Электродеионизация
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( август 2022 г. ) |
Электродеионизация ( EDI ) – это технология очистки воды, в которой используется источник постоянного тока , ионообменные мембраны и ионообменная смола для деионизации воды . EDI обычно используется для очистки после обратного осмоса (RO) и используется при производстве сверхчистой воды . Он 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 чистоты, достигая значений удельного электрического сопротивления до 18,2 МОм/см.
Электродеионизация (EDI) объединяет три отдельных процесса:
- Электролиз: непрерывный постоянный ток направляет положительные и отрицательные ионы к электродам с противоположными электрическими зарядами. Электрический потенциал вытягивает анионы и катионы из камер разбавления через катионные или анионообменные мембраны в концентрирующие камеры.
- Ионный обмен: ионообменная смола заполняет камеры разбавления. Когда вода протекает через слой смолы, катионы и анионы прикрепляются к участкам смолы.
- Электрохимическая регенерация. В отличие от химически регенерированных смешанных слоев, EDI осуществляет регенерацию за счет расщепления воды, вызванного непрерывным электрическим током. Вода расщепляется из H 2 O на H + и ох - эффективно регенерировать смолу без необходимости использования внешних химических добавок.
EDI иногда называют «непрерывной электродеионизацией» (CEDI), поскольку электрический ток постоянно регенерирует массу ионообменной смолы.
Качество корма
[ редактировать ]Чтобы максимизировать чистоту полученной воды, питательная вода EDI нуждается в предварительной очистке, обычно выполняемой посредством обратного осмоса. При подаче питательной воды с низким содержанием растворенных твердых веществ (например, очищенной методом обратного осмоса) продукт может достигать очень высокого уровня чистоты. Содержание питательной воды должно поддерживаться в пределах определенных параметров, чтобы предотвратить повреждение прибора EDI.
Распространенными проблемами качества питательной воды являются:
- Жесткость , которая часто ограничивается 1 частью на миллион (ppm) CaCO 3 или соответствующей молекулы, с некоторыми исключениями до 2 ppm.
- кремнезема Содержание (SiO 2 ), которое обычно не должно превышать 1 ppm в большинстве ячеек EDI или 2 ppm в модулях с тонкими ячейками.
- CO 2 , который необходимо контролировать для предотвращения чрезмерной загрузки анионообменной смолы .
- TOC , который может загрязнять смолы и мембраны, должен быть сведен к минимуму.
- Хлор , озон и другие окислители могут окислять смолы и мембраны и создавать необратимые повреждения, поэтому их необходимо свести к минимуму.
История
[ редактировать ]Электродеионизация была разработана в начале 1950-х годов для устранения или минимизации явления концентрационной поляризации, присутствовавшего в электролизных системах того времени. Патент на эту технологию был подан в 1953 году, а последующие публикации популяризировали эту технологию. [2]
Технология была ограничена в применении из-за низкой толерантности к общему количеству растворенных твердых веществ, жесткости и органических веществ. В 1970-х и 1980-х годах обратный осмос стал предпочтительной технологией по сравнению с ионообменной смолой для воды с высоким содержанием TDS . По мере того, как RO приобретал популярность, EDI стал подходящей технологией полировки. Комплексные 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 представлены более мелкие и менее дорогие модульные конструкции. Тем не менее, эти конструкции и их современные потомки по-прежнему сталкиваются с ограничениями, такими как стоимость и ограниченные эксплуатационные возможности. [3] [4]
Приложения
[ редактировать ]В электронной промышленности деионизированная вода используется для промывки компонентов во время производства. Это необходимо, чтобы избежать возможных коротких замыканий , которые могут вывести из строя электронные микросхемы. Поскольку электронные чипы очень малы, между компонентами остается 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 свести к минимуму количество ионов на их поверхностях и, таким образом, свести к минимуму короткие замыкания.
В фармацевтической промышленности присутствие нежелательных ионов в воде, используемой при разработке лекарств, может привести к нежелательным побочным реакциям и внесению 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.
Из-за серьезных финансовых проблем и проблем безопасности, существующих в этих трех отраслях, их экономический спрос на особо чистую воду обеспечивает основную часть спроса на устройства EDI и разработки.
