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GE 節能減碳 超純水系統 E-Cell MK-3 EDI 連續電去離子技術原理介紹

GE 節能減碳 超純水系統 E-Cell MK-3 EDI 連續電去離子技術原理介紹. Tim Cheng 鄭力升 Oct 8 2008. 超純水系統去離子脫鹽技術的發展. Acid 酸. Caustic 鹼. Cation IX 陽離子交換樹脂. Anion IX 陰離子交換樹脂. Pretreatment 預處理. Mixed Bed 混床. Caustic 鹼. Acid 酸. Pretreatment 預處理. R.O. 逆滲透. Mixed Bed 混床. Pretreatment 預處理. R.O. 逆滲透.

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GE 節能減碳 超純水系統 E-Cell MK-3 EDI 連續電去離子技術原理介紹

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Presentation Transcript

  1. GE節能減碳超純水系統E-Cell MK-3 EDI連續電去離子技術原理介紹 Tim Cheng 鄭力升 Oct 8 2008

  2. 超純水系統去離子脫鹽技術的發展 Acid 酸 Caustic 鹼 Cation IX 陽離子交換樹脂 Anion IX 陰離子交換樹脂 Pretreatment 預處理 Mixed Bed 混床 Caustic 鹼 Acid 酸 Pretreatment 預處理 R.O. 逆滲透 Mixed Bed 混床 Pretreatment 預處理 R.O. 逆滲透 MK3 EDI 連續電去離子技術 To Save Space,Chemical Free

  3. EDI是什麼? • EDI(Electrodeionization)中文全稱“連續電去離子技術”, 其主要用於替代傳統混床技術.EDI 技術是離子化物質在電場的作用下,透過導電物質從產水中遷移出去,以達到生產高純水的過程.

  4. E-Cell EDI架構組成: • 陰/陽離子交換膜 • 濃水室流道 • 陰/陽電極 • 陰/陽離子交換樹脂

  5. E-Cell膜塊分解圖: 淡水室 陰離子交換膜 濃水室 陽離子交換膜 陰極板

  6. CH - - - 3 Cl Cl Cl + N CH CH 3 3 CH 3 + N CH CH 3 3 CH 3 + N CH CH 3 3 陰/陽離子交換膜 陽離子交換膜 陰離子交換膜 + Na O - S O Mobile Counter Anions Mobile Counter Cations O + O Na - S O Water-Filled Passage Water-Filled Passage O + Na O Fixed Anion Sites Fixed Cation Sites - S O O Polymer Support Structure Polymer Support Structure

  7. - CH 3 Cl + N CH CH 3 3 - CH Cl 3 + N CH CH 3 3 - CH Cl 3 + N CH CH 3 3 陰離子交換膜 Mobile Counter Anions Water-Filled Passage Fixed Cation Sites Polymer Support Structure

  8. 陰離子交換膜

  9. 陽離子交換膜 O + Na - S O Mobile Counter Cations O O + Na - S O Water-Filled Passage O + Na O Fixed Anion Sites - S O O Polymer Support Structure

  10. 陽離子交換膜

  11. Ca++ Mg++ Na+ H+ 陽離子交換膜 H2O高純產水 陰離子交換膜 SO4= Cl- HCO3- CO3= HSiO3- OH- GE Ecell MK3 EDI工作原理 - - - - Cathode陰極 (-) CO2 Ca++ SiO2 Cl- Na+ SO4= HCO3- + + + + Anode陽極 (+)

  12. EDI工作原理 EDI去水中鹽分可分為兩個階段: 第一階段: 強電離性離子遷移時段(高鹽分區域) 第二階段: 弱電離性物質電離時段(低鹽分區域)

  13. 第一階段:強電離性離子遷移階段 • 樹脂呈飽和狀態. • 強電離性離子在樹脂表面可控制的擴散. • 離子透過擴散從水中擴散進樹脂中. • 離子在電場作用下,沿樹脂表面運動. • 離子到達並穿過離子交換膜進入濃水室.

  14. 第二階段:弱電離性物質電離階段 • 樹脂呈H+或OH-狀態 • 透過電離回應,去除水中弱電離性物質(弱酸,弱鹼) • CO2 + OH- ---> HCO3- pKa = 6.4 • HCO3- + OH- ---> CO3= pKa =10.3 • SiO2 + OH- ---> HSiO3- pKa = 9.8 • H3BO3 + OH- ---> B(OH)4- pKa = 9.2 • NH3 + H+ ---> NH4+ pKa = 9.2

