EDI运行内阻陡升的原因及应对措施

陆秋萍，韩 英

(中盐昆山有限公司，江苏昆山 215300)

EDI又称连续电除盐技术，是20世纪80年代以来逐渐兴起的一种新型的除盐技术，它巧妙的将电渗析和离子交换技术相结合，利用两端电极高压使水中带电离子移动，并配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除，从而达到水纯化的目的[1-3]。EDI属于精处理设备，对进水的水质要求较高，故一般安装在RO膜之后，形成一种新的联合工艺。中盐昆山有限公司2012年对锅炉补给水的制备工艺进行改造，设计能力为3×100 t/h，采用絮凝沉淀+砂滤+多介质过滤+UF+两级RO+EDI的工艺流程，全膜系统采用三组平行的设备并联运行，水源为地表水，水质波动较大，EDI出水水质要求电阻率>5 MΩ·cm，总硅<20 μg/L。该装置于2015年初建成投运，系统产水电阻率达到16 MΩ·cm以上，且稳定性高，完全满足锅炉补给水的要求。但在系统运行过程中发生了EDI故障事故，严重影响了整个系统的运营状况，经分析检测，找出了原因并采取了针对性的措施。

1 EDI运行内阻陡升的现状调查

系统平稳运行至2016-10，2016-11上旬，三组EDI设备每个模块的电压均出现不同程度的波动，振幅在20 V左右，电流相对平稳，均在3.4 A±0.2 A的范围内。起初认为是二级RO产水电导波动引起的EDI电压、电流的起伏，只是要求运行人员对二级RO设备进行精准加药，水质维稳，并未引起足够的重视。但在接下来半个月的运行期内，EDI的运行状况发生了突发性的质变：单个模块电压每天升高10 V～15 V，直至高限(350 V以上)，且三组EDI各个模块的电压几乎同步上升，共性特征极为明显。在这段时间内，模块电流仍相对平稳，单组设备的产水电阻率也都在12 MΩ·cm以上，系统仍能自动运行。经多方面查找原因，调整设备，均得不到缓解，且模块开始出现电流减小，产水电阻率下降的情况。公司紧急联系了供货厂家，相关的技术人员也随即赶到现场。

为了不中断锅炉补给水供应，也为了尽快对EDI模块进行恢复，在未探明具体污染源的情况下，厂家建议先进行尝试性的化学清洗和树脂再生，现场选择2#EDI设备，另外两套仍持续制水。技术人员采取酸+化学清洗剂清洗，连续冲洗、碱+化学清洗剂清洗，连续冲洗、通电再生等手段进行EDI模块除盐能力的恢复[4]。在电再生过程中，无论是起初的低电压再生，还是后期的不断提高再生电压，模块电流始终没有得到恢复，即树脂并未因通电再生而恢复交换离子的能力，再生失败。于此同时，另外两套连续制水的设备也相继出现模块电流逐渐下降趋于零，最终产水电阻率低至2 MΩ·cm以下，除盐率降至30%，至此EDI设备已无法投入自动运行。

但是在整个EDI设备除盐效率衰减过程中，设备进出水压差始终维持在0.18 MPa～0.20 MPa之间，并未出现因通道堵塞而导致压差上升的情况，反而有略微的下降；浓水进水、浓水排水、极水排水的流量和压力也未出现明显的波动，各个压差也在运行标准的范围内[5]。这就意味着模块并非受到普通的污堵，但是未知的污染源也确实让模块内的树脂完全丧失离子交换的能力，且该过程为不可逆的损坏过程，此类现象的出现为EDI应用史上的首例，笔者未找到相关的文献加以佐证。

2 原因分析

意识到此次故障的严重性，公司当即成立了调查小组，全力配合安装厂家、技术专家展开设备调查和水质排查。同时将3#EDI的8#和16#模块返厂，分别进行离线的清洗再生和解剖分析，进一步查找设备性能衰减的原因。

2.1 离线清洗与再生

将返厂的模块进行了三次常规的酸碱清洗后通电再生，清洗前后模块的性能数据记录见表1。从表1的数据可以看出，模块进行常规清洗再生后，虽然内阻有较大幅度的下降，但仍远大于模块出厂时的内阻，通水试验产水电阻率仍未见明显提升，出水水质仍不合格，模块性能未能得到有效恢复。

表1 模块性能检测Tab.1 Performance testing for module

2.2 解剖与树脂显微镜观察

将另一模块进行解剖，发现树脂分布均匀，各室内的树脂量未见明显的流失和挤压破碎，只在淡水进口端树脂颜色略微变深。上述现象说明该设备运行压力适当，未受到水力冲击和氧化破坏，进水端树脂颜色略深属长期运行的轻微污染现象，不足以使模块性能出现大幅度的衰减。为了更好地观察树脂的性状，分别选取了少量进水端和出水端的树脂，与原树脂进行显微镜下的观察比较，如图1所示，树脂表面有明显的包裹现象，且进水端树脂包裹现象较严重，出水端的包裹现象稍轻，而原树脂的表面没有任何异物包裹现象。模块性能的大幅度衰减与树脂表面的包裹现象有关，包裹物阻断了树脂的正常离子交换作用，使其失去除盐能力。

