專利名稱：一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置及其方法。
技術(shù)背景
與普通電滲析(ED)相比，電去離子(EDI)在淡室中填充的離子交換樹脂大大提高了膜間導(dǎo)電性，強(qiáng)化了從溶液向膜面的離子遷移，破壞了膜面擴(kuò)散層中的“離子貧乏”狀態(tài)， 極限電流密度和電流效率得到顯著提高。此外，當(dāng)?shù)覂?nèi)填裝離子交換樹脂時(shí)，淡室中的液流速度比普通ED器中的大得多，而且樹脂起著攪拌作用，促進(jìn)離子擴(kuò)散，改善了水力學(xué)狀態(tài)，使得淡室體系電導(dǎo)率增大，極限電流密度也相應(yīng)地提高。因此，既克服了 ED不利于處理低濃度溶液的弱點(diǎn)，又使產(chǎn)水水質(zhì)提高，達(dá)到混床離子交換的水平，同時(shí)淡室內(nèi)裝填的離子交換樹脂在電場(chǎng)作用下自動(dòng)獲得再生，省去了繁瑣的酸、堿再生步驟，也避免了酸、堿再生液的后序處理。但是電去離子技術(shù)也有其需要避免的缺陷，例如裝置中膜結(jié)垢的問題。頻繁倒極能夠在一定的程度上解決結(jié)垢的問題，但是倒極后需要穩(wěn)定一定時(shí)間，出水產(chǎn)率和水質(zhì)都相應(yīng)降低。針對(duì)此，專利CN 100482594C中提出一種無(wú)結(jié)垢并回收陰陽(yáng)離子的電去離子凈水裝置及方法，采用膜無(wú)交替排列的方法，使得Off與Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子無(wú)機(jī)會(huì)共存，有效地解決了結(jié)垢的問題。然而，包括該裝置在內(nèi)的其他EDI裝置，采用的進(jìn)水形式都是直接通過離子交換樹脂。由于離子交換樹脂的強(qiáng)吸附性，具有強(qiáng)截留作用，水中若含有有機(jī)物、雜質(zhì)等存在，將會(huì)使得樹脂快速失效。同時(shí)，原水中的Ca2+、Mg2+、C02、Fe、Si02、余氯等指標(biāo)過高，都會(huì)影響這些裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而影響產(chǎn)水水質(zhì)。所以，需要對(duì)進(jìn)水進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。另外，以上裝置都不能無(wú)限放大處理水量。針對(duì)此，本發(fā)明中進(jìn)水平行于離子交換樹脂，采用旁路進(jìn)水、旁路出水，在電遷移的作用下，只有離子能夠遷移至離子選擇性透過墻，進(jìn)而吸附、滲透，解決了有機(jī)物等使樹脂失效的問題。采用裝置并聯(lián)，無(wú)限放大處理水量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)技術(shù)的不足，提供一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置裝置及其方法。
無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置包括第一淡水池、陽(yáng)離子選擇性透過墻、濃水池、陰離子選擇性透過墻、第二淡水池、濃水罐、閥門、三通閥、流量計(jì)、泵、酸度計(jì)、電導(dǎo)率儀、氣體檢測(cè)裝置、壓力表、陽(yáng)極板和陰極板；第一淡水池、陽(yáng)離子選擇性透過墻、濃水池、離子選擇性透過墻、第二淡水池順次相連，進(jìn)水經(jīng)閥門、酸度計(jì)、電導(dǎo)率儀分成二路，一路進(jìn)水經(jīng)閥門、 流量計(jì)與第一淡水池上部相連，另一路進(jìn)水經(jīng)進(jìn)水經(jīng)閥門、濃水罐、泵與濃水池底部相連， 濃水池上部經(jīng)酸度計(jì)、電導(dǎo)率儀與濃水罐相連，第一淡水池底部與第二淡水池底部相連，第二淡水池上部經(jīng)壓力表與氣體檢測(cè)裝置相連，，第二淡水池上部經(jīng)酸度計(jì)、電導(dǎo)率儀與出水口相連，在第一淡水池內(nèi)設(shè)有陽(yáng)極板，第二淡水池內(nèi)設(shè)有陰極板，陽(yáng)極板和陰極板分別接入直流電源的正極和負(fù)極。
