RO + EDI เทียบกับการแลกเปลี่ยนไอออน: ระบบทําน้ําให้บริสุทธิ์แบบใดทํางานได้ดีกว่า?

น้ําที่มีความบริสุทธิ์สูงมีความสําคัญต่อการใช้งานในอุตสาหกรรมจํานวนมาก ตั้งแต่การผลิตไฟฟ้าและการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไปจนถึงยาและการแปรรูปทางเคมี เป็นเวลาหลายทศวรรษที่ระบบแลกเปลี่ยนไอออนแบบดั้งเดิม (IX) เป็นมาตรฐานสําหรับการแยกแร่ธาตุ อย่างไรก็ตาม การถือกําเนิดของ Reverse Osmosis (RO) รวมกับ Electrodeionization (EDI) ได้นําเสนอทางเลือกที่น่าสนใจ บทความนี้จะสํารวจความแตกต่าง ข้อดี และข้อควรพิจารณาของ RO+EDI เทียบกับวิธีการแลกเปลี่ยนไอออนทั่วไป

ทําความเข้าใจกับอิเล็กโทรดีไอออนไนซ์ (EDI)

Electrodeionization (EDI) หรือที่เรียกว่า electrodeionization แบบต่อเนื่องหรือการฟอกไตด้วยไฟฟ้าแบบเต็มเตียง เป็นเทคโนโลยีการบําบัดน้ําขั้นสูงที่รวมการแลกเปลี่ยนไอออนและการฟอกไตด้วยไฟฟ้า ได้รับการนําไปใช้อย่างแพร่หลายในฐานะการปรับปรุงเรซินแลกเปลี่ยนไอออนแบบดั้งเดิมโดยใช้ประโยชน์จากประโยชน์ในการขจัดเกลืออย่างต่อเนื่องของการฟอกไตด้วยไฟฟ้าด้วยความสามารถในการกําจัดแร่ธาตุอย่างลึกซึ้งของการแลกเปลี่ยนไอออน การผสมผสานนี้ช่วยเพิ่มการถ่ายโอนไอออน เอาชนะข้อจํากัดด้านประสิทธิภาพในปัจจุบันของการฟอกไตด้วยไฟฟ้าในสารละลายที่มีความเข้มข้นต่ํา และช่วยให้สามารถสร้างเรซินใหม่ได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องใช้สารเคมี สิ่งนี้ช่วยขจัดมลพิษทุติยภูมิที่เกี่ยวข้องกับการฟื้นฟูกรดและด่างทําให้สามารถดําเนินการกําจัดไอออนได้อย่างต่อเนื่อง สําหรับอุตสาหกรรมที่กําลังมองหาน้ําที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยไม่ต้องยุ่งยากกับการฟื้นฟูสารเคมีระบบ EDIอาจเป็นก้าวสําคัญไปข้างหน้า

กระบวนการหลักของ EDI:

1. กระบวนการฟอกไตด้วยไฟฟ้า:ภายใต้สนามไฟฟ้าที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ในน้ําจะเลือกย้ายผ่านเรซินแลกเปลี่ยนไอออนและเมมเบรนเข้มข้นและถูกกําจัดออกพร้อมกับกระแสเข้มข้น
2. กระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน:เรซินแลกเปลี่ยนไอออนดักจับไอออนเจือปนออกจากน้ําทําให้ขจัดออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ
3. กระบวนการฟื้นฟูไฟฟ้าเคมี:ไอออน H+ และ OH- ที่เกิดจากการโพลาไรซ์ของน้ําที่ส่วนต่อประสานเรซินและเมมเบรนสร้างเรซินขึ้นใหม่ด้วยไฟฟ้าเคมีทําให้สามารถสร้างการงอกใหม่ได้เอง

ปัจจัยสําคัญที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพ EDI และมาตรการควบคุม

ปัจจัยหลายประการอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและผลลัพธ์ของระบบ EDI:

