CN103130363B - 脱盐系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脱盐系统及方法。该脱盐系统包括倒极电渗析装置、沉淀单元及可反洗过滤装置。倒极电渗析装置可接收第一流体以对该流体进行脱盐处理及接收第二流体以移走从所述第一流体中移除的离子。沉淀单元与所述倒极电渗析装置流体相通，用以提供第二流体使其在该沉淀单元与所述倒极电渗析装置间循环。可反洗过滤装置设置在所述倒极电渗析装置和所述沉淀单元之间并与其流体相通，用以在正常操作模式下对所述第二流体进行过滤。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于水回收(Water Recovery)的脱盐(Desalination)系统和方法，尤其涉及一种利用倒极电渗析(Electrodialysis Reversal)装置来进行产品水回收的脱盐系统和方法。
背景技术
在工业领域中，大量的废水，如含盐的水溶液被生产出来。通常，这样的废水并不适合直接在家庭或工业中使用。鉴于可使用的水资源的有限性，从流体，如废水、苦咸水、海水或其他含盐溶液中回收合格的可使用的水就显得尤为重要。
由于具有相对较高的处理效率及可产生高品质的产品水，倒极电渗析装置被用来对流体，如废水进行脱盐处理以生产期望的产品水。在处理过程中，流体被输入进倒极电渗析装置中进行脱盐处理。其间，为了提高产品水的回收率，可使用沉淀单元向该倒极电渗析装置中循环输入另一流体从而把从被处理流体中移除的离子带出该倒极电渗析装置。
然而，随着该另一流体不断的在相应的沉淀单元和倒极电渗析装置间循环通过，其中含有的盐或其他杂质的浓度不断上升。这就导致了在沉淀单元中可产生沉淀颗粒，而部分沉淀颗粒会随着流体的不断循环被带入进倒极电渗析装置中从而可能导致在倒极电渗析装置中发生结垢或沉淀现象而对其造成损害。
已经有多种尝试来避免把沉淀颗粒带入进倒极电渗析装置中，比如，在沉淀单元和相应的倒极电渗析装置间设置有筒式过滤器(Cartridge Filter)以便于在来自沉淀单元的流体进入倒极电渗析装置前把其内的沉淀物过滤掉。然而，筒式过滤器的过滤容量通常比较低，因而更换滤芯的频率较高，这就导致运行成本的上升。
在另一些尝试中，为了降低过滤负荷，在沉淀单元内设置有固液分离区域，以依靠重力沉降等原理实现一定程度的固液分离以减少沉淀颗粒在流体中的夹带。为了提高固液分离效率，沉淀单元的固液分离区域有时需要较大的尺寸，整个沉淀单元的尺寸也随之增加。然而，大尺寸的沉淀单元可导致设备成本及占地空间和安装难度的增加，这反过来阻止其大范围的应用。
所以，需要提供一种新的用于水回收的脱盐系统和方法。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种脱盐系统。该脱盐系统包括倒极电渗析装置、沉淀单元及可反洗过滤装置。所述倒极电渗析装置可接收第一流体以对该流体进行脱盐处理及接收第二流体以移走从所述第一流体中移除的离子。所述沉淀单元与所述倒极电渗析装置流体相通，用以提供第二流体使其在该沉淀单元与所述倒极电渗析装置间循环。所述可反洗过滤装置设置在所述倒极电渗析装置和所述沉淀单元之间并与其流体相通，用以在正常操作模式下对所述第二流体进行过滤。
本发明另一个实施例提供了一种脱盐方法。该脱盐方法包括提供第一流体通过倒极电渗析装置进行脱盐处理；经由沉淀单元提供第二流体通过所述倒极电渗析装置以移走来自于所述第一流体中的离子；及在来自于所述沉淀单元的所述第二流体进入所述倒极电渗析装置前，使用可反洗过滤装置在其正常操作模式下对所述第二流体进行过滤。
