Elektrodejonizacja i jej zastosowanie w procesie uzdatniania wody

Janusz Skwara
„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
Zakład Chemii i Diagnostyki
Elektrodejonizacja i jej zastosowanie w procesie
uzdatniania wody dla celów przemysłowych
Elektrodejonizacja wody (EDI) jest nowoczesną, w pełni zautomatyzowaną technologią,
pozwalającą uzyskiwać wodę zdemineralizowaną o bardzo wysokich parametrach
jakościowych, która jest coraz powszechniej wymagana w energetyce oraz wielu dziedzinach
przemysłu.
Pod względem technologicznym elektrodejonizacja wody stanowi kombinację dwóch
wcześniej znanych metod uzdatniania: elektrodializy (ED) oraz demineralizacji na złożach
jonitowych (DI). Zastosowanie układu mieszanego pozwoliło na wyeliminowanie
niekorzystnych zjawisk towarzyszących każdej z tych metod indywidualnie. W przypadku
elektrodializy było to dość wysokie zużycie energii elektrycznej oraz niska jakość produktu
końcowego, a w przypadku klasycznej demineralizacji jonitowej cykliczność procesu, zużycie
reagentów chemicznych oraz powstawanie agresywnych ścieków. EDI pozwala na
uzyskiwanie wody zdemineralizowanej o stałych, bardzo wysokich parametrach
jakościowych w procesie ciągłym, bez zużycia chemikaliów i przy stosunkowo niewysokim
zużyciu energii elektrycznej.
Teoretyczne podstawy procesu elektrodejonizacji znane są od około 60 lat i od tego czasu
trwają badania i testy urządzeń w skali laboratoryjnej. Instalacje przemysłowe uzyskujące
wydajność pozwalającą na ich praktyczne zastosowanie wprowadzono jednak do użytku
dopiero na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. W krajowym przemyśle
pierwsze instalacje elektrodejonizacji zostały wprowadzone do użytku pod koniec lat
dziewięćdziesiątych, a w krajowej energetyce po roku 2000. Od tego czasu ilość pracujących
instalacji elektrodejonizacji sukcesywnie rośnie. Należy jednak zaznaczyć, że są to
najczęściej instalacje niewielkie, o wydajności od kilku do kilkunastu m3/h.
Obecnie elektrodejonizację uznaje się za jedną z najbardziej obiecujących metod końcowej
demineralizacji wody (polishing). Wprowadzane są nowe warianty technologiczne EDI
mające na celu obniżenie kosztów inwestycyjnych, zwiększenie trwałości urządzeń oraz
polepszenie ekonomiki procesu doczyszczania wody. Dlatego też można oczekiwać, że
technologia ta będzie coraz częściej stosowana w instalacjach demineralizacji wody dla
przemysłu i energetyki.
Budowa modułów EDI
Moduły do elektrodejonizacji wody mają charakter
niewielkich, kompaktowych urządzeń o wydajności od
kilkudziesięciu litrów do kilku metrów sześciennych
uzdatnianej wody na godzinę. Urządzenia te mogą być
ze sobą łączone w układzie równoległym, tworząc
Fot. 1
Moduły do elektrodejonizacji wody mogą być ze sobą łączone
w układzie równoległym, tworząc instalacje przemysłowe
o dowolnej wydajności. Przykładem są moduły firmy
Electropure Inc.
instalacje przemysłowe o dowolnej wydajności. Przykładem takich urządzeń mogą być
przedstawione na fotografiach 1 i 2 moduły firm Electropure Inc. oraz na fotografiach
3 i 4 moduły firmy Dow (są to instalacje eksploatowane w krajowej energetyce).
Fot. 2
Moduły EDI mogą
mieć charakter
płytowy, gdzie
membrany
jonoselektywne mają
kształt prostokątnych
arkuszy
Fot. 3
Moduły firmy Dow
Fot. 4
Moduły EDI mogą
mieć charakter
spiralny, gdzie
membrany
jonoselektywne
występują w kształcie
walców
Podstawowe typy modułów EDI mogą mieć charakter płytowy, w których membrany
jonoselektywne mają kształt prostokątnych arkuszy (fotografie 1 i 2) lub spiralny, w których
membrany jonoselektywne występują w kształcie walców (fotografie 3 i 4).
