超純水設備工藝要點詳解

凈得瑞 2020.11.21 08:00 355

(1)預處理系統——多介質過濾器

多介質過濾器通過過濾層截留水中的大顆粒物質、有機物、微生物,鐵錳等,去除總懸浮物(TSP)。有正洗、反洗、產水三種運行模式,以降低RO設備進水SDI值。罐體常用FRP材質或鋼襯膠結構,其濾料主要使用石英砂和錳砂。由圖二所示,濾料是由不同粒徑的石英砂和錳砂分層組合起來的。當檢測SDI值大于5時,則需要更換石英砂。

(2)預處理系統——軟化器

?軟化器

圖一 軟化器

軟化器的作用是去除水中的鈣鎂離子,降低原水硬度,防止反滲透膜的表面結垢。罐體常用FRP材質或鋼襯膠結構,濾料主要使用可再生型陽離子交換樹脂。相比多介質過濾器,軟化器有4種運行模式,包括正洗、反洗、產水和再生模式。再生型陽離子交換樹脂需要定期根據運行時間常用氯化鈉對其進行再生。

(3)預處理系統——活性炭過濾器

?活性炭過濾器

圖二 活性炭過濾器

活性炭過濾器的作用是吸附原水中游離的氯離子、部分重金屬和去除水中的異味。其罐體常用FRP或鋼襯膠結構,濾料是石英砂和活性炭,與多介質罐一樣,有正洗、反洗、產水三種運行模式。

(4)預處理系統——超濾(UF)

?超濾系統

圖三 超濾系統

超濾是一種膜分離技術,其膜為多孔性不對稱結構。超濾過濾過程是以膜兩側壓差為驅動力,以機械篩分原理為基礎的一種溶液分離過程。使用壓力通常為0.01~0.3 MPa;篩選分孔徑從0.002~0.1μm;截留分子量為1000~100,000 道爾頓左右。主要去除水中的膠體和病毒。

超濾設備性能參數:產水SDI≤3;濁度 ≤0.5NTU;水的回收率 ≥92%。

在實際生產應用中,常見的預處理系統有超濾系統和活性炭系統。超濾系統是由盤式過濾器和超濾裝置組成的;活性炭系統是由多介質過濾器和活性炭過濾器組成的。一般情況下,兩者二選一。

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圖四 超濾系統和活性炭過濾器優缺點對比

除了日常使用和維護,超濾膜通常采用全流過濾模式,隨著運行時間的增加,在膜絲表面截留的固體顆粒,會增加超濾膜運行的跨膜壓差,因此需要通過定期的反洗加以去除膜絲表面截留的固體顆粒;通過在線的化學加強反洗(CEB)去除。即在化學加強反洗過程中,在反洗水加入少量的化學藥劑,通過短時間的浸泡后,將化學藥劑排出,超濾膜可以恢復到接近初始狀態。另外,還需要對超濾膜系統進行定期的就地離線化學清洗(CIP),以徹底去除污染物,恢復超濾膜性能,CIP 藥劑可采用氫氧化鈉、次氯酸鈉、鹽酸、檸檬酸等。

(5)反滲透系統(RO)

?RO膜結構

圖五 RO膜結構(圖片來源于網絡)

超純水預處理系統是后續制備系統、分配系統良好運行的基礎,保證后段的水質指標符合要求,延長設備整機的使用壽命。超純水的制備系統,即反滲透系統(RO),是一種借助于選擇透過(半透過)性膜的功能,以壓力差為動力的透過膜,經過產水流道流入中心管,然后在一端流出匯入產水管路。進水中雜質,如離子、有機物、細菌、病毒等被截留在膜的進水側,然后在濃水出水端流出,從而達到分離凈化目的,整個反滲透系統由高壓泵、反滲透膜、壓力容器以及相應的儀器、儀表、閥門、機架、管道及管件等組成;此外還有獨立的化學清洗裝置。

RO主要過濾水中鹽分及離子,一般情況下,一級RO產水電導

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圖六 RO膜進水水質要求

那么,原水進RO膜前,為什么要經過預處理過濾??RO膜對進水有嚴格要求,原因有三,其一,顆粒物容易劃傷RO膜表面,導致堵塞或穿孔;其二,鈣鎂離子容易對RO膜表面結垢,需要經常清洗;其三,氧化劑容易導致RO氧化、穿孔。

(6)EDI系統

EDI系統?