  15. 淡水室 離子交換過程 陽離子 樹脂 Na+ H+ H2O + 陰離子 樹脂 OH- Cl-

  16. 淡水室 離子遷移 H+ 陽樹脂 H+ H+ Na+ 陰樹脂 OH- Cl- OH- OH- 陽離子交換膜 陰離子交換膜

  17. 淡水室-水分子的裂解 & 樹脂再生 H2O 陰樹脂 OH- 陽樹脂 H+ H+ OH- Cl- Na+

  18. 水分子的裂解 7.7 V OH - H 0 H + + 2 + - O O + H H H H

  19. 遷移 高/低pH 區域 H 0 OH + - H + 2 遷移 OH- H+ H+ OH- OH- H+ - H+ OH- + - + + - - - + - + + OH- H+ - H+ - OH- - + + + - H+ H+ OH- H+ OH- OH- 陽離子樹脂中 磺酸基(─SO3H) 帶負電性 陰離子樹脂中 季胺基[-N(CH3)3] 帶正電性

  20. 中性或弱電離物質的電離 - OH - +OH OH - OH A CO HCO 2 - 3 - OH OH 進水中的 中性CO2 解離的CO2 變成HCO3- 帶上電荷 陰離子樹脂 - OH - +OH OH - OH SiO A HSiO 2 3 - - 進水中的 中性SiO2 OH OH 解離的SiO2. 陰離子樹脂

  21. 濃水室 淡水室 淡水室 陽離子不能透 過陰離子交換膜 陰離子不能透 過陽離子交換膜 Na+ Na+ + + + - - - Cl- Cl- H+ OH- 高pH 陰離子交換膜 陽離子交換膜 低pH

  22. 陰極側化學回應 _  • 氫氣(H2)產生 • 7.0 mL(STP)/安培/分鐘 • 高pH • 有結垢的可能性. 陰極

  23. 陽極側化學回應 +  • 產生氧氣 • 3.5 mL (STP)/安培/分鐘 • 微量氯氣產生 • 1-2 ppm in Eout (400 uS/cm NaCl) • 低pH 陽極

  24. 1.軟化器 + 1級RO + E-Cell系統(當原水中含有較低的電導率和硬度時採用) 極水排放 EDI RO 原水 多層石英砂過濾器 活性炭 過濾器 軟化器 濃水排放 EDI濃水回流 使用點

  25. 2.2級(Two Pass RO + E-Cell系統(營運最為穩定的設計) 極水排放 加鹼Degas(CO2) 第二級RO 第一級RO EDI 原水 EDI濃水回流 多層石英砂過濾器 活性炭 過濾器 濃水排放 二級RO濃水回流 使用點

  26. 為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床? • GE E-Cell MK3 EDI提供了環保型的選擇方案: • 無需用化學藥劑再生 • 連續營運, 操作簡便 • 減少設備佔用空間 • 無有害廢水排放

  27. 為什麼GE E-Cell MK3 EDI優於傳統混床? 1.GE E-Cell MK3 EDI 無需用化學藥劑再生 • 不需要運輸和儲藏危險的化學品 • 操作更安全 混床再生用酸鹼的運輸,儲存,處理

  28. 為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床? 2. GE E-Cell MK3 EDI 連續營運,操作簡便 E-Cell,連續營運過程 混床,間歇營運過程 18.2 M 18.2 M 電阻率 E-Cell可連續生產 16 - 18 Mohm.cm 超純水 電阻率 時間 時間 • 消除了間歇營運弊端，保證水質的連續穩定 • 不需要作業員的人工干預 • 無需複雜的操作步驟

  29. 為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床? 3. 減少設備佔用空間 陰/陽床+混床 RO + 混床 RO +EDI • 不需要很高的廠房 • 占地面積小 • 系統所需預留空間最小 • 運輸和安裝重量輕

  30. 為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床? 4. 無有害廢水排放 • 不再需要廢酸/廢鹼中和池 • 濃水排放可以循環利用 • 更符合環保要求 • 支援 ISO 14000 的要求

  31. GE E-CELL EDI的發展 • MK-1 MK-2 MK-3 • Nominal Flow Rate/標準產水量12.5gpm 15gpm 15gpm • Max. Inlet µS/cm/最大進水導電度<28 <28 <43 • (NaHCO3) • Max. DC Voltage/最大直流電壓600VDC 400VDC 300VDC • Max. DC Amperage/最大直流電流4.5 Amps 4.5 Amps 5.2 Amps • Typical Power Cons./典型能耗3 - 5 2 – 4 0.5 – 1.5 • (kWhr/1000gal) (0.8 – 1.3kWhr/m3) (0.5 – 1.05kWhr/m3) (0.13 – 0.4 kWhr/m3) • Stack Bolt Tightening/螺栓擰緊Yes/需要 No/不需要No/不需要 • Brine Injection/是否需要加鹽Yes/需要 Yes/需要No/不需要 • Concentrate Recirc./濃水循環Ye s /需要 Yes/需要No/不需要 • Dilute Chamber Resin/淡水室樹脂Layered/分層 Mixed Bed/混床 Mixed Bed/混床 • Conc. Chamber Resin/濃水室樹脂None/無None/無Yes/有

