專利名稱：連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種純水的制備方法及設(shè)備，尤指用連續(xù)電去離子技術(shù)制取純水的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
醫(yī)藥、化工和半導體行業(yè)需要大量的純水，在過去幾十年中，純水的制備主要有多級蒸餾法和離子交換法。多級蒸餾法能耗高，成本也高；離子交換法由于需要大量的酸堿對樹脂進行再生，會對環(huán)境造成嚴重污染。
近幾年，一種將電滲析與離子交換劑有機地結(jié)合在一起的綠色環(huán)保制純水技術(shù)—連續(xù)電去離子技術(shù)(Electrodeionization，簡稱EDI)在西方發(fā)達國家迅速發(fā)展起來，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用呈幾何級數(shù)增長。我國目前對EDI的應(yīng)用也呈現(xiàn)出迅速增長的趨勢，然而我國目前還沒有生產(chǎn)EDI設(shè)備的能力，所用的EDI裝置全部依賴進口；這是因為我國不能生產(chǎn)EDI所需的具有高選擇透過性的均相離子交換膜，只能生產(chǎn)選擇透過性能一般的異相離子交換膜。異相離子交換膜不能用于EDI的原因是由于其選擇透過性比均相離子交換膜差，在高電勢差或濃度差情況下會出現(xiàn)同名離子遷移或濃差擴散現(xiàn)象，從而造成脫鹽率下降，無法制取純水。但均相離子交換膜的價格要比異相離子交換高許多倍。
所謂EDI，就是在電滲析器的淡水室填裝了陰、陽離子交換劑。由于純水中離子交換劑的導電能力比水要高2～3個數(shù)量級，因而水溶液中的離子不斷與離子交換劑發(fā)生交換并通過交換劑構(gòu)成的“離子通道”進入濃室，結(jié)果使淡水室體系(溶液、交換劑和膜)的電導率大大增加，提高了電滲析的極限電流，達到高度淡化。EDI在運行電流超過極限電流時，膜和交換劑附近的界面層會發(fā)生極化和水解離，產(chǎn)生OH-和H+離子，除一部分被遷移至濃水室外，大部分將使淡水室中的離子交換劑再生，保持其交換能力。EDI去除溶液中離子的過程主要包括如下三方面(1)離子交換吸附過程此過程靠離子交換劑對水中電解質(zhì)離子的交換作用，以去除水中的離子。(2)離子定向遷移過程在外加電場作用下，水中電解質(zhì)通過離子交換劑和離子交換膜進行選擇性遷移，從而達到去除離子的作用。(3)電化學再生過程利用電滲析的極化和水解離產(chǎn)生的H+和OH-離子，對吸附飽和后的離子交換劑進行電化學再生。
其中前兩個過程都直接提高出水水質(zhì)，而再生過程中由于離子交換會使水質(zhì)變壞。在理論上，離子交換和電化學再生是兩個相互矛盾的過程，因此必須選擇適宜的工作條件，最好能使這三個過程分別進行，這樣就能既滿足出水水質(zhì)要求，又能達到再生的目的。
但是目前的EDI在設(shè)計時將離子交換吸附、離子定向遷移、電化學再生這3個過程同時集中于一臺裝置中，在整個去除離子的過程中，淡室從進水端到出水端始終處于相同的直流電場作用下。這就使得EDI在運行時，不可能使這3個過程同時都處于最佳運行狀態(tài)，常見的情況可能是在淡室進水端需要高電壓進行離子遷移時電壓不高，或是在淡室出水端需要低電壓進行離子交換吸附時電壓不低；在淡室進水端需要高電壓進行水解離和電再生時電壓不高，或是在淡室出水端無需再生的區(qū)域卻發(fā)生強烈的水解離。