KOMORA
„C”
„E”
H+
Na
KOMORA
„C”
„E”
KOMORA
„E”
„E”
ANODA
SiO2
+
OH-
Na+
ClCl-
KOMORA
„D”
„E”
MEMBRANA ANIONOWA
KATODA
MEMBRANA ANIONOWA
„E”
KOMORA
„D”
„E”
MEMBRANA KATIONOWA
KOMORA
„E”
MEMBRANA KATIONOWA
Budowa wewnętrzna modułu EDI jest typowa dla urządzeń wytwarzanych przez różnych
producentów i została przedstawiona na rysunku 1.
ClNa+
Rys. 1. Budowa wewnętrzna90-95
i działanie modułu
EDI
WODA
5-10
1-2
Na dwóch przeciwległych bokach modułu zainstalowano elektrody (anodę i katodę),
pomiędzy którymi rozmieszczono kilkadziesiąt membran jonoselektywnych, na przemian
anionoprzepuszczalnych i kationoprzepuszczalnych. Membrany te są utrzymywane na
ramach wykonanych z aluminium lub z tworzywa sztucznego (polimer inertny)
i uszczelnionych tak, aby uniknąć niekontrolowanych przecieków wody, mogących pogorszyć
jakość produktu. Membrany EDI różnią się zdecydowanie od stosowanych w innych
technologiach membranowych takich jak: mikrofiltracja, ultrafiltracja czy odwrócona osmoza.
Zostały one wykonane z cienkiej warstwy polimeru o grubości 0,3–0,4 mm, stanowiącej
matrycę, na której znajdują się grupy jonowymienne obsadzone jonami sodu (w przypadku
membrany kationoprzepuszczalnej) lub jonami chlorkowymi (w przypadku membrany
anionoprzepuszczalnej). Uzyskano w ten sposób efekt jonoselektywności mający
podstawowe znacznie dla procesu oczyszczania wody. Pod względem budowy membrany
EDI są zatem zbliżone do żywic jonowymiennych. Membrany te są praktycznie
nieprzepuszczalne dla wody.
Przestrzenie między membranami jonoselektywnymi tworzą równoległe wąskie komory,
z których każda graniczy z jednej strony z membraną anionoprzepuszczalną, a z drugiej
z membraną kationoprzepuszczalną. Pod względem funkcjonalnym w module EDI
wyróżniamy trzy typy komór: diluatu, koncentratu oraz elektrolitu.
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 zwanej dwujonitem, na której zatrzymywane są zanieczyszczenia usuwane
z wody zasilającej. Dzięki temu, że każde z ziaren żywicy (zarówno kationit, jak i anionit) ma
bezpośredni kontakt z innymi ziarnami swojego typu, wytwarzają się tzw. ścieżki migracji
jonów łączące dowolne ziarno jonitu z właściwą membraną jonoselektywną. Typowa
szerokość komory diluatu wynosi około 2–3 mm. Pod wpływem przyłożonego napięcia
elektrycznego zatrzymywane 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
jonoselektywną. Metoda to 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 jonów przechodzących przez membrany
jonoselektywne z komory diluatu, zagęszczanie ich do uzyskania wymaganego stężenia,
a następnie odprowadzanie z instalacji do kanalizacji lub powtórnego odzysku.
Zespół komory diluatu i koncentratu („D”+”C”) jest określany jako „celka” lub „podwójna
komora” i traktowany jako podstawowa jednostka budująca moduł EDI. Liczba celek
tworzących pakiet wypełniający wnętrze modułu jest różna dla poszczególnych producentów,
ale zazwyczaj wynosi kilkadziesiąt sztuk.
W obrębie modułu EDI znajduje się jeszcze trzeci typ komór – 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 jonów, chłodzenie
elektrod oraz odpłukiwanie z powierzchni zanieczyszczeń znajdujących się w elektrolicie lub
będących produktami dysocjacji i elektrolizy wody.
Wybrane warianty technologiczne procesu elektrodejonizacji
Moduły elektrodejonizacji służą do końcowego doczyszczania wody zdemineralizowanej.
W praktyce wodą zasilającą EDI jest woda po odwróconej osmozie. Może być ona kierowana
bezpośrednio z modułów RO lub z wykorzystaniem zbiornika pośredniego, ale w tym
przypadku konieczne jest zainstalowanie dodatkowego filtra bezpieczeństwa.