所述的第一淡水池、陽(yáng)離子選擇性透過墻、濃水池、陰離子選擇性透過墻、第二淡水池組成一級(jí)無(wú)膜電去離子硬水軟化單元，所述的無(wú)膜電去離子硬水軟化單元為多級(jí)，所述的多級(jí)無(wú)膜電去離子硬水軟化單元為串聯(lián)式或并聯(lián)式，所述的多級(jí)串聯(lián)式無(wú)膜電去離子硬水軟化單元從第二級(jí)無(wú)膜電去離子硬水軟化單元的第一淡水池由第一無(wú)膜電去離子硬水軟化單元的第二淡水池代替。
所述的進(jìn)水平行于離子選擇性透過墻，旁路進(jìn)水、旁路出水。
所述的陽(yáng)離子選擇性透過墻由鍵合了磺基、羧基、苯膦酸基、巰基、磷基和羥苯基、 羧基和羥苯基、強(qiáng)酸性苯乙烯系基中至少一種的聚合物、表面帶有大量硅羥基的硅藻土、分子篩中的至少一種堆砌組成，陰離子選擇性透過墻由鍵合了季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基或丙烯酸系中至少一種的聚合物堆砌組成。
所述的陽(yáng)極材料為石墨、活性炭纖維氈、活性炭纖維布以及涂敷有Ru02、IrO2, TiO2, MnO2中至少一種導(dǎo)電金屬，陰極材料為不銹鋼電極、石墨、活性炭纖維氈、活性炭纖維布以及涂敷有Ru02、IrO2, TiO2, MnO2中至少一種的導(dǎo)電金屬，根據(jù)不同的需要，電極材料可制作成網(wǎng)狀、孔狀、絲柵狀。
所述的涂敷有Ru02、IrO2, TiO2, MnO2中至少一種的導(dǎo)電金屬的制備方法為，將 RuO2, IrO2, TiO2, MnO2中至少一種涂覆在導(dǎo)電金屬上，在200-300°C左右溫度下燒結(jié)6 h。
無(wú)膜電去離子硬水軟化方法是陽(yáng)極板、陰極板分別接入直流電源的正極和負(fù)極， 在20V以上產(chǎn)生的直流電促使第一淡水池、陽(yáng)離子選擇性透過墻、濃水池、陰離子選擇性透過墻、第二淡水池內(nèi)的水電離，產(chǎn)生大量的H+和OH—;進(jìn)水進(jìn)入第一淡水池，在第一淡水池中的陽(yáng)離子在電遷移的作用下向陽(yáng)離子選擇性透過墻遷移并被陽(yáng)離子選擇性透過墻吸附，從第一淡水池出來(lái)的溶液進(jìn)入第二淡水池，在第二淡水池中陰離子在電遷移的作用下向陰離子選擇性透過墻遷移并被陰離子交換樹脂墻吸附，第二淡水池出來(lái)的水即為淡化水；再利用所產(chǎn)生的H+或0H_對(duì)離子選擇性透過墻進(jìn)行再生，產(chǎn)生的H+向陽(yáng)離子選擇性透過墻遷移， 對(duì)陽(yáng)離子選擇性透過墻進(jìn)行再生，產(chǎn)生的0H_向陰離子選擇性透過墻遷移對(duì)陰離子選擇性透過墻進(jìn)行再生，使離子選擇性透過墻恢復(fù)吸附性能，被交換下來(lái)的陽(yáng)離子和陰離子遷移進(jìn)入濃水池，隨濃水循環(huán)液帶出，濃水罐中的離子濃度越來(lái)越高，經(jīng)酸度計(jì)、電導(dǎo)率儀獲得離子濃縮信息。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)能夠連續(xù)無(wú)間斷地穩(wěn)定制備純水，同時(shí)回收原水中的有用離子，提高資源利用率；2)陰陽(yáng)離子選擇性透過墻分開堆砌，使得整個(gè)裝置的電阻減小，提高電流效率，降低能耗；3)流量范圍擴(kuò)大，應(yīng)用范圍也增大了；4)進(jìn)水無(wú)需嚴(yán)格預(yù)處理。


圖1是無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是無(wú)膜電去離子硬水軟化單元多級(jí)串聯(lián)圖；圖3是無(wú)膜電去離子硬水軟化單元多級(jí)并聯(lián)圖； 圖4是無(wú)膜電去離子硬水軟化方法原理圖；圖中第一淡水池1、陽(yáng)離子選擇性透過墻2、濃水池3、陰離子選擇性透過墻4、第二淡水池5、濃水罐6、閥門7、三通閥8、流量計(jì)9、泵10、酸度計(jì)11、電導(dǎo)率儀12、氣體檢測(cè)裝置 13、壓力表14、陽(yáng)極板15、陰極板16。
具體實(shí)施方式