目前國外生產(chǎn)的EDI設(shè)備均采用均相離子交換膜，制造成本高，價格昂貴。另外，EDI設(shè)備易于結(jié)垢，對進水水質(zhì)要求極為嚴格，在使用一段時間后會出現(xiàn)能耗升高，出水水質(zhì)不穩(wěn)等現(xiàn)象。所有這些，都限制了EDI在我國的推廣和使用。若能使離子交換吸附、離子定向遷移、電化學再生這3個過程分別在不同的EDI裝置中進行，則不但能夠獲得連續(xù)穩(wěn)定的純水，而且還能降低能耗，同時對離子交換膜性能的要求也會大大降低(可以用異相離子交換膜代替均相離子交換膜制造EDI裝置)，降低制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于目前EDI設(shè)備所存在的制造成本高、能耗高、容易結(jié)垢和出水水質(zhì)不穩(wěn)等缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種既能使用均相離子交換膜，也能使用異相離子交換膜，同時還能保證連續(xù)制取穩(wěn)定的純水，能耗低且不易結(jié)垢的連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備。
本發(fā)明的技術(shù)方案是整個連續(xù)電去離子制純水設(shè)備包括4臺相同的EDI裝置(分別標記為EDI1、EDI2、EDI3、EDI4)，其中3臺EDI裝置串聯(lián)以制備純水，即原水→EDI1→EDI2→EDI3→純水(或原水→EDI1→EDI2→EDI4→純水)，另1臺EDI裝置(EDI3或EDI4)作為離子交換劑的再生設(shè)備。
原水首先進入EDI1，在EDI1的電極兩端加上中等強度的電壓(膜對電壓為1～2V)，對原水進行初級脫鹽，去除水中大部分電解質(zhì)離子；EDI1的淡室出水進入EDI2，在EDI2的電極兩端加上高強度電壓(膜對電壓大于2V)，對原水進行深度脫鹽，水中的電解質(zhì)離子濃度已降至很低；EDI2的淡室出水進入EDI3，在EDI3的電極兩端不加電壓，EDI3的淡室作離子交換混床使用，通過離子交換劑對水中殘余電解質(zhì)離子的交換吸附，使EDI3的淡室出水達到純水品質(zhì)。EDI3淡室出水的大部分即為最終的純水產(chǎn)品，另外一小部分進入EDI4。進入EDI4的純水在高電場強度下(膜對電壓大于2V)發(fā)生強烈水解離，產(chǎn)生大量的H+和OH-離子，對EDI4中吸附飽和的離子交換劑進行再生。
當EDI3中的離子交換劑吸附飽和后，被再生好的EDI4所替代，而EDI3則被進行電再生。當EDI4中的離子交換劑吸附飽和后，則被再生好的EDI3所替代，對EDI4進行電再生，如此循環(huán)，保證了整個設(shè)備能夠連續(xù)穩(wěn)定地制取純水。EDI3和EDI4的相互替換主要通過三通、閥門和流量計來實現(xiàn)手動或自動控制。
本發(fā)明的原理可以通過圖2和圖3加以說明如下如圖2所示，EDI淡室按水流方向可分為3個部分，進水部分稱為I區(qū)，出水部分稱為III區(qū)，在進水與出水的過渡部分稱為II區(qū)。
在I區(qū)，溶液中含有大量的電解質(zhì)離子，電導率較高。由于離子與交換劑(9)之間的交換反應(yīng)速度極快，淡室中的交換劑(9)迅速吸附溶液中的離子并趨于飽和，并在電場作用下，離子逐漸經(jīng)交換劑(9)和膜遷移至濃室；溶液中未被吸附的離子，則分別向陰膜(8)和陽膜(10)移動，并經(jīng)膜遷移至濃室。在I區(qū)，因溶液和交換劑(9)中均含有大量可遷移的離子，不存在極化和水解離條件，交換劑(9)的作用主要是吸附和傳導。在該區(qū)只需中等強度的電壓(膜對電壓為1～2V)即可獲得較高的脫鹽率。
