质。