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为本发明脱盐系统的一个实施例的示意图；及
图2为本发明复数个可反洗过滤装置(Backwashable Filter)的一个实施例的安装示意图。
具体实施方式
图1所示为本发明脱盐系统10的一个实施例的示意图。在本实施例中，脱盐系统10包括倒极电渗析装置11，与倒极电渗析装置11流体相通的沉淀单元(Precipitation Unit)12及设置在倒极电渗析装置11和沉淀单元12之间并与其流体相通的可反洗过滤装置13。
在本发明实施例中，倒极电渗析装置11可用来接收来自于流体源(未图示)且含有多种物质或其他杂质的第一流体14以对其进行脱盐处理。同时，在对第一流体14进行处理过程中，该脱盐装置11可接收来自于沉淀单元12的第二流体15，从而把从第一流体14中移除的物质移除出倒极电渗析装置11。在非限定示例中，第一流体14中包含的物质可包括带电离子，比如镁离子(Mg2+)、钙离子(Ca2+)、钠离子(Na+)、氯离子(Cl-)和其他离子。
这样，由于倒极电渗析装置11的脱盐作用，相较于第一流体14，第一输出流体(产品流体)16具有较低浓度的带电离子。相较于来自沉淀单元12并输入倒极电渗析装置11的第二流体15而言，第二输出流体(浓缩流体)17具有较高浓度的带电离子。在一些示例中，第一输出流体16也可被再次输入进倒极电渗析装置11中或其他电分离或电化学分离装置中进行进一步的脱盐处理。
在一定的应用中，第一流体14和第二流体15可含有相同或不同的种类的物质或其他杂质，且该物质或其他杂质的浓度也可相同或不同。在其他示例中，第二流体15中的多种物质或杂质的浓度可以达到或未达到饱和或超饱和的程度。
在本发明实施例中，所谓“倒极电渗析装置”可指一种利用阳离子交换膜和阴离子交换膜在一定的直流电场作用下并通过定期的极性切换来移除水或其他流体中的离子或带电物质的电化学分离(Electrochemical Separation)装置。在非限定示例中，其他的电化学分离装置，如超级电容脱盐(Supercapacitor Desalination，SCD)装置或电渗析(Electrodialysis，ED)装置也可使用在本发明实施例中。
在非限定示例中，倒极电渗析装置11包括一对电极，其分别作为阳极和阴极使用。复数片交替设置的阴离子交换膜和阳离子交换膜设置在该阳极和阴极间以形成复数个交替设置的第一和第二通道。阴离子交换膜仅可用来通过阴离子。阳离子交换膜仅可用来通过阳离子。在操作时，该第一和第二通道可分别作为淡室和浓室使用。进一步的，复数个隔网装置可设置在相邻的每两片离子交换膜间及电极与各自相应的离子交换膜间。
在一些实施例中，电极可包括金属材料，如钛或涂敷有铂等贵金属的钛。在一些应用中，电极可包括可导热或不导热的导电材料，且其可包括具有较小尺寸和较大的表面积的颗粒。在另一些实施例中，导电材料可包括一种或多种碳材料。在非限定示例中，碳材料可包括活性碳颗粒(Activated CarbonParticles)、多孔碳颗粒(Porous Carbon Particles)、碳纤维(Carbon Fibers)、碳气溶胶(Carbon Aerogels)、多孔中间相碳微球(Porous MesocarbonMicrobeads)或其组合。在其他示例子，导电材料可包括导电复合材料，如锰，铁，锰和铁的氧化物，钛、锆、钒、钨的碳化物或其组合。