Системы электродеионизации также применяются 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 находит применение для удаления других ионов. [5]
Теория
[ редактировать ]Каждый электрод в электрохимической ячейке классифицируется как анод или катод . Анод — это электрод, на котором электроны покидают ячейку и происходит окисление , а катод — это электрод, на котором электроны входят в ячейку и происходит восстановление . Каждый электрод может стать анодом или катодом в зависимости от напряжения, приложенного к ячейке.
Каждая ячейка деионизации состоит из электрода и электролита с ионами , которые подвергаются окислению или восстановлению. Поскольку они обычно состоят из ионов в растворе, электролиты часто называют «ионными растворами», но также возможны 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 клетку и деионизированная вода . образуется [4]
При использовании тока, превышающего необходимый для движения ионов, часть попавшей воды будет расщепляться, образуя гидроксид (OH - ) анионы и водород (H + ) катионы. Эти вещества заменят примесные анионы и катионы в смоле. Этот процесс называется « на месте регенерацией смолы ». Поскольку эта замена происходит одновременно с процессом деионизации, она обеспечивает 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 питательной воды. Без смолы ионы можно было бы изначально удалить, 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, постоянной проводимости поток электронов остается постоянным и обеспечивает постоянную скорость удаления ионов. Таким образом, при использовании смолы конечная остаточная концентрация ионов в обрабатываемой воде может быть на порядки ниже. [5]
Схема установки
[ редактировать ]
Типичная установка EDI состоит из следующих компонентов: электроды, анионообменные мембраны, катионообменные мембраны и смола. Самые простые конфигурации состоят из трех отсеков. Чтобы повысить интенсивность или эффективность производства, количество отсеков или ячеек можно увеличить по желанию.
Как только система установлена и через нее начинает течь питательная вода, катионы движутся к катоду, а анионы – к аноду. Только анионы могут проходить через анионообменную мембрану, и только катионы могут проходить через катионообменную мембрану. 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. Это также позволяет раздельно собирать потоки концентрированных катионов и анионов, создавая возможность более селективной утилизации, переработки или повторного использования отходов; это особенно полезно при удалении катионов тяжелых металлов .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Арар, Озгюр; Юксель, Умран; Кабай, Налан; Юксель, Митхат (2 июня 2014 г.). «Различные применения метода электродеионизации (EDI) для очистки воды. Краткий обзор» . Опреснение . Специальный выпуск: Электромембранные процессы опреснения. 342 : 16–22. дои : 10.1016/j.desal.2014.01.028 . ISSN 0011-9164 .
- ^ Коллсман, Пол (23 октября 1953 г.). Способ и устройство для обработки ионных жидкостей методом диализа . Патентное ведомство США.
- ^ «Основы технологии электродеионизации (ЭДИ)» . ВКП онлайн . 10 марта 2007 г. Проверено 5 августа 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Рати, Б. Сентил; Кумар, П. Сентил (июль 2020 г.). «Теория, механизм и экологические приложения электродеионизации. Обзор» . Письма по экологической химии . 18 (4): 1209–1227. дои : 10.1007/s10311-020-01006-9 . ISSN 1610-3653 . S2CID 216031814 .
- ^ Перейти обратно: а б Вардани, Анита Кусума; Хаким Ахмад Нурул; Хойруддин, ноль; Вентен, И. Геде (июнь 2017 г.). «Комбинированный метод ультрафильтрации-электродеионизации для получения воды высокой чистоты» . Водные науки и технологии . 75 (12): 2891–2899. дои : 10.2166/wst.2017.173 . ISSN 0273-1223 . ПМИД 28659529 .
- ^ Альварадо, Люсия; Чен, Айчэн (20 июня 2014 г.). «Электродеионизация: принципы, стратегии и приложения» . Электрохимия Акта . 132 : 583–597. дои : 10.1016/j.electacta.2014.03.165 . ISSN 0013-4686 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- видео .
- Технология электродеионизации
- EDI History
- Передовая технология электродеионизации для обессоливания продукта , Аргоннская национальная лаборатория
