CN101007663A - 一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置及方法。该电去离子装置由五个隔室组成，隔室的顺序依次分别为内置阳极的阳极室、填充阳离子交换树脂的第一淡室、浓室、填充阴离子交换树脂的第二淡室和内置阴极的阴极室，第一淡室两侧用两张阳离子交换膜分别与阳极室和浓室隔开，第二淡室两侧用两张阴离子交换膜分别与浓室和阴极室隔开。在阴、阳极之间加上电压，阳极水、阴极水和浓水分别循环使用并定期部分更新，原水先后流经第一淡室和第二淡室产生纯水。膜堆的构造使得浓室始终保持酸性环境，抑制了阴膜表面的结垢；极水来自纯水分流，阴极表面的结垢也得到避免；原水中的阴、阳离子富集于浓水，可回收利用。

Description

一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置及方法

技术领域

本发明涉及一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置及方法。

背景技术

电去离子(electrodeionization，简称EDI)在早期又被称为填充床电渗析，是将电渗析和离子交换有机结合，在电渗析装置淡水室的离子交换膜之间填充离子交换树脂，在外加直流电场的作用下实现去离子操作的一种新型分离技术。它能够在无需化学酸碱再生的条件下，对低浓度溶液进行深度脱盐。近年来，EDI发展十分迅速，已在医药、电力、电子、食品等诸多工业领域用于纯水和高纯水制备，而且在电镀等行业也开始了初步的应用。

然而，自20世纪70年代以来，EDI一直受到装置结垢的困扰。EDI运行过程中，阴极反应和淡室极化导致的水解离反应所产生的OH-离子，在阴极和浓室的阴膜表面形成局部的强碱性环境。当原水、电极水或浓室进水中有HCO₃ ^-和Ca²⁺、Mg²⁺等金属离子存在时，易形成金属的碳酸盐和氢氧化物沉淀，附着在阴极和浓室的阴膜表面，造成膜堆结垢。结垢严重影响电去离子过程的稳定运行，使得膜堆电阻增大，设备性能下降，产水水质降低，原水中的有用物质无法顺利回收，也严重限制了电去离子技术在水处理工业上的推广和使用。

目前防止EDI装置结垢的措施有：倒极(专利US4956071、EP0379116和US5026465)；加酸降低原水pH值(专利EP0916620和US6017433)；在浓水和电极水中加入阻垢剂(专利US6056878)；原水预先通过阳树脂进行软化(专利EP1090885)；浓水和淡水逆流操作及在浓室增加一张离子交换膜将浓室分成两个室(专利US6149788和CN1323279A)；在浓室填充树脂及两台EDI装置串连操作(专利US6187162和US6296751)。这些措施在一定程度上能够防止结垢，但是也存在各自的缺陷和不足之处。频繁倒极使得装置和流程比较复杂繁琐，而且倒换电极后的水质稳定需要一定时间，产水水质较低。原水酸化需要额外加入大量的酸，而且产品水呈酸性。采用阻垢剂增加了化学药剂的使用，降低出水质量。原水预先用阳树脂软化和串连操作使得装置复杂，成本增加，并且树脂的酸碱再生易引起二次污染。逆流操作和特殊的浓室结构设计要求极水和浓水不能循环使用，而且需要不断向极室和浓室进水中注入盐溶液以维持其导电性，导致水和化学品的消耗量非常大，此外，整个流程中离子分布很不均匀，增大了膜堆内部电阻的不均匀性，对于EDI的长期稳定运行而言，其实用性有待实践检验。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置及方法。

无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置由五个隔室组成，隔室的顺序依次分别为阳极室、第一淡室、浓室、第二淡室、阴极室；阳极室与第一淡室之间设有第一阳离子交换膜，第一淡室与浓室之间设有第二阳离子交换膜，在第一淡室中填充阳离子交换树脂；浓室与第二淡室之间设有第一阴离子交换膜，第二淡室与阴极室之间设有第二阴离子交换膜，第二淡室中填充阴离子交换树脂；在阳极室内设有阳极，在阴极室内设有阴极。

