CN103130362A - 水处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种水处理装置，包括：电絮凝单元，其处理进水以产生含盐量低于进水的电絮凝净化水；电分离单元，其处理电絮凝净化水以获得含盐量比电絮凝净化水低的产品水；和沉淀单元，其提供清洗电分离单元后变为流回沉淀单元的排出水的清洗水，沉淀单元中的沉淀导致清洗水的含盐量比排出水低。本发明还涉及相关的水处理方法。

Description

水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及液体处理装置及方法，特别是涉及水处理装置及方法。
背景技术
近年来可用水的供给和需求之间的矛盾日益激化，因此，对于具有高回收率的水处理装置和方法的需求越来越迫切。
Christopher J.Gabelich等人在Journal of Membrane Science 301(2007)第131-141页发表一篇题为“High-recovery reverse osmosis desalination usingintermediate chemical demineralization”的文章。该文涉及将反渗透膜的浓水进行化学去矿物处理后，接着用另一反渗透膜去盐处理的两级反渗透水处理工艺。
由于结垢的风险，处理例如膜脱盐装置、冷凝塔或其他热蒸发装置的浓水后，水的硬度(用例如钙、镁、钡等离子浓度表征)、碱度(用例如碳酸钙的浓度表征)和二氧化硅浓度是水质的几个重要指标，而上述文章所涉技术和其他现有技术在硬度、碱度和二氧化硅浓度等方面的表现都还不令人满意。
因此，有必要开发新的水处理装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的水处理装置及方法。
一方面，本发明涉及的水处理装置包括：电絮凝单元，其处理进水以产生含盐量低于进水的电絮凝净化水；电分离单元，其处理电絮凝净化水以获得含盐量比电絮凝净化水低的产品水；和沉淀单元，其提供清洗电分离单元后变为流回沉淀单元的排出水的清洗水，沉淀单元中的沉淀导致清洗水的含盐量比排出水低。
另一方面，本发明涉及的一种水处理方法包括：在电絮凝单元处理进水以产生含盐量低于进水的电絮凝净化水；在电分离单元处理电絮凝净化水以获得含盐量比电絮凝净化水低的产品水；和从沉淀单元提供清洗电分离单元后变为流回沉淀单元的排出水的清洗水，沉淀单元中的沉淀导致清洗水的含盐量比排出水低。
本发明所涉及的水处理装置及方法解决了现有技术的技术问题。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明的一种实施例所提供的水处理装置的示意图。
具体实施方式
在下文中，将根据附图说明本发明的实施方式，将不会详细描述众所周知的功能和结构，以避免因不必要的细节而使本发明变得令人费解。
说明书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。
在以下的说明书和权利要求中，除非清楚地另外指出，单复数不加以限制。
本申请所提及的“可”、“可能”和“可为”表示在一定环境下发生的可能性；具有指定的性质，特征或者功能的可能性；和/或通过显示一个或者多个能力、性能而适合于另一种动作，或者与该适合的动作相关的可能性。因此，用于“可”、“可能”和“可为”表示修饰的术语显然适合、能够或者适于所表示的能力，功能，或者用途，同时考虑在一些情况下，所修饰的术语可能有时不适合、不能或者不合适。例如，在一些情况下，事件或者能力可能是所期望的，而在其它情况下，该事件或者能力不能发生。这种区别通过术语“可”、“可能”和“可为”涵盖。
本申请所提及的“含盐量”指的是水的盐度、或者水中溶解的盐或离子杂质的含量，通常用如氯化钠、硫酸钙、硫酸镁和重碳酸盐，及/或其他离子性杂质的浓度加以表征。在一些实施例中，含盐量指的是水中溶解的盐和离子杂质的总浓度。