• การนําไฟฟ้าที่มีอิทธิพล:การนําไฟฟ้าที่สูงขึ้นสามารถลดอัตราการกําจัดอิเล็กโทรไลต์ที่อ่อนแอและเพิ่มการนําไฟฟ้าของน้ําทิ้งที่กระแสไฟฟ้าเดียวกัน การควบคุมการนําไฟฟ้าที่เข้ามา (ตามอุดมคติ <40 µS/cm) ensures target effluent quality. For optimal results (10-15 MΩ·cm resistivity), influent conductivity might need to be 2-10 µS/cm.
• แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน/ปัจจุบัน:กระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นโดยทั่วไปจะช่วยเพิ่มคุณภาพน้ําของผลิตภัณฑ์จนถึงจุดหนึ่ง กระแสไฟที่มากเกินไปอาจนําไปสู่การผลิตไอออน H+ และ OH- มากเกินไป ซึ่งจะทําหน้าที่เป็นตัวพาประจุแทนที่จะสร้างเรซินใหม่ ซึ่งอาจทําให้เกิดการสะสมของไอออน การอุดตัน และแม้กระทั่งการแพร่กระจายย้อนกลับ ทําให้คุณภาพน้ําลดลง
• ดัชนีความขุ่นและความหนาแน่นของตะกอน (SDI):โมดูล EDI ประกอบด้วยเรซินแลกเปลี่ยนไอออนในช่องน้ําของผลิตภัณฑ์ ความขุ่นสูงหรือ SDI อาจทําให้เกิดการอุดตัน ซึ่งนําไปสู่แรงดันตกคร่อมเพิ่มขึ้นและการไหลลดลง การรักษาล่วงหน้า ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะซึมผ่าน RO เป็นสิ่งสําคัญ
• ความแข็ง:ความแข็งตกค้างสูงในน้ําป้อน EDI อาจทําให้เกิดตะกรันบนพื้นผิวเมมเบรนในช่องเข้มข้น ซึ่งช่วยลดการไหลของสารเข้มข้นและความต้านทานน้ําของผลิตภัณฑ์ การปรับขนาดที่รุนแรงสามารถปิดกั้นช่องสัญญาณและทําให้โมดูลเสียหายได้เนื่องจากความร้อนภายใน การทําให้อ่อนตัว การเพิ่มด่างลงในฟีด RO หรือการเพิ่มขั้นตอน pre-RO หรือ nanofiltration สามารถจัดการความแข็งได้
• คาร์บอนอินทรีย์ทั้งหมด (TOC):ระดับ TOC ที่สูงอาจทําให้เรซินและเมมเบรนเปรอะเปื้อนเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในการทํางานและลดคุณภาพน้ํา นอกจากนี้ยังสามารถนําไปสู่การก่อตัวของคอลลอยด์อินทรีย์ในช่องเข้มข้น อาจจําเป็นต้องมีขั้นตอน RO เพิ่มเติม
• ไอออนโลหะวาเลนซ์แปรผัน (Fe, Mn):ไอออนของโลหะ เช่น เหล็กและแมงกานีสสามารถ "วางยาพิษ" เรซิน ทําให้คุณภาพของน้ําทิ้ง EDI เสื่อมลงอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะการกําจัดซิลิกา โลหะเหล่านี้ยังเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายออกซิเดชันของเรซิน โดยปกติ Fe ที่ไหลเข้ามาควรเป็น <0.01 mg/L.
• CO2 ในกระแสน้ํา:คาร์บอนไดออกไซด์ก่อตัวเป็นไบคาร์บอเนต (HCO3-) ซึ่งเป็นอิเล็กโทรไลต์อ่อนแอที่สามารถแทรกซึมเข้าไปในชั้นเรซินและลดคุณภาพน้ําของผลิตภัณฑ์ หอขจัดแก๊สสามารถใช้สําหรับการกําจัด CO2 ก่อน EDI
• แอนไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ (TEA):TEA สูงสามารถลดความต้านทานน้ําของผลิตภัณฑ์หรือจําเป็นต้องมีกระแสการทํางานที่สูงขึ้นซึ่งสามารถเพิ่มกระแสของระบบโดยรวมและคลอรีนตกค้างในกระแสอิเล็กโทรดซึ่งอาจทําให้อายุการใช้งานของเมมเบรนอิเล็กโทรดสั้นลง

ปัจจัยอื่นๆ เช่น อุณหภูมิที่ไหลเข้า pH SiO2 และสารออกซิแดนท์ก็ส่งผลต่อการทํางานของระบบ EDI เช่นกัน

ข้อดีของเทคโนโลยี EDI

เทคโนโลยี EDI ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมที่ต้องการน้ําคุณภาพสูง เช่น พลังงาน เคมีภัณฑ์ และยา ข้อได้เปรียบที่สําคัญ ได้แก่ :