所述的离子交换膜为均相离子交换膜或异相离子交换膜。

无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水方法：在装置两端加上电压，阳极室进水、阴极室进水和浓室进水分别流经阳极室、阴极室和浓室并循环使用，原水先后流经第一淡室和第二淡室产生纯水。

所述的阳极室进水和阴极室进水来自纯水分流，浓室进水来自原水分流。循环使用的阳极水、阴极水和浓水需定期部分更新，循环使用的阳极水、阴极水更新部分来自纯水分流，循环使用的浓水更新部分来自原水分流，排出的浓水回收利用。纯水分流中加入电解质溶液，电解质为硫酸钠、硝酸钠或氯化钠。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)能够全面有效防止结垢，而且装置系统简单，操作方便，实用性强；

(2)能够连续稳定地制取纯水，同时原水中的阴阳离子得到回收，提高了资源利用率；

(3)既能使用均相离子交换膜，也能使用异相离子交换膜，成本降低；

(4)阴、阳离子交换树脂分开填充，淡室电阻减小，电流效率高，能耗降低；

(5)极水和浓水均循环使用，水的利用率高。

附图说明

图1是无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置结构示意图；

图2是本发明的电去离子净水工艺流程示意图。

图中：阳极室1、第一淡室2、浓室3、第二淡室4、阴极室5、阳极6、第一阳离子交换膜7、第二阳离子交换膜8、阳离子交换树脂9，第一阴离子交换膜10、第二阴离子交换膜11、阴离子交换树脂12、阴极13、电去离子装置14、阀门15、浓水循环罐16、泵17、pH计18、极水罐19、阳极水循环罐20、阴极水循环罐21、废液罐22、搅拌器23、流量计24。

具体实施方式

如图1所示，无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置由五个隔室组成，隔室的顺序依次分别为阳极室1、第一淡室2、浓室3、第二淡室4、阴极室5；阳极室1与第一淡室2之间设有第一阳离子交换膜7，第一淡室2与浓室3之间设有第二阳离子交换膜8，在第一淡室2中填充阳离子交换树脂9；浓室3与第二淡室4之间设有第一阴离子交换膜10，第二淡室4与阴极室5之间设有第二阴离子交换膜11，第二淡室4中填充阴离子交换树脂12；在阳极室1内设有阳极6，在阴极室5内设有阴极13。

所述的离子交换膜为均相离子交换膜或异相离子交换膜。

无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水方法：在装置两端加上电压，阳极室进水、阴极室进水和浓室进水分别流经阳极室1、阴极室5和浓室3并循环使用，原水先后流经第一淡室2和第二淡室4产生纯水。所述的阳极室、阴极室进水来自纯水分流，浓室进水来自原水分流。循环使用的阳极水、阴极水和浓水需定期部分更新，循环使用的阳极水、阴极水更新部分来自纯水分流，循环使用的浓水更新部分来自原水分流，排出的浓水回收利用。为增加极水的导电性，向纯水分流中加入电解质溶液，电解质为硫酸钠、硝酸钠或氯化钠。

原水中的金属阳离子C⁺和阴离子A^-先后被阳离子交换树脂9和阴离子交换树脂12吸附而去除，原水得到纯化。阳极室1发生阳极反应：2H₂O-4e→O₂+4H⁺，产生的H⁺在电场的作用下，穿过第一阳离子交换膜7进入第一淡室2，一部分H⁺对其中失效的阳离子交换树脂进行再生，另一部分H⁺和解吸下来的阳离子C⁺则穿过第二阳离子交换膜8进入浓室3。同时，阴极室5发生阴极反应：4H₂O+4e→2H₂+4OH^-，产生的OH^-穿过第二阴离子交换膜11进入第二淡室4，一部分OH^-对其中失效的阴离子交换树脂进行再生，另一部分OH^-和解吸下来的阴离子A^-穿过第一阴离子交换膜10也进入浓室3。在所有的离子当中，H⁺的电迁移速率是最大的，其次是OH^-，因此，在相同的时间内，迁移至浓室3的H⁺的量总是大于OH^-的量，浓室3内的溶液始终呈酸性，金属阳离子C⁺无法形成其氢氧化物沉淀，抑制了第一阴离子交换膜10表面的结垢。极水来自纯水分流，阴极13表面的结垢也得到避免。