Podstawowy (uproszczony) obieg wody w module EDI został przedstawiony na
rysunku 2. Należy jednak zaznaczyć, że obecny szybki rozwój technologii EDI spowodował
powstanie licznych rozwiązań wariantowych, których celem jest podwyższenie stopnia
odzysku wody oraz obniżenie nakładów energetycznych w trakcie preparowania wody.
WODA UZDATNIONA - DILUAT
ELEKTROLIT
MEMBRANA ANIONOWA
MEMBRANA KATIONOWA
ANODA
KATODA
KONCENTRAT
WODA ZASILAJĄCA LUB
KONCENTRAT PO II0 RO
WODA ZASILAJĄCA
Rysunek 2. EDI - WARIANT PODSTAWOWY (UPROSZCZONY)
Zgodnie z rysunkiem 2 w obrębie modułu EDI wyróżniamy 3 główne strumienie wody
przepływające przez poszczególne rodzaje komór.
Głównym jest strumień diluatu, który w trakcie przejścia przez złoże jonitowe w komorze „D”
uzyskuje bardzo wysoką czystość. Stanowi on około 90–95% ogólnej ilości wody kierowanej
na moduł EDI. Wartość ta określa jednocześnie stopień odzysku na modułach. Ciśnienie
wody zasilającej komorę diluatu jest cechą charakterystyczną dla różnego typu modułów, ale
zazwyczaj mieści się w granicach 4,5–7 bar. W celu uniknięcia ewentualnych przecieków
zanieczyszczonej wody do produktu końcowego w komorze diluatu panuje wyższe ciśnienie
niż w sąsiedniej komorze koncentratu. Różnica ciśnień między komorą „D” i „C” jest cechą
charakterystyczną dla różnych typów modułów, ale w większości przypadków kształtuje się
na poziomie 0,3–0,7 bara.
Strumień koncentratu stanowi 5–10% ogólnej ilości wody kierowanej do modułu. Może ją
stanowić woda zasilająca (permeat po RO) lub koncentrat po II0 RO. Po jednorazowym
przejściu przez komorę koncentratu uzyskuje on przewodnictwo na poziomie
od kilkudziesięciu do stu kilkudziesięciu µS/cm i zostaje skierowany do kanalizacji lub
zawrócony przed odwróconą osmozę.
Strumień elektrolitu stanowi 1–2% wody kierowanej do modułu EDI i może to być woda
zasilająca (permeat po RO) lub koncentrat po II0 RO. Zużyty elektrolit po jednorazowym
przejściu przez komory elektrolitu nie może być odzyskiwany, lecz musi zostać zrzucony do
kanalizacji. Przyczyną tego są procesy elektrochemiczne zachodzące na elektrodach:
 na katodzie powstaje gazowy wolny wodór (w ilości 7,0 ml/Amp/minutę) zgodnie
z reakcją:
2H2O + 2 e- = 2OH- + H2↑
 na anodzie powstaje rozpuszczony wolny chlor
(3,5 ml/Amp/minutę) zgodnie z reakcjami:
oraz gazowy wolny tlen
2H2O = 4H+ + O2↑ + 4e2Cl- = Cl2 + 2eZawarte w strumieniu elektrolitu gazy mają charakter niebezpieczny lub utleniający,
w związku z czym strumień ten nie kwalifikuje się do powtórnego wykorzystania.
Omówiony powyżej wariant podstawowy modułów elektrodejonizacji charakteryzuje się
stosunkowo niskim stopniem odzysku na skutek jednorazowego wykorzystania koncentratu
(odprowadzany koncentrat może być jednak zawracany przed instalację odwróconej
osmozy, co podwyższa stopień odzysku dla całej instalacji) oraz podwyższonym zużyciem
energii elektrycznej (nisko zasolony koncentrat posiada wysoką oporność elektryczną).
Wady te mogą zostać wyeliminowane w przypadku zastosowania wariantu z recyrkulacją
koncentratu przedstawionym na rysunku 3. W wariancie tym koncentrat po przejściu przez
komorę „C” jest zawracany przy pomocy pompy cyrkulacyjnej tworząc tzw. pętlę koncentratu.