隔网装置可包括任何离子可通过(Ion-permeable)的、非电子导电(Electronically Nonconductive)的材料，该材料可为网状及多孔或无孔的材料。在非限定示例中，用于阴离子交换膜的材料可包括含有季铵基团(Quaternary Amine Group)的聚合物材料。用于阳离子交换膜的材料可包括含有磺酸基团(Sulfonic Acid Group)或羧酸基团(Carboxylic Acid Group)的聚合物材料。
这样，在操作时，当倒极电渗析装置11在正常极性状态时，电流施加在其上，流体，如第一和第二输入流体14、15分别沿着第一输入通道(如实线20、21所示)并通过进口阀门18、19被输入进相应的交替设置的淡室和浓室中。
在淡室中，第一流体14中的阳离子通过阳离子交换膜朝向阴极移动以进入邻近的腔室中；其中的阴离子通过阴离子交换膜朝向阳极移动以进入另一个邻近的腔室中。在淡室每一侧的邻近的腔室(浓室)中，即使电场可对离子施加一定的牵引力，阳离子也不能通过阴离子交换膜进行迁移；阴离子也不能通过阳离子交换膜进行迁移。这样，阴阳离子就保留在相应的浓室中且浓度不断增大。
这样，第二流体15通过浓室以把从淡室迁移来的浓缩的阴阳离子移除出倒极电渗析装置11中，从而输出流体16、17分别经由相应的出口阀门22、23而进入相应的第一输出通道(如实线24、25所示)。相较于第一和第二流体14、15，输出流体16、17可分别具有较低和较高的带电物质。
倒极电渗析装置11的电极的极性可进行反转以避免或降低在其内发生结垢或沉淀的可能性。这样，在反极状态下，原先在正常极性状态下的淡室变成浓室以接收第二流体15，原先在正常极性状态下的浓室就变成淡室来接收第一流体14。
在反极性状态下操作时，第一和第二流体14、15可沿相应的第二输入通道(如虚线6、27所示)进入倒极电渗析装置11中进行处理。第一和第二输出流体16、17分别沿着第二输出通道(如虚线28、29所示)流出倒极电渗析装置11。在本发明示例中，倒极电渗析装置11并不局限于任何特定的可用来处理流体的倒极电渗析装置。
如图1所示，沉淀单元12可为容器，其可接收并把第二流体15输入进倒极电渗析装置11中，从而把从第一流体14中移除的带电离子带出倒极电渗析装置11并产生第二输出流体17。在本实施例中，沉淀单元12的上部(未标注)具有中空的圆柱形结构，其下部(未标注)具有圆锥形结构。在其他示例中，沉淀单元13可具有其他结构，比如圆柱形结构或矩形结构。
第二输出流体17可从沉淀单元12的上部被再次输入进沉淀单元12中。这样，第二流体15在倒极电渗析装置11和沉淀单元12间循环通过以提高水的回收率。在一定的应用中，第二输出流体17也可不输入进沉淀单元12中，脱盐系统10可设置有流体源(未图示)来输入第二流体15进入沉淀单元12中。
随着第二流体15的不断循环通过，其内含有的盐或其他杂质的浓度不断升高直到其达到饱和或超饱和状态。这样，当其内含有的盐或其他杂质的饱和或超饱和度达到一定程度，沉淀颗粒就出现在第二流体15中。在一些场合，沉淀颗粒也可能被人为添加到沉淀单元中以促进沉淀过程。在非限定示例中，沉淀单元12的上部的一部分(未标注)可作为固液分离区域(Solid-liquidSeparation Space)使用，以便于第二流体15中的沉淀颗粒从该流体中分离。在操作中，第二流体15可从沉淀单元12中的固液分离区域的上部被抽取出来以输入进倒极电渗析装置11中。在其他示例中，沉淀单元12也可不设置固液分离区域。
