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

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GE /

超純水系統去離子脫鹽技術的發展

MK3 EDI

Pretreatment預處理

Cation IX陽離子交換樹脂

Acid酸

Caustic鹼

Anion IX陰離子交換樹脂

Mixed Bed混床

Pretreatment預處理

R.O.逆滲透

Mixed Bed混床

Caustic鹼

Acid酸

Pretreatment預處理

R.O.逆滲透

連續電去離子技術To Save Space,Chemical Free

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GE /

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 .

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GE /

•陰 /陽離子交換膜•濃水室流道•陰 /陽電極•陰 /陽離子交換樹脂

E-Cell EDI 架構組成 :

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GE /

陰極板

陰離子交換膜濃水室

陽離子交換膜

淡水室

E-Cell 膜塊分解圖 :

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GE /

Mobile Counter Cations

Water-Filled Passage

Fixed Anion Sites

Polymer Support Structure

S O-

O

O

S O-

O

O

S O-

O

O Na+

Na+

Na+

CH 3

N+CH 3

CH 3

CH 3

N+CH 3

CH 3

CH 3

N+CH 3

CH 3 Cl-

Mobile Counter Anions

Water-Filled Passage

Fixed Cation Sites

Polymer Support Structure

Cl-

Cl-

陽離子交換膜陰離子交換膜

陰 /陽離子交換膜

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GE /

CH 3

N+

CH 3

CH 3

CH 3

N+

CH 3

CH 3

CH 3

N+

CH 3

CH 3

Cl-

Cl-

Cl-

Mobile Counter Anions

Water-Filled Passage

Fixed Cation Sites

Polymer Support Structure

陰離子交換膜

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GE /

陰離子交換膜

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GE /

Mobile Counter Cations

Water-Filled Passage

Fixed Anion Sites

Polymer Support Structure

S O-

O

O

S O-

O

O

S O-

O

O Na+

Na+

Na+

陽離子交換膜

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GE /

陽離子交換膜

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GE /

HCOHCO33--

CaCa++++ NaNa++

SOSO44== ClCl--

MgMg++++

OHOH--

HH++

HSiOHSiO33-- COCO33

==

H2O 高純產水

HCO3-

- - - -

Cathode 陰極 (-)

+ + + +

Anode 陽極 (+)

SiO2

CO2

Na+

SO4=

Cl-

Ca++

陰離子交換膜

陽離子交換膜

GE Ecell MK3 EDI 工作原理

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GE /

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 )

EDI 工作原理

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GE /

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 .

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GE /

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

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GE /

離子交換過程

陽離子樹脂

陰離子樹脂

Na+

Cl-

H+

OH-H2O+

淡水室

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GE /

陽樹脂

陰樹脂

陽離子交換膜 陰離子交換膜

OH-

OH-Cl-

Na+

H+

H+

OH-

H+

淡水室 離子遷移

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GE /

陽樹脂 陰樹脂OH-

H2O

H+

Na+ Cl-

OH-H+

淡水室 -水分子的裂解 & 樹脂再生

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7.7 V

水分子的裂解

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高 /低 pH 區域

陽離子樹脂中磺酸基 (─SO3H)

帶負電性

遷移 遷移

陰離子樹脂中季胺基 [-N(CH3)3]

帶正電性

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解離的 SiO2.

解離的 CO2

變成 HCO3-

帶上電荷

+OH

+OH

OH

OH

OHOH

OH-

-

--

-

OHOH

OH OH

OH-

-

-

--

陰離子樹脂進水中的中性 CO2

陰離子樹脂

進水中的中性 SiO2

中性或弱電離物質的電離

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濃水室

陰離子交換膜 陽離子交換膜

淡水室 淡水室

Cl-

OH-

Na+

H+

Cl-

Na++++

---

高 pH 低 pH

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

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GE /

陰極側化學回應_

陰極

• 氫氣 (H2) 產生• 7.0 mL(STP)/ 安培 /分鐘

• 高 pH• 有結垢的可能性 .