本申请所提及的“硬度”指的是在水中矿物质含量的水平。和软水相反，硬水为矿物质含量高的水，其中钙、镁、钡离子浓度较高。
本申请所提及的“碱度”指的是溶液将酸中和到碳酸盐或重碳酸盐等价点的能力。碱度是指溶液中碱的计量总和。在一些实施例中，碱度用碳酸钙浓度表征。
图1是根据本发明的一种实施例所提供的水处理装置1的示意图。该水处理装置1包括：电絮凝单元10，其处理进水11以产生含盐量低于进水的电絮凝净化水13；电分离单元12，其处理电絮凝净化水13以获得含盐量比电絮凝净化水13低的产品水15；和沉淀单元14，其提供清洗电分离单元12后变为流回沉淀单元14的排出水19的清洗水17，沉淀单元14中的沉淀导致清洗水17的含盐量比排出水19低。
本发明中“电絮凝”指的是一种方法或装置，在其中电压施加于阴极和阳极之间，以在被净化水中产生电场。被净化水和其中的物质作为电解液。在电絮凝过程中，被净化水中悬浮、乳化或溶解的污染物由于电流引入提供的电动力驱动离子和粒子之间的化学反应从而处于非稳定状态。当反应被驱动，元素或形成的化合物将向最稳定的状态发展。结果，这种稳定状态产生倾向于附着于其他固体、胶体、油(自由或乳化的)或非水相液体的固体。电絮凝利用电流促进被净化水中杂质的去除。电絮凝絮凝出的物质再通过如气浮、离心分离、沉淀及过滤等技术从水中去除。
如果阴极和阳极中至少一个为牺牲电极，由如钢、铁、铝、锌或镁等材料制成，电极上的离子迁移到电解液中并形成低溶解度的金属氢氧化物。金属氢氧化物相互集结并与其他物质结合。在适当的操作条件下，这些集结的物质尺寸长大从而可借重力、气浮或过滤等方法移走。在一些实施例中，电絮凝过程中使用的电极是由铁和铝中至少一种制成，从而电极释放离子的电化学反应是为Al→Al3++3e-和/或Fe→Fe2++2e-。
当使用非牺牲电极，例如，导电性合成石墨电极或钛电极，维持电絮凝过程需要的正离子部分由被净化水自身提供。所需正离子的其余部分可以如铝盐、钙盐、铁盐或镁盐等金属离子的形式添加。为了增强电子迁移，电絮凝过程中可通过添加适当剂量的盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)或磷酸(H3PO4)等化学物质从而在酸性范围内运作。其他情况下，电絮凝也可在碱性或中性环境进行。
电絮凝可能用到超过两个电极。这种情况下，可能有两种排列形式，即，单极排列和双极排列。单极排列指每一对电极内部相互连接，而并没有与其他电极互联。所有电极直接连接到电源。例如，四个电极的排列可以为：(+，-，+，-)而六个电极的排列可以为：(+，-，+，-，+，-)等，其中“+、-”用于代表不同极性的电极，“+”为阳极，“-”为阴极。这种排列可能还需要一个电阻箱来调节电流流量和一个万用表来读取电流的值。
双极排列指的是只有最外面的两个端电极与电源直接连接，而两者之间的其他内电极则间接受电势影响。内电极为双极电极，即导电板的两平行面分别带有相反的电荷。例如，四个电极的排列可以为：(+，0，0，-)而六个电极的排列为：(+，0，0，0，0，-)等，其中“+”为阳极，“-”为阴极，“0”为双极电极。
根据要处理的被净化水中杂质的组成，如有需要可在电絮凝过程中使用添加剂。该添加剂可被随后去除，或在形成沉淀过程中参与化学反应。例如，过氧化氢、芬顿试剂(过氧化氢和二价铁(Fe2+)的反应产物)、高锰酸盐(例如以高锰酸钾和高锰酸钠等形态加入)和臭氧等化学氧化剂可加入被净化水中以进行化学氧化。此外，当使用非牺牲阴极和阳极时，可使用添加剂来形成离子与溶质和悬浮微粒相互作用以将悬浮液和溶液中的杂质絮凝出来。当使用牺牲阴极和阳极时，添加剂可用于增加水的导电性从而促进电絮凝。
