超纯水设备工艺要点详解

净得瑞 2020.11.21 08:00 296

(1)预处理系统——多介质过滤器

多介质过滤器通过过滤层截留水中的大颗粒物质、有机物、微生物,铁锰等,去除总悬浮物(TSP)。有正洗、反洗、产水三种运行模式,以降低RO设备进水SDI值。罐体常用FRP材质或钢衬胶结构,其滤料主要使用石英砂和锰砂。由图二所示,滤料是由不同粒径的石英砂和锰砂分层组合起来的。当检测SDI值大于5时,则需要更换石英砂。

(2)预处理系统——软化器

 软化器

图一 软化器

软化器的作用是去除水中的钙镁离子,降低原水硬度,防止反渗透膜的表面结垢。罐体常用FRP材质或钢衬胶结构,滤料主要使用可再生型阳离子交换树脂。相比多介质过滤器,软化器有4种运行模式,包括正洗、反洗、产水和再生模式。再生型阳离子交换树脂需要定期根据运行时间常用氯化钠对其进行再生。

(3)预处理系统——活性炭过滤器

 活性炭过滤器

图二 活性炭过滤器

活性炭过滤器的作用是吸附原水中游离的氯离子、部分重金属和去除水中的异味。其罐体常用FRP或钢衬胶结构,滤料是石英砂和活性炭,与多介质罐一样,有正洗、反洗、产水三种运行模式。

(4)预处理系统——超滤(UF)

 超滤系统

图三 超滤系统

超滤是一种膜分离技术,其膜为多孔性不对称结构。超滤过滤过程是以膜两侧压差为驱动力,以机械筛分原理为基础的一种溶液分离过程。使用压力通常为0.01~0.3 MPa;筛选分孔径从0.002~0.1μm;截留分子量为1000~100,000 道尔顿左右。主要去除水中的胶体和病毒。

超滤设备性能参数:产水SDI≤3;浊度 ≤0.5NTU;水的回收率 ≥92%。

在实际生产应用中,常见的预处理系统有超滤系统和活性炭系统。超滤系统是由盘式过滤器和超滤装置组成的;活性炭系统是由多介质过滤器和活性炭过滤器组成的。一般情况下,两者二选一。

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图四 超滤系统和活性炭过滤器优缺点对比

除了日常使用和维护,超滤膜通常采用全流过滤模式,随着运行时间的增加,在膜丝表面截留的固体颗粒,会增加超滤膜运行的跨膜压差,因此需要通过定期的反洗加以去除膜丝表面截留的固体颗粒;通过在线的化学加强反洗(CEB)去除。即在化学加强反洗过程中,在反洗水加入少量的化学药剂,通过短时间的浸泡后,将化学药剂排出,超滤膜可以恢复到接近初始状态。另外,还需要对超滤膜系统进行定期的就地离线化学清洗(CIP),以彻底去除污染物,恢复超滤膜性能,CIP 药剂可采用氢氧化钠、次氯酸钠、盐酸、柠檬酸等。

(5)反渗透系统(RO)

 RO膜结构

图五 RO膜结构(图片来源于网络)

超纯水预处理系统是后续制备系统、分配系统良好运行的基础,保证后段的水质指标符合要求,延长设备整机的使用寿命。超纯水的制备系统,即反渗透系统(RO),是一种借助于选择透过(半透过)性膜的功能,以压力差为动力的透过膜,经过产水流道流入中心管,然后在一端流出汇入产水管路。进水中杂质,如离子、有机物、细菌、病毒等被截留在膜的进水侧,然后在浓水出水端流出,从而达到分离净化目的,整个反渗透系统由高压泵、反渗透膜、压力容器以及相应的仪器、仪表、阀门、机架、管道及管件等组成;此外还有独立的化学清洗装置。

RO主要过滤水中盐分及离子,一般情况下,一级RO产水电导

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图六 RO膜进水水质要求

那么,原水进RO膜前,为什么要经过预处理过滤? RO膜对进水有严格要求,原因有三,其一,颗粒物容易划伤RO膜表面,导致堵塞或穿孔;其二,钙镁离子容易对RO膜表面结垢,需要经常清洗;其三,氧化剂容易导致RO氧化、穿孔。

