CN101538079B - 浓水充填逆流电除盐装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以直流电作为去离子驱动力的水纯化装置，具体公开一种浓水充填逆流式电除盐装置。该装置的特征是装置中淡水室和浓水室均充填离子导体同时采用淡水与浓水流向相反。本发明的浓水充填逆流电除盐装置中，由于淡水与浓水在电除盐装置内流向相反，使得大部分进入浓水的钙、镁离子和硅酸根、硅酸氢根等离子不再经过淡水出水端的极化区；同时，由于浓水充填了离子导体，浓水给水的含盐量很低，因而减低或消除了淡水出水端浓淡水之间的盐度差，大大降低了过剩电流，因而降低了膜表面极化区的大小和程度，因而避免了结垢倾向。本发明的浓水充填逆流电除盐装置使得电除盐装置的应用范围更加广泛并大大地减低了电除盐装置的运行耗电量。

Description

浓水充填逆流电除盐装置

所属技术领域

本发明涉及一种以直流电作为离子驱动力的溶液去离子装置，特别是一种以直流电作为去离子驱动力的水纯化装置。 

背景技术

传统的流体脱盐主要方法是离子交换法。其中一级除盐主要通过阳离子交换床和阴离子交换床实现，而二级除盐一般通过混合离子交换床来实现。离子交换法存在的最大问题是离子交换树脂必须使用酸和碱再生，因此造成化学品的大量使用和环境污染；也造成了间断运行和运行参数波动。传统的一级除盐可以用反渗透法代替，而电除盐装置主要代替传统的混合离子交换床，生产二级脱盐纯化液或二级脱盐水或称超纯水。与混合离子交换床不同，电除盐装置不需要化学再生，因此不会因为化学再生而停机，不需要消耗酸和碱，脱盐液的纯度稳定、运行费用低、无污染物或污水排放。电除盐装置的重要用途之一是水的脱盐。 

已知技术电除盐装置的基本结构如图3所示，除盐单元由阴离子交换膜20、阳离子交换膜30和充填之间的混合离子交换树脂10组成。阴离子交换膜20只充许阴离子透过，不充许阳离子透过；而阳离子交换膜30只充许阳离子透过，不充许阴离子透过。电除盐装置中将一定数量的除盐单元罗列在一起，使阴离子交换膜20和阳离子交换膜30交替排列，并使用隔离物40将每个除盐单元隔开，相邻的阴离子交换膜20和阳离子交换膜30之间的隔离物40占据的空间形成浓水室3。除盐单元中阴离子交换膜20和阳离子交换膜30之间包括混合离子交换树脂10的空间为淡水室2。在一系列淡水室2和浓水室3相间罗列的阳离子交换膜一端设置负电极50，另一端设置正电极60。在给定的直流电推动下，淡水室2中的阳离子被负电极50(-)吸引，通过阳离子交换膜30进入到邻近的浓水室3中；而邻近的阴离子交换膜20不充许其通过，这些离子即被阻隔在浓水室3中。阴离子则向相反的方向运动，同样的被阻隔在浓水室3中。负电极50与相近的阳离子交换膜30之间包的空间称为负极室1，正电极60与相近的阴离子交换膜20之间的空间称为正极室4。淡水室2中充填的混合离子交换树脂10从给水中不断地吸附给水中的离子，而这些被吸附的离子又在正电极60和负电极50的电场作用下通过混合离子交换树脂10和阴离子交换膜20及阳离子交换膜30被转移到浓水室3中，然后被排放。淡水室混合离子交换树脂10大大增加了淡水室2内离子的运动速度，因而减小了淡水室2内的电阻。 