本发明的净水工艺流程如图2所示。各进、出水流及流量通过阀门15、泵17和流量计24控制调节。在电去离子装置14的阴、阳极之间加上电压，浓水在浓室3和浓水循环罐16之间循环流动，浓水酸度由pH计18在线测定，阳极水在阳极室1和阳极水循环罐20之间循环流动，阴极水在阴极室5和阴极水循环罐21之间循环流动，原水先后流经第一淡室2和第二淡室4产生纯水，在纯水的分流部分加入电解质溶液制成极水贮于极水罐19，并将极水分别引入阳极水循环罐20和阴极水循环罐21。原水中的阴、阳离子通过被树脂截留而得以去除，电极反应所产生的H⁺和OH^-分别迁移至第一淡室2和第二淡室4，对其中失效的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进行再生，解吸下来的原水中的阳离子和阴离子与部分H⁺和OH^-一起迁移至浓室3。随着装置的运行，循环浓水浓度增大，循环阳极水pH值降低，循环阴极水pH值升高。浓水浓度过大会造成浓水与淡水之间离子的浓度梯度增大，浓室3向淡室2和4的浓差扩散加剧，去离子作用减弱，淡水水质降低。阳极水pH值过低、阴极水pH值过高会造成大量H⁺和OH^-亦通过电场的作用迁移至浓室3，导致电流效率下降。因此，每隔一段时间，需要排出一部分浓水、阳极水和阴极水，浓水排出部分由原水等体积补充，阴、阳极水排出部分由极水罐19中的极水等体积补充。排出的浓水可回收利用，排出的酸性阳极水和碱性阴极水在废液罐22中混和，经搅拌器23搅拌均匀后排放。

所述无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水方法，可回收的阳离子包括Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Al³⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Sn²⁺、Cu(NH₃)₄ ²⁺、NH₄ ⁺，阴离子包括NO₃ ^-、NO₂ ^-、PO₄ ^3-、CN^-、F^-、Cr₂O₇ ^2-、Ag(CN)₂ ^-、Au(CN)₂ ^-、Cd(CN)₄ ^2-、Zn(CN)₄ ^2-、Cu(CN)₃ ^-。

实施例1

采用图1所示五隔室电去离子装置制取纯水，工艺流程如图2所示。阳极为钛镀钌网状电极，阴极为不锈钢网状电极。阴、阳离子交换树脂分别为D201大孔强碱性苯乙烯系阴树脂和D001大孔强酸性苯乙烯系阳树脂，阳树脂为氢型，阴树脂为氢氧根型。阴、阳离子交换膜分别为国产DF120均相阴离子交换膜及DF120均相阳离子交换膜。膜与电极的有效面积均为150cm²，膜间距0.8cm，电极室厚度1.6cm，第一淡室和第二淡室分别填充约120ml的阳、阴离子交换树脂。原水为经机械过滤后的自来水。首先，少量原水依次通过电去离子装置的第一淡室和第二淡室进行纯化，将第二淡室出水配制成25mg/L的Na₂SO₄溶液作为极水。开启输液系统，使原水、浓水、阴阳极水经过各自的管路流动，在装置电极两端加上20V电压，对原水进行电去离子处理。每隔5-10小时，将浓水、阴阳极水进行部分更新，排出的浓水和阴阳极水混和均匀后排放。在上述工艺条件下制得的产品水电导率0.10-0.20μS/cm，产水量80-120L/h。

