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 m 3 /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.
MEMBRANA KATIONOWA MEMBRANA KATIONOWA 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). Budowa wewnętrzna modułu EDI jest typowa dla urządzeń wytwarzanych przez różnych producentów i została przedstawiona na rysunku 1. KOMORA KATODA KOMORA D MEMBRANA ANIONOWA KOMORA C KOMORA D MEMBRANA ANIONOWA KOMORA C KOMORA ANODA H + Na + Na + Cl - Cl - SiO 2 OH - Cl - Na + WODA Rys. 1. Budowa wewnętrzna 90-95 i działanie modułu 5-10 EDI 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 ). 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.
KATODA MEMBRANA KATIONOWA MEMBRANA ANIONOWA 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 KONCENTRAT ANODA WODA ZASILAJĄCA LUB KONCENTRAT PO II 0 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: 2H 2 O + 2 e - = 2OH - + H 2 na anodzie powstaje rozpuszczony wolny chlor oraz gazowy wolny tlen (3,5 ml/amp/minutę) zgodnie z reakcjami: 2H 2 O = 4H+ + O 2 + 4e - 2Cl- = Cl 2 + 2e - Zawarte 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
KATODA MEMBRANA KATIONOWA MEMBRANA ANIONOWA granicznej zostaje odprowadzony. Straty wynikające ze zrzutu zagęszczonego koncentratu oraz elektrolitu zostają uzupełnione wodą zasilającą (permeat po RO). WODA UZDATNIONA - DILUAT ELEKTROLIT POMPA KONCENTRATU ANODA KONCENTRAT Rysunek 3. EDI - WARIANT Z RECYRKULACJĄ KONCENTRATU Rysunek 3. EDI - WARIANT Z RECYRKULACJĄ KONCENTRATU WODA ZASILAJĄCA 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 CaCO 3 /l.
KATODA MEMBRANA KATIONOWA MEMBRANA ANIONOWA WODA UZDATNIONA - DILUAT ELEKTROLIT POMPA KONCENTRATU ANODA KONCENTRAT POMPA SOLANKI Rysunek 4. EDI - WARIANT Z DOSTRZYKIEM SOLANKI WODA ZASILAJĄCA 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 ), 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).
KATODA WODA UZDATNIONA - DILUAT ELEKTROLIT ANODA 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 +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, HCO 3-, HSiO 3- ), a także żelaza, manganu, substancji organicznych, gazów (O 2, CO 2 ) 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, HCO 3, 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 CO 2, 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 Parametr jakościowy Jednostka E-cell GE Ionics EDI Producent modułu EDI Elektropure Inc. Ionpure Dow Przewodnictwo elektryczne µs/cm < 40 1 20 (optimum 1-6) < 40 FCE µs/cm Odczyn ph - 5-9 4-12 < 33 (zlecane <9) 5 9,5 (optimum 7-7,5) 4-11 5-9 Temperatura 0 C 10-38 5 35 (optimum 20-30) 5-45 Mętność NTU < 1,0 < 1,0 < 0,1 Wodorowęglany (łącznie z CO 2 ) mg/l < 25 < 25 CO 2 mg/l < 8 Twardość ogólna mg CaCO 3 < 1,0 < 0,25 <5,0 (total CO 2 ) < 1,0 (odzysk 90%) <1,0 < 0,5 Zawartość substancji organicznych (OWO) mg/l < 0,5 < 0,5 < 0,5 < 0,5 Zawartość krzemionki mg/l < 0,5 < 0,5 (zalecane <0,2) < 1,0 < 0,5 Zawartość Fe, Mn, H 2 S mg/l < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 Zawartość utleniaczy: Cl 2 mg/l < 0,05 < 0,1 niewykrywalne < 0,02 < 0,05 O 3 mg/l niewykrywalne brak SDI 15 < 1,0 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 CO 2 [mg/l] + 1,94 x SiO 2 [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 CO 2, 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 CO 2 powodują obciążenie złoża doczyszczającego utrudniając usuwanie krzemionki, przez co obniża się jakość diluatu. Przy podwyższonym ph wraz z jonami Ca 2+ i Mg 2+ mogą tworzyć się osady węglanowe w komorze koncentratu (scaling).
Twardość ogólna, czyli zawartość jonów Ca 2+ i Mg 2+, 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 CaCO 3 /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 Ca 2+ i Mg 2+ 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 Twardość ogólna mg CaCO 3 Omexell Odzysk % Twardość ogólna mg CaCO 3 E-cell 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 (Cl 2, O 3 ) 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).