mgr Janusz Skwara
ZPBE Energopomiar Sp. z o.o.
Zakład Chemii i Diagnostyki
Elektrodejonizacja wody dla potrzeb technologicznych \*
Elektrodejonizacja (EDI) stanowi stosunkowo nową metodę Na dwóch przeciwległych bokach modułu zainstalowano elek-
ciągłego uzyskiwania wody o bardzo wysokiej czystości. Pod trody (anodę i katodę), pomiędzy którymi rozmieszczono kilka-
względem technologicznym stanowi ona kombinację dwóch dziesiąt membran jonoselektywnych, na przemian anionoprze-
wcześniej znanych metod uzdatniania wody: elektrodializy (ED) puszczalnych i kationoprzepuszczalnych. Membrany te są utrzy-
oraz demineralizacji na złożach jonitowych (DI). Zastosowanie mywane na ramach wykonanych z aluminium lub z tworzywa
układu mieszanego pozwoliło na wyeliminowanie niekorzystnych sztucznego (polimer inertny) i odpowiednio uszczelnionych, tak,
zjawisk występujących w każdej z tych metod indywidualnie. aby uniknąć niekontrolowanych przecieków wody, mogących
W przypadku elektrodializy było to wysokie zużycie energii elek- pogorszyć jakość uzdatnianej wody. Membrany EDI różnią się zde-
trycznej oraz dość niska jakość produktu końcowego, a w przypad- cydowanie od stosowanych w innych metodach membranowych,
ku klasycznej demineralizacji jonitowej cykliczność procesu, takich jak: mikrofiltracja, ultrafiltracja czy odwrócona osmoza.
zużycie regenerantów chemicznych oraz powstawanie agresyw- Zostały one wykonane z cienkiej warstwy polistyrenu o grubości
nych ścieków. EDI pozwala na uzyskiwanie wody zdeminerali- ok. 0,30-0,35 mm, stanowiącej matrycę, na której znajdują się
zowanej o stałej, bardzo wysokiej jakości w procesie ciągłym, bez grupy jonowymienne obsadzone jonami sodu (w przypadku mem-
zużycia chemikaliów i przy niewysokim nakładzie energii elek- brany kationoprzepuszczalnej) lub jonami chlorkowymi (w przy-
trycznej. padku membrany anionoprzepuszczalnej). Uzyskano w ten sposób
Teoretyczne podstawy elektrodejonizacji znane są od około 40 efekt jonoselektywności mający podstawowe znaczenie dla proce-
lat i od tego czasu trwają badania i testy urządzeń w skali laborato- su oczyszczania wody. Pod względem budowy membrany EDI są
ryjnej. Instalacje przemysłowe uzyskujące wydajność pozwalającą zatem zbliżone do żywic jonowymiennych. Membrany te są prak-
na ich praktyczne wykorzystanie wprowadzono jednak do użytku tycznie nieprzepuszczalne dla wody.
dopiero na początku lat dziewięćdziesiątych. Obecnie EDI uznaje Przestrzenie między membranami jonoselektywnymi tworzą
się za jedną z najbardziej obiecujących metod demineralizacji równoległe wąskie komory, z których każda graniczy z jednej
wody, funkcjonujÄ…cÄ… w wielu rozwojowych wariantach techno- strony z membranÄ… anionoprzepuszczalnÄ…, a z drugiej z membranÄ…
logicznych. kationoprzepuszczalną. Pod względem funkcjonalnym w module
EDI rozróżniamy trzy typy komór: diluatu, koncentratu oraz elek-
trolitu.