Koncentrat ten służy także do zasilania strumienia elektrolitu. Recyrkulowany koncentrat
może osiągnąć wysokie przewodnictwo wynoszące 300–400 µS/cm, a w niektórych
przypadkach nawet do 600 µS/cm. Zagęszczony koncentrat po osiągnięciu wartości
granicznej zostaje odprowadzony. Straty wynikające ze zrzutu zagęszczonego koncentratu
oraz elektrolitu zostają uzupełnione wodą zasilającą (permeat po RO).
WODA UZDATNIONA - DILUAT
MEMBRANA ANIONOWA
MEMBRANA KATIONOWA
POMPA
KONCENTRATU
ANODA
KATODA
ELEKTROLIT
KONCENTRAT
Rysunek 3. EDI - WARIANT Z RECYRKULACJĄ KONCENTRATU
WODA ZASILAJĄCA
Rysunek 3. EDI - WARIANT Z RECYRKULACJĄ KONCENTRATU
Stwierdzono, że podwyższone zasolenie w strumieniu koncentratu korzystnie wpływa na
ekonomikę pracy modułów EDI ze względu na jego niższą oporność elektryczną. Jednak
wysoki stopień zagęszczania zanieczyszczeń stwarza zagrożenie w postaci możliwości
wytrącania się niebezpiecznych osadów. Problem ten rozwiązuje przedstawiony na rysunku
4 wariant z dostrzykiem solanki (NaCl), która zwiększa przewodność elektryczną strumienia
koncentratu nie zagrażając wytrącaniem osadów. Dostrzyk solanki w ilości pozwalającej na
osiągnięcie w strumieniu koncentratu przewodności na poziomie 300–400 µS/cm jest także
zalecany w przypadku występowania w wodzie zasilającej EDI twardości powyżej
0,1 mg CaCO3/l.
WODA UZDATNIONA - DILUAT
MEMBRANA ANIONOWA
MEMBRANA KATIONOWA
POMPA
KONCENTRATU
ANODA
KATODA
ELEKTROLIT
KONCENTRAT
POMPA
SOLANKI
WODA ZASILAJĄCA
Rysunek 4. EDI - WARIANT Z DOSTRZYKIEM SOLANKI
Przedstawione powyżej warianty należą do rozwiązań typu „Dilute Filled”, w których żywice
jonowymienne wypełniają jedynie komorę diluatu („D”). W ostatnich latach pojawiły się
jednak rozwiązania typu „All Filled”, w których żywice jonowymienne wypełniają zarówno
komorę diluatu, jak i koncentratu („D” i „C”). Wariant taki został przedstawiony na rysunku 5.
Woda zasilająca jest w tym przypadku kierowana do wszystkich rodzajów komór („D”, „C”
oraz „E”), przy czym przepływ w komorze koncentratu odbywa się w kierunku przeciwnym do
przepływu oczyszczanej wody. Ze względu na wysokie zagęszczenie koncentratu
powstającego w komorze „C” możliwe stało się w tym przypadku wyeliminowanie jego
cyrkulacji. Ze względu na bardzo niską oporność w komorze koncentratu wypełnionej żywicą
jonowymienną wariant ten charakteryzuje się wyraźnie niższym zużyciem energii oraz
możliwością zastosowania celek o większej szerokości (nawet do 8–9 mm).
WODA UZDATNIONA - DILUAT
ANODA
KATODA
ELEKTROLIT
D
C
D
C
D
KONCENTRAT
WODA ZASILAJĄCA
Rysunek 5. EDI - WARIANT „ALL FILLED”
Przestawione powyżej rozwiązania technologiczne obiegów strumieni wody w obrębie
modułów elektrodejonizacji mają charakter ogólnych schematów, a każdy z producentów
modułów EDI modyfikuje je we własnym zakresie.
Przebieg procesu uzdatniania wody w modułach EDI
Wodę zasilającą moduły elektrodejonizacji stanowi zawsze permeat po odwróconej osmozie,
a więc produkt o wysokiej czystości, z którego usunięto około 98% zanieczyszczeń. Zawiera
on niewielkie ilości rozpuszczonych jonów (Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3-, HSiO3-), a także
żelaza, manganu, substancji organicznych, gazów (O2, CO2) i zanieczyszczeń
mechanicznych.