实施例2

实施例2中的阴、阳离子交换膜为国产异相阴、阳离子交换膜；膜与电极的有效面积扩大为900cm²；第一淡室和第二淡室分别填充约720ml的阳、阴离子交换树脂；原水为电镀厂镀镍生产线排出的镀件清洗水，其中含Ni²⁺约50mg/L，SO₄ ^2-约82mg/L，pH值6左右；在装置电极两端加上60V电压；其余装置部分及净水流程均与实施例1相同。在上述操作条件下，电去离子装置连续稳定运行240小时，原水处理量1.5m³/h，淡水中Ni²⁺浓度低于0.05mg/L，浓水中Ni²⁺量可达4200mg/L，电流效率35％～39％，循环浓水pH值2～3，拆开装置后没有发现沉淀。所得浓水可直接返回镀槽使用，淡水可用于清洗镀件。

实施例3

实施例3的装置、净水流程及操作步骤与实施例1相同，与实施例1不同之处在于：实施例3采用国产异相阴、阳离子交换膜；原水为含NO₃ ^-70mg/L、PO₄ ^3-30mg/L的水；极水为25mg/L的NaNO₃溶液；浓水回收用作肥料；更新的阴、阳极水排出后与原水混和重新利用。控制装置进水流量为200L/h，所得出水中NO₃ ^-浓度低于0.3mg/L，PO₄ ^3-浓度低于0.06mg/L。

实施例4

实施例4的装置、净水流程及操作步骤亦与实施例1相同，它与实施例1不同之处在于：实施例4的阳离子交换树脂为116弱酸性丙烯酸系阳树脂，阴离子交换树脂为213强碱性丙烯酸系阴树脂；离子交换膜为国产异相阴、阳离子交换膜；原水为电镀厂氰化镀铜(底镀层)工艺排放的含氰废水，其中Cu(CN)₃ ^-含量约15mg/L、CN^-含量约25mg/L，pH值10左右；浓水回收重新返回渡槽使用。装置进水流量控制为100L/h，出水中CN^-浓度低于0.2mg/L，Cu(CN)₃ ^-浓度低于0.4mg/L，可用于清洗镀件。

Claims (7)

1.一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置，其特征在于：它由五个隔室组成，隔室的顺序依次分别为阳极室(1)、第一淡室(2)、浓室(3)、第二淡室(4)、阴极室(5)；阳极室(1)与第一淡室(2)之间设有第一阳离子交换膜(7)，第一淡室(2)与浓室(3)之间设有第二阳离子交换膜(8)，在第一淡室(2)中填充阳离子交换树脂(9)；浓室(3)与第二淡室(4)之间设有第一阴离子交换膜(10)，第二淡室(4)与阴极室(5)之间设有第二阴离子交换膜(11)，第二淡室(4)中填充阴离子交换树脂(12)；在阳极室(1)内设有阳极(6)，在阴极室(5)内设有阴极(13)。

2.根据权利要求1所述的一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置，其特征在于：所述的离子交换膜为均相离子交换膜或异相离子交换膜。

3.一种使用如权利要求1所述装置的无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水方法，其特征在于：在装置两端加上电压，阳极室进水、阴极室进水和浓室进水分别流经阳极室(1)、阴极室(5)和浓室(3)并循环使用，原水先后流经第一淡室(2)和第二淡室(4)产生纯水。

4.根据权利要求3所述的一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水方法，其特征在于：所述的阳极室进水和阴极室进水来自纯水分流，浓室进水来自原水分流。

5.根据权利要求3所述的一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水方法，其特征在于：所述的循环使用的阳极水、阴极水和浓水需定期部分更新，循环使用的阳极水、阴极水更新部分来自纯水分流，循环使用的浓水更新部分来自原水分流，排出的浓水回收利用。

6.根据权利要求4或5所述的一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水方法，其特征在于：所述的纯水分流中加入电解质溶液。

7.根据权利要求6所述的一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水方法，其特征在于：所述的电解质为硫酸钠、硝酸钠或氯化钠。

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