电除盐装置的运行电流包括两部分，有效电流和过剩电流。有效电流指将给水中离子迁移到浓水室3中相对应的电流值，而过剩电流指水电离产生的氢离子和氢氧根离子迁移引起的电流值。将给水中全部离子迁移进入浓水的有效电流称为极限电流，极限电流值可以根据法拉利常数、水的流量和水中离子摩尔浓度总和计算。由于氢离子和氢氧根离子或多或少地参与离子迁移过程，因而当电除盐装置在极限电流或极限电流以下运行时，给水中的盐不会被全部清除，除盐水的纯度不能保证。另外在此条件下，水中的弱电介质(例如二氧化碳和二氧化硅)也较难被清除。因此，电除盐装置一般要求在有较大量的过剩电流的运行条件下工作。较大过剩电流的存在导致了氢离子和氢氧根离子的大量迁移，而氢离子和氢氧根离子的大量迁移导致了阳离子交换膜30的表面pH较低，阴离子交换膜20的表面pH较高。膜表面pH较低和较高的现象被称为电除盐装置中的极化现象，膜表面pH较低和较高的区域被称为电除盐装置的极化区。在淡水室2的入水端，给水中有较多的强电解质，导电离子主要是这些离子，极化现象不严重。在淡水室2的出水端，淡水中的强电解质已被清除殆尽，导电离子主要是氢离子、氢氧根离子和弱电解质，极化现象严重。这种极化区域和程度随过剩电流的增加而增加。 

美国专利US2815320和美国US4465573揭示的板框式电除盐装置，其中给水、浓水和极水均采用了下进上出的形式。中国专利ZL 02203533.8揭示的电除盐装置也采用了同样的布水形式。美国专利Re35741及相关专利揭示了一种上进下出的布水形式。这两种形式中给水相对于浓水和极水均呈现顺流方式。如上所述，在接近淡水室出水端，阴阳离子交换膜浓水侧表面出现极化现象。在顺流电除盐装置中，大部分钙、镁离子在浓水入水端(同样是淡水入水端)附近进入浓水，此后在电场作用下不断撞向阴离子交换膜。当这些离子流经浓水出水端(也是淡水出水端)将不可避免地与阴离子膜极化区接触，并在此形成硬度沉淀。进入浓水的硅化合物也同样会在极化的阳膜表面形成结垢。这种结垢现象随着过剩电流的增加而趋于恶化。

在以上描述的电除盐装置淡水的出水端，淡水室中淡水的盐浓度一般小于0.002mg/L(电阻率≥17.5MΩ·cm)，而与之一膜之隔的浓水室浓水盐浓度约为100-300mg/L。这一浓度差造成的浓水盐分向淡水扩散的强大化学势。为了避免这一化学势引发的反向离子扩散，电除盐装置必须用较高的电动势来克服浓差化学势。较高的电动势当然伴随较高的过剩电流。另外也可以理解为大量的氢离子和氢氧根离子的正向迁移阻挡了浓水中离子向淡水中的反向扩散。较高的过剩电流已经成为已知电除盐技术的特征。电除盐装置淡水纯度越高，这一化学势也越高，需要的电动势和过剩电流也越高，阴阳离子交换膜表面极化也越严重，浓水结垢的威胁也越严重。 

美国专利4632745揭示了将淡水流向与浓水相反的逆流电除盐技术方法，美国专利6148788对这一方法进行了进一步阐明。但是迄今为止，这一技术方案并没有得到商业方面的应用。美国专利6148788逆流电除盐装置揭示了通过向浓水添加盐以保证逆流电除盐装置浓水的导电性，但是浓水盐度过高使得浓水中离子反向扩散进入纯水的化学势过高，因此过剩电流过高，膜极化区域的大小和程度均增加，因此没有根本解决电除盐浓水结垢问题。 

浓水的导电性可以通过浓水室充填离子导体得以提高。这一点已经在美国专利2815320中得到了揭示和阐述，美国专利4465573也描述了电除盐装置浓水室中充填离子交换树脂的技术方案，美国专利Re35741揭示了电除盐装置浓水中充填均粒离子交换树脂的技术方案，这些技术方案揭示的均为浓水充填顺流电除盐装置。在顺流电除盐装置中浓水充填离子交换树脂虽然可以明显地提高浓水的导电性能，但在这些离子交换树脂颗粒与离子交换膜接触的膜表面，浓水流速降低，在极化的膜表面结垢的倾向更加严重。 

