CN102153168B - 一种双极膜对反渗透法海水淡化产水调质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学处理方法，具体是指一种利用化学动态平衡来调节海水淡化中产水的水质的方法。本发明把经初步处理的海水分别放入双极膜装置和反渗透海水淡化装置，其中双极膜装置所产生的酸先流经石灰石矿床，再与反渗透装置的产水进行部分混合，使产水的碳酸氢根浓度上升，再通过把双极膜装置中的碱液与产水部分混合，实现调节产水水质的目的。本发明的优点是在海水淡化场合，无需另加试剂，即可实现对淡化海水的调质，解决某些地方对盐酸、二氧化碳运输不方便的问题，也解决人们对海水淡化需要另外试剂的疑虑。本发明可广泛应用于海水淡化场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学处理方法，具体是指一种利用化学动态平衡来调节海水淡化中产水的水质的方法。
技术背景
全球水的总储量为13.86亿km3，海水就占有96.5％，人类可取用的地表水和浅层地下水仅为0.79％，且随地域和季节变化分布极不均匀。据联合国提供资料分析，中国水资源总量为28124亿m3，居世界第6位，中国人均水资源量为2340m3，全球排在109位。到本世纪中叶，中国人口预测16亿时，人均水资源为1600m3，成为严重缺水的国家。中国668个城市中，缺水城市约400个，严重缺水的城市约108个。这些城市日缺水量为1600万m3，全年缺水量为200亿m3。中国每年工业、生活污水排放量已达约600亿m3，90％的城市水域受到不同程度的污染，尤其南方城市由于采用地表水做水源而地表水又受到不同程度的污染。因此又导致水质性缺水。水是我国经济、社会发展的战略性资源。我国政府对水资源的开发、利用、保护十分重视。为了向大海索取淡水，上世纪五十年代初，膜技术便被优先提出来了，至七十年代海水淡化技术在世界上实现了商品化，经过产品换代、工艺革新，目前已成为最经济的海水淡化和高盐度苦咸水脱盐技术。在国家支持下，我国海水淡化技术也取得了令人瞩目的业绩，成为具有自行设计、生产海水淡化装置的国家。
从战略上讲，海水是唯一不受气候影响，可以持续开发利用的水资源。专家指出，与其他水资源供应方法相比，海水淡化具有供给稳定、可按照需求随时增加供应量等优势，更重要的是它还可以推动海水的综合利用与开发，海水淡化的成本也可进一步降低。这也促使我国的海水淡化发展十分迅速，截止2007年底，我国已建成浙江省嵊泗县泗礁岛等反渗透海水淡化装置几十套，装置日产水量可达十几万吨，并且正在建设岱山5000立方米/日、六横岛10000立方米/日海水淡化等项目，这将彻底改变中国海岛县以及沿海缺水地区长期以来“守着大海买水喝”的局面。
从卫生学的角度，经过反渗透淡化处理以后的饮用水，某些有害污染物的含量确实得到了控制，但水中对人体健康有重要影响的天然矿物质的含量也出现了本质的差别。与其他饮用水相比，经过反渗透的饮用水矿物质含量较少、pH值偏低。经过众多学者围绕饮用纯净水的生物学效应较为系统的研究，发现饮用纯净水对人体具有正反两方面的影响。就遗传毒性而言，纯净水较自来水、净化水、凉开水安全；但长期饮用纯净水很可能降低体内某些矿物元素水平，从破坏原有体内的电解质平衡，从而使人体的适应能力与免疫能力下降，也有可能通过升高血脂而诱发心血管系统损害等。
目前利用海水淡化法制取饮用水基本上采用反渗透法或热法，由于反渗透技术本身的原因，要求海水淡化的进水进行必要的预处理，如加阻垢剂、进行适当软化、调节pH值等；并且目前反渗透法海水淡化所用的反渗透膜绝大多数为荷负电的高压反渗透膜，以上这些原因都会使其产水的pH值偏低(pH在6.0左右)，这使产水明显具有酸性，目前所采用的手段一般是通过后期加强碱调pH的方法使产水pH值调至弱碱，但都还存在pH值不稳定、矿物质含量太低的问题。由于原有的自来水基本上都是硬度偏高，长时间使用下来会在市政管道内壁形成一层结垢层，此时偏酸性的淡化产水经过管道会对市政管网产生腐蚀作用，并且会使原来的结垢层慢慢的重新溶解，使在用户刚一开始使用或停用一段时间重新使用时会出黄水而影响使用。另外，在反渗透海洋淡化过程中，由于膜的截留率非常高，以至在脱盐的过程中把对人身有利的矿物质也同时进长截留，以至于产水中的矿物质含量非常低。