Parametry fizykochemiczne wody zasilającej w przemysłowych instalacjach EDI są
monitorowane automatycznie w trybie on-line. Do podstawowych kontrolowanych
parametrów należą: ciśnienie, temperatura, przewodność elektryczna właściwa oraz
przepływ diluatu, koncentratu i elektrolitu.
Przebieg procesu uzdatniania wody w modułach EDI przedstawiono na rysunku 1.
Dopływ wody zasilającej rozdziela się na trzy główne strumienie: diluatu (produkt),
koncentratu i elektrolitu. Zanieczyszczenia zawarte w wodzie zasilającej są usuwane
w trakcie przepływu strumienia wody przez komorę diluatu. Rozpuszczone kationy i silne
aniony są stosunkowo łatwo usuwane w początkowym odcinku komory diluatu na
znajdującym się tu złożu dwujonitowym. W wyniku tego procesu grupy jonowymienne
kationitu i anionitu zostają obsadzone przez jony usunięte ze strumienia wody zasilającej.
Ta część komory diluatu, w której podczas eksploatacji żywice jonowymienne znajdują się
w stanie wyczerpanym, określana jest często jako „złoże pracujące”. Jednocześnie pod
wpływem przyłożonego napięcia w obrębie modułu dochodzi do stałej dysocjacji wody na
jony wodorowe (H+) i wodorotlenowe (OH-). Jony te powodują ciągłą regenerację
wyczerpanej masy dwujonitowej.
Przyłożone napięcie powoduje także migrację jonów znajdujących się w komorze diluatu
w kierunku odpowiednich elektrod (anionów w kierunku anody oraz kationów w kierunku
katody). Migracja ta w obrębie komory „D” ma charakter przesuwania się jonów po
powierzchni ziaren jonitów tworzących wspomniane już wcześniej „ścieżki migracji jonów”.
Kationy znajdujące się w komorze diluatu migrując w kierunku katody, przechodzą przez
membranę kationoprzepuszczalną i trafiają do komory koncentratu, której nie mogą opuścić,
gdyż są blokowane przez membranę anionoprzepuszczalną.
W analogiczny sposób aniony migrujące w kierunku anody przechodzą przez membranę
anionoprzepuszczalną i trafiają do komory koncentratu, której nie mogą opuścić, gdyż są
blokowane przez membranę kationoprzepuszczalną. W wyniku omawianego procesu woda
w komorze diluatu ulega stopniowemu oczyszczeniu, natomiast w komorze koncentratu
dochodzi do zatężania zanieczyszczeń jonowych, które są następnie odprowadzane poza
moduł EDI.
„Złoże pracujące” znajdujące się w stanie wyczerpania i usuwające kationy oraz silne aniony
stanowi tylko niewielką część komory diluatu. Pozostała część komory „D”, zwana „złożem
doczyszczającym”, pozostaje w stanie wysoko zregenerowanym i służy do usuwania CO 2,
HCO3, oraz krzemionki. Ma także decydujący wpływ na jakość produktu końcowego
opuszczającego moduł EDI. Optymalne dla produkcji wody zdemineralizowanej jest zatem
jak najniższe zasolenie wody zasilającej, co powoduje skrócenie „złoża pracującego” na
rzecz wydłużenia „złoża doczyszczającego” oraz niska zawartość CO2, dzięki czemu wzrasta
skuteczność usuwania krzemionki na „złożu doczyszczającym”.
Dla procesu regeneracji żywic jonowymiennych, transportu jonów przez membrany
jonoselektywne, zapewnienia oczekiwanych parametrów jakościowych wody na odpływie
oraz dla ekonomiki procesu istotne jest zastosowanie odpowiedniego napięcia oraz
natężenia elektrycznego przyłożonego do modułu EDI. Zastosowane napięcie oraz
natężenie różni się nie tylko w zależności od zastosowanego wariantu technologicznego, ale
także od jakości wody zasilającej (przewodnictwo wody po RO), temperatury, założonego
stopnia odzysku i czystości diluatu. Pomiary zastosowanego napięcia, natężenia,
przewodnictwa elektrycznego oraz oporności prowadzone są automatycznie w trybie on-line.
