CN102153166B - 一种无离子交换膜的电去离子方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无离子交换膜的电去离子方法与系统。在绝缘腔体内，自上而下依次安放多孔布水板、上电极、离子交换树脂、下电极与密度小于水的多孔浮块，顶盖与筒状外壳上端之间用上密封圈密封，底盖与筒状外壳下端之间用下密封圈密封，多孔布水板与上电极固定在顶盖与筒状外壳端面之间，下电极固定在多孔浮块上，多孔浮块与筒状外壳间安装有中密封圈，上、下电极分别接高压直流电源。本发明克服了电去离子因采用离子交换膜而存在的膜污染、浓差极化、结垢以及处理含Cu2+、Ni2+等离子的重金属废水时在膜表面形成氢氧化物沉淀等问题。它适用于高纯水制备、电镀漂洗等含重金属离子的废水的净化以及其他以去除离子性杂质为目的的水与废水的处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种电去离子方法与系统，尤其是涉及一种无离子交换膜的电去离子方法与系统。
背景技术
电去离子（Electrodeionization, EDI）是一种只消耗电，而无需消耗化学药剂的环境友好型去离子方法。与离子交换、反渗透、纳滤、电渗析、蒸馏、电容去离子（Capacitive deionization, CDI） 等方法相比，EDI同时具备处理效率高、环境友好、操作简便等突出优点，因此在净水制备与重金属废水的处理中具有良好的工业化应用前景。如今，EDI已在医药、电力、半导体、化学药剂生产、食品与饮料等行业中用于高纯水的制备。其出水水质可达到传统 “混床”的水平，甚至更优，这是反渗透、电渗析及近年来发展起来的CDI等其他环境友好型方法所无法企及的。
EDI虽具有处理效率高、环境友好、操作简便等突出优点，但目前还存在一些较大缺陷。首先，常规EDI实际上相当于一种在淡水室中填充了离子交换剂的电渗析，需使用大量离子交换膜，其装置结构复杂，制作与换膜成本高，安装与维修极为不便。再一，常规EDI在运行过程中常会出现一些与离子交换膜相关的问题，例如：膜污染、浓差极化、结垢以及处理含Cu2+、Ni2+等离子的重金属废水时在膜表面形成氢氧化物沉淀。上述缺陷严重影响了EDI的推广应用。
发明内容
为了克服背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种无需使用离子交换膜的电去离子方法与系统，用于分离水或废水中的离子。
本发明采用的技术方案是：
一、一种无离子交换膜的电去离子方法：
在树脂层的两端安装一对阴阳电极；采取交换处理与电再生交替操作；利用高压直流电促进离子交换树脂颗粒交界面上的水电离，产生大量H+与OH-离子；再利用所产生的H+或OH-离子对失效的离子交换树脂进行再生，使其转化为RH型或ROH型；在电再生的同时，借助离子交换树脂间隙中连续流动的水流，使得被再生下来的离子排出。
二、一种无离子交换膜的电去离子系统：
本发明由开有上接口的顶盖、筒状外壳与开有下接口的底盖围成的绝缘腔体内，自上而下依次安放多孔布水板、上电极、离子交换树脂、下电极与密度小于水的多孔浮块，顶盖与筒状外壳上端面之间用上密封圈密封，底盖与筒状外壳下端面之间用下密封圈密封，多孔布水板与上电极固定在顶盖与筒状外壳端面之间，下电极固定在多孔浮块上，多孔浮块外圆柱面与筒状外壳内圆柱面之间安装有中密封圈，下电极与多孔浮块能一起上下自由滑动，上电极与下电极分别接高压直流电源。
所述的上电极与下电极中的其中一个为阳极，另一个为阴极；两电极采用孔尺寸小于离子交换树脂颗粒粒径的微孔网状电极；或采用孔尺寸大于树脂颗粒粒径的网状电极，但要在上电极与多孔布水板之间以及下电极与多孔浮块之间各添加1~2层孔径小于离子交换树脂颗粒粒径的过滤网。
所述的离子交换树脂为阴阳混合离子交换树脂、两性型离子交换树脂、单一的阳离子交换树脂或单一的阴离子交换树脂。
采取交换处理与电再生交替操作。处理时，如同普通的离子交换一样，依靠离子交换树脂的强交换吸附能力来去除水与废水中的离子态物质。再生时，对树脂层施加强直流电，以此促使离子交换平衡朝着再生反应的方向大幅移动；与此同时，连续以较高流速自下而上向树脂通纯水，使整个离子交换树脂层与下电极均被托起，并使得上下两电极与离子交换树脂层保持紧密接触。这样，犹如逆流化学再生，吸附于树脂中的离子将从树脂内部快速转向水流，使阴、阳树脂顺着再生水流的方向逐渐转化成为ROH与RH型；另一方面，再生水流接纳再生出来的离子后，浓度将不断升高，最终以浓缩液的形态排出无膜电去离子系统。
本发明具有的有益效果是：
1）无离子交换膜，也无功能类似于离子交换膜的任何其他分隔物，结构简单。
2）有效地克服了现有电去离子因采用离子交换膜而存在的膜污染、浓差极化、结垢以及处理含Cu2+、Ni2+等离子的重金属废水时在膜表面形成氢氧化物沉淀等问题。