在一些实施例中，在电絮凝时将有效剂量的离子絮凝剂加入被净化水中。在一些实施例中，离子絮凝剂可包含后述至少一种物质：丙烯酰胺/季铵盐共聚物、表氯醇和胺的共聚物，丙烯酰胺/烯丙基/三烷基/铵的共聚物，丙烯酰胺/二烯丙基烷基铵共聚物，丙烯酰胺/丙烯酸共聚物及其盐，丙烯酰胺/烷基丙烯酸共聚物，丙烯酰胺/马来酸共聚物，丙烯酰胺马来酸共聚物，丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的共聚物，丙烯酸共聚物及其盐类，丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物。
示例性阳离子丙烯酰胺/季铵盐共聚物可由下列化学式I表示：
Figure BDA0000111297380000041
在化学式I中，重复结构单元x和y的摩尔比可从95∶5到5∶95变化，而摩尔比60∶40是目前的优选。R1和R2可相同或不同并选自H和CH3。Q为-C(O)O-，-OC(O)-，或-C(O)NH-。R3为支链或线性(C1-C4)烯烃。R4，R5，和R6分别从H，C1-C4线性支链烷基，和C5-C8芳基或烷基芳基中选取。A-是从Cl-，Br-，HSO4 -，和MeOSO3 -中选取。
重复结构单位y的范例如后所述：丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，也被称为二甲基氨基乙烷基丙烯酸氯甲烷，对应于上述的化学式I，R1＝H，R2＝H，Q为-C(O)O-，R3＝Et，R4，R5和R6都是Me，并且A-是Cl-；丙烯酰-3-(甲基)丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵，对应前述化学式I，R1＝H，R2＝CH3，Q为-C(O)NH-，R3＝Pr，R4，R5和R6都是Me，且A-是Cl-；和丙烯酰-2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，对应前述化学式I，R1＝H，R2＝CH3，Q为-C(O)O-，R3为Et并且R4，R5和R6都是Me，且A-是Cl-。
阳离子共聚物絮凝剂的一个范例为60∶40摩尔比的丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵共聚物。该共聚物可为交联的。其交联程度相对较小，在100摩尔重复单元x和y基础上为约1x10-4％到约5x10-3％。此外，非交联共聚物也可能被使用。其他阳离子共聚物絮凝剂包括丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵共聚物，其中丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵以约10％-50％的摩尔百分比存在。
共聚物的分子量可在宽范围内变化，例如，10000到20000000。通常情况下，共聚物分子量超过100万。阳离子共聚物絮凝剂应具备水溶性或可分散性。目前的做法是用油包水的形式应用阳离子共聚物絮凝剂。油相可包括伴有低级别芳香剂的氢化处理的异链烷烃和润滑油中粘度随温度急变的组分。
其他阳离子絮凝剂包括聚表氯醇/二甲胺(表氯醇和二甲胺的共聚物)，丙烯酰胺/烯丙基三烷基铵共聚物，或丙烯酰胺二烯丙基二烃基铵共聚物。这些阳离子絮凝剂分子量可在如从约10000到约20000000的范围。
阴离子絮凝剂范例可主要为丙烯酰胺共聚物，如丙烯酰胺/丙烯酸共聚物，丙烯酰胺烷基丙烯酸酯共聚物，丙烯酰胺/马来酸，丙烯酰胺顺酐共聚物，丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。此外，丙烯酸的均聚物、盐或共聚物，特别是如丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物也可用作阴离子絮凝剂。另一个具体例子为丙烯酸占约20摩尔％至50摩尔％的丙烯酸/丙烯酰胺共聚物。
进水可源于膜脱盐装置，冷却塔，或其他热蒸发装置。在一些实施例中，进水为膜脱盐装置、冷却塔、和其他热蒸发装置中至少一个的浓水。
在一些实施例中，水处理设备还包括位于电絮凝单元前的膜脱盐单元。膜脱盐单元可包括纳滤膜装置，反渗透膜设备，或两者的组合。