W komorze diluatu (określanej też jako komora "D") następuje
Budowa i ogólne zasady działania modułów EDI
stopniowe oczyszczanie strumienia wody zasilajÄ…cej i uzyskiwanie
Instalacje do elektrodejonizacji wody mają charakter produktu końcowego o wysokiej czystości zwanego diluatem.
modułowy tzn. składają się pojedynczych, pracujących niezależnie Komora ta jest wypełniona mieszaniną żywicy kationitowej
od siebie kompaktowych urządzeń o wydajności od kilkudziesięciu i anionitowej, popularnie zwaną dwujonitem, na której zatrzymy-
litrów do ok. 2,5 m3 uzdat- wane są zanieczyszczenia usuwane z wody zasilającej. Dzięki
nianej wody na godzinę. temu, że każde z ziaren żywicy (zarówno kationit, jak i anionit) ma
bezpośredni kontakt z innymi ziarnami swojego typu, w obrębie
Urządzenia te mogą być
złoża jonitowego wytwarzają się tzw. "ścieżki migracji jonów"
łączone ze sobą w układzie
łączące dowolne ziarno jonitu z właściwą membraną jonoselekty-
równoległym, tworząc sys-
wną. Po wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego zatrzy-
temy o dowolnej wydajnoÅ›-
mane na ziarnach żywicy jony mają możliwość migracji po
ci. Przykład takiego modułu
powierzchni ziaren jonitu w kierunku odpowiedniej elektrody
o wydajności maksymalnej
(aniony migrujÄ… w kierunku anody, a kationy w kierunku katody)
2,3 m3/h, produkowanego
i opuszczenia komory diluatu przez właściwą membranę jonose-
przez firmÄ™ Electropure
lektywnÄ…. Metoda ta pozwala na usuwanie szczÄ…tkowych
przedstawiono na fot.1.
zanieczyszczeń wody przy stosunkowo niewielkich nakładach
energetycznych.
Budowa wewnętrzna
Drugim typem komory występującej w modułach EDI jest
modułu jest typowa dla
komora koncentratu (określana też jako komora "C"). Jej funkcją
urządzeń wytwarzanych
jest przejmowanie jonów przechodzących przez membrany jonose-
przez różnych producentów
lektywne z komory diluatu, zagęszczanie ich do uzyskania wyma-
i została przedstawiona na
ganego stężenia, a następnie odprowadzenie z instalacji do kanali-
Fot. 1. Moduł EDI produkcji firmy
rysunku 1.
zacji lub powtórnego odzysku.
Electropure Inc.
Zespół komory diluatu i koncentratu ("D"+"C") jest określany
jako "celka" lub "podwójna komora" i traktowany jako podsta-
wowa jednostka budująca moduł EDI. Liczba celek tworzących
pakiet wypełniający wnętrze modułu jest różna w przypadku
różnych producentów, ale zazwyczaj kształtuje się na poziomie
30 - 40 sztuk.
W obrębie modułu EDI znajduje się jeszcze trzeci typ komór -
sÄ… to komory elektrolitu (komory "E"). SÄ… one rozmieszczone po
obu stronach pakietu celek i zawierajÄ… w sobie elektrody (anodÄ™
i katodÄ™). Ich funkcjÄ… jest oddzielenie elektrod od migrujÄ…cych
jonów, chłodzenie elektrod oraz odpłukiwanie z powierzchni ele-
ktrod zanieczyszczeń znajdujących się w elektrolicie lub będących
produktami dysocjacji i elektrolizy wody.
Obieg wody w modułach EDI
Rys. 1. Budowa i działanie modułu EDI
Klasyczny 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 odzysku wody
oraz obniżenie nakładów energetycznych w trakcie uzdatniania
wody.
Zgodnie z rysunkiem 2 w obrębie modułu EDI wyróżniamy
3 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. W celu zapobieżenia ewentualnym przeciekom
zanieczyszczonej wody do produktu końcowego, w komorze dilu-
atu panuje wyższe ciśnienie niż w sąsiedniej komorze koncentratu.
Różnica ciśnień między komorą "D" i "C" jest cechą charak-
terystyczną dla różnych typów modułów, ale w większości przy-
padków kształtuje się na poziomie 0,3-0,7 bara.
Strumień koncentratu stanowi około 5-10% ogólnej ilości wody
zasilającej kierowanej do modułu. Jest on recyrkulowany przez
komorę koncentratu przy pomocy pompy, w celu osiągnięcia
wysokiej koncentracji jonów usuwanych z komory diluatu (jest to
Rys. 2. Obieg wody w module EDI produkcji firmy E-Cell Corp.
tzw. "pętla C"). Może on osiągnąć wysokie przewodnictwo
wynoszÄ…ce 300-400 µS/cm, a niektórych przypadkach nawet
1000 µS/cm. ZagÄ™szczony koncentrat jest odprowadzany do kanali-
zacji lub w ramach recyklingu zawracany przed odwróconą osmozę
(w tym przypadku wzrasta stopień odzysku na module), a układ
recyrkulacji zostaje uzupełniony wodą zasilającą.