在III區(qū)，水中離子濃度很低，因此在電場力的作用下，離子交換劑(9)之間以及交換劑(9)與膜之間的接觸部分因極化而發(fā)生水解離，H+和OH-離子濃度在局部迅速升高，并與交換劑(9)中已吸附的Me+或A-離子(Me+表示電解質(zhì)陽離子，A-表示電解質(zhì)陰離子)發(fā)生離子交換。因為離子交換反應(yīng)速度要遠大于離子在交換劑(9)中的遷移速度，因此被交換出的Me+和A-離子，大部分重新回到淡室溶液中。由此可見，在III區(qū)，淡室溶液中電解質(zhì)離子一般不會減少，甚至可能因交換出的Me+和A-離子而導致出水離子濃度的升高；另外，離子交換膜的選擇透過性不可能達到100％，因此在III區(qū)，由于濃差擴散而從濃室滲透到淡室的離子也有可能導致出水中離子總數(shù)的增加和電導率的升高。該區(qū)的水解離對提高出水水質(zhì)不利，應(yīng)在低電壓或無電壓下利用離子交換劑(9)對離子的吸附能力使出水達標。
在II區(qū)，離子的遷移和水解離度也介于兩者之間，溶液中離子大部分經(jīng)離子交換劑(9)遷移至濃室，該區(qū)有水解離發(fā)生，但不如III區(qū)強烈。在該區(qū)可以適當增加電壓來提高脫鹽率(膜對電壓大于2V)。
通過對I、II、III各區(qū)的分析發(fā)現(xiàn)，若想提高II區(qū)的脫鹽率，勢必要提高膜兩邊的電壓，這會使III區(qū)水解離增加，導致EDI的能耗增加，同時電壓的升高還將降低離子交換膜的選擇透過性，使出水水質(zhì)惡化。但如果為了滿足III區(qū)的要求，降低膜兩側(cè)電壓，則I、II區(qū)的脫鹽率下降，I、II區(qū)逐漸拉長，III區(qū)逐漸縮短并最終消失，同樣會造成出水水質(zhì)惡化。因此，在一臺EDI裝置中，很難同時滿足離子交換吸附、離子定向遷移、電化學再生這3個過程，為此，我們設(shè)計圖3所示的工藝流程。
在圖3所示的工藝流程中，EDI1(1)和EDI2(2)分別相當于圖2中的I、II區(qū)，EDI2(2)電壓高于EDI1(1)；而EDI3(3)和EDI4(4)則在流程的不同階段分別相當于混床和電再生器。
在初始階段3a，原水經(jīng)EDI1(1)的初次脫鹽以及EDI2(2)的再次脫鹽后，淡室出水中的離子含量已降至很低，EDI2(2)的淡室出水再經(jīng)EDI3(3)混床吸附后，出水完全可以達到純水的出水水質(zhì)要求。EDI3(3)的部分出水送至EDI4(4)，在較高電壓下對EDI4(4)的淡室離子交換劑進行電再生。
當EDI3(3)中的離子交換劑吸附飽和后，用再生好的EDI4(4)替換EDI3(3)，對EDI3(3)進行電再生，如圖3b所示。當EDI4(4)中的交換劑吸附飽和后，用再生好的EDI3(3)替換EDI4(4)，對EDI4(4)進行電再生，如圖3a所示。如此循環(huán)往復，可以保證出水的質(zhì)量和連續(xù)性。
本發(fā)明的連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備，通過將離子交換吸附、離子定向遷移和電化學再生3個過程分別置于不同EDI裝置中，能夠使它們都處于最佳狀態(tài)下運行。與目前的EDI設(shè)備相比，本發(fā)明的EDI裝置既能使用均相離子交換膜，也能使用國產(chǎn)的異相離子交換膜，使EDI制造成本顯著下降，不但能夠連續(xù)穩(wěn)定地制取純水，制水電耗也大大降低。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2是EDI淡室沿水流方向的分區(qū)圖。
圖3是本發(fā)明的工藝流程圖。
圖中1.EDI1，2.EDI2，3.EDI3，4.EDI4，5.三通，6.閥門，7.流量計，8.陰離子交換膜，9.離子交換劑，10.陽離子交換膜。
具體實施例方式