W przypadku zastosowania zbyt niskiego napięcia produkowana jest zbyt niska ilość jonów
H+ i OH- do regeneracji żywic oraz spowolniona zostaje migracja jonów z komory diluatu do
komory koncentratu, co powoduje niekorzystne wydłużenie „złoża pracującego”, a skrócenie
„złoża doczyszczającego”. W końcowej części modułu, gdzie występuje diluat o wysokiej
czystości i koncentrat o wysokim zatężeniu może dojść natomiast do tzw. dyfuzji wstecznej,
czyli powrotu jonów z koncentratu do diluatu poprzez membrany jonoselektywne.
Niekorzystne okazuje się także zastosowanie zbyt wysokiego napięcia. Obniża ono przede
wszystkim ekonomiczność procesu. Powoduje również nadmierną produkcję jonów H+ i OH-,
które konkurują z usuwanymi jonami o miejsce transportu przez membrany. Nadmierna
polaryzacja jonów powoduje też wzajemne utrudnianie migracji przez jony o przeciwnych
ładunkach. W konsekwencji może to prowadzić do pogorszenia jakości diluatu. Natomiast
w komorach elektrod może dochodzić do nadmiernej produkcji gazów na elektrodach, co
także jest zjawiskiem niekorzystnym.
Zalecane napięcie przykładane do modułów EDI w zależności od producenta wynosi
od 5-8 V/celkę do 20 V/celkę.
Zasilanie modułów EDI wodą o wymaganych parametrach oraz prawidłowa eksploatacja
instalacji elektrodejonizacji pozwala na osiągnięcie produktu końcowego nazywanego
diluatem o stałej bardzo wysokiej jakości, trudnej do osiągnięcia przy zastosowaniu innych
technologii. Optymalne parametry diluatu kształtują się następująco:
 oporność 18 megaohm/cm (co odpowiada przewodnictwu 0,055 µS/cm);
 zawartość krzemionki poniżej 5 µg/l;
 zawartość substancji organicznych (TOC) poniżej 10 µg/l.
Doświadczenia ruchowe z urządzeń EDI eksploatowanych w krajowej energetyce
potwierdzają, że tak wysokie parametry jakościowe wody zdemineralizowanej są osiągane
przez funkcjonujące instalacje.
Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej moduły EDI
Uzyskanie po modułach elektrodejonizacji produktu o najwyższych parametrach
jakościowych przedstawionych powyżej wymaga doprowadzenia odpowiedniej jakości wody
zasilającej moduły. W praktyce warunki te spełnia jedynie permeat po odwróconej osmozie,
dlatego instalacje przemysłowe do demineralizacji mają charakter zespołów RO-EDI
(odwrócona osmoza może być jedno- lub dwustopniowa). Wymagania dotyczące jakości
wody zasilającej EDI podawane przez różnych producentów zamieszczono w tabeli 1.
Tabela 1. Wymagania dla wody zasilającej EDI według wybranych firm
Producent modułu EDI
Parametr
jakościowy
Jednostka
Przewodnictwo
elektryczne
µS/cm
FCE
µS/cm
Odczyn pH
-
E-cell
Elektropure Inc.
Ionpure
< 40
1 – 20
(optimum 1-6)
< 40
Dow
< 33
(zlecane <9)
5-9
0
Temperatura
GE
Ionics EDI
C
Mętność
NTU
< 1,0
Wodorowęglany
(łącznie z CO2)
mg/l
< 25
CO2
mg/l
Twardość ogólna
mg CaCO3
< 1,0
Zawartość substancji
organicznych (OWO)
mg/l
Zawartość krzemionki
4-12
5 – 9,5
(optimum 7-7,5)
4-11
10-38
5 – 35
(optimum 20-30)
5-45
< 1,0
5-9
< 0,1
< 25
<8
<5,0
(total CO2)
< 0,25
< 1,0
(odzysk 90%)
<1,0
< 0,5
< 0,5
< 0,5
< 0,5
< 0,5
mg/l
< 0,5
< 0,5
(zalecane <0,2)
< 1,0
< 0,5
Zawartość Fe, Mn, H2S
mg/l
< 0,01
< 0,01
< 0,01
< 0,01
< 0,01
Zawartość utleniaczy: Cl2
mg/l
< 0,05
< 0,1
niewykrywalne
< 0,02
< 0,05
O3
mg/l
SDI 15
niewykrywalne
< 1,0
brak
Filtr bezp.
