Деионизация (DI) часто игнорируется как практическая технология очистки воды. По сути, каждая технология в определенной степени использует DI. Ниже приводится обсуждение приложений DI, а также других факторов, определяющих его жизнеспособность.
Деионизация (DI) — это удаление растворенных твердых веществ из воды. Существует несколько основных технологий и десятки отраслей, в том числе фармацевтика, микроэлектроника, производство электроэнергии и диализ для очистки воды для сотен применений. Понимание основных принципов сделает эти сотни приложений проще.
Использование воды DI
Использование деионизированной воды можно разбить на несколько широких категорий, включая:
Промывка
Когда растворенные твердые частицы удаляются из воды, получающаяся вода агрессивна или «голодна» и будет очищать поверхности от масла, жира, припоя, флюса, пыли, воска, чернил и других нежелательных компонентов. Каждый кусочек металла, который нужно покрасить или покрыть металлом, включая цельные автомобильные шасси, промывают обычной водой, а затем промывают DI водой перед окраской. Ваш автомобиль будет иметь пятна после мытья, если его не ополоснут деионизированной водой. Компьютерные чипы с зазором между цепями всего 0,18 мкм должны быть абсолютно свободны от каких-либо дефектов.
Изоляция/ охлаждение
Во многих производственных процессах, особенно в производстве электронных компонентов, вводится электрическая энергия, и детали должны быть электрически изолированы. Деионизированная вода с трудом проводит электричество и, на самом деле, является хорошей изолирующей средой, сопротивление которой измеряется в МОм. При цветоделении (печати) DI вода изолирует бумагу в местах, где в противном случае будет использоваться заряженная краска.
Незагрязняющий анализ
Некоторые приложения требуют добавления воды без сопутствующего загрязнения. Например, многие анализаторы крови разбавляют образец крови и проводят серию анализов. Если разбавляющая вода содержит натрий, свинец, сульфаты или что-либо, кроме чистой воды, результаты теста могут быть очень странными. Исследовательские лаборатории, больницы, стоматологи и химики также используют деионизированную воду для чистки своих стеклянных изделий и других инструментов.
Энергетика
Парогенераторы и электростанции высокого давления должны работать с деионизированной водой. При высокой скорости и температуре даже малейшее загрязнение, прилипшее к теплообменникам и турбинам, может привести к серьезным повреждениям.
Фармацевтика
При изготовлении лекарств особое внимание уделяется тому, чтобы не было посторонних загрязнений и чтобы препарат был одинаковым от партии к партии.
Диализ
Гемодиализ, удаление загрязнений из кровотока пациента, как при почечном диализе, также требует воды с низким содержанием растворенных твердых веществ (TDS). Кровь пациента циркулирует через мембрану с деионизированной водой, смешанной с диализатом с другой стороны. Загрязнения попадают из крови через искусственную мембрану почки в воду.
Сточные воды
Не содержащие санитарных норм промышленные сточные воды часто содержат загрязняющие вещества, которые нельзя сбрасывать в канализацию по экологическим причинам. Некоторая форма деионизации часто используется для удаления загрязнений из этих сточных вод перед сбросом или повторным использованием.
Большинство применений DI воды также требуют дополнительной очистки, включая дехлорирование, фильтрацию, умягчение, дегазацию, дезинфекцию, полное разрушение органических веществ и удаление эндотоксина. Это обсуждение, хотя и признает эти требования, ограничивается деионизацией. Опреснение также опущено в этой статье, хотя это яркий пример деминерализации. Дистилляция также является отличным деионизатором, но из-за эксплуатационных расходов почти всегда используется в качестве полировщика из-за ее дезинфицирующих свойств (хотя в настоящее время это очень спорный вопрос).
Большая тройка
На практике у вас есть четыре разные технологии DI, которые могут использоваться отдельно или в комбинации друг с другом. Четырьмя категориями являются мембраны, включая нанофильтрацию (NF) и обратный осмос (RO); ионный обмен (DI); электро-деионизация (EDI) и дистилляция, которые подробно не рассматриваются в этой статье.
Мембраны
Мембранные системы состоят из спирально намотанных листов или связанных капиллярных трубок, которые генерируют как продукт, так и поток отходов. Вода под давлением контактирует с поверхностью мембраны, где определенные ионы проходят через поры, а ряд других отбрасывается.
Нанофильтрация: NF представляет собой полупроницаемую мембрану, которая отбрасывает органические соединения в диапазоне молекулярных масс от 250 до 1000. Это также отклоняет некоторые минеральные соли; это в первую очередь многовалентные ионы. Общее эмпирическое правило — очищается более 85 процентов от общего числа растворенных солей.