电分离单元和沉淀单元的组合，可称为非热盐水浓缩器。电分离单元10可包含倒极电渗析脱盐装置，超级电容器脱盐装置，或两者的结合。
一些实施例中，电分离单元包括超级电容器脱盐装置。“超级电容器脱盐装置”一词通常是指用于海水脱盐或者其他微咸水去离子化以使盐或者其他电离杂质的数量降低到生活生产使用所允许水平的超级电容器。在某些应用中，超级电容器脱盐装置包括一个或多个超级电容器脱盐单元(未图示)。在非限制性实施例中，每个超级电容器脱盐单元至少包括一对电极、隔板和一对分别与电极相连的集流体。当多个超级电容器脱盐单元堆积在一起同时使用时，可将多块绝缘隔板置于每对相邻的超级电容器脱盐单元之间。
在本发明的实施例中，集流体可分别与电源(未图示)的正负极相连。因为电极分别与集流体相连，电极可以分别起到阳极和阴极的作用。
在超级电容器脱盐装置12处于充电状态时，来自于电絮凝单元10的电絮凝净化水13进入超级电容器脱盐装置12进行脱盐。在此状态下，清洗水流17进入超级电容器脱盐装置12的流动路径被关闭。来自电源的正负电荷分别堆积在阳极和阴极的表面，从离子化的的电絮凝净化水13中吸引阴离子和阳离子，使它们分别被吸附在阳极和阴极的表面。电荷在阳极和阴极的堆积使得产品水15含盐量(盐或者其他离子杂质的浓度)与电絮凝净化水13相比更低。
超级电容器脱盐装置12处于放电状态时，吸附的阴离子和阳离子分别离开阳极和阴极的表面。清洗水17从沉淀单元14输入超级电容器脱盐装置12，从而带走离子(阴离子和阳离子)。从超级电容器脱盐装置12中流出的排出水19，含盐量(盐或者其他离子杂质的浓度)与清洗水17相比更高。在此状态下，电絮凝净化水13进入超级电容器脱盐装置12的通道关闭。
当超级电容器脱盐装置放电结束后，该装置进入一段时间的充电状态，为随后的放电作准备。也就是说，超级电容器脱盐装置的充电和放电相互交替以分别处理电絮凝净化水13和清洗水17。
在放电状态下，当水在超级电容器脱盐装置流动时，水中盐浓度或者其他离子杂质浓度增加，从而有形成沉淀的倾向。直径大于特定直径的沉淀颗粒将会通过重力作用沉淀到沉淀单元14的较低部分。其他直径小于特定直径的沉淀颗粒则分散在水中。
在一些实施例中，排放流20从装置中排出以排放一部分液体确保沉淀单元14中液体总量恒定且某些物质的饱和度或过饱和度恒定。当沉淀量与装置的排放量之和等于电絮凝净化水13的带电粒种去除量时，充电-放电循环达到平衡，在超级电容器脱盐装置和沉淀单元间循环流动的水中盐或者其他离子杂质的饱和或者过饱和程度将会稳定，并且形成动态平衡。
在某些实施例中，放电状态所释放的能量可被用来驱动电气设备(未图示)，例如电灯泡，或者可被例如双向直流-直流变换器之类能量回收装置回收。
在其他非限制性的实施例中，与数个超级电容器脱盐单元叠加使用相似，超级电容器脱盐装置12可包括一对电极、一对分别与电极相连的集流体、一个或者多个置于电极之间的双极性电极、以及置于每对相邻的电极之间的多个隔板，充电状态下处理电絮凝净化水13，放电状态下，处理清洗水17。每个双极性电极各有一个正极和一个负极，通过离子不渗透层间隔开来。
在一些实施例中，集流体可为板条、网状物、箔或者薄板，并由金属或者合金制成。金属可包括诸如钛、铂、铱或铑。合金可包括诸如不锈钢。在其他的实施例中，集流体可由石墨或者塑料材料组成，例如可含有聚乙烯的聚烯烃。在某些应用中，塑料集流体可混有导电炭黑或者金属粒子，以获得一定程度的导电性。
电极和/或双极性电极可包括导电材料，该材料可具有导热性，也可不具有导热性，并且可含有体积小但是表面积大的粒子。在一些实施例中，导电材料可含有一种或者多种碳材料。该种碳材料的非限制性实施例含有活性炭颗粒、多孔炭颗粒、碳化纤维、炭气凝胶、多孔中间相炭微球、或者上述物质的组合。在其他实施例中，导电材料可包括导电的复合材料，例如锰、铁、或者两者的氧化物、或者钛、锆、钒、钨或其组合的碳化物。