5-10 µm
Z danych zawartych w tabeli wynika, że parametry jakościowe wody kierowanej na moduły
elektrodejonizacji podawane przez różnych producentów są zbliżone i bardzo wymagające.
Zastosowanie jako etapu poprzedzającego odwróconej osmozy pozwala jednak uzyskać
strumień wody zasilającej o właściwych parametrach. Niedotrzymanie tych warunków może
natomiast prowadzić do pogorszenia jakości diluatu, skrócić okresy między zabiegami
konserwującymi oraz ogólną żywotność układu, a także obniżyć ekonomiczność
omawianego procesu.
Poniżej omówiono skrótowo wpływ poszczególnych parametrów jakościowych wody
zasilającej na funkcjonowanie modułów EDI.
Przewodność jest wywoływana głównie przez zawarte w wodzie zasilającej kationy i silne
aniony. Ich podwyższona obecność obciąża żywice jonitowe w strefie „złoża pracującego”,
prowadząc automatycznie do skrócenia strefy „złoża doczyszczającego”. W konsekwencji
może to prowadzić do pogorszenia jakości diluatu, szczególnie pod względem zawartości
krzemionki.
Oprócz silnych kationów i anionów na obciążenie żywic jonowymiennych znajdujących się
w komorze diluatu wpływa także zawartość w dopływającej wodzie dwutlenku węgla oraz
krzemionki. Dlatego też dla określenia parametrów jakościowych wody zasilającej moduły
EDI wprowadzono pojęcie przewodności ekwiwalentnej – FCE (Feed Water Conductivity
Equivalent).
Jest ona wyliczana według poniższego wzoru:
FCE [µS/cm] = przewodność [µS/cm] + 2,79 x CO2 [mg/l] + 1,94 x SiO2 [mg/l]
Odczyn pH przy wartościach odbiegających od wartości optymalnej (około 7,0) prowadzi do
zakłócenia równowagi jonowej. Obniżony poziom pH powoduje przesunięcie równowagi
wodorowęglanowej w kierunku powstawania trudno usuwalnego wolnego CO2, podwyższony
sprzyja natomiast powstawaniu osadów w komorze koncentratu (scaling).
Temperatura wody zasilającej moduły EDI wpływa na lepkość wody, opory przepływu przez
złoże jonitowe i membrany, szybkość migracji jonów, a także na przewodzenie prądu
elektrycznego, czyli ekonomiczność procesu. Przedstawiono to w tabeli 2:
Tabela 2. Zależność lepkości i oporności od temperatury
Temperatura
Względna lepkość wody
Oporność wody
(bez kompensacji
temperatury)
15°C
+ 28 %
31,8 MΩ
25°C
0%
18,2 MΩ
35°C
- 19 %
11,1 MΩ
Z przedstawionych danych wynika, że podwyższenie temperatury wody zasilającej
korzystnie wpływa na ekonomikę procesu elektrodejonizacji. Należy jednak zaznaczyć, że po
przekroczeniu temperatury 35°C pojawiają się także negatywne zjawiska. Należą do nich
m.in. zmiany w strukturze membran mogące prowadzić do tak zwanego „przeciekania jonów”
oraz zwiększona ruchliwość jonów utrudniająca ich absorbcję na powierzchni ziaren jonitów.
Dlatego też większość producentów nie zaleca przekraczania temperatury 40°C.
Wodorowęglany i wolny CO2 powodują obciążenie „złoża doczyszczającego” utrudniając
usuwanie krzemionki, przez co obniża się jakość diluatu. Przy podwyższonym pH wraz
z jonami Ca2+ i Mg2+ mogą tworzyć się osady węglanowe w komorze koncentratu (scaling).
Twardość ogólna, czyli zawartość jonów Ca2+ i Mg2+, powoduje obciążenie żywic jonitowych
w strefie „złoża pracującego”, a przy podwyższonym poziomie pH prowadzi do powstawania
osadów węglanowych. Szczególnie wysokie zagrożenie „scalingiem” występuje w komorze
koncentratu od strony membrany anionoprzepuszczalnej oraz w komorze katody.