Strumień elektrolitu stanowi 1-2% ogólnej ilości wody
kierowanej do modułu EDI. W przedstawionym na schemacie
wariancie jest on zasilany wodą z recyrkulacji koncentratu. Zużyty
elektrolit nie może być odzyskiwany, lecz musi być kierowany do
kanalizacji. PrzyczynÄ… tego sÄ… zachodzÄ…ce na elektrodach procesy
elektrolizy, w wyniku których na anodzie powstaje wolny chlor
w postaci rozpuszczonej oraz wolny tlen w postaci gazowej, nato-
miast na katodzie wolny wodór w postaci gazowej.
Wykorzystywane w polskiej energetyce (EC Lublin Wrotków
i EC Rzeszów Załęże) moduły EDI produkowane przez firmę
Electropure posiadajÄ… inny, znacznie uproszczony obieg wody
przedstawiony na rysunku 3. Woda zasilajÄ…ca, stanowiÄ…ca permeat
po RO zasila wyłącznie strumień diluatu. Strumień koncentratu
i elektrolitu są zasilane przez koncentrat z drugiego stopnia odwró-
conej osmozy. Wyeliminowano także recyrkulację koncentratu;
Rys. 3. Obieg wody w module EDI produkcji firmy Electropure Inc.
woda po jednorazowym przejściu przez komorę "C" i uzyskaniu dukowana jest zbyt niska ilość jonów H+ i OH- do regeneracji
zasolenia kilkudziesiÄ™ciu µS/cm jest zawracana przed moduÅ‚y RO. żywic i spowolniona zostaje migracja jonów z komory diluatu do
Pojedynczy strumień elektrolitu przepływa najpierw przez anodę, komory koncentratu, co powoduje niekorzystne powiększenie
"złoża pracującego", a skrócenie "złoża doczyszczającego". W koń-
a potem przez katodÄ™.
cowej części modułu, gdzie występuje diluat o wysokiej czystości
i koncentrat o wysokim zatężeniu może natomiast dojść do tzw.
"dyfuzji wstecznej", czyli powrotu jonów z koncentratu do diluatu
Przebieg procesu uzdatniania wody w modułach EDI
poprzez membrany jonoselektywne.
Niekorzystne także okazuje się zastosowanie zbyt wysokiego
Główny strumień wody zasilającej moduły EDI stanowi zawsze
napięcia. Obniża ono przede wszystkim ekonomiczność procesu.
permeat po odwróconej osmozie, a więc jest to woda o wysokiej
Powoduje również nadmierną produkcję jonów H+ i OH-, które
czystości, z której usunięto około 98% zanieczyszczeń. Zawiera
konkurujÄ… z usuwanymi jonami o miejsca transportu przez
ona niewielkie ilości rozpuszczonych jonów (Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-,
membrany. Nadmierna polaryzacja jonów powoduje też wzajemne
HCO3-, HSiO3-), a także substancje organiczne, żelazo oraz gazy
utrudnianie migracji przez jony o przeciwnych Å‚adunkach. W kon-
(O2, CO2). Zanieczyszczenia te są usuwane w trakcie przepływu
sekwencji może to prowadzić do pogorszenia jakości diluatu.
strumienia wody przez komorÄ™ diluatu (rysunek 1). Rozpuszczone
Zalecane napięcie przykładane do modułów EDI w zależności
silne kationy i aniony sÄ… stosunkowo Å‚atwo usuwane w poczÄ…tko-
od producenta wynosi od 5-8 V/celkÄ™ do 20 V/celkÄ™.