如圖1所示，原水由自來水和蒸餾水按不同比例配制，所用的離子交換膜為國產(chǎn)的異相離子交換膜。原水首先進入EDI1(1)，在EDI1(1)的電極兩端加上18V電壓，對原水進行初級脫鹽EDI1(1)的淡室出水進入EDI2(2)，在EDI2(2)的電極兩端加上25V電壓，對原水進行深度脫鹽；EDI2(2)的淡室出水進入EDI3(3)，在EDI3(3)的電極兩端不加電壓，EDI3(3)的淡室相當于離子交換混床，通過離子交換劑對水中殘余電解質(zhì)離子的交換吸附，使EDI3(3)的淡室出水達到純水品質(zhì)。EDI3(3)淡室出水通過三通(5)、閥門(6)和流量計(7)分流出大部分作為最終的純水產(chǎn)品，另外一小部分進入EDI4(4)。在EDI4(4)的電極兩端加上30V電壓，進入EDI4(4)的純水在30V電壓下，發(fā)生強烈水解離，產(chǎn)生大量的H+和OH-離子，對EDI4(4)中吸附飽和的離子交換劑進行再生。
表1顯示了在該工藝條件下的實驗結(jié)果。
表1 連續(xù)電去離子制純水工藝流程不同階段的水質(zhì)變化

權(quán)利要求
1.一種連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備，其特征是(1)整個過程包括EDI1(1)、EDI2(2)、EDI3(3)和EDI4(4)共4臺EDI裝置，其中3臺EDI裝置串聯(lián)以制備純水，另1臺EDI裝置作為離子交換劑的電再生設(shè)備。(2)3臺串聯(lián)EDI裝置所制得的純水，大部分作為最終制備的純水，其余一小部分作為第4臺EDI裝置的淡室進水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI1(1)的膜對電壓小于2V，EDI2(2)的膜對電壓大于2V，EDI3(3)的膜對電壓為0，EDI4(4)的膜對電壓大于2V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI3(3)和EDI4(4)可以實現(xiàn)互換，即在EDI3(3)中的離子交換劑(9)吸附飽和后，就用電再生后EDI4(4)替代EDI3(3)，對EDI3(3)進行電再生；當EDI4(4)中的離子交換劑(9)吸附飽和后，則用電再生后的EDI3(3)替換EDI4(4)，對EDI4(4)進行電再生，如此交替進行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI3(3)和EDI4(4)的相互替換通過三通(5)、閥門(6)和流量計(7)來實現(xiàn)手動或自動控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI由電極、交替排列的陰陽離子交換膜、濃淡室隔板和填充在淡室內(nèi)的離子交換劑構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI的離子交換膜可以是均相離子交換膜或異相離子交換膜；離子交換劑可以是離子交換樹脂或離子交換纖維。
全文摘要
本發(fā)明的連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備，采用4臺相同的EDI裝置，其中3臺EDI裝置串聯(lián)以制備純水，另1臺EDI裝置作為離子交換劑的再生設(shè)備，將離子交換吸附、離子定向遷移和電化學再生3個過程分別置于不同EDI裝置中，能夠使它們都處于最佳狀態(tài)下運行。與目前的EDI設(shè)備相比，本發(fā)明的EDI裝置既能使用均相離子交換膜，也能使用國產(chǎn)的異相離子交換膜，使EDI制造成本顯著下降，不但能夠連續(xù)穩(wěn)定地制取純水，制水電耗也大大降低。
文檔編號C02F9/06GK1504428SQ0215384
公開日2004年6月16日 申請日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者孟洪, 彭昌盛, 盧壽慈, 孟 洪 申請人:彭昌盛, 孟洪, 盧壽慈