Обратный осмос (RO) — это полупроницаемая мембрана, которая удаляет органические соединения и удаляет до 99 процентов всех минеральных солей. Это одновалентные и многовалентные ионы. В большинстве приложений очистка от растворенных солей превышает 98%.
Ионообменные смолы (DI)
DI имеет несколько вариантов, но все они работают по принципу обмена водорода (H) для катионов и гидроксилов (OH) для анионов. (Исключением является смола со слабым базовым анионом или WBA, которая адсорбирует кислоты и не обменивает гидроксил.) Регенератор, содержащий водород, является кислотным, соляным или серным. Гидроксилы получают из регенерирующей анионной смолы с гидроксидом натрия (каустическая сода). Когда загрязняющие вещества обмениваются со смолой, ионы Н и ОН высвобождаются с образованием Н + ОН = Н2О. Каждый смоляной шарик представляет собой небольшую (обычно 0,3-1,2 мм) пластиковую сферу, содержащую заряженные места обмена. Смола сильного кислотного катиона (SAC) имеет активные центры, созданные добавлением группы SO3-H. Эти части заряжены отрицательно и привлекают катионы. Смолы на основе сильного основного аниона (SBA) используют четвертичный амин для создания положительно заряженных участков, которые притягивают анионы.
SAC / SBA: смола Strong Acid Cation, за которой следует смола Strong Base Anion, представляют собой наиболее часто используемую систему DI с двойным слоем. Емкость катионной смолы на 50% больше емкости, чем смолы SBA, поэтому емкость системы определяется емкостью SBA.
WBA: Они имеют емкость, аналогичную SAC, — 83 процента, но не удаляют диоксид кремния или диоксид углерода. В некоторых применениях кремнезем и CO2 не представляют проблемы. Промывка без пятен в автомойке — хорошее применение для систем SAC-WBA DI.
Смешанные слои: Смеси со смешанным слоем (МВ) представляют собой комбинацию катионных и анионных смол, смешанных равномерно. Эта комбинация дает DI воду высочайшего качества. Системы MB бесконечно сложнее, потому что смолы должны быть отделены перед регенерацией и повторно смешаны после регенерации. Типичное соотношение смол SAC-SBA (60/40 процентов) или SAC-WBA (50/50 процентов).
Электродеионизация (EDI)
EDI — это процесс, который обеспечивает непрерывный поток деионизированной воды с использованием мембран и смол. Смола находится в мембранной ячейке, заполненной смолой со смешанным слоем, с катионной и анионной мембраной по обе стороны от смолы. Ячейка имеет скрытый отсек с обеих сторон, ограниченный катионной и анионной мембраной. Электрический постоянный ток направляет ионы в эти «промывочные» отсеки и, посредством гидролиза, обеспечивает ионы H + и OH-, необходимые для регенерации клетки. Питательная вода должна быть RO качества.
Каждая из перечисленных технологий деионизируется в разной степени. Питающая вода является критически важной переменной при определении качества воды в продукте. Количество растворенных солей является основным индикатором, и, в меньшей степени, состав растворенных твердых веществ является фактором.
Электропроводность
Растворенные твердые вещества можно оценить по тому, насколько хорошо вода проводит или не проводит электричество. Измерение проводимости является одним из способов измерения чистоты воды. Чем ниже проводимость, тем выше чистота воды. Растворенные твердые частицы в воде проводят ток, и, когда вода не содержит загрязняющих веществ, она больше изолятор, чем проводник. Проводимость измеряется в микроомах на сантиметр ( µmho/cm или mmho/cm), более известной как микросименсами (мкСм). По мере увеличения чистоты условием является измерение удельного сопротивления воды. Удельное сопротивление измеряется в омах на сантиметр или в мегаомах на сантиметр (мегом / см). Соотношение: проводимость = 1 / сопротивление.