此外，隔板可由可渗透离子的电绝缘材料组成，包括膜材料、多孔材料和无孔材料，其将每对电极分隔开来。在非限制性实施例中，隔板可含有或其本身构成一定的空间，形成供所处理水流过电极的流动通路。
在某些实施例中，电极、集流体、和/或双极性电极可呈相互平行的板条状，从而形成堆叠式的结构。在其他的实施例中，电极、集流体、和/或双极性电极可呈不同的形状，例如薄片状、块状或者圆筒状。更进一步，电极、集流体、和/或双极性电极可形成各种结构。例如，电极、集流体、和/或双极性电极可能放置成同心的螺旋形，在其中间为连续的空间。
在某些设计中，电分离单元12可包括倒极电渗析脱盐装置。“倒极电渗析脱盐”一词表示使用离子交换膜从水或者其他液体中除去离子或者带电粒种的电化学分离过程。
在一些非限制性实施例中，倒极电渗析脱盐装置包括一对分别作为阳极和阴极的电极。数个交替的阴离子和阳离子交换膜被置于阳极和阴极之间，在它们之间形成多个相互交替的淡室和浓室通道。阴离子交换膜可以使阴离子通过，阳离子交换膜可以使阳离子通过。此外，倒极电渗析脱盐装置可能还包括数个置于每对膜、以及电极和相邻的膜之间的隔板。
因此，当倒极电渗析脱盐装置12通电时，例如水流13和17(如图1所示)分别流过相互交替的淡室和浓室通道。在淡室通道里，电絮凝净化水13被电离，电絮凝净化水13中的阳离子通过阳离子交换膜向阴极转移，进入相邻的浓室通道。阴离子通过阴离子交换膜向阳极转移，进入相邻的浓室通道。在位于淡室通道两边的相邻的通道(浓室通道)，即使电场分别通过电极向离子施加力量(例如，阴离子被推向阳极)，阳离子不能通过阴离子交换膜转移，阴离子不能通过阳离子交换膜转移。因此，阴离子和阳离子留在浓室通道中，浓度增加。因此，通过浓室通道的清洗水17将高浓度的阴离子和阳离子带出倒极电渗析脱盐装置12，使得排出水流19比清洗水17的含盐量更高。
在一些实施例中，倒极电渗析脱盐装置12电极的极性可能会被以例如15分钟至50分钟的时间间隔颠倒以降低浓室通道中阴离子和阳离子的结垢倾向。在相反的极性状态下，正常极性下的淡室通道将变成清洗水17的浓室通道，正常极性下的浓室通道将变成电絮凝净化水13的淡室通道。
水在倒极电渗析脱盐装置12和沉淀单元14间循环流动以后，会在沉淀单元14中发生盐或者其他杂质的沉淀。在一些实施例中，排放流20从装置中排出以排放一部分液体确保沉淀单元14中液体总量恒定且某些物质的饱和度或过饱和度恒定。当沉淀单元14中沉淀量与装置排放量之和等于水流13于倒极电渗析脱盐装置中带电粒种的去除量时，在倒极电渗析脱盐装置和沉淀单元中循环的水的饱和程度或者过饱和程度将会稳定，并形成动态平衡。
在一些倒极电渗析的应用中，电极将包括导电材料，该材料可具有热导性，也可不具有热导性，并且可含有体积小但是表面积大的粒子。隔板包括可供离子渗透但不导电的材料，包括膜材料、多孔材料和无孔材料。在非限制性实施例中，阴离子交换膜将包括季胺基，阳离子交换膜将包括磺酸基或者羧酸基。
在一些实施例中，直到饱和或者过饱和程度非常高时，才会发生盐或者其他杂质的迅速沉淀。例如，硫酸钙在室温下达到400％以上的过饱和状态后才会在5分钟内迅速发生沉淀，这对沉淀系统非常不利。因此，在某些实施例中，将会在沉淀单元14中加入晶种粒子(未图示)，从而能够在盐或者其他离子杂质处于较低的过饱和状态时在晶种粒子表面迅速引起沉淀。搅拌装置和/或泵可用来促进晶种粒子的悬浮分布。
在非限制性实施例中，晶种粒子的平均直径约在1到500微米之间，浓度约在沉淀区域中液体重量的0.1重量百分比到30重量百分比之间。在一些实施例中，晶种粒子的平均直径约在5微米到100微米之间，浓度约在沉淀区域中液体重量的0.1重量百分比到20重量百分比之间。在某些应用中，晶种粒子由固体颗粒组成，包括但不限于硫酸钙颗粒及其水合物，以促进快速沉淀。硫酸钙颗粒的平均直径约在10微米到200微米之间。在一些实施例中，硫酸钙种子颗粒的浓度约在沉淀区域中液体重量的0.1重量百分比到20重量百分比之间，从而使得该解决方案下离开沉淀装置的硫酸钙浓度控制在100％到150％的饱和度。