以上现象足以说明，目前反渗透法海水淡化制备的饮用水，十分有必要进行调质，使pH值以及矿物质成份能更好符合人体的需求，同时解决管网中出黄水的问题。由于反渗透法海水淡化的产水从制备到使用需要一段时间，并且其中会有一段时间暴露在空气中，由理论知识可知pH值在7附近非常难以准确调节，如果直接用强碱来调质pH值会很容易受空气中的CO2溶解的影响；由于海水淡化在不同的工程中所用的反渗透膜、预处理等工艺也不尽相同，以及当地自来水的硬度、气候条件也不一样而导致原有市政管网结垢层的不同；这些因素都加大了产水调质的难度。本项目是从人体对饮用水的要求出发，充分考虑经济效益，研究一种投入少、运行成本低、操作方便、产水符合健康要求、利用缓冲平衡的原理使pH值能长期稳定在6.7-7.9、能进行大型工程应用的海水淡化产水调质方法与工艺，最后达到大型工程应用。
海水淡化技术经过多年的发展，已得到人们的基本认同，故利用海水淡化制取饮用水也逐步得以应用。但相对地表水源而言，利用海水淡化制取饮用水所占的比率以及规模还是很小的，所以一些问题表现的也不是很明显。一旦随着海水淡化制取的饮用水在整个市政工程中的比率以及规模的上升，这些问题会日益突出，进而影响海水淡化的普及、阻碍解决沿海地区或海岛缺水问题的进程，故对海水淡化产水的调质进行研究是一项比较迫切任务。
目前在发达国家的反渗透法海水淡化的产水基本上都采用调质技术，最开始的通过简单的酸碱来调pH值，发展到现在的基本上是通过平衡体系来调整pH值，同时调整产水中矿物质的含量。通过监测产水中的各种成分的含量以及当时的气候等因素，根据平衡动力学模型进行自动调整各种调质剂的添加量与添加方式。而国内由于起步比较晚，从最开始的不调质海水淡化产水，到简单调质，但由于缺少技术手段与方法，调质效果不理想，如pH不稳定，调质的时候是达标的，但很快就发生偏离。由于没有可以利用的平衡动力学模型计算，所以对各种调质剂的含量及添加方式全靠经验来进行。所以如何做到稳定、准确、自动化的调质产水是我们以后发展的目标。
本发明从饮用水标准出发，充分考虑经济效益，研究一种投入少、运行成本低、操作方便、产水符合饮用水标准、利用缓冲平衡的原理使pH值能长期稳定在7.0～8.8、矿物质与硼含量符合饮用水标准、能进行大型工程应用的双极膜海水淡化产水调质方法与工艺，解决海水淡化发展的技术瓶颈。
本发明利用双极膜技术产生酸液与碱液，无需另加试剂，解决某些地方对盐酸、二氧化碳运输不方便的问题，也解决人们对海水淡化需要另外试剂的疑虑。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提出了一种更环保、有效的调质方法。
本发明是通过下述技术方案得以实现的：
一种双极膜对反渗透法海水淡化产水调质的方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)以经过絮凝沉淀、砂滤过滤的海水为进水，部分进水进入三隔室组装的双极膜装置，其中的双极膜为一二价分离膜，其中的一二价分离阳膜为：对一二价阳离子分离度在95％以上，膜电阻低于2欧/平方厘米，膜厚小于0.2毫米，交联度在30％以上；双极膜运行电流密度为100-2000A/m2，膜表面流速为1-15cm/s，极液为质量浓度1-10％的氯化钠或硫酸钠溶液；另一部分进水进入反渗透装置；本发明中的双极膜装置中阴电极为不锈钢或钛涂钌电极，阳极用钛涂钌电极或铂电极，也可以采用其它较常规的电极，实现双极膜的功效即可；本发明中采用局部循环或增大膜面积的方法可使酸室的酸液或碱室的碱液的浓度达到0.5-15％；本发明中的海水经絮凝沉淀、砂滤过滤等为常规的预处理过程；
(2)经双极膜装置后的进水在碱室产生氢氧化钠，在酸室产生盐酸；其中的盐酸流经石灰石矿床，产生含碳酸氢钙的溶液，加注到反渗透装置的产水中，加入含碳酸氢钙的溶液后使产水中的碳酸氢根的浓度为5-150mg/L；作为优选，加入含碳酸氢钙的溶液后使产水中的碳酸氢根的浓度为70-120mg/L；
(3)把双极膜装置碱室所产生的氢氧化钠溶液加入到上述已加入含碳酸氢钙溶液的产水，调节上述混合后的产水pH至7.0-8.8；作为优选，加入氢氧化钠溶液后使产水pH至7.5-8.2。
作为优选，上述方法中双极膜装置的运行电流密度为500-1000A/m2，膜表面流速为5-8cm/s。
本发明利用碳酸氢根缓冲体系来调节反渗透法海水淡化产水的pH值能长期稳定在7.0-8.8、钙离子浓度为10-150mg/L，符合弱碱性、含矿物质的饮用水要求，利用水-二氧化碳-氯化钠-碳酸氢钙-碳酸钙五元平衡体系计算方法计算海水淡化产水的pH值调节到7.0-8.8所需的碳酸氢根的含量。经过调质后，使海水淡化的产水中的碳酸氢根的浓度为5-150mg/L，碳酸根的浓度为0-50mg/L，钙离子的浓度为10-150mg/L。
本发明的所用的碳酸氢根，由双极膜装置的酸室产生酸液流经石灰石矿化床反应生成碳酸氢钙而产生。产生的碳酸氢根溶液经计量泵按计量注入海水淡化的产水中，使其浓度为20-200mg/L。
本发明的所用的碳酸根，由产水经过加碳酸氢钙后，继续按计量添加双极膜装置碱室的碱液与碳酸氢根反应生成碳酸根。
