频繁倒极电渗析（EDR）在反渗透（RO）制造纯水技术中的应用
摘要：本文通过介绍EDR的脱盐及防垢机理，提出了EDR在RO制造纯水工艺的应用流程，分析了流程的技术特点，经济价值和可操作性。
关键词：电渗析（ED）、频繁倒极电渗析（EDR）、反渗透（RO）、纯净水
随着科学技术的发展，人们物质生活水平的不断提高，饮用水与健康成为人们广泛关注的课题，饮用纯净水已进入千家万户。目前广泛应用于纯净水制造领域的原水处理技术有频繁倒极电渗析（EDR）技术和反渗透（RO）技术，同时作为自动化程度较高，可操作性较强的EDR和RO，既可以单独使用又可以联合使用〔1〕，两种技术在矿物质成分的分离原理、工艺与及维护保养都有所不同，特别是预处理要求上RO有更严格的要求。本文通过对EDR和RO的脱盐原理、流程设计及防垢措施等方面的介绍，分析EDR与RO结合制造纯净水流程的优点和经济价值。
一、 频繁倒极电渗析（EDR）及反渗透（RO）的脱盐机理
频繁倒极电渗析技术（EDR）是在电渗析（ED）的基础上发展起来的，ED是利用阴、阳离子交换膜交替排列于正、负电极之间，并通过有特定性能的隔板将两张膜隔开，组成浓水和淡水两个系统。当向隔室通入阴阳离子的含盐水、在直流电场作用下，淡水隔室的阳离子如Na＋，向阴极迁移，阴离子如Cl－向阳极迁移，Na＋和Cl－分别透过阳离子交换膜CM和阳离子交换膜AM而迁移到相邻的隔室中去。这样淡水隔室中的阴、阳离子浓度逐渐降低，浓水隔室中的阴、阳离子浓度逐渐升高，从电渗析器中就能源源不断地流出淡化水和浓缩液〔2〕。其脱盐率可从45~99％选择。
EDR是根据上述原理，每隔一定时间，正负电极极性相互 倒换－称频繁倒极，同时浓水隔室和淡水隔室亦相应调换，起到自动清洗离子换交膜和电极表面形成的污垢，以确保脱盐率长期稳定，EDR的流程如图2所示，EDR从70年代的成功开发，近十年成功地把电子控制技术引入EDR控制系统，使得EDR应用越来越广。我国的EDR与美国和日本的EDR技术基本相接，但价格却有很大的优势，从而有十分广泛的应用前景。
反渗透（RO）是以压力为推动力，利用高分子分离膜的透水特性，从而使水质中有机物、微生物和无机盐类从水中分离，达到提纯溶剂（水）的目的。目前市场上使用高分子分离膜（RO膜）大部分来自于美国Hydranautics公司和DOW Chemcal公司，在纯水制造上以芬香族聚酰胺复合膜为主，其最低脱盐能力可达 99.0%〔3〕。
国内反渗透的应用始于70年代后期，最早用于电子、半导体纯水，90年代起在饮用水处理方面获普及，并且进入到家庭饮用纯水。目前在饮用纯水方面以RO为主的工艺占主导地位，直接或配合使用EDR则较少，其主要原因有两个方面：一方面，RO机组的结构相当简单，一般在RO膜销售商的简单指导下即可生产。另一方面，制造周期短，一台普通反渗透机组只需1~2周即可组装完毕。但是RO制造纯净水工艺在流程设计及使用维护方面却出现不少问题，较为普遍的问题有：（1）脱盐率不高，出水电导率达不到要求。（2）采用二级RO处理，投资成本很高。（3）预处理增加软化流程，使制水成本提高。（4）结垢严重，不按技术要求清洗，导致膜性能降低，使用寿命短。
二、 EDR的防垢机理和RO的预处理
（一） EDR的防垢机理
1、EDR的运行程序
EDR系统主要由电渗析本体、整流器及自动控制（倒极）系统组成，其运行过程如下：A状态→倒极，浓淡室互换→B状态→倒极，浓淡室互换→A状态。
2、EDR防垢机理
电渗析运行过程中产生的污垢主要有三类〔4〕：（一）由电极反应和极化产生的主要是钙、镁的碳酸盐污垢。（二）在浓水中，因过饱和而慢慢析出的主要是钙、镁的硫酸盐污垢。（三）在直流电场作用下，带电物质在膜表面的沉积物，主要是有机物、胶体和微生物。极化结垢大多数发生在浓室的阴膜面上，也就是发生在阴膜的阳极面上，因为浓室溶液体系呈碱性，满足CaCO3、MgCO3的沉淀条件，电极极性倒换后，浓、淡室相应地发生变化，使原来在阴膜面上沉积物溶解（此时系统呈酸性），而在阴膜的另一面上又有沉积物生成。通过定时的极性转换，从而打破了CaCO3等垢物的生成条件，便起到自身清洗作用。在负极上因电极反应可生成CaCO3沉淀结垢，以及硫酸盐，胶体等污垢，同样因为频繁转换电极极性，互换浓、淡水室而打破了沉积条件，或使沉积物溶解而随水流（浓水和极水）排出。这样就保证了膜的性能和电极长期稳定，从而确保脱盐率和出水水质的稳定。