wym odcinku komory diluatu na znajdującym się tu złożu dwu-
Prawidłowa eksploatacja modułów elektrodejonizacji pozwala
jonitowym. W wyniku tego procesu grupy jonowymienne anionitu
na osiągnięcie produktu końcowego nazywanego diluatem o stałej
i kationitu zostają obsadzone przez jony usunięte ze strumienia
bardzo wysokiej czystości, trudnej do osiągnięcia przy zastosowa-
wody zasilającej. Ta część komory diluatu, w której w trakcie
niu innych technologii. Optymalne parametry diluatu kształtują się
eksploatacji żywice znajdują się w stanie wyczerpanym określana
następująco:
jest często jako "złoże pracujące". Jednocześnie pod wpływem
przyłożonego napięcia w obrębie modułu dochodzi do stałej dysoc- - oporność 18 megaohm/cm (co odpowiada przewodności
jacji wody na jony wodorowe (H+) i wodorotlenowe (OH-). Jony te 0,055 µS/cm)
powodują ciągłą regenerację wyczerpanej masy dwujonitowej.
- zawartość krzemionki poniżej 5 µg/l
Przyłożone napięcie powoduje także migrację jonów znajdujących
- zawartość substancji organicznych (TOC) poniżej 10 µg/l
się w komorze diluatu w kierunku odpowiednich elektrod (anionów
w kierunku anody i w kierunku katody). Migracja ta w obrębie
komory "D" ma charakter przesuwania siÄ™ po powierzchni ziaren
Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej
jonitów tworzących wspomniane już wcześniej "ścieżki migracji
moduły EDI
jonów". Kationy znajdujące się w komorze diluatu przesuwając się
w stronÄ™ katody, przechodzÄ… przez membranÄ™ kationoprze-
Jednym z poważniejszych mankamentów uzdatniania wody
puszczalną i trafiają do komory koncentratu, które nie mogą już
w procesie elektrodejonizacji jest konieczność zastosowania
opuścić, gdyż są blokowane przez membranę anionoprze-
wysokiej jakości wody zasilającej moduły. W praktyce warunki te
puszczalną. W analogiczny sposób aniony poruszające się w stronę
spełnia jedynie permeat po odwróconej osmozie, dlatego instalacje
anody przechodzÄ… przez membranÄ™ anionoprzepuszczalnÄ… i trafiajÄ…
przemysłowe do demineralizacji mają w tym przypadku charakter
do komory koncentratu, które nie mogą już opuścić, gdyż są
zespołów RO-EDI (odwrócona osmoza może być jedno lub dwu-
blokowane przez membranÄ™ kationoprzepuszczalnÄ…. W wyniku
stopniowa). Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej EDI
omówionego procesu woda w komorze diluatu ulega stopniowemu
podawane przez różnych producentów zamieszczono w tabeli 1.
oczyszczeniu, natomiast w komorze koncentratu dochodzi do
zatężania zanieczyszczeń, odprowadzanych następnie poza moduł.
Wynika z niej, że parametry jakościowe wody kierowanej na
"Złoże pracujące" znajdujące się w stanie wyczerpanym
moduły elektrodejonizacji podawane przez różnych producentów
i usuwające silne kationy i aniony stanowi tylko niewielką część
są zbliżone i bardzo wymagające. Zastosowanie jako etapu
komory diluatu. Pozostała część komory "D", zwana "złożem
poprzedzającego odwróconej osmozy pozwala jednak uzyskać stru-
doczyszczajÄ…cym" pozostaje w stanie wysoko zregenerowanym
mień wody zasilającej o właściwych parametrach. Niedotrzymanie
i służy do usuwania CO2 i HCO3-, a w szczególności krzemionki,
tych warunków może natomiast prowadzić do pogorszenia jakości
co ma decydujący wpływ na jakość produktu końcowego
diluatu, skrócić okresy między zabiegami konserwującymi oraz
opuszczającego moduł EDI. Optymalne dla produkcji wody
ogólną żywotność układu, a także ekonomiczność omawianego
zdemineralizowanej jest zatem niskie zasolenie wody zasilajÄ…cej,
procesu.
co powoduje skrócenie "złoża pracującego" oraz niska zawartość
Poniżej omówiono skrótowo wpływ poszczególnych para-
CO2 (najlepiej poniżej 5 mg/l), dzięki czemu wzrasta skuteczność
metrów jakościowych wody zasilającej na funkcjonowanie
usuwania krzemionki na "złożu doczyszczającym".
modułów EDI.