在第二输出流体17从沉淀单元12的上端输入进沉淀单元12后，部分过饱和物质在沉淀单元12内发生沉淀。由于重力沉降等作用，沉淀单元12内的固液分离区域上部含有相对较少的沉淀颗粒，以便从该区域抽取第二流体15进而循环至倒极电渗析装置11中。在一些示例中，具有较大尺寸的沉淀颗粒，比如直径大于一定值的沉淀颗粒可保留在沉淀单元12中设定的区域或在沉淀单元12的下部沉淀下来。然而，直径小于一定值的其他沉淀颗粒仍会分布在第二流体15中。
在一定的应用中，当没有对分散在来自沉淀单元12的第二流体15中的沉淀颗粒进行过滤的情况下，当第二流体15被输入进倒极电渗析装置11中时可能会导致在倒极电渗析装置11中发生沉淀或结垢现象。为了避免在倒极电渗析装置11脱盐过程中在其内发生沉淀或结垢现象，在本实施例中，可反洗过滤装置13设置在沉淀单元12和倒极电渗析装置11间，从而在来自沉淀单元12的第二流体15被输入进倒极电渗析装置11前对其进行过滤处理以移除其内至少一部分沉淀颗粒。
所谓“可反洗过滤装置”可指可再生过滤装置，其在使用后可通过冲洗流体，比如沿着与过滤操作时流动方向相反的方向流过过滤元件以使其可重新使用。
在非限定示例中，可反洗过滤装置可包括在正常操作模式下接收和过滤需要过滤的流体的过滤元件(未图示)及与过滤元件流体相通并在反洗模式下提供冲洗流体以把过滤元件中的从需要过滤的流体中过滤出的物质(也可称为累积的滤饼(Accumulated Filtration Cake))移除出可反洗过滤装置以便于可反洗过滤装置再生的反洗管道。所谓“正常操作模式”可指可反洗过滤装置对流体进行过滤时的模式。所谓“反洗模式”可指滤饼层被冲洗出可反洗过滤装置的模式。在非限定示例中，用于过滤元件的材料可包括聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)，因其与滤饼间具有较小的粘附性，从而便于滤饼的剥离和过滤元件的再生。
在本发明示例中，可反洗过滤装置13并不局限于任何特定的用来过滤流体15的可反洗过滤装置。在一个示例中，可反洗过滤装置13可使用由位于美国纽约州华盛顿的Pall公司出售的可反洗过滤装置。
这样，在来自沉淀单元12的第二流体15通过可反洗过滤装置13进行过滤以便于输入进倒极电渗析装置11的过程中，第二流体15中的至少一部分沉淀颗粒被过滤掉。随着可反洗过滤装置13的不断过滤，其内过滤元件上附着的沉淀颗粒不断累积。当聚积的沉淀颗粒达到一定的程度，可反洗过滤装置13可从正常操作模式切换到反洗模式，从而冲洗流体30被输入进可反洗过滤装置13中以移除在其内聚积的沉淀颗粒以便于可反洗过滤装置13的再生并产生排出流体31。在非限定示例中，在反洗模式下，洗涤流体30可沿着与第二流体15在可反洗过滤装置13中的流动方向相反的方向流过可反洗过滤装置13中的过滤元件。
在本实施例中，冲洗流体30和第一流体14可来自相同的流体源，从而一部分第一流体14可作为冲洗流体30使用。在其他示例中，沉淀单元12或其他流体源可用来提供冲洗流体30。排出流体31可输入或不输入进沉淀单元12中。
在使用可反洗过滤装置13进行过滤后，第二流体15中的沉淀颗粒的浓度便会降低。如图1所示，过滤装置32也可设置在可反洗过滤装置13和倒极电渗析装置11间并与其流体相通，以作为后备过滤装置对来自可反洗过滤装置13的第二流体15进行进一步的过滤。在一些示例中，过滤装置32可包括可反洗过滤装置或其他过滤装置，比如筒式过滤器。
在一定的应用中，为了确保脱盐系统10持续运行，如图2所示，脱盐系统10可进一步包括与(第一)可反洗过滤装置13平行设置的可对来自沉淀单元12的流体15进行过滤的第二可反洗过滤装置36。这样，当第一可反洗过滤装置13处于反洗模式时，第二可反洗过滤装置36可处于正常操作模式从而继续进行过滤操作以确保脱盐系统10持续稳定的运行。在一定的应用中，两个以上的可反洗过滤装置可平行设置来相互配合以确保脱盐系统10持续稳定的运行。