圖七 EDI系統

連續電除離子(EDI,Electro-deionization)是利用填充在淡水室中的混合離子交換樹脂吸附給水中的陰陽離子,同時這些被吸附的離子又在直流電壓的作用發生橫向遷移,并分別透過陰陽離子交換膜進入濃水室而被去除。

與傳統混床相比,EDI技術的優勢為:

① 離子交換樹脂不需酸堿化學再生,節約大量酸堿和清洗用水,大大降低勞動強度;

② 無廢酸廢堿液排放,是清潔生產技術,綠色環保;

③ 過程易實現自動控制;

④ 占地面積??;

⑤ 產水水質高,電阻率可達15-18MΩ·cm;

⑥ 水的回收率≥90%。

EDI過程的本質是離子交換、電滲析和水解離產生氫離子與氫氧根離子再生樹脂這個三個過程的綜合過程。

過程1:當淡水進水淡水室后,淡水中的離子與混床樹脂發生離子交換,從而從水中脫離;

過程2:被交換的離子受電性吸引作用,陽離子穿過陽離子交換膜向陰極遷移,陰離子穿過陰離子交換膜向陽極遷移,并進入濃水室從而從淡水中去除。 離子進入濃水室后,由于陽離子無法穿過陰離子交換膜,因此其將被截留在濃水室,同樣,陰離子無法穿過陽離子交換膜,被截留在濃水室,這樣陰陽離子將隨濃水流被排出模塊;與此同時,由于進水中的離子被不斷的去除,那么淡水的純度將不斷地提高;

過程3:水解離產生氫離子與氫氧根離子再生樹脂:水分子在電的作用下被不斷的離解為H+和OH-,H+和OH-將分別使得被消耗的陽/陰樹脂連續地再生。

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圖八 EDI除鹽過程示意圖(圖片來源于網絡)

過程1和過程3是樹脂的消耗和再生的兩個相反過程,這兩者會在模塊內部形成一個動態平衡,EDI工作會產生濃水和極水,濃水帶走淡水側遷移過來的陰陽離子,防止結垢;極水在電極側帶走不需要的氯氣、氧氣和氫氣;給電極起降溫作用,水量約占進水量的百分之一 。

(7)設備的儲存和分配

超純水用水要求嚴格,并且其污染和雜質的溶解度、接觸面積、容器材料、接觸時間等相關條件成正比。通常為滿足可客戶用水需求,良好的超純水分配設計顯得非常重要。

① 盡量減少水與儲存容器的接觸面。存儲容量應該最小化。

② 循環管路設計,支管分布設計,易造成較長的死角,增加超純不使用時間。

③ 減少空氣與水直接接觸,空氣中具有微生物、有機物、無機物、微粒、雜質會對超純水造成污染。我們可利用高純度氮(99.999%)覆蓋在儲罐上方,避免超純水與空氣的接觸。

④分配系統管道與水的接觸面積最大,且接觸時間最長,在選擇分配管道時應選用純凈的,不溶解、含氟聚合物管道(如PVDF);

⑤ 污染的程度取決于接觸材料的溶解度,以及接觸時間。由于這些原因,生物雜質往往在死水中積累,通常分配系統的水流必須保持24小時連續運行;流速應至少為3英尺/秒。推薦5 - 7英尺/秒;

⑥ 在超純水純度要求非常高的情況下,通常在采用拋光混床系統、紫外光(254和185 nm)、和最終過濾,后不儲存就直接使用,并且應該通過拋光混床系統連續循環,保證用水水質符合要求

??(8)終端處理及輸送

① 拋光混床

一般用于工藝末端,利用無化學析出的核子級樹脂,去除純水中殘余的微量帶電離子及弱電解質,從而進一步地提高產水水質,使產水水質符合超高純水的標準。使電阻率達到18MΩ·cm以上。

② 脫氣膜

利用擴散的原理將液體中的氣體,去除水中溶解的O2、水中溶解的CO2、水中溶解的N2等其它氣體。

?脫氣膜工作原理

圖九 脫氣膜工作原理(圖片來源于網絡)

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圖十 脫氣膜工作原理(圖片來源于網絡)

③ 終端超濾

用于終端供水能有效地去除水中的微粒、膠體、細菌、熱源和有機物,是整套系統最后的防火墻,確保產出的高純水不受二次污染。產水顆粒(>0.05μm)<1個/ml。

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