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 連續電去離子技術 R.O. 逆滲透 R.O. 逆滲透 MK3 EDI 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 To Save Space,Chemical Free 連續電去離子技術

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.

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

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

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

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

陰離子交換膜

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

陽離子交換膜

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

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)

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.

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

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

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

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+

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

高/低pH 區域 H 0 H - - - - - - - - - - OH + 遷移 遷移 + + + + + + + + + 陽離子樹脂中 2 遷移 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

中性或弱電離物質的電離 A CO HCO SiO A HSiO - OH - +OH OH - OH - - OH 進水中的 中性CO2 3 - OH 進水中的 中性CO2 OH 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

濃水室 Na+ Na+ Cl- Cl- H+ OH- 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 + - 高pH 陰離子交換膜 陽離子交換膜 低pH

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

+ 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

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

2.2級(Two Pass RO + E-Cell系統 (營運最為穩定的設計) 加鹼Degas(CO2) 第二級RO 極水排放 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

為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床? 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? 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

為什麼GE E-Cell MK3 EDI 優於傳統混床? 混床,間歇營運過程 18.2 M 18.2 M 電阻率 電阻率 E-Cell可連續生產 16 - 18 Mohm.cm 超純水 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

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

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

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

進水要求 Performance improvements, with minimal change to Dilute stream. 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

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.

MK-3的優點 操作簡單 運行成本低 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 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-2E 流程圖 產水出 電極水排放 濃水排放 濃水補充 進水

MK-3 流程圖 產水出 極水排放 濃水排放 濃水入口 進水

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

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

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。 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。

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

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.