已知技术中没有从根本上避免浓水结垢问题的电除盐技术。 

发明内容

本发明要解决现有的电除盐装置浓水结垢的技术问题提供一种避免浓水结垢问题的电除盐装置。 

本发明的浓水充填逆流电除盐装置，包括一正电极、一负电极、至少一阴离子交换膜、至少一阳离子交换膜和充填在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的混合离子交换树脂，阴离子交换膜和阳离子交换膜交替位于正电极和负电极之间，一阴离子交换膜邻近正电极并与正电极隔开一定距离形成正电极室，这一阴离子交换膜与与之相邻的阳离子交换膜形成一淡水室，该阳离子交换膜与下一个阴离子交换膜之间形成浓水室，一邻近负电极的阳离子交换膜与负电极隔开一定距离形成负电极室；水分别流经淡水室、浓水室和极水室分别形成淡水、浓水和极水；其特征在于装置中淡水室和浓水室均充填离子导体同时采用淡水流向与浓水和极水流向相反的逆流布水方式。 

本发明的浓水充填逆流电除盐装置中，由于淡水与浓水在电除盐装置内流向相反，使得大部分进入浓水的钙、镁离子和硅酸根、硅酸氢根等离子不再经过淡水出水端的极化区，从而大大减低了阴离子交换膜和阳离子交换膜在淡水出水端的极化区中的浓水侧表面结垢的可能性；同时，由于浓水充填了离子导体，浓水给水的含盐量可以很低，因而减低或消除了淡水出水端浓淡水之间的盐度差，大大降低了过剩电流，因而降低了膜表面极化区的大小和程 度，因而避免了结垢倾向。 

本发明的浓水充填逆流电除盐装置由于大大减低了浓水结垢的倾向，可以大大放宽淡水给水条件，使得电除盐装置的应用范围更加广泛。本发明的浓水充填逆流电除盐装置通过降低过剩电流而成倍地降低运行电流和运行电压，因而大大地减低了电除盐装置的运行耗电量。 

通过比较对比例2，对比例3和实施例1可以看出单独的逆流和单独的浓水充填均无法解决电除盐装置浓水结垢的技术问题。已知的逆流技术中通过浓水加盐增加浓水的导电性，而浓水盐度的增加必然增加浓淡水之间的浓差扩散化学势，为了克服这一化学势就必须在更高的电压和电流运行，其结果是增加了膜表面极化现象和极化区域，使得这一技术缺乏实用性。而浓水充填技术本身存在增加结垢倾向的问题。逆流技术与浓水充填技术的结合使得前者浓水导电性的问题被后者解决，而后者浓水结垢的问题被前者解决。 

本发明浓水充填的离子导体仅仅起到降低浓水导电性的作用，因此可以是任何增加浓水导电性的固体，包括而不限于离子交换树脂，离子交换纤维或导电网布，其中离子交换树脂颗粒较为易得。 

本发明浓水充填逆流电除盐装置还具有下列技术特征： 

本发明的浓水充填逆流电除盐装置中最佳布水方式是浓水和极水均为下进上出，这样有利于浓水中二氧化碳等气体的排出，有利于极水中二氧化碳和电极电解气体的排出。淡水则采用上进下出的布水方式。 