(6)EDI系统

EDI系统 

图七 EDI系统

连续电除离子(EDI,Electro-deionization)是利用填充在淡水室中的混合离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子,同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用发生横向迁移,并分别透过阴阳离子交换膜进入浓水室而被去除。

与传统混床相比,EDI技术的优势为:

① 离子交换树脂不需酸碱化学再生,节约大量酸碱和清洗用水,大大降低劳动强度;

② 无废酸废碱液排放,是清洁生产技术,绿色环保;

③ 过程易实现自动控制;

④ 占地面积小;

⑤ 产水水质高,电阻率可达15-18MΩ·cm;

⑥ 水的回收率≥90%。

EDI过程的本质是离子交换、电渗析和水解离产生氢离子与氢氧根离子再生树脂这个三个过程的综合过程。

过程1:当淡水进水淡水室后,淡水中的离子与混床树脂发生离子交换,从而从水中脱离;

过程2:被交换的离子受电性吸引作用,阳离子穿过阳离子交换膜向阴极迁移,阴离子穿过阴离子交换膜向阳极迁移,并进入浓水室从而从淡水中去除。 离子进入浓水室后,由于阳离子无法穿过阴离子交换膜,因此其将被截留在浓水室,同样,阴离子无法穿过阳离子交换膜,被截留在浓水室,这样阴阳离子将随浓水流被排出模块;与此同时,由于进水中的离子被不断的去除,那么淡水的纯度将不断地提高;

过程3:水解离产生氢离子与氢氧根离子再生树脂:水分子在电的作用下被不断的离解为H+和OH-,H+和OH-将分别使得被消耗的阳/阴树脂连续地再生。

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图八 EDI除盐过程示意图(图片来源于网络)

过程1和过程3是树脂的消耗和再生的两个相反过程,这两者会在模块内部形成一个动态平衡,EDI工作会产生浓水和极水,浓水带走淡水侧迁移过来的阴阳离子,防止结垢;极水在电极侧带走不需要的氯气、氧气和氢气;给电极起降温作用,水量约占进水量的百分之一 。

(7)设备的储存和分配

超纯水用水要求严格,并且其污染和杂质的溶解度、接触面积、容器材料、接触时间等相关条件成正比。通常为满足可客户用水需求,良好的超纯水分配设计显得非常重要。

① 尽量减少水与储存容器的接触面。存储容量应该最小化。

② 循环管路设计,支管分布设计,易造成较长的死角,增加超纯不使用时间。

③ 减少空气与水直接接触,空气中具有微生物、有机物、无机物、微粒、杂质会对超纯水造成污染。我们可利用高纯度氮(99.999%)覆盖在储罐上方,避免超纯水与空气的接触。

④分配系统管道与水的接触面积最大,且接触时间最长,在选择分配管道时应选用纯净的,不溶解、含氟聚合物管道(如PVDF);

⑤ 污染的程度取决于接触材料的溶解度,以及接触时间。由于这些原因,生物杂质往往在死水中积累,通常分配系统的水流必须保持24小时连续运行;流速应至少为3英尺/秒。推荐5 - 7英尺/秒;

⑥ 在超纯水纯度要求非常高的情况下,通常在采用抛光混床系统、紫外光(254和185 nm)、和最终过滤,后不储存就直接使用,并且应该通过抛光混床系统连续循环,保证用水水质符合要求

  (8)终端处理及输送

① 抛光混床

一般用于工艺末端,利用无化学析出的核子级树脂,去除纯水中残余的微量带电离子及弱电解质,从而进一步地提高产水水质,使产水水质符合超高纯水的标准。使电阻率达到18MΩ·cm以上。

② 脱气膜

利用扩散的原理将液体中的气体,去除水中溶解的O2、水中溶解的CO2、水中溶解的N2等其它气体。

 脱气膜工作原理

图九 脱气膜工作原理(图片来源于网络)

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图十 脱气膜工作原理(图片来源于网络)

③ 终端超滤

用于终端供水能有效地去除水中的微粒、胶体、细菌、热源和有机物,是整套系统最后的防火墙,确保产出的高纯水不受二次污染。产水颗粒(>0.05μm)<1个/ml。

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