• คุณภาพน้ําของผลิตภัณฑ์สูงและมีเสถียรภาพ:ผลิตน้ําที่มีความบริสุทธิ์สูงอย่างสม่ําเสมอโดยการรวมการฟอกไตด้วยไฟฟ้าและการแลกเปลี่ยนไอออน
• รอยเท้าขนาดกะทัดรัดและข้อกําหนดในการติดตั้งที่ต่ํากว่า:หน่วย EDI มีขนาดเล็กกว่า เบากว่า และไม่ต้องใช้ถังเก็บกรด/ด่าง ช่วยประหยัดพื้นที่ พวกเขามักจะเป็นแบบแยกส่วนทําให้เวลาในการติดตั้งสั้นลง
• การออกแบบ การใช้งาน และการบํารุงรักษาที่ง่ายขึ้น:การผลิตแบบแยกส่วนและการฟื้นฟูอัตโนมัติอย่างต่อเนื่องช่วยลดความจําเป็นในการใช้อุปกรณ์ฟื้นฟูที่ซับซ้อนทําให้การทํางานง่ายขึ้น
• ระบบอัตโนมัติที่ง่ายดาย:โมดูลสามารถเชื่อมต่อแบบขนานทําให้มั่นใจได้ถึงการทํางานที่มั่นคงและเชื่อถือได้อํานวยความสะดวกในการควบคุมกระบวนการ
• เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม:ไม่มีการฟื้นฟูสารเคมีหมายความว่าไม่มีการปล่อยของเสียจากกรด/ด่าง นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สําคัญสําหรับสิ่งอํานวยความสะดวกที่มองหาความครอบคลุมโรงบําบัดน้ําโซลูชันที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด
• อัตราการนําน้ํากลับมาใช้ใหม่สูง:โดยทั่วไปมีอัตราการนําน้ํากลับมาใช้ใหม่ 90% หรือสูงกว่า

แม้ว่า EDI จะมีข้อได้เปรียบที่สําคัญ แต่ก็ต้องการคุณภาพการไหลเข้าที่สูงขึ้นและมีต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นที่สูงกว่าสําหรับอุปกรณ์และโครงสร้างพื้นฐานเมื่อเทียบกับระบบเตียงผสมแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาต้นทุนการดําเนินงานโดยรวม EDI อาจประหยัดกว่า ตัวอย่างเช่น การศึกษาชิ้นหนึ่งแสดงให้เห็นว่าระบบ EDI ชดเชยความแตกต่างของการลงทุนเริ่มต้นด้วยระบบเตียงผสมภายในหนึ่งปีของการดําเนินงาน

RO+EDI เทียบกับการแลกเปลี่ยนไอออนแบบดั้งเดิม: รูปลักษณ์เปรียบเทียบ

1. การลงทุนโครงการเริ่มต้น

สําหรับระบบบําบัดน้ําขนาดเล็ก กระบวนการ RO+EDI ช่วยขจัดระบบการฟื้นฟูที่กว้างขวาง (รวมถึงถังเก็บกรดและด่าง) ที่จําเป็นสําหรับการแลกเปลี่ยนไอออนแบบดั้งเดิม ซึ่งช่วยลดต้นทุนการซื้ออุปกรณ์และสามารถประหยัดพื้นที่โรงงานได้ 10%-20% ลดต้นทุนการก่อสร้างและที่ดิน อุปกรณ์ IX แบบดั้งเดิมมักต้องการความสูงมากกว่า 5 เมตร ในขณะที่หน่วย RO และ EDI โดยทั่วไปจะต่ํากว่า 2.5 เมตร ซึ่งอาจลดความสูงของอาคารโรงงานลง 2-3 เมตร และประหยัดต้นทุนทางวิศวกรรมโยธาได้อีก 10%-20% อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการปล่อยสารเข้มข้น RO แบบผ่านแรก (ประมาณ 25%) ความจุของระบบก่อนการบําบัดจึงต้องมีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งอาจเพิ่มการลงทุนก่อนการบําบัดประมาณ 20% หากใช้การแข็งตัวของเลือด-การชี้แจง-การกรองแบบเดิม โดยรวมแล้ว สําหรับระบบขนาดเล็ก การลงทุนเริ่มต้นสําหรับ RO+EDI มักจะเทียบได้กับ IX แบบดั้งเดิม ทันสมัยมากมายระบบ Reverse Osmosisได้รับการออกแบบโดยคํานึงถึงการรวม EDI