有益效果：在海水淡化场合，无需另加试剂，即可实现对淡化海水的调质，解决某些地方对盐酸、二氧化碳运输不方便的问题，也解决人们对海水淡化需要另外试剂的疑虑。
附图说明
图1双极膜法海水淡化预处理过程的反应式
图2双极膜制酸碱的原理图
图3淡化海水调质流程示意图
具体实施方式
下面对本发明的实施作具体说明：
实施例1
以经过絮凝沉淀、砂滤过滤的海水为进水，双极装置为BMP2-500的装置，采用200*400的双极膜40张，阴膜与阳膜采用一二价分离膜40对，80张200*400的弹性隔板，阴电极为钛涂钌电极，阳极用铂电极。电流密度采用1000A/m2，膜表面流速为5cm/s，极液采用3％的硫酸钠溶液，采用局部循环的方法使酸室的酸液或碱室的碱液的浓度达到10％左右。把酸室的酸液流经石灰石矿床，得到碳酸氢钙溶液，再用计量泵把碳酸钙溶液打入海水淡化的产水中并混和均匀，使产水中的碳酸氢根的含量为80mg/L，再用计量泵按30mg/L的比例把双极膜碱室的碱液加入到已经含碳酸氢根的产水中。经此调节，产水的pH值为7.9，并能长期稳定，钙含量为60mg/L左右，符合饮用水要求，达到产水调质目的。
实施例2
以经过絮凝沉淀、砂滤过滤的海水为进水，双极装置为BMP2-2500的装置，采用400*800的双极膜20张，阴膜与阳膜采用一二价分离膜20对，60张400*800的弹性隔板，阴电极为钛涂钌电极，阳极用铂电极。电流密度采用500A/m2，膜表面流速为6cm/s，极液采用5％的硫酸钠溶液，采用局部循环的方法使酸室的酸液或碱室的碱液的浓度达到5％左右。把酸室的酸液流经石灰石矿床，得到碳酸氢钙溶液，再用计量泵把碳酸钙溶液打入海水淡化的产水中并混和均匀，使产水中的碳酸氢根的含量为60mg/L，再用计量泵按20mg/L的比例把双极膜碱室的碱液加入到已经含碳酸氢根的产水中。经此调节，产水的pH值为7.6，并能长期稳定，钙含量为50mg/L左右，符合饮用水要求，达到产水调质目的。
实施例3
以经过絮凝沉淀、砂滤过滤的海水为进水，双极装置为BMP2-2500的装置，采用400*800的双极膜20张，阴膜与阳膜采用一二价分离膜20对，60张400*800的弹性隔板，阴电极为不锈钢电极，阳极用钛涂钌电极。电流密度采用300A/m2，膜表面流速为10cm/s，极液采用5％的氯化钠溶液。把酸室的酸液流经石灰石矿床，得到碳酸氢钙溶液，再用计量泵把碳酸钙溶液打入海水淡化的产水中并混和均匀，使产水中的碳酸氢根的含量为100mg/L，再用计量泵按20mg/L的比例把双极膜碱室的碱液加入到已经含碳酸氢根的产水中。经此调节，产水的pH值为7.2，并能长期稳定，钙含量为53mg/L左右，符合饮用水要求，达到产水调质目的。
Claims (5)
1.一种双极膜对反渗透法海水淡化产水调质的方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)以经过絮凝沉淀、砂滤过滤的海水为进水，部分进水进入三隔室组装的双极膜装置，每个三隔室单元由双极膜、阳膜、阴膜、三张双极膜弹性隔板组成，其中的阳膜为一二价分离膜：是对一二价阳离子分离度在95％以上，膜电阻低于2欧/平方厘米，膜厚小于0.2毫米，交联度在30％以上的阳膜；双极膜装置运行的电流密度为100-2000A/m2，膜表面流速为1-15cm/s，极液为质量浓度1-10％的氯化钠或硫酸钠溶液；另一部分进水进入反渗透装置；
(2)进水经双极膜装置运行后，在碱室产生氢氧化钠，在酸室产生盐酸；其中的盐酸流经石灰石矿床，产生含碳酸氢钙的溶液，加注到反渗透装置的产水中，加入含碳酸氢钙的溶液后使产水中的碳酸氢根的浓度为5-150mg/L；
(3)把双极膜装置碱室所产生的氢氧化钠溶液加入到上述已加入含碳酸氢钙溶液的产水，调节上述混合后的产水pH至7.0-8.8。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的双极膜装置中阴电极为不锈钢或钛涂钌电极，阳极用钛涂钌电极或钛镀铂电极或铂电极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的双极膜装置中的运行电流密度为500-1000A/m2，膜表面流速为5-8cm/s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(2)中加入含碳酸氢钙的溶液后使产水中的碳酸氢根的浓度为70-120mg/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(3)中加入氢氧化钠溶液后使产水pH至7.5-8.2。
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