在一些实施例中，可向排出水19中添加一种或多种添加剂以降低某些物质的饱和度或过饱和度。例如，可添加酸性添加剂来降低碳酸钙的饱和度或过饱和度。
应当注意，晶种粒子和添加剂并不限于某种特定的物质，而将根据水处理装置具体的应用环境来选择。
沉淀单元14可为沉淀可在其中发生的任何材料制得的任何形状、构造的装置或容器，其不限于与任何特定的超级电容器脱盐装置或倒极电渗析脱盐装置一起使用。
另一方面，本发明涉及一种水处理方法包括：在电絮凝单元10处理进水11以产生含盐量低于进水11的电絮凝净化水13；在电分离单元12处理电絮凝净化水13以获得含盐量比电絮凝净化水13低的产品水15；和从沉淀单元14提供清洗电分离单元12后变为流回沉淀单元14的排出水19的清洗水17，沉淀单元14中的沉淀导致清洗水17的含盐量比排出水19低。
经过电絮凝单元的处理，水的硬度、碱度和二氧化硅浓度降低/消除，因此电分离单元和沉淀单元受硬度、碱度和二氧化硅困扰的可能性将降低/消除。此外，电絮凝单元、电分离单元和沉淀单元的组合显著降低了水的含盐量，同时获得了超过95％的水的总回收率。
实验示例
下述实验示例为本技术领域内的技术人员实施本发明提供进一步的指导。示例并不限定权利要求书中界定的本发明的范围。
在实验中不同的水的成分用离子浓度进行表征。
例1
配制下表1所列水质的合成进水以模拟反渗透膜脱盐装置的浓水，其中氯化钠的浓度为使合成进水的导电率约为9.8mS/cm。
表1
Figure BDA0000111297380000101
合成进水以2.5毫升/分钟的流速进入电絮凝设备。电絮凝设备被施加恒定电压5.1V和电流0.52A。电絮凝设备的阴极和阳极由铁板制得。阳极面积约为380cm2。电絮凝净化水的成分列于上表1。
制备具有上表1所示成分的倒极电渗析进水。从表1可见，除了Mg2+，二氧化硅和Ba2+因为浓度过低难以模拟以外，倒极电渗析进水与电絮凝净化水的成分相同。
倒极电渗析进水进入倒极电渗析脱盐装置的淡室通道以产生含盐量较低的倒极电渗析产品水。倒极电渗析脱盐装置分四级，每级有5对膜，每张膜的面积为400平方厘米。倒极电渗析脱盐装置使用一个20伏的常压电源。
倒极电渗析脱盐装置与沉淀单元相连通，沉淀单元提供的清洗水经过倒极电渗析脱盐装置的浓室通道后变成排出水流回沉淀单元。实验开始前，向沉淀单元加入约300克的硫酸钙和相应的倒极电渗析进水以使沉淀单元中硫酸钙的初始浓度为约10％。
每1000秒钟改变电源的极性和倒极电渗析脱盐装置的淡室和浓室通道的进水，因此，一个循环为2000秒。倒极电渗析进水和清洗水的流速均为25升/小时。
在第二个循环时，收集得到13.3升倒极电渗析产品水和230毫升排放废水，故水的回收率为：13.3/(0.23+13.3)x100％＝98.3％。因电絮凝装置中水的回收率为约100％，故电絮凝装置、倒极电渗析脱盐装置和沉淀装置三者结合的水回收率为约98.3％。如果得到合成进水的预处理装置的水回收率为83％，该预处理装置、电絮凝单元、倒极电渗析单元和沉淀单元的组合的总的水回收率为：(83+17x98.3％)/100x100％＝99.7％。
倒极电渗析产品水的成分如上表1所示。参照表1，经过电絮凝单元处理后，水中钙离子的去除率为：(553-42)/553x100％＝92.4％，再经过倒极电渗析单元进一步处理后，水中钙离子的去除率为：(553-6.1)/553x100％＝98.9％。经过电絮凝单元处理后，水中镁离子、钡离子和二氧化硅的去除率约为100％。由于钙离子、钡离子和镁离子的去除率高，水的硬度得到了大幅的下降。
在此实验中，只在开始前向沉淀单元加入了300克硫酸钙作为晶种，没有添加其他化学品。
例2
配制下表2所列水质的合成进水以模拟冷凝塔的浓水。合成进水以5毫升/分钟或10毫升/分钟的流速进入电絮凝单元。恒定电流为1A。阳极和阴极均为铁板。阳极面积为约380平方厘米。得到的电絮凝净化水的成分如下表2所示。
表2
Figure BDA0000111297380000111