2. ต้นทุนการดําเนินงาน

กระบวนการ RO โดยทั่วไปมีต้นทุนการใช้สารเคมีต่ํากว่า (สําหรับการจ่าย การทําความสะอาด การบําบัดน้ําเสีย) มากกว่า IX แบบดั้งเดิม (การฟื้นฟูเรซิน การบําบัดน้ําเสีย) อย่างไรก็ตาม ระบบ RO+EDI อาจมีการใช้ไฟฟ้าและค่าเปลี่ยนอะไหล่ที่สูงขึ้น โดยรวมแล้ว ค่าใช้จ่ายในการดําเนินงานและการบํารุงรักษาทั้งหมดสําหรับ RO+EDI อาจสูงกว่า IX แบบเดิมถึง 25%-50%

3. การปรับตัว ระบบอัตโนมัติ และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

RO + EDI สามารถปรับตัวได้สูงกับความเค็มของน้ําดิบที่แตกต่างกันตั้งแต่น้ําทะเลและน้ํากร่อยไปจนถึงน้ําในแม่น้ําในขณะที่ IX แบบดั้งเดิมประหยัดน้อยกว่าสําหรับการไหลผ่านของแข็งที่ละลายน้ํามากกว่า 500 มก. / ลิตร RO และ EDI ไม่ต้องการกรด / ด่างในการฟื้นฟูและไม่ผลิตน้ําเสียที่เป็นกรด / ด่างอย่างมีนัยสําคัญต้องใช้สารป้องกันตะกรันเพียงเล็กน้อย สารลดหรือสารเคมีเล็กน้อยอื่นๆ โดยทั่วไปแล้วความเข้มข้นของ RO จะบําบัดได้ง่ายกว่าน้ําเสียที่สร้างใหม่จากระบบ IX ซึ่งช่วยลดภาระในการบําบัดน้ําเสียโดยรวมของโรงงาน ระบบ RO+EDI ยังมีระดับระบบอัตโนมัติสูงและง่ายต่อการตั้งโปรแกรม พิจารณาเยี่ยมชมสตาร์ควอเตอร์เพื่อสํารวจโซลูชันอัตโนมัติเหล่านี้

4. ต้นทุนอุปกรณ์ ความท้าทายในการซ่อม และการจัดการความเข้มข้น

แม้ว่าจะได้เปรียบ แต่อุปกรณ์ RO + EDI อาจมีราคาแพง หากเมมเบรน RO หรือสแต็ค EDI ล้มเหลว มักจะต้องเปลี่ยนโดยช่างเทคนิคเฉพาะทาง ซึ่งอาจนําไปสู่การหยุดทํางานนานขึ้น แม้ว่า RO จะไม่ก่อให้เกิดของเสียจากกรด/ด่างในปริมาณมาก แต่ RO แบบผ่านแรก (โดยทั่วไปจะนํากลับมาใช้ใหม่ 75%) จะสร้างความเข้มข้นจํานวนมากโดยมีปริมาณเกลือสูงกว่าน้ําดิบ ความเข้มข้นนี้อาจเข้มข้นเพิ่มเติมเพื่อนํากลับมาใช้ใหม่หรือปล่อยไปยังสถานีน้ําเสียเพื่อเจือจางและบําบัด ในโรงไฟฟ้าบางแห่ง RO เข้มข้นถูกใช้สําหรับการล้างระบบลําเลียงถ่านหินหรือการทําให้ชื้นของเถ้า และการวิจัยกําลังดําเนินอยู่สําหรับการระเหยของสารเข้มข้นและการตกผลึกเพื่อการกู้คืนเกลือ แม้ว่าต้นทุนอุปกรณ์จะสูง แต่ในบางกรณี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับระบบขนาดเล็ก การลงทุนโครงการเริ่มต้นสําหรับ RO+EDI อาจใกล้เคียงหรือต่ํากว่า IX แบบดั้งเดิมด้วยซ้ํา สําหรับระบบขนาดใหญ่ การลงทุนเริ่มต้นของ RO+EDI มักจะสูงกว่าเล็กน้อย

สรุป: เส้นทางที่ต้องการสําหรับการทําน้ําให้บริสุทธิ์สมัยใหม่

โดยสรุป กระบวนการ RO+EDI โดยทั่วไปมีข้อได้เปรียบมากกว่าในระบบบําบัดน้ําที่ทันสมัย มีต้นทุนการลงทุนที่ค่อนข้างจัดการได้ระบบอัตโนมัติสูงคุณภาพน้ําที่ส่งออกที่ยอดเยี่ยมและมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุดทําให้เป็นตัวเลือกที่เหนือกว่าสําหรับการใช้งานที่มีความต้องการสูง