Dla procesów regeneracji żywic jonowymiennych, transportu
jonów przez membrany jonoselektywne, zapewnienia czystości
Przewodność jest wywoływana głównie przez silne kationy
diluatu na odpływie oraz dla ekonomiki procesu, istotne jest zasto- i aniony. Ich zwiększona obecność obciąża masy jonitowe w "złożu
sowanie odpowiedniego napięcia elektrycznego w poprzek modułu
pracującym", prowadząc automatycznie do skrócenia "złoża
EDI. Napięcie to różni się nie tylko w zależności od zastosowanego
doczyszczającego" przeznaczonego do usuwania wodorowęglanów
wariantu technologicznego, ale także od jakości wody zasilającej i krzemionki, przez co obniża się jakość diluatu.
(przewodnictwa permeatu po RO, temperatury, założonego stopnia
odzysku i czystości diluatu). pH przy wartościach odbiegających od wymaganego zakresu
W przypadku zastosowania zbyt niskiego napięcia pro- prowadzi do zakłócenia równowagi jonowej. Zbyt niskie powodu-
je powstawanie trudno usuwalnego wolnego CO2, zbyt wysokie - ciągłość procesu (bez konieczności cyklicznej regeneracji)
sprzyja powstawaniu osadów węglanowych w komorze koncen- - stała wysoka jakość produktu końcowego
tratu (scaling). - niewielkie rozmiary, mało instalacji towarzyszących (szafa
sterownicza, instalacja do czyszczenia chemicznego)
Temperatura wpływa na lepkość wody, opory przepływu przez - budowa modułowa pozwalająca na rozbudowę systemu
złoże jonitowe, szybkość migracji jonów a także przewodzenie w zależności od potrzeb, oraz wyłączanie dowolnej części
prądu elektrycznego czyli ekonomiczność procesu. układu z eksploatacji
- niskie koszty eksploatacji
Wodorowęglany i CO2 powodują obciążenie "złoża doczysz- - obsługa zautomatyzowana wymagająca niewielkiego nadzoru.
czającego" utrudniając usuwanie krzemionki, co obniża jakość Główne wady i niedogodności elektrodejonizacji w porównaniu
diluatu. Przy podwyższonym pH wraz z jonami Ca2+ i Mg2+ tworzą z klasyczną końcową demineralizacją wody na dwujonitach to:
osady węglanowe w komorze koncentratu (scaling). - wysoki koszt inwestycyjny
- wysokie wymagania dotyczące jakości wody zasilającej
Twardość ogólna przy podwyższonym pH powoduje pow- (konieczność zastosowania odwróconej osmozy jako etapu
stawanie osadów węglanowych w komorze koncentratu (scaling). poprzedzającego)
- wrażliwość na zanieczyszczenia
Substancje organiczne (TOC) akumulują się na powierzchni - niewielkie doświadczenia w krajowej energetyce.
ziaren jonitów i membran prowadząc do ich zanieczyszczenia
(foulingu) oraz zablokowania miejsc aktywnych, co dotyczy
szczególnie żywicy anionitowej i membran anionoprzepuszczal-
nych.
Ta be l a 1
Wymagania jakościowe dla wody zasilającej moduły EDI wg
Krzemionka jest najtrudniej usuwalna na modułach EDI,
wybranych producentów
wymaga długiego odcinka "złoża doczyszczającego", obniża jakość
diluatu.
Żelazo i mangan mogą katalizować utlenianie matrycy mem-
bran i żywic jonowymiennych, a także akumulować się w bardzo
wysokich ilościach w membranach i ziarnach jonitów.
Utleniacze (Cl2, O3) powodują degradację żywic jonowymien-
nych i membran obniżając skuteczność ich działania oraz żywot-
ność.
Oleje absorbują się na powierzchni membran i ziaren żywicy
powodujÄ…c ich zablokowanie.
Zawiesiny mechaniczne (SDI, mętność) powodują mecha-
niczne zanieczyszczenia 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 na dwujonitach to:
- wyeliminowanie zużycia regenerantów i powstawania agresyw-
nych ścieków