浓水和极水的进水是电除盐装置本身的淡水出水。 

浓水和极水的进水合并或出水合并或进出水均合并。 

通过淡水出水在装置内部分配提供浓水和极水的给水。 

附图说明

图1是本发明第一种浓水充填逆流式电除盐装置的示意图，同时表示出各水流流向及各种离子迁移的状况。 

图2是本发明第二种逆流式电除盐装置的示意图，同时表示出各水流流向及各种离子迁移的状况。 

图3是已知技术顺流电除盐装置示意图。 

具体实施方式

在图1所示的本发明第一种逆流式电除盐装置中，给水入口100设在逆流式电除盐装置的上端，淡水出口110设在逆流式电除盐装置的下端，淡水自上而下流经淡水室2；浓水入口200和极水入口300设在电除盐装置下端，浓水出口210和极水出口310设在逆流式电除盐装置上端，浓水和极水由下而上分别流经浓水室3和极水室1。淡水室2填混合离子交换树脂10，浓水室3和极水室1充填离子交换树脂颗粒40。给水由逆流式电除盐装置的上端进入淡水室2时，大部分离子包括钙镁离子在逆流式电除盐装置上端被迁移进入浓水室3，此处的大部分电流被用于给水中离子的迁移，参与离子迁移的氢离子和氢氧根离子较少，阴离子交换膜20和阳离子交换膜30表面的pH值接近中性，浓水室3侧的膜表面不易结垢。当淡水室2中的淡水继续下流至逆流式电除盐装置的下端时，淡水中参与迁移的离子主要是氢离子和氢氧根离子和碳酸根离子，膜表面的pH值较低或较高，但是此时浓水从逆流式电除盐装置的下端刚刚进入浓水室3，浓水中钙镁离子和硅酸氢根和硅酸根离子含量均较低，不易在浓水室侧膜表面结垢。浓水和极水在自下而上的流动中，在逆流式电除盐装置的下端进入浓水的氢离子和氢氧根离子发生反应中和成水，在浓水和极水流至装置上端时，浓水中钙镁离子和硅酸氢根和硅酸根离子含量开始增加，但上端膜表面的pH基本呈中性，不易结垢。离子交换树脂10和40为离子迁移提供导体。 

图2所示的本发明第二种逆流式电除盐装置把淡水出水110的一部分作为浓水进水200和极水进水300，同时把浓水和极水的进水200和300合并，把浓水和极水的出水210和310合并，从而将逆流式电除盐装置出口简化。图2所示的本发明第二种逆流式电除盐装置与图1所示的第一种逆流式电除盐装置其它部分相同，相同部分用同样的标号表示，不再重复叙述。 

实施例1 

如图1所示，电除盐装置由四十对阴离子交换膜和阳离子交换膜组成，淡水室2、浓水室3和极水室1均充填混合离子交换树脂，逆流方式运行，淡水上进下出，浓水和极水下进上出，给水电导率30uS/cm，硬度10mg/L(碳酸钙计)，淡水流量每小时3立方米，浓水流量0.3立方米，极水流量每小时0.06立方米，电除盐装置实际运行达到稳态后运行参数见表1。 

表1浓水充填逆流电除盐装置测试结果 

电流(A)(±0。1)	1.0	1.2	1.4
				电压(V)(±5)	60	64	69
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0。1)	17.8	18.0	17.2

获取以上数据后将该逆流电除盐装置以1.2A连续运行2000小时，淡水电阻率、流量和浓水流量、压力均无明显变化。 

实施例2 

如图2所示，装置内部结构与实施例1相同，但是将浓水和极水的进水200和300合并，把浓水和极水的出水210和310合并，浓水和极水的进水是淡水的产水；给水电导率45uS/cm，硬度35mg/L(碳酸钙计)，其它条件与实施例1相同，该电除盐装置运行达到稳态后运行参数见表2。 

表2浓水充填逆流电除盐装置高硬度适用性测试结果 

电流(A)(±0。1)	2.0	3.0	4.0
				电压(V)(±5)	101	146	175
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0。1)	13.8	15.3	18.1