如圖1-3所述，無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置包括第一淡水池1、陽(yáng)離子選擇性透過墻2、濃水池3、陰離子選擇性透過墻4、第二淡水池5、濃水罐6、閥門7、三通閥8、流量計(jì)9、 泵10、酸度計(jì)11、電導(dǎo)率儀12、氣體檢測(cè)裝置13、壓力表14、陽(yáng)極板15和陰極板16 ；第一淡水池1、陽(yáng)離子選擇性透過墻2、濃水池3、離子選擇性透過墻4、第二淡水池5順次相連，進(jìn)水經(jīng)閥門7、酸度計(jì)11、電導(dǎo)率儀12分成二路，一路進(jìn)水經(jīng)閥門7、流量計(jì)9與第一淡水池1 上部相連，另一路進(jìn)水經(jīng)進(jìn)水經(jīng)閥門7、濃水罐6、泵10與濃水池3底部相連，濃水池3上部經(jīng)酸度計(jì)11、電導(dǎo)率儀12與濃水罐6相連，第一淡水池1底部與第二淡水池5底部相連， 第二淡水池5上部經(jīng)壓力表14與氣體檢測(cè)裝置13相連，，第二淡水池5上部經(jīng)酸度計(jì)11、 電導(dǎo)率儀12與出水口相連，在第一淡水池1內(nèi)設(shè)有陽(yáng)極板15，第二淡水池5內(nèi)設(shè)有陰極板 16，陽(yáng)極板15和陰極板16分別接入直流電源的正極和負(fù)極。
所述的第一淡水池、陽(yáng)離子選擇性透過墻、濃水池、陰離子選擇性透過墻、第二淡水池組成一級(jí)無(wú)膜電去離子硬水軟化單元，所述的無(wú)膜電去離子硬水軟化單元為多級(jí)，所述的多級(jí)無(wú)膜電去離子硬水軟化單元為串聯(lián)式或并聯(lián)式，所述的多級(jí)串聯(lián)式無(wú)膜電去離子硬水軟化單元從第二級(jí)無(wú)膜電去離子硬水軟化單元的第一淡水池由第一無(wú)膜電去離子硬水軟化單元的第二淡水池代替。
所述的進(jìn)水平行于離子選擇性透過墻，旁路進(jìn)水、旁路出水。
所述的陽(yáng)離子選擇性透過墻2由鍵合了磺基、羧基、苯膦酸基、巰基、磷基和羥苯基、羧基和羥苯基、強(qiáng)酸性苯乙烯系基中至少一種的聚合物、表面帶有大量硅羥基的硅藻土、分子篩中的至少一種堆砌組成，陰離子選擇性透過墻4由鍵合了季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基或丙烯酸系中至少一種的聚合物堆砌組成。
所述的陽(yáng)極15材料為石墨、活性炭纖維氈、活性炭纖維布以及涂敷有Ru02、IrO2, Ti02、Mn02中至少一種導(dǎo)電金屬，陰極16材料為不銹鋼電極、石墨、活性炭纖維氈、活性炭纖維布以及涂敷有Ru02、IrO2, TiO2, MnO2中至少一種的導(dǎo)電金屬，根據(jù)不同的需要，電極材料可制作成網(wǎng)狀、孔狀、絲柵狀。
所述的涂敷有Ru02、IrO2, TiO2, MnO2中至少一種的導(dǎo)電金屬的制備方法為，將 RuO2, IrO2, TiO2, MnO2中至少一種涂覆在導(dǎo)電金屬上，在200-300°C左右溫度下燒結(jié)6 h。
如圖4所述，無(wú)膜電去離子硬水軟化方法是陽(yáng)極板15、陰極板16分別接入直流電源的正極和負(fù)極，在20V以上產(chǎn)生的直流電促使第一淡水池1、陽(yáng)離子選擇性透過墻2、濃水池3、陰離子選擇性透過墻4、第二淡水池5內(nèi)的水電離，產(chǎn)生大量的H+和0H_ ；進(jìn)水進(jìn)入第一淡水池1，在第一淡水池1中的陽(yáng)離子在電遷移的作用下向陽(yáng)離子選擇性透過墻2遷移并被陽(yáng)離子選擇性透過墻2吸附，從第一淡水池1出來(lái)的溶液進(jìn)入第二淡水池5，在第二淡水池5中陰離子在電遷移的作用下向陰離子選擇性透過墻4遷移并被陰離子交換樹脂墻 4吸附，第二淡水池5出來(lái)的水即為淡化水；再利用所產(chǎn)生的H+或0H_對(duì)離子選擇性透過墻進(jìn)行再生，產(chǎn)生的H+向陽(yáng)離子選擇性透過墻2遷移，對(duì)陽(yáng)離子選擇性透過墻2進(jìn)行再生，產(chǎn)生的0H_向陰離子選擇性透過墻4遷移對(duì)陰離子選擇性透過墻4進(jìn)行再生，使離子選擇性透過墻恢復(fù)吸附性能，被交換下來(lái)的陽(yáng)離子和陰離子遷移進(jìn)入濃水池3，隨濃水循環(huán)液帶出， 濃水罐6中的離子濃度越來(lái)越高，經(jīng)酸度計(jì)11、電導(dǎo)率儀12獲得離子濃縮信息。