（二） RO系统的预处理
从RO纯水制造工艺可知，对于没有EDR系统的工艺流程，其前处理过程通常是加入防垢剂或增加软化装置。根据反渗透系统的设计要求〔3〕，预处理要求的主要指标：①浊度1.0NTU（最好<0.3 NTU），②15minSDI值≤5.0（最好<3.0），③TOC<2.0 mg/L，④余氯<0.05mg/L，⑤ρ（Fe）<0.3mg/L，⑥ρ（Mn）<0.1mg/L。另外，对于TDS≥200 mg/L的水源，按95％的脱盐率计算，一级RO则很难确保电导率<10µs/cm，按目前较多企业控制电导率<5µs/cm，除了较严格的预处理流程以外，TDS的控制亦显得相当重要，本文把进入RO之前的过程全部称为预处理，即包括TDS控制部分，因此，以RO为主要分离装置的纯净水制造工艺中的预处理包括流程如下：
砂滤→碳滤→精滤→防垢→预脱盐
该流程中的前三个环节已为所有厂商或制造商所公认，这里不再赘述。而后二个环节则显得较为杂乱。以加防垢剂、软化器和电渗析占主导地位，采用EDR作为预脱盐及防垢的流程具有以下特点：
（1） EDR的预处理要求没有RO严格
电渗析器的进水水质指标：①浊度<3NTU，②15minSDI<10,③余氯<0.3mg/L，④TOC<3mg/L，⑤ρ(Fe)<0.3mg/L，⑥ρ（Mn）<0.1mg/L。
（2） EDR的脱盐率范围广
EDR的脱盐率可在45~95%范围内选择（甚至可达99%），使得EDR与RO配套使用灵活，对低矿化度水质，可选择较低脱盐率，而对高矿化度可选择高脱盐率。
（3） 适用TDS范围宽
对只考虑一级RO的流程，前置EDR适用的TDS范围可在100~500mg/L，甚至更高。按500mg/L的TDS原水，EDR采用85~90%。脱盐水则出水TDS<80 mg/L，经一级RO后电导率可稳定在5μS/cm以内。
（4） EDR的设备投资及运行费用低
EDR的运行压力<0.2MPa，以湛江市康宁路自用纯净水工程（工程－1），肇庆市端州八路商业纯净水工程（工程－2），广东省地建集团粤西公司净水工程（工程－3）为例，单独使用EDR与选用软化器DI＋RO流程进行比较，经济指标列表1如下：
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（5）EDR有效防止结垢
从EDR过程中离子迁移性能可知Ca2+、Mg2+具有较高的选择性，硬度的脱除率大于总脱除率，达到软化的目的。表2列出上述EDR工程的原水及出水水质结果对照。
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（6）EDR自动化程度高，故障率低
EDR采用可编程控制器实现自动控制，自动化程度高，长期稳定运行。
（7）EDR组件几乎全部国产化，维修方便。
三、结论
从上述分析，EDR作为RO制造纯水工艺流程中的前处理部分，不但确保预处理过程的稳定可靠，同时可在较宽的范围内降低原水的TDS，既防止结垢，又使后续RO的产水量及电导率有效地控制在最优水平。使用EDR的产水成本仅为DI+RO成本的10~15%，设备投资为DI+RO的 50%，EDR水利用率较高。所以EDR在纯水制造工艺中不但科学可行，同时能给用户带来明显的经济效益。
参考文献
〔1〕徐荣安 膜技术在饮用水深度处理中的应用水处理技术，1999，25（5）
〔2〕张维润等著 电渗析工程学科学出版社 北京 1995年
〔3〕徐平、张烽等 分离膜技术应用论文集（内部资料） 1998年9月版
〔4〕邵刚、奚凤翔 频繁倒椎电渗析（EDR）及其应用 环境工程 1995年
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