Figure BDA0000111297380000121
如表2所示，电絮凝单元处理后，水中大部分的硬度和二氧化硅被去除了，在水流速为10毫升/分钟时，碱度从221ppm降低到54.5ppm，为5毫升/分钟时，降低到50ppm。
Langelier饱和指数(LSI)是饱和理论概念所产生的一个均衡模型，提供水中碳酸钙饱和程度的一个指标。
该指数以pH值为主变量显示结垢形成和增长的推动力。为了计算LSI，需要知道碱度(毫克/升，以碳酸钙或方解石计)，钙硬度(毫克/升，以CaCO3计的Ca2+)，总溶解固体(毫克/升，TDS)，实际的pH值和水温(℃)：LSI＝pH值-pHs，pHs＝(9.3+A+B)-(C+D)，其中：A＝(Log10[TDS]-1)/10；B＝-13.12×Log10(℃+273)+34.55，C＝Log10[以碳酸钙计的Ca2+]-0.4；而D＝Log10[以CaCO3计的碱度]。
如果LSI为负数，没有结垢倾向。如果LSI为正数，可能结垢，碳酸钙可能沉淀。如果LSI接近于零，邻近结垢与不结垢的分界线。
表2中合成进水的LSI为0.66，可能结垢。以10毫升/分钟的流速经过电絮凝单元处理后，LSI降低到-1.01，没有结垢风险。以5毫升/分钟的流速经过电絮凝单元处理后，LSI降低到-1.02，没有结垢风险。由此可见，电絮凝处理可降低水中的硬度、二氧化硅和碱度，且可降低随后的电分离单元及/或沉淀单元中的结垢风险。
尽管在具体实施方式中对本发明的部分特征进行了详细的说明和描述，但在不脱离本发明精神的前提下，可以对本发明进行各种改变和替换。同样的，本领域熟练技术人员也可以根据常规实验获得本发明公开的其它改变和等同物。所有这些改变，替换和等同物都在本发明所定义的权利要求的构思和范围之内。

Claims (11)

1.水处理装置，其特征在于，包括：
电絮凝单元，其处理进水以产生含盐量低于进水的电絮凝净化水；
电分离单元，其处理电絮凝净化水以获得含盐量比电絮凝净化水低的产品水；和
沉淀单元，其提供清洗电分离单元后变为流回沉淀单元的排出水的清洗水，沉淀单元中的沉淀导致清洗水的含盐量比排出水低。
2.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，其在电絮凝单元前进一步包括膜脱盐单元。
3.如权利要求2所述的水处理装置，其特征在于，膜脱盐单元为反渗透膜装置和纳滤膜装置中至少一个。
4.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，电分离单元包括倒极电渗析脱盐装置和超级电容器脱盐装置中至少一个。
5.权利要求1至4中任一权利要求所述的水处理装置，其特征在于，在硬度、碱度和二氧化硅浓度中至少一个方面，电絮凝净化水比进水低。
6.如权利要求1至4中任一权利要求所述的水处理装置，其特征在于，在硬度、碱度和二氧化硅浓度中至少一个方面，产品水比电絮凝净化水低。
7.水处理方法，其特征在于，包括：
在电絮凝单元处理进水以产生含盐量低于进水的电絮凝净化水；
在电分离单元处理电絮凝净化水以获得含盐量比电絮凝净化水低的产品水；和
从沉淀单元提供清洗电分离单元后变为流回沉淀单元的排出水的清洗水，沉淀单元中的沉淀导致清洗水的含盐量比排出水低。
8.如权利要求7所述的水处理方法，其特征在于，进水来自膜脱盐单元，膜脱盐单元为纳滤膜装置或反渗透膜装置。
9.如权利要求7所述的水处理方法，其特征在于，电分离单元为倒极电渗析脱盐装置或超级电容器脱盐装置。
10.如权利要求7至9中任一权利要求所述的水处理方法，其特征在于，在硬度、碱度和二氧化硅浓度中至少一个方面，电絮凝净化水比进水低。
11.如权利要求7至9中任一权利要求所述的水处理方法，其特征在于，在硬度、碱度和二氧化硅浓度中至少一个方面，产品水比电絮凝净化水低。
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