在一定的示例中，一定量的流体33可从沉淀单元12的上部从流体15中移除来使沉淀单元12中的流体体积和离子浓度维持相对稳定。流体33可与从沉淀单元底部移除的流体34相混合形成了排出流体35。
在一些实施例中，第二流体15中的盐或其他杂质的沉淀不会发生直到其饱和度或超饱和度达到相对较高的水平。因此，在一些示例中，晶种颗粒(SeedParticles)可添加进沉淀单元12中以诱导流体中含有的盐或其他杂质在相对较低的浓度下发生沉淀。晶种颗粒可包括固体颗粒，其包括但不限于硫酸钙颗粒。
在本发明实施例中，脱盐系统10设置有可反洗过滤装置，其可在来自沉淀单元12的流体15进入倒极电渗析装置11前对该流体进行过滤处理，从而避免在倒极电渗析装置11中发生结垢或沉淀现象以促使其稳定运行。与传统的设置有一次性(Once-through)过滤装置，如筒式过滤器的脱盐系统相比，可反洗过滤装置可通过反洗得以再生而无须频繁更换过滤元件，从而提高了系统的效率并降低了运行成本。
此外，在传统的没有使用可反洗过滤装置的脱盐系统中，其沉淀容器需要具有较大的尺寸以定义出固液分离区域来便于沉淀颗粒从流体中分离出来，从而避免当来自沉淀单元的流体进入倒极电渗析装置后导致在其内发生沉淀或结垢现象。通常，工程参数(Engineering Parameter)，即“上升速度”(Rising Rate)可被用来确定在沉淀单元中设置的固液分离区域的尺寸。根据定义，所谓“上升速度”是指当从固液分离区域的上部抽取流体时流体的表观线性流速(Superficial Upward Linear Flow Velocity)，其是流体的抽取速率(Extracting Flow Rate)和固液分离区域截面面积(Sectional Area)的比值。
在传统的脱盐系统中，没有设置可反洗过滤装置时，上升速度通常设计为小于每平方英尺(1平方英尺等于0.09290304平方米)每分钟0.5加仑(1加仑约为3.785升)，比如每平方英尺每分钟0.25加仑，这样以确保其固液分离的性能处于一个合适的水平，从而将过滤元件的更换频率控制在合理的范围内。
在本发明实施例中，由于设置有可反洗过滤装置，其对流体中沉淀颗粒的含量具有更高的容忍度，所以沉淀单元12可以设置更小的固液分离区域，相应地沉淀单元12的尺寸就可以缩小。在一个非限定示例中，由于可反洗过滤装置的设置，沉淀单元12的上升速度可设计为大于每平方英尺每分钟0.5加仑，比如每平方英尺每分钟0.75加仑。在其它实施例中，沉淀单元12的上升速度可设计为大于每平方英尺每分钟1.0加仑，比如每平方英尺每分钟1.5加仑。
由于具有较高的上升速度，沉淀单元12中的固液分离区域就可相应的减少。比如，当沉淀单元12的上升速度从每平方英尺每分钟0.25加仑上升到每平方英尺每分钟1.5加仑，与传统的没有设置可反洗过滤装置的脱盐系统相比较，沉淀单元12中的固液分离区域可减少约83％，这表明沉淀单元12的尺寸可大大缩小。在一定的应用中，由于可反洗过滤装置13的使用，沉淀单元12中可甚至不设置固液分离区域，这进一步的缩小了沉淀单元12的尺寸。
由于固液分离区域的缩小甚至不设置，沉淀单元的尺寸相应的被缩小，从而沉淀单元的成本也就被减少，而且安装沉淀单元的难度也得以降低。这样也就提高了脱盐系统的适应性，使脱盐系统在具有较高效率和性能的同时增强了其在工业领域的应用。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (14)