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陽極側化學回應+

陽極

•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

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GE /

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 )

活性炭

過濾器

軟化器

RO

濃水排放

EDI

多層石英砂過濾器

EDI濃水回流使用點

極水排放

原水

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GE /

2.2 級 (Two Pass RO + E-Cell 系統

(營運最為穩定的設計 )

第一級 RO

加鹼Degas(CO2

)

第二級RO

濃水排放

使用點

EDI

EDI濃水回流

活性炭

過濾器

多層石英砂過濾器

二級 RO濃水回

流

極水排放

原水

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GE /

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

為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床 ?

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GE /

•不需要運輸和儲藏危險的化學品

•操作更安全

1.GE E-Cell MK3 EDI 無需用化學藥劑再生

為什麼GE E-Cell MK3 EDI優於傳統混床 ?

混床再生用酸鹼的運輸 ,儲存 ,處理

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GE /

為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床 ?

混床 ,間歇營運過程

電阻率

時間

18.2 M

•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

2. GE E-Cell MK3 EDI 連續營運 ,操作簡便

E-Cell, 連續營運過程

E-Cell 可連續生產16 - 18 Mohm.cm 超純水

時間電阻率

18.2 M

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GE /

為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床 ?

•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

陰 /陽床+混床RO + 混床

RO + EDI

3. 減少設備佔用空間

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GE /

•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

4. 無有害廢水排放

為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床 ?

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GE /

GE E-CELL EDI 的發展

MK-1 MK-2 MK-3Nominal 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

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GE /

進水要求Parameter( 參數 ) MK-2E MK-3Total 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/lTOC/ 總有機碳 <0.50mg/l <0.50mg/lTotal Chlorine/ 總氯 <0.05mg/l <0.05mg/lTemperature/ 温度 5 – 38 deg C 5 – 40 deg CpH 5 – 9 4 – 11Fe, Mn, H2S <0.01mg/l <0.01mg/lTurbidity/ 濁度 <1 NTU <1 NTUMax Voltage DC/ 最大直流電壓 400 300Max 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

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GE /

Feed Water RequirementsParameter MK-2E Ionics EDI MK-3Total 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/lTOC <0.50mg/l <0.5mg/l <0.50 mg/lTotal Chlorine <0.05mg/l <0.1mg/l <0.05 mg/lTemperature 5 – 38 deg C 10 – 40 deg C 5 – 38 deg CpH 5 – 9 4 - 10 4 – 11Fe, Mn, H2S <0.01mg/l <0.01mg/l <0.01 mg/lTurbidity <1 NTU <1 NTUMax Voltage DC 400 600 300Max Amperage 4.5 10 5.2

Typically all EDI state approximately the same inlet feed water requirements.

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GE /

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

MK-3 的優點

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GE /

MK-2E 流程圖

產水出

電極水排放

濃水排放

濃水補充

進水

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MK-3 流程圖產水出

極水排放

濃水排放

濃水入口

進水

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GE /

Feed 進水

HSiOHSiO33-- COCO33

== OHOH--

HH++

ClCl--SOSO44== NONO33

-- HCOHCO33--

-

Anion Membrane 陰離子交换膜

Cation Membrane

NaNa++CaCa++++ MgMg++++ Na+Na+

Anion Membrane

Cation Membrane 陽離子交换膜

CaCa++++ MgMg++++ NaNa++

HH++

Concentrate

Anode 陽極 (+)

Cathode 陰極 (-)

Concentrate

濃水

HSiOHSiO33--

COCO33== OHOH--ClCl-- NONO33

-- HCOHCO33-- HSiOHSiO33

-- SOSO44

==

HH++

MK3 EDI 工作原理

濃水

Anode Waste

陽極廢水High Purity Water

超纯水

High Purity Water

超纯水Cathode Waste

陰極廢水

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淡水入口

濃水進口

淡水出口

淡水冲洗口

MK3 E-CELL

濃水排放

電極水出口

MK-3 Schematic

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GE /

GE MK3 EDI 模組的發明並不相同…

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。

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

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GE MK-3 EDI 樹脂的结構（專利申請中）

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

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

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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 .