實(shí)施例1采用圖1所示一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置。陽(yáng)極為鈦鍍釕網(wǎng)狀電極，陰極為不銹鋼網(wǎng)狀電極；陰陽(yáng)離子交換樹脂分別為D201大孔強(qiáng)堿性苯乙烯系氫氧型樹脂和DOOl大孔性苯乙烯系氫型樹脂；池子的尺寸為0. 05432m3(l. 94*0. 2*0. 14)，樹脂墻厚度為0. 07m。原水中NaCl含量約為10mg/L，首先原水由三通閥分流，主線進(jìn)入第一淡水池，然后通過第二淡水池流出。輔線水進(jìn)入濃水池；未通電前，出水電導(dǎo)率接近原水電導(dǎo)率；然后在裝置兩邊加上30V電壓，對(duì)原水進(jìn)行電去離子處理；裝置連續(xù)正常運(yùn)行48小時(shí)后，產(chǎn)品出水電導(dǎo)率 0. 1 0. 25 μ S/cm，產(chǎn)水量 1 10m3/min。
實(shí)施例2實(shí)施例2中采用無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置軟化鍋爐用水。實(shí)施例2中的去離子裝置、原理、操作步驟與實(shí)施例1相同；原水為自來(lái)水，總硬度為23aiig/L (以碳酸鈣計(jì))；在裝置電極兩端加上30V，穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行一周后，出水的總硬度小于ang/L (以碳酸鈣計(jì))，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1576-2008的規(guī)定，自然循環(huán)蒸汽鍋爐，采用鍋外水處理的，硬度應(yīng)C3mg/L (以碳酸鈣計(jì))。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置，其特征在于包括第一淡水池(1)、陽(yáng)離子選擇性透過墻(2)、濃水池(3)、陰離子選擇性透過墻(4)、第二淡水池(5)、濃水罐(6)、閥門(7)、 三通閥(8)、流量計(jì)(9)、泵(10)、酸度計(jì)(11)、電導(dǎo)率儀(12)、氣體檢測(cè)裝置(13)、壓力表(14)、陽(yáng)極板(15)和陰極板(16)；第一淡水池(1)、陽(yáng)離子選擇性透過墻(2)、濃水池(3)、 離子選擇性透過墻(4)、第二淡水池(5)順次相連，進(jìn)水經(jīng)閥門(7)、酸度計(jì)(11)、電導(dǎo)率儀 (12)分成二路，一路進(jìn)水經(jīng)閥門(7)、流量計(jì)(9)與第一淡水池(1)上部相連，另一路進(jìn)水經(jīng)進(jìn)水經(jīng)閥門(7)、濃水罐(6)、泵(10)與濃水池(3)底部相連，濃水池(3)上部經(jīng)酸度計(jì) (11)、電導(dǎo)率儀(12)與濃水罐(6)相連，第一淡水池(1)底部與第二淡水池(5)底部相連，第二淡水池(5)上部經(jīng)壓力表(14)與氣體檢測(cè)裝置(13)相連，第二淡水池(5)上部經(jīng)酸度計(jì) (11)、電導(dǎo)率儀(12)與出水口相連，在第一淡水池(1)內(nèi)設(shè)有陽(yáng)極板(15)，第二淡水池(5) 內(nèi)設(shè)有陰極板(16)，陽(yáng)極板(15)和陰極板(16)分別接入直流電源的正極和負(fù)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置，其特征在于所述的第一淡水池(1)、陽(yáng)離子選擇性透過墻(2 )、濃水池(3 )、陰離子選擇性透過墻(4)、第二淡水池(5 ) 組成一級(jí)硬水軟化單元，所述的硬水軟化單元為多級(jí)，所述的多級(jí)硬水軟化單元為串聯(lián)式或并聯(lián)式，所述的多級(jí)串聯(lián)式硬水軟化單元從第二級(jí)硬水軟化單元的第一淡水池(1)由第一硬水軟化單元的第二淡水池(5)代替。