W obszarach tych następuje nagromadzenie anionów i jonów wodorotlenowych, powodując
podwyższenie odczynu pH i możliwość wytrącania się osadów. Według zaleceń niektórych
producentów przy twardości powyżej 0,1 mg CaCO3/l korzystne jest dodawanie do
strumienia koncentratu solanki.
Wartość twardości ogólnej w wodzie zasilającej jest silnie skorelowana z możliwym
odzyskiem wody w modułach EDI, tak aby zagęszczenie jonów Ca2+ i Mg2+ w komorze
koncentratu nie przekroczyło niebezpiecznej granicy. Przedstawiono to w tabeli 3:
Tabela 3. Zależność odzysku diluatu od twardości w wodzie zasilającej wg wybranych producentów
Omexell
E-cell
Twardość ogólna
mg CaCO3
Odzysk
%
Twardość ogólna
mg CaCO3
Odzysk
%
0,0 – 0,5
95
0,0 – 0,1
97
0,5 – 1,0
90
0,1 – 0,5
92
1,0 – 1,5
85
0,5 – 1,0
87
1,5 – 2,0
80
1,0 – 2,5
80
Substancje organiczne (TOC) akumulują się na powierzchni ziaren jonitów i membran
prowadząc do ich zanieczyszczenia (fouling) oraz zablokowania miejsc aktywnych, co
dotyczy szczególnie żywicy anionowej i membran anionoprzepuszczalnych.
Krzemionka jest najtrudniej usuwalna na modułach EDI, wymaga długiego odcinka „złoża
doczyszczającego”, obniża jakość diluatu.
Żelazo i mangan mogą katalizować utlenianie matrycy membran i żywic jonowymiennych,
a także akumulować się w bardzo wysokich ilościach w membranach i ziarnach jonitów.
Utleniacze (Cl2, O3) powodują degradację żywic jonowymiennych i membran obniżając
skuteczność ich działania oraz żywotność.
Oleje absorbują się na powierzchni membran i ziaren żywicy powodując ich zablokowanie.
Zawiesiny mechaniczne (SDI, mętność) powodują mechaniczne zanieczyszczenie żywic
i membran (fouling), zwiększają opory przepływu, przy dużym nagromadzeniu mogą
blokować „ścieżki migracji jonów”.
Wady i zalety elektrodejonizacji
Główne zalety elektrodejonizacji w porównaniu z klasyczną końcową demineralizacją wody
w dwujonitach to:
wyeliminowanie zużycia regenerantów i powstawania agresywnych ścieków;
ciągłość procesu (bez konieczności cyklicznej regeneracji);
stała, bardzo 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 eksploatacyjne;
 obsługa w pełni zautomatyzowana i wymagająca niewielkiego nadzoru;




Główne wady i niedogodności elektrodejonizacji w porównaniu z klasyczną końcową
demineralizacją wody w dwujonitach to:
 nadal dość wysoki koszt inwestycyjny;
 wysokie wymagania dotyczące jakości wody zasilającej (w praktyce permeat po RO),
uniemożliwiające jej zabudowę w istniejących stacjach demineralizacji jonitowej;
 wrażliwość na zanieczyszczenia;
 konieczność okresowego ręcznego chemicznego oczyszczania modułów EDI.
Zastosowanie elektrodejonizacji w przemyśle i energetyce
Głównymi działami przemysłu wykorzystującymi technologię elektrodejonizacji są:
 przemysł elektroniczny i elektrotechniczny (np. produkcja półprzewodników);
 przemysł farmaceutyczny;
 przemysł kosmetyczny.
Instalacje te mają stosunkowo niewielką wydajność (od kilku do kilkunastu m 3/h), chociaż ze
względu na charakter modułowy teoretyczna wydajność instalacji EDI nie jest niczym
ograniczona.
Coraz częściej, głównie ze względu na wysoki stopień automatyzacji oraz spełnianie
wymagań dotyczących jakości wody zasilającej obiegi wodno-parowe, technologia
elektrodejonizacji jest także wykorzystywana w energetyce.
Z uwagi na wymagania dotyczące jakości wody zasilającej moduły EDI, które praktycznie
wymagają wstępnego odsolenia wody, dotyczą w zasadzie nowych instalacji demineralizacji
wody opartych na uzdatnianiu wody metodami membranowymi (zespoły RO-EDI).