Эксплуатация и техническое обслуживание являются основными соображениями в любом плане деионизации. Самым простым, с точки зрения пользователя, является заключение контракта на программу обмена баков с деионизационными смолами. Обменные резервуары или сервис DI (SDI) составляют большую часть рынка высокой чистоты, особенно с потребителями 5000 галлонов в день или меньше. В этом случае дилер DI приносит резервуары (из стекловолокна или нержавеющей стали), содержащие углерод и различные смолы, которые полностью регенерируются. Пользователь питает их водопроводной водой или водой RO, а DI вода выходит с другого конца. Емкости с одним слоем, состоящие из емкости с катионной смолой и емкости с анионной смолой (с сильным или слабым основанием), будут производить воду с удельным сопротивлением от 20000 до 1000000 Ом. С другой стороны, качество системы SAC / WBA обычно находится в диапазоне от 20000 до 50000 Ом. За ними часто следуют резервуары со смешанным слоем, содержащие катионы сильных кислот и анионов с сильными основаниями, которые производят воду с сопротивлением до 18 МОм. Когда баки со смолой исчерпаны (нуждаются в регенерации), дилер приносит недавно регенерированные и обменивает их. SDI популярен, потому что пользователь не должен обращаться с кислотой и едкой щелочью или внедрять процедуры безопасности OSHA. OSHA обычно требует разрешения на сброс, что требует системы очистки сточных вод с устройствами мониторинга и регистрации, не говоря уже о периодических проверках.
Резервуары SDI служат гораздо дольше, если они питаются RO водой, а не обычной водопроводной водой; тем не менее, RO мембраны необходимо чистить регулярно, обычно, 2-4 раза в год. Если оборудование для очистки доступно и чистка может проводиться на месте установки оборудования, то опять же должна существовать система обработки отходов, так как чистящие средства являются кислотными и основными. Дилеры могут посетить место установки оборудования, почистить мембраны и уйти с использованной чистящей жидкостью, или мембраны можно отправить в компанию, специализирующуюся на очистке мембран. Смягчитель для уменьшения образования накипи на мембранах должен предшествовать мембранам RO. Умягчители никогда не должны использоваться в системе DI, если между умягчителем и смолой DI нет RO. Натрий, побочный продукт размягчения, имеет низкое сродство к катионной смоле, поэтому его трудно заменить на смолу и от нее.
Другой вариант
Если на объекте имеется система очистки сточных вод по другим причинам и / или объем воды достаточно высок, чтобы оправдать затраты, тогда регенерация на месте является жизнеспособным вариантом. Деионизаторы с двумя типами смол просты в эксплуатации и обслуживании. На самом деле, они действуют скорее как смягчитель. Основное отличие состоит в том, что они используют измерение проводимости, чтобы определить, когда смола нуждается в регенерации. Каждый раз, когда используется вода, необходимо выполнить короткий цикл промывки для слива, чтобы обеспечить качество перед отправкой воды по назначению. Оборудование со смешанным слоем намного сложнее из-за необходимости отделять смолы перед регенерацией, а затем смешивать их после регенерации. Должны быть предусмотрены элементы управления для подачи воды на входе, продукта на выходе, подачи и извлечения каустика, подачи и извлечения кислоты, подачи воды или рассола для разделения и подачи воздуха для повторного смешивания.
Эти системы ничем не управляемы, но требуют тщательного изучения, так как существует множество клапанов и электроники. Тем не менее, EDI не требует интенсивного обслуживания. Как и мембраны RO, которые предшествуют этому, стеки EDI необходимо регулярно чистить — примерно каждую четвертую очистку мембран. RO / EDI удобен для оператора и не использует химикатов.
При приближении к новому проекту необходимо принять решение о том, какую технологию или технологии использовать. Нужно взвесить преимущества и недостатки каждой технологии. Например, служба смены смолы, которая регенерирует смолы за пределами площадки, освобождает конечного пользователя от многих проблем и обязанностей, но стоит дороже, чем регенерация на месте, в то время как пользователь полностью зависит от поставщика, доставляющего смолы вовремя. Выбор часто сводится к перечислению плюсов и минусов для каждой технологии и выбору на основе фактических данных.
Вывод
Для тех, кто смотрит на деионизацию впервые, не отвлекайтесь на технологию. Настоящая цель — надежная качественная вода по разумной цене. Зачастую надежность дилера является наиболее важной переменной. Если на дилера можно рассчитывать, чтобы он обслуживал оборудование и / или осуществлял поставки, когда это необходимо, наиболее важная цель была достигнута. Нет экономии средств, если процесс владельца должен быть остановлен из-за недостатка воды. Лучшие дилеры предлагают своим клиентам круглосуточное обслуживание без выходных. Почти каждая система DI использует обменные баки в качестве основного или полирующего деионизатора. Дилеры, у которых нет регенерационной установки, должны связаться с дилером или сервисной службой. Большинство независимых регенераторов приветствуют оптовые поставки. Местный дилер, который может обеспечить надежное обслуживание, важнее, чем тот, кто регенерирует смолу, при условии, что станция регенерации работает правильно.