获取以上数据后将该逆流电除盐装置以4.0A连续运行2000小时，淡水电阻率、流量和浓水流量、压力均无明显变化。 

对比例1 

电除盐装置与实施例1相近，但是淡水室充填混合离子交换树脂，浓水未充填导电介质，以顺流方式运行，即淡水、浓水和极水全部为下端进上端出，浓水添加医药级氯化钠溶液使浓水入水电导为500±20uS/cm，浓水循环流量为每小时1.0立方米，浓水排放量为每小时0。3立方米，其它条件与实施例1相同。电除盐装置运行达到稳态后运行参数见表3。 

表3浓水未充填顺流电除盐装置测试结果 

电流(A)(±0。1)	3.0	4.0	5.0
				电压(V)(±5)	142	195	250
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0。1)	6.5	10.1	18.0

将该电除盐装置浓水室清洗，以5A连续运行，运行76小时后淡水电阻率开始下降，继续运行35小时，浓水流量开始有明显降低。此时停止运行。将该顺流电除盐装置解剖，发现浓水室中上部位有明显结垢现象。 

对比例2 

电除盐装置浓水室和淡水室均充填混合离子交换树脂。由四十对阴离子交换膜和阳离子交换膜组成，以顺流方式运行，即淡水、浓水和极水全部为下端进上端出，其它条件与对比例1相同。顺流电除盐装置运行达到稳态后运行参数见表4。 

表4浓水充填顺流电除盐装置测试结果 

电流(A)(±0。1)	3.0	4.0	5.0
				电压(V)(±5)	109	152	197
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0。1)	12.6	15.3	16.3

将电除盐装置浓水室清洗，以5A连续运行，运行46小时后淡水电阻率开始下降，继续运行12小时，浓水流量开始有明显降低。此时停止运行。将该顺流电除盐装置解剖，发现浓水室3中上部位有明显结垢现象。 

对比例3 

根据美国专利6147788，电除盐装置淡水室充填混合离子交换树脂。浓水室未充填导电介质，通过浓水加盐至浓水电导率为800uS/cm的方式提高浓水的导电性。该电除盐装置由四十对阴离子交换膜和阳离子交换膜组成，以逆流方式运行，即淡水上进下出、浓水和极水下进上出，无浓水循环，其它条件与对比例1相同。电除盐装置实际运行达到稳态后运行参数见表5。 

表5浓水未充填逆流电除盐装置测试结果 

电流(A)(±0。1)	3.0	4.0	5.0
				电压(V)(±5)	145	201	258
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0。1)	7.2	17.9	16.2

将电除盐装置浓水室清洗，以4A连续运行，运行186小时后淡水电阻率开始下降，继续运行60小时，浓水流量开始有明显降低。此时停止运行。将该电除盐装置解剖，发现浓水室中上部位有结垢现象。 

Claims (4)

1.一种浓水充填逆流电除盐装置，包括一正电极、一负电极、至少一阴离子交换膜、至少一阳离子交换膜和充填在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的混合离子交换树脂，阴离子交换膜和阳离子交换膜交替位于正电极和负电极之间，一阴离子交换膜邻近正电极并与正电极隔开一定距离形成正电极室，这一阴离子交换膜与与之相邻的阳离子交换膜形成一淡水室，该阳离子交换膜与下一个阴离子交换膜之间形成浓水室，一邻近负电极的阳离子交换膜与负电极隔开一定距离形成负电极室；水分别流经淡水室、浓水室和极水室分别形成淡水、浓水和极水；其特征在于装置中淡水室和浓水室均充填离子导体同时采用淡水流向与浓水和极水流向相反的逆流布水方式。

2.根据权利要求1所述的浓水充填逆流电除盐装置，其特征是所述浓水和极水的进出水合并。

3.根据权利要求1所述的浓水充填逆流电除盐装置，其特征是所述浓水进水是电除盐装置本身的淡水出水。

4.根据权利要求1所述的浓水充填逆流电除盐装置，其特征是所述浓水和极水进水均为电除盐装置本身的淡水出水。

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