1.一种脱盐系统，包括：
倒极电渗析装置，其用来接收第一流体以对该流体进行脱盐处理及接收第二流体以移走从所述第一流体中移除的离子；
沉淀单元，其与所述倒极电渗析装置流体相通，用以提供第二流体使其在该沉淀单元与所述倒极电渗析装置间循环；及
可反洗过滤装置，其设置在所述倒极电渗析装置和所述沉淀单元之间并与其流体相通，用以在正常操作模式下对所述第二流体进行过滤,
其中所述沉淀单元设置有固液分离区域，该固液分离区域的上部用于提供所述第二流体用于输入进所述倒极电渗析装置，且在所述沉淀单元通过其固液分离区域的上部向所述倒极电渗析装置提供所述第二流体时，所述沉淀单元中的固液分离区域的上升速度大于每平方英尺每分钟0.5加仑；
所述可反洗过滤装置包括过滤元件，该过滤元件包括聚四氟乙烯材料。
2.如权利要求1所述的脱盐系统，其中所述可反洗过滤装置用来进一步接收冲洗流体，其在所述可反洗过滤装置处于反洗模式下时对所述可反洗过滤装置进行反洗并产生排出流体。
3.如权利要求2所述的脱盐系统，其中所述第一流体和所述冲洗流体来自于相同的流体源。
4.如权利要求2所述的脱盐系统，其中来自于所述可反洗过滤装置的所述排出流体被输入进所述沉淀单元。
5.如权利要求1所述的脱盐系统，其进一步包括设置在所述可反洗过滤装置及所述倒极电渗析装置间并与其流体相通的过滤装置，其进一步过滤来自于所述可反洗过滤装置的所述第二流体。
6.如权利要求5所述的脱盐系统，其中所述过滤装置包括筒式过滤器。
7.如权利要求1所述的脱盐系统，其包括复数个彼此平行设置的可反洗过滤装置来过滤来自于所述沉淀单元的所述第二流体。
8.如权利要求1所述的脱盐系统，其中在所述沉淀单元通过其固液分离区域的上部向所述倒极电渗析装置提供所述第二流体时，所述沉淀单元中的固液分离区域的上升速度大于每平方英尺每分钟1.0加仑。
9.一种脱盐方法，包括：
提供第一流体通过倒极电渗析装置进行脱盐处理；
经由沉淀单元提供第二流体通过所述倒极电渗析装置以移走来自于所述第一流体中的离子；及
在来自于所述沉淀单元的所述第二流体进入所述倒极电渗析装置前，使用可反洗过滤装置在其正常操作模式下对所述第二流体进行过滤，
其中所述沉淀单元设置有固液分离区域，所述第二流体是从所述固液分离区域的上部抽取出来并在所述可反洗过滤装置处于正常操作模式下被输入进所述倒极电渗析装置的，且在所述第二流体从所述固液分离区域的上部抽取出来用于输入进所述倒极电渗析装置过程中，在所述沉淀单元中的固液分离区域处的上升速度大于每平方英尺每分钟0.5加仑；
所述可反洗过滤装置包括过滤元件，该过滤元件包括聚四氟乙烯材料。
10.如权利要求9所述的脱盐方法，其中当所述第二流体从所述固液分离区域的上部抽取出来用于输入进所述倒极电渗析装置过程中，在所述沉淀单元中的固液分离区域处的上升速度大于每平方英尺每分钟1.0加仑。
11.如权利要求9所述的脱盐方法，进一步包括在所述可反洗过滤装置处于反洗模式时提供冲洗流体通过所述可反洗过滤装置并产生排出流体。
12.如权利要求11所述的脱盐方法，进一步包括把所述排出流体输入进所述沉淀单元，其中所述冲洗流体与所述第一流体来自于相同的流体源。
13.如权利要求9所述的脱盐方法，进一步包括通过设置在所述可反洗过滤装置及所述倒极电渗析装置间并与其流体相通的过滤装置来进一步过滤所述第二流体。
14.如权利要求9所述的脱盐方法，其中使用复数个彼此平行设置的可反洗过滤装置来过滤所述第二流体。
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