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置，其特征在于所述的進(jìn)水平行于離子選擇性透過墻，旁路進(jìn)水、旁路出水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置，其特征在于陽(yáng)離子選擇性透過墻(2)由鍵合了磺基、羧基、苯膦酸基、巰基、磷基和羥苯基、羧基和羥苯基、強(qiáng)酸性苯乙烯系基中至少一種的聚合物、表面帶有大量硅羥基的硅藻土、分子篩中的至少一種堆砌組成，陰離子選擇性透過墻(4)由鍵合了季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基或丙烯酸系中至少一種的聚合物堆砌組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置，其特征在于所述的陽(yáng)極(15)材料為石墨、活性炭纖維氈、活性炭纖維布以及涂敷有Ru02、IrO2,TiO2,MnO2中至少一種導(dǎo)電金屬，陰極(16)材料為不銹鋼電極、石墨、活性炭纖維氈、活性炭纖維布以及涂敷有 RuO2, IrO2, TiO2,MnO2中至少一種的導(dǎo)電金屬，根據(jù)不同的需要，電極材料可制作成網(wǎng)狀、孔狀、絲柵狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置，其特征在于所述的涂敷有Ru02、IrO2, TiO2^MnO2中至少一種的導(dǎo)電金屬的制備方法為，將Ru02、IrO2, TiO2^MnO2中至少一種涂覆在導(dǎo)電金屬上，在200-300°C左右溫度下燒結(jié)6 h。
7.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的一種無(wú)膜電去離子硬水軟化方法，其特征在于陽(yáng)極板(15)、陰極板(16)分別接入直流電源的正極和負(fù)極，在20V以上產(chǎn)生的直流電促使第一淡水池(1 )、陽(yáng)離子選擇性透過墻(2)、濃水池(3)、陰離子選擇性透過墻(4)、第二淡水池(5)內(nèi)的水電離，產(chǎn)生大量的H+和0H—；進(jìn)水進(jìn)入第一淡水池(1 )，在第一淡水池(1)中的陽(yáng)離子在電遷移的作用下向陽(yáng)離子選擇性透過墻(2)遷移并被陽(yáng)離子選擇性透過墻(2)吸附，從第一淡水池(1)出來(lái)的溶液進(jìn)入第二淡水池(5)，在第二淡水池(5)中陰離子在電遷移的作用下向陰離子選擇性透過墻(4)遷移并被陰離子交換樹脂墻(4)吸附，第二淡水池 (5)出來(lái)的水即為淡化水；再利用所產(chǎn)生的H+或0H_對(duì)離子選擇性透過墻進(jìn)行再生，產(chǎn)生的H+向陽(yáng)離子選擇性透過墻(2)遷移，對(duì)陽(yáng)離子選擇性透過墻(2)進(jìn)行再生，產(chǎn)生的0H_向陰離子選擇性透過墻(4)遷移對(duì)陰離子選擇性透過墻(4)進(jìn)行再生，使離子選擇性透過墻恢復(fù)吸附性能，被交換下來(lái)的陽(yáng)離子和陰離子遷移進(jìn)入濃水池(3)，隨濃水循環(huán)液帶出，濃水罐(6)中的離子濃度越來(lái)越高，經(jīng)酸度計(jì)(11)、電導(dǎo)率儀(12)獲得離子濃縮信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無(wú)膜電去離子硬水軟化裝置及其方法。該裝置由陽(yáng)極室、第一淡水池、濃水池、第二淡水池以及陰極室組成。各個(gè)隔間用離子選擇性透過墻隔開，在裝置兩端加上電壓，進(jìn)水通過第一淡水池，然后再經(jīng)過第二淡水池，最后得到純凈的出水。在電遷移的作用下，陰陽(yáng)離子向陽(yáng)陰離子選擇性透過墻遷移，并被吸附、滲透進(jìn)入濃水池，濃水池中的濃溶液可以進(jìn)行離子回收。該裝置可以鍋爐用水軟化，以及制備純水、海水淡化、地下礦水提取礦物質(zhì)，也能用于工業(yè)廢水的處理，回收廢水中的有用離子。
文檔編號(hào)C02F1/469GK102491461SQ201110434670
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者任瓊, 吳祖成, 廖文 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)