改良式电解去离子系统电流率提升技术之研究-台湾水环境再生协会.DOCVIP

改良式電解去離子系統電流率提升技術之研究 曲凱樂1、張添晉 EDI（Electro-deinization）技術，或稱電脫鹽、電解去離子技術，近年來出現的一項革新的高/超純水製技術傳統電透析技術和離子交換技術結合起來，既克服了電透析不能深度脫鹽的缺點，又彌補了離子交換不能連續工作、需消耗酸再生，這些顯著優勢使得該技術在各個行業得以迅速地推廣。電解去離子技術屬一種操作成本昂貴的系統，乃導因於長電導距離及濃極化現象，即使脫鹽室中已有填充離子交換樹脂來增加水中的導電性，但目前電解去離子技術尚需消耗相當多電力，因此本研究將著重系統中電流效率之改善，以增加脫鹽效率及降低用電量之消耗。模模關鍵詞：、、、一、前言 1.1 電解去離子設備及歷史發展 電解去離子系統(EDI)在製造超純水(UPW)方面應用越來越廣泛[1–2]，包括了醫療及製藥業、電廠及化學製造業…等，特別在半導體產業[2-3]，此產業需高品質及大量超純水製造電腦之電子設備，因此，水質會直接影響製造業者生產之產品[4]。 電解去離子系統並非現今之技術，相關研究早在1950年代及1960年代 (Glueckauf)、1970年代 (Matejka) 及1980年代(Ganzi)就已 經進行。第一個商業化程序在1987年，一直到1990年代，許多相關技術文獻也被相繼發表[5-9]。儘管如此成就和電解去離子系統發展，現今博士論文及文章[10,11]很少在闡明如何改良設備提升電流效率。 1.2 電解去離子系統優點 混合離子交換樹脂之之連續電再生為此技術主要優勢。以往超純水由混合離子交換系統製造，但此系統之缺點為在操作過程中需要高純度之再生化學藥品來再生離子交換樹脂，且此系統不能連續操作，而構成一連串不利條件。 EDI 系統結合二個眾所皆知技術：電透析 (Electro dialysis, ED) 及離子交換層析技術 (Ion-exchange, IEX)。在 EDI 系統中，脫鹽端填充離子交換樹脂(混合填充、填充陽離子或填充陰離子) ，此新穎概念提高脫鹽導電度約3～4倍，因此降低對於稀溶液所需消耗能量，而一般 ED 對於稀溶液較無競爭力，因高電阻值、能量消耗和濃度極化現象(極限電流密度和沉澱)為主要障礙，但 EDI 系統處理過程或多或少排除些問題。 1.3 研究目的 CEDI系統係結合電透析及傳統樹脂單元之處理程序，系統中通常含有脫鹽室、濃縮室及電解室，脫鹽室內會填充陰、陽離子交換樹脂，而濃縮室通常由塑膠網篩所組成，稱為網篩型濃縮區間，因此，塑膠網篩濃縮區之缺點為不導電。此外，CEDI多應用於超純水處理系統中，通常使用導電度小於 5μs/cm 之 RO 產水作為濃縮室進水，以防止薄膜產生結垢或堵塞現象，故濃縮室的組成結構及環境條件，並非為一個好的電導體。 CEDI 屬一種操作成本昂貴的系統，乃導因於長電導距離及濃縮極化現象，即使脫鹽室中已有填充離子交換樹脂來增加水中的導電性，但目前CEDI尚需消耗相當多電力，因此，本研究將著重系統中電流效率之改善，以增加脫鹽效率及降低用電量之消耗。 傳統混合離子交換系統與電解去離子系統技術比較Khimiko-Farmatsevticheskii Zhurnal [12] 在文章中提到，為了把 MBDI 與 EDI系統所產生之超純水做效率評估，將出流水量分成低 11 m3/h、中 44 m3/h 和高132 m3/h，不同流量之初始進流水成份也不同，就其特性及成本做一分析比較，如下表。表 MBDI與EDI程序之特性比較 因子 MBDI EDI 處理方式 週期性 連續性 淨化效率 高 非常高 電阻(MΩ．Cm) 18-18.2 17-18.2 TOC and SiO2去除 有效 較無效 初始進流水質 影響較小 影響大 再生方式 週期性 連續性 廢水產生 有 有 電性中和作用 - - 洗滌 有 有 與主要區別是在濃縮端填充混合離子交換樹脂，且在電極陰極部分填充活性碳，改良需供應較小電源達到最佳脫鹽效果。由於考量減少EDI模組電阻和改善弱離子從脫鹽端至濃縮端之遷移率，在EDI模組電極陰極部份填充活性碳顆粒，可增加電極陰極表面積達20多倍使得EDI模組可進流未經前處理(RO)之水，排除水需先經軟化之步驟。 表 MBDI與EDI程序之操作成本(%) 2. 創新分段電極改良技術 此系統主要有二個創新部分，如圖：1)在模組中每一個 sub-compartment 都有一定流量，且模組中其它空間之流體流動均平行於 sub-compartment；2)模組中電極位置與流體成90度方向，使得電極與此模組空間中之 sub-compartment 成平行直線排列。 此創新設計主要優點為“可改變模組規模大小”，意思是儘管EDI模組有進流壓力