  32. 進水要求 • Parameter(參數) MK-2E MK-3 • Total Exchangeable 22mg/l 25mg/l • Anion (TEA as CaCO3) • 總可交換陰離子數 • Conductivity ( NaHCO3) <28 µS/cm <43 µS/cm • 電導率 • Hardness (as CaCO3) <0.50mg/l <1.0mg/l • 硬度 • Silica/矽<0.50mg/l <1.0mg/l • TOC/總有機碳 <0.50mg/l <0.50mg/l • Total Chlorine/總氯 <0.05mg/l <0.05mg/l • Temperature/温度 5 – 38 deg C 5 – 40 deg C • pH 5 – 9 4 – 11 • Fe, Mn, H2S <0.01mg/l <0.01mg/l • Turbidity/濁度 <1 NTU <1 NTU • Max Voltage DC/最大直流電壓400 300 • Max Amperage/最大電流4.5 5.2 Performance improvements, with minimal change to Dilute stream. 在淡水流量幾乎不變的情况下將模組的性能提高

  33. Feed Water Requirements • Parameter MK-2E Ionics EDI MK-3 • Total Exchangeable 25mg/l 25 mg/l • Anion (TEA as CaCO3) • Conductivity ( NaHCO3) <28 µS/cm <40 µS/cm <43 µS/cm • Hardness (as CaCO3) <0.50mg/l <0.25mg/l <1.0 mg/l • Silica <0.50mg/l <1.0mg/l <1.0 mg/l • TOC <0.50mg/l <0.5mg/l <0.50 mg/l • Total Chlorine <0.05mg/l <0.1mg/l <0.05 mg/l • Temperature 5 – 38 deg C 10 – 40 deg C 5 – 38 deg C • pH 5 – 9 4 - 10 4 – 11 • Fe, Mn, H2S <0.01mg/l <0.01mg/l <0.01 mg/l • Turbidity <1 NTU <1 NTU • Max Voltage DC 400 600 300 • Max Amperage 4.5 10 5.2 • Typically all EDI state approximately the same inlet feed water requirements.

  34. MK-3的優點 操作簡單 • 無濃水回路的控制； • 無需加鹽的操作和维護 • 一次性通過設計=系统更簡單 運行成本低 • 無濃水泵浦 • 無需加鹽 • 單個GE MK3 EDI Stack實際運行電壓50~150v;電流1~3A. • 系統運行能耗更低：0.13 to 0.4 kWhr/m3

  35. MK-2E流程圖 產水出 電極水排放 濃水排放 濃水補充 進水

  36. MK-3流程圖 產水出 極水排放 濃水排放 濃水入口 進水

  37. MK3 EDI工作原理 Feed 進水 Anode 陽極(+) Anode Waste 陽極廢水 SO4= Cl- NO3- HSiO3- HCO3- OH- HSiO3- CO3= Anion Membrane 陰離子交换膜 High Purity Water 超纯水 Cation Membrane 陽離子交换膜 Concentrate Na+ Mg++ Na+ Ca++ H+ OH- HSiO3- CO3= Cl- NO3- HCO3- SO4= 濃水 H+ Anion Membrane High Purity Water 超纯水 - Cation Membrane Cathode Waste 陰極廢水 Ca++ Mg++ Na+ H+ Cathode 陰極(-) Concentrate 濃水

  38. MK-3 Schematic 淡水入口 MK3 E-CELL 淡水出口 濃水排放 淡水冲洗口 濃水進口 電極水出口

  39. GE MK3 EDI模組的發明並不相同… Taken from IWC paper given by Dr. John Barber in 2007. IWC 07-42 引用國際水會議文章， John Barber博士，2007年 國際水會議07-12 濃水 淡水 淡水 其他品牌的EDI濃水室樹脂结構會導致CO2, 從濃水室擴散回淡水室，有可能導致產水水質下降。

  40. GE MK-3 EDI樹脂的结構（專利申請中） Taken from IWC paper given by Dr. John Barber in 2007. IWC 07-42 引用國際水會議文章， John Barber博士，2007年 國際水會議07-12 淡水 濃水 淡水 機械設計和樹脂的排列對於模組的性能有很大的影響，MK-3濃水室的结構能將預防CO2擴散回淡水室

  41. 結論 • GE將持續研發新的EDI產品，並提高技術水平 • MK-3是GE最新的EDI產品 • 相對於MK-2，MK-3的性能有所提昇 • 能量消耗大幅降低 • 不需要加鹽和濃水循環 • 連續長期運行性能很好同時產水同時再生取代傳統混床塔，節能減碳,Chemical Free,節省設置空間.

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