图1 正常树脂、失效树脂的显微镜图Fig.1 Microscope diagram of normal resin and failure resin

2.3 红外光谱检测

为了进一步了解树脂表面包裹的污染物的组分，对污染的树脂进行了红外光谱检测，并与同类型的新树脂的谱图进行比较，如图2所示，进水和出水端的树脂尤其是阴树脂有区别于新树脂的新信号：1 560 cm-1和1 380 cm-1，这两个信号是属于羧酸盐类物质或者是硝基化合物。树脂表面的包裹物为含有羧酸盐成分的有机物，且难以通过常规的酸碱清洗进行恢复。该羧酸盐类污染物可能来自于进水中少量的腐殖酸，或是反渗透添加的阻垢剂未完全截留。由于污染物对树脂的包裹，造成树脂无法进行有效的离子交换，导致模块内阻升高，产水电阻率下降，直至不符合锅炉补给水的水质要求。

图2 正常树脂、失效树脂的FTIR测试对比图Fig.2 FTIR diagram of normal resin and failure resin

2.4 扫描电镜与能谱分析

为了验证是否存在羧酸盐类污染物的这一推断，通过对树脂小球进行扫描电镜的观察与元素能谱分析，考察了新旧树脂的微观形貌和微区元素的变化情况。如图3所示，不论是正常树脂还是失效树脂，其微观形貌均为不同规格大小的球状，粒径约400 μm～700 μm不等，但正常树脂的表面干净圆滑，而失效的阴树脂的表面粗糙，球形不规则，表面存在污染物且变型，失效的阳树脂表面同样存在存在污染物，且有部分树脂有裂缝和破损现象，树脂间存在少量碎片遭到破坏。通过微区元素分析，得出：进水端阴树脂大部分区域氧含量增加明显，明显污染区域有Al元素和少量S元素；进水端阳树脂大部分区域元素成分变化不明显，明显污染区域有Fe、Si、Al、Cl等元素。这羧酸盐类污染物偏向于沉积在阴树脂而非阳树脂的表面，羧酸基团可能与阴树脂中的季胺基团形成配对的盐，使阴树脂失去离子交换的能力，最终导致模块除盐性能的大幅度衰减。

图3 正常树脂、失效树脂的 SEM-EDS 测试图Fig.3 SEM-EDS diagram of normal resin and failure resin

2.5 发射光谱分析

通过失效树脂和正常树脂的ICP测试结果，可知失效树脂中铁元素的含量约为53.3 mg/kg，正常树脂中铁元素的含量约为13.6 mg/kg。失效树脂中铁元素含量较正常树脂中铁元素含量高，推测失效树脂可能受到铁元素的污染，而现场也没有监测EDI装置进水铁离子指标，水质监测不全面。

3 应对措施及结果讨论

3.1 程序变更

经现场运营人员反馈，浓水进水压力和流量均有明显的提升，多个模块的产水侧有气体积存现象，模块内部积存的气体在水力作用下，产生气锤，破坏阴膜和阳膜，使其产生裂缝，模块内部水出现窜流，导致浓水流量无法调节。为了避免气锤的产生，笔者变更了EDI设备的启停程序，去除设备的开机和停机冲洗步序，避免过度虹吸。经现场多次启停验证，所有模块产水侧均无气体积存，浓水进水压力和流量基本维持稳定，设备产水电阻率有所回升。

3.2 现场改造

为了杜绝EDI设备受反渗透和超滤化学清洗液污染的可能性，将EDI清洗系统从清洗母管上断开，独立配管，防止清洗液出现窜流，污染EDI模块内的树脂。同时在EDI进水管道上加装ORP(氧化还原电位)在线监测仪表，同时定期检测进水余氯、总有机碳TOC和铁离子的指标，确保进水水质符合EDI的进水要求。

3.3 结果讨论

通过在线仪表的数据显示，EDI的进水ORP均在100 mV以下，且较为稳定，余氯分析均未超过0.03 mg/L，进一步杜绝了树脂因氧化而破碎的风险。

对于已严重污染的模块进行整体更换，并按照上述整改措施，严格监测新设备的进水水质符合EDI的进水要求，监测项目包括ORP、余氯、TOC和铁离子含量，同时加密监控模块电压、电流的变化情况。历时1 a的运行，模块各项指标均正常，出水水质优良，如图4为新设备第7号、8号模块电压、电流—日期的数据散点图，电压波动幅度<20 V，电流稳定在3.4 A±0.1 A之间。

经过上述一系列的整改措施后，对新旧设备的产水电阻率进行了统计，如图5所示，新设备的出水电阻率基本都在16 MΩ·cm以上，旧设备的出水电阻率在8 MΩ·cm以上，符合锅炉补给水的水质要求。

图4 新设备第7号、8号模块电压-电流散点图Fig.4 Voltage-current scatter plot for the 7th and 8th device

图5 新旧设备的产水电阻率散点图Fig.5 Resistance of water production of new module of new and old device

4 结束语

1)EDI设备运行至2016-11开始出现异常，表现为电压陡升至高限(350 V以上)，电流逐渐下降趋于零，产水电阻率低至2 MΩ·cm以下，除盐率降至30%，但各个进水压力，压差均正常。

2)通过一系列的检测分析，模块除盐性能衰减的原因是树脂可能被某羧酸盐类的有机物包裹，且该羧酸盐类污染物偏向于沉积在阴树脂表面，使阴树脂失去离子交换的能力，最终导致模块除盐性能的大幅衰减。同时该羧酸盐类污染物属严重的有机物污染，难以通过常规的酸碱清洗及通电再生进行恢复。

3)对于污染严重的模块进行部分模块的更换，同时采取优化自控程序、加强水质监测及管路改造等措施后，经过一年的运行观察，新旧设备性能稳定，产水电阻率均符合锅炉补给水的水质要求。