本发明适用于高纯水制备、电镀漂洗等含重金属离子的废水的净化以及其他以去除离子性杂质为目的的水与废水的处理。
附图说明
图1是本发明流程原理图。
图2是图1的A-A剖面图。
图中：1.上接口，2.顶盖，3.上密封圈，4.筒状外壳，5.中密封圈，6.下密封圈，7.底盖，8.多孔布水板，9.上电极，10.离子交换树脂层，11.下电极，12.多孔浮块，13.下接口，14.高压直流电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本发明由开有上接口1的顶盖2、筒状外壳4与开有下接口13的底盖7围成的绝缘腔体内，自上而下依次安放多孔布水板8、上电极9、离子交换树脂10、下电极11与密度小于水的多孔浮块12，顶盖2与筒状外壳4上端面之间用上密封圈3密封，底盖7与筒状外壳4下端面之间用下密封圈6密封，多孔布水板8与上电极9固定在顶盖2与筒状外壳4端面之间，并可灵活拆装。下电极11固定在多孔浮块12上，同样可灵活拆装。多孔浮块12外圆柱面与筒状外壳4内圆柱面之间安装有中密封圈5，紧密度适中，以便既能有效地截留离子交换树脂，又能使下电极11与多孔浮块12一起上下自由滑动，上电极9与下电极11分别接高压直流电源14，电源电压与树脂层高度与所用树脂种类有关。
所述的上电极9与下电极11中的其中一个为阳极，另一个为阴极；两电极采用孔尺寸小于离子交换树脂10颗粒粒径的微孔网状电极；或采用孔尺寸大于树脂10颗粒粒径的网状电极，但要在上电极9与多孔布水板8之间以及下电极11与多孔浮块12之间各添加1~2层孔径小于离子交换树脂10颗粒粒径的过滤网，以便能有效地截留离子交换树脂。
所述的离子交换树脂10一般为阴阳混合离子交换树脂、但根据需要也可为两性型离子交换树脂，或单一的阳离子交换树脂，或单一的阴离子交换树脂。
本发明的处理与再生过程如下：
处理时，被处理的水或废水自上接口1流入，经过多孔布水板8布水后穿过上电极9，然后进入离子交换树脂层10，在水流作用下多孔浮块12、下电极11与树脂层10可一起自行下滑，直至多孔浮块12底部触及底盖7；在离子交换树脂10的作用下，被处理的水或废水中的离子态物质被有效地除去；净化后的水再依次经过下电极11与多孔浮块12，最终由下接口13流出。
再生时，用于再生的纯水自下接口13流入，在水流作用下，离子交换树脂层10、下电极11及多孔浮块12一起被托起；树脂层10的上端与上电极9紧密接触后，对树脂层10施加强直流电，以此促进离子交换树脂交界面上的水电离，产生大量H+与OH-离子，并利用所产生的H+或OH-离子对失效的离子交换树脂进行再生，使其转化为RH型或ROH型；再生出来的离子则随再生水流一起穿越树脂层10，然后依次经过上电极9与多孔布水板8，最终自上接口1流出。
实施例：
电导率约10μs/cm的海水淡化系统的二级反渗透出水采用图1所示的无膜电去离子系统进行处理。系统采用强酸性阳树脂与强碱性阴树脂，两者均匀互混，阳、阴树脂的体积比为1:2，树脂层高度为0.16m。操作条件如下：再生电流密度280A/m2；平均电压340V；再生水流速度15 m/h；再生历时3.6h；处理水流速度15m/h。运行结果如下：再生率90%；再生过程中产生的浓缩液平均电导率约290μs/cm；处理后出水电导率0.060-0.070 μs/cm；水回收率97%；能耗0.22 kWh/m3水。
Claims (3)
1.一种无离子交换膜的电去离子系统，其特征在于：由开有上接口(1)的顶盖(2)、筒状外壳(4)与开有下接口(13)的底盖(7)围成的绝缘腔体内，自上而下依次安放多孔布水板(8)、上电极(9)、离子交换树脂(10)、下电极(11)与密度小于水的多孔浮块(12)，顶盖(2)与筒状外壳(4)上端面之间用上密封圈(3)密封，底盖(7)与筒状外壳(4)下端面之间用下密封圈(6)密封，多孔布水板(8)与上电极(9)固定在顶盖(2)与筒状外壳(4)端面之间，下电极(11)固定在多孔浮块(12)上，多孔浮块(12)外圆柱面与筒状外壳(4)内圆柱面之间安装有中密封圈(5)，下电极(11)与多孔浮块(12)能一起上下自由滑动，上电极(9)与下电极(11)分别接高压直流电源(14)。
2.根据权利要求1所述的一种无离子交换膜的电去离子系统，其特征在于：所述的上电极(9)与下电极(11)中的其中一个为阳极，另一个为阴极；两电极采用孔尺寸小于离子交换树脂(10)颗粒粒径的微孔网状电极；或采用孔尺寸大于树脂(10)颗粒粒径的网状电极，但要在上电极(9)与多孔布水板(8)之间以及下电极(11)与多孔浮块(12)之间各添加1~2层孔径小于离子交换树脂(10)颗粒粒径的过滤网。
3.根据权利要求2所述的一种无离子交换膜的电去离子系统，其特征在于：所述的离子交换树脂(10)为阴阳混合离子交换树脂、两性型离子交换树脂、单一的阳离子交换树脂或单一的阴离子交换树脂。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |