CN104085955A - 海水淡化水的两级床去离子方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水淡化水的两级床去离子方法和装置。由填充强酸及弱碱树脂的混床、填充弱碱树脂的阴床串联而成。水除盐时，海水淡化水通过混床，水中Na+被强酸树脂吸附，部分Cl-被弱碱树脂吸附，其余Cl-以HCl形式存在于出水；出水通过阴床，HCl被弱碱树脂吸收，制得产品水。树脂再生时，对混床施加高压直流电，水电离产生H+及OH-来再生混床树脂，并形成含NaOH及NaCl的碱性再生液通过阴床，对弱碱树脂进行化学再生。再生浓缩液pH呈中性，回用至反渗透等除盐设备。本发明水除盐时，以混床发挥出阴床的交换能力，保证出水水质；树脂再生时，以混床的电再生推动阴床的化学再生，阴床再生无需能耗，可降低树脂电再生成本。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化方法及装置，尤其是涉及一种海水淡化水的两级床去离子方法和装置。
技术背景
因淡水资源短缺，蒸馏法及膜分离法被广泛用于从海水中制取初级淡水。海水蒸馏法产水电导率一般在10-70μS/cm，海水膜法产水的电导率可低至10-50μS/cm水平（二级反渗透）；上述海水淡化水的主要盐类均为NaCl，电导率为数十μS/cm，pH呈弱酸性。为获得高纯水，须对该类初级产水作进一步除盐处理。离子交换混床或电去离子（EDI）要求进水电导较低，往往不适合直接处理该电导水平的进水，因而工程上需要一种可将进水电导从数十μS/cm处理至数个μS/cm的除盐方法，布置于混床或EDI之前来延长混床运行周期、保证EDI出水水质。
离子交换复床可以实现上述功能，但失效的阴阳树脂需分别以碱液和酸液再生，存在着药剂浪费严重、操作繁琐、酸碱废液易污染环境、需配套废水处理设备等不足。因而，若能提出一种新型高效的绿色除盐技术，代替传统复床功能，则将具有广阔的应用市场。已授权的发明专利（专利号201210016704.9）报道了一种氢氧气体直接外排的无膜电去离子方法与系统，并在文章（W.Q. Su, R.Y. Pan, Y. Xiao, X.M. Chen. Membrane-free electrodeionization for high purity water production. Desalination, 2013, 329: 86-92.）中对其运行工艺做了详细描述。该技术将纯水制备过程和树脂再生过程在同一树脂柱中交替进行，即在树脂运行失效后，采用高压直流电来再生树脂，以自上而下的水流带走再生出的离子，之后再进行水处理，依次循环。该技术能够将电导率20μS/cm以下的进水直接处理为高纯水，但在处理更高电导率（如50μS/cm）进水时能耗很高、经济性不佳，并不适合上述海水淡化水的除盐；且该技术为了兼顾处理及再生效果，装置内搭配使用弱酸、强酸、强碱等三种树脂，在处理海水淡化水等偏酸性水时，弱酸树脂交换容量难以有效发挥，显著降低设备运行性能。针对海水淡化水含盐量为数十μS/cm、pH呈弱酸性的特点，拟采用强酸、弱碱搭配组合，构造一种两级床无膜电去离子新工艺，以实现对海水淡化水或其他类似特征介质的除盐处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海水淡化水的两级床去离子方法和装置，水处理阶段，以混床除去海水淡化水中的阳离子及少量阴离子，以阴床除去水中剩余阴离子；再生阶段，对混床进行原位电再生，以其碱性再生液对阴床进行化学再生。
本发明采用的技术方案是：
一、一种海水淡化水的两级床去离子方法：
由混床和阴床串联而成；混床中的混床树脂层两端安装有一对正负电极，交替进行水除盐及树脂再生；水除盐阶段，海水淡化水通过混床，水中Na+被混床树脂中的强酸树脂吸附，部分Cl-被混床树脂中的弱碱树脂吸附，其余Cl-以HCl形式存在于出水；该出水通过阴床，HCl被弱碱树脂吸收后，制得产品水；树脂再生阶段，对混床施加高压直流电，产品水电离产生H+及OH-来再生混床树脂，混床树脂中的弱碱树脂再生时能够促进强酸树脂的电再生；再生出的Na+离子、Cl-离子及多余的OH-离子由自上而下的产品水流带走，形成含NaOH及NaCl的碱性再生液；将碱性再生液通过阴床，对弱碱树脂进行化学再生；含NaCl的再生浓缩液pH呈中性，回用至反渗透除盐设备入口。
所述混床中的混床树脂为强酸树脂与弱碱树脂以体积比2～8:1混合而成；所述阴床中的阴床树脂为弱碱树脂。
所述混床及阴床中，强酸树脂总交换容量与弱碱树脂总交换容量之比为1: 1.1～2.5。
二、一种海水淡化水的两级床去离子装置：
本发明是由混床和阴床串联而成；其中：
混床：包括带排气口的混床顶盖、带出水口的混床绝缘筒体和带进水口的混床底盖组成；混床顶盖与混床绝缘筒体上端之间设有混床上密封圈，混床底盖与混床绝缘筒体下端之间设有混床下密封圈，混床绝缘筒体内从上至下依次设有压力弹簧、上多孔支撑板、上电极、混床树脂、下电极与下多孔支撑板；上电极固定于上多孔支撑板下部，下电极固定于下多孔支撑板上部；上电极与高压直流电源的正极相连，下电极与高压直流电源的负极相连；排气口与排气阀相连；出水口与混床出水阀及再生进水阀相连；进水口与进水阀及混床再生液出口阀相连；
阴床：包括带上接口的阴床顶盖、阴床绝缘筒体和带下接口的阴床底盖组成；阴床顶盖与阴床绝缘筒体上端之间设有阴床上密封圈，阴床底盖与阴床绝缘筒体下端之间设有阴床下密封圈，阴床绝缘筒体中填充阴床树脂，上接口与阴床出水阀和混床再生液出口阀相连，阴床出水阀出口接产水箱，产水箱经再生泵与出水口相连；下接口与混床出水阀和阴床再生液出口阀相连。
所述上电极和下电极均采用孔尺寸小于树脂颗粒粒径的微孔网状电极。
所述高压直流电源是能为混床树脂层供给电流密度100～500A/m2，电压500-1500V的直流电源。
本发明具有的有益效果是：
强酸树脂除盐能力强，但再生能力弱（需电再生），而弱碱树脂易被再生，但除盐能力较弱（适合酸性环境下除盐）。本发明借助强/弱树脂的处理能力与再生特点，在混床中填充大量强酸树脂及少量弱碱树脂，阴床中填充弱碱树脂。在水处理阶段，混床中强酸树脂起主要作用，将水中NaCl转化为HCl，海水淡化水通过树脂层后呈酸性，利于后续弱碱树脂交换容量的发挥；而在再生阶段，仅需对混床树脂进行电再生，此时混床中少量的弱碱树脂可显著促进强酸树脂的再生，产生含NaOH及NaCl的碱性再生液，将碱性再生液通过阴床，对弱碱树脂进行化学再生。该工艺特点可以概括为：水处理阶段，以混床发挥出阴床的交换能力，可保证产水水质；树脂再生阶段，以混床的电再生实现阴床的化学再生，阴床树脂无需电再生，可显著降低树脂再生能耗。
本发明搭配使用强酸树脂与弱碱树脂，不使用弱酸树脂，适合海水淡化水等弱酸性介质的除盐处理；混床填充大量强酸树脂及少量弱碱树脂，因强酸树脂的优良导电性，混床的导电能力强，故其再生能耗很低；同时，大量强酸树脂搭配少量弱碱树脂，使得混床在除盐处理时能够达到很高的饱和度，因而再生液浓度也较高，故十分适合对数十μS/cm的海水淡化水或其他类似特性介质进行电去离子处理。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图2是图1混床的A-A剖面图。
图3是图1阴床的A-A剖面图。
图中：1.排气口，2.混床顶盖，3.出水口，4.混床绝缘筒体，5.进水口，6.混床底盖，7.混床上密封圈，8.混床下密封圈，9.压力弹簧，10.上多孔支撑板，11.上电极，12.下多孔支撑板，13.下电极，14.混床树脂，15.上接口，16.阴床顶盖，17.下接口，18.阴床底盖，19.阴床绝缘筒体，20.阴床上密封圈，21.阴床下密封圈，22.阴床树脂，23.高压直流电源，24.产水箱，25.进水阀，26.混床出水阀，27.阴床出水阀，28.再生泵，29.再生进水阀，30.排气阀，31.混床再生液出口阀，32.阴床再生液出口阀，33.混床，34.阴床。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本发明它由混床33和阴床34串联而成；其中：
混床33：包括带排气口1的混床顶盖2、带出水口3的混床绝缘筒体4和带进水口5的混床底盖6组成；混床顶盖2与混床绝缘筒体4上端之间设有混床上密封圈7，混床底盖6与混床绝缘筒体4下端之间设有混床下密封圈8，混床绝缘筒体4内从上至下依次设有压力弹簧9、上多孔支撑板10、上电极11、混床树脂14、下电极13与下多孔支撑板12；上电极11固定于上多孔支撑板10下部，下电极13固定于下多孔支撑板12上部；上电极11与高压直流电源23的正极相连，下电极13与高压直流电源23的负极相连；排气口1与排气阀30相连；出水口3与混床出水阀26及再生进水阀29相连；进水口5与进水阀25及混床再生液出口阀31相连；
阴床34：包括带上接口15的阴床顶盖16、阴床绝缘筒体19和带下接口17的阴床底盖18组成； 阴床顶盖16与阴床绝缘筒体19上端之间设有阴床上密封圈20，阴床底盖18与阴床绝缘筒体19下端之间设有阴床下密封圈21，阴床绝缘筒体19中填充阴床树脂22，上接口15与阴床出水阀27和混床再生液出口阀31相连，阴床出水阀27出口接产水箱24，产水箱24经再生泵28与出水口3相连；下接口17与混床出水阀26和阴床再生液出口阀32相连。
所述上电极11和下电极13均采用孔尺寸小于树脂颗粒粒径的微孔网状电极。
所述高压直流电源23是能为混床树脂层供给电流密度100～500A/m2，电压500-1500V的直流电源。
所述混床中的混床树脂为强酸树脂与弱碱树脂以体积比2～8:1混合而成；所述阴床中的阴床树脂为弱碱树脂。
所述混床及阴床中，强酸树脂总交换容量与弱碱树脂总交换容量之比为1: 1.1～2.5。
本发明的处理及再生过程如下：
两级床无膜电去离子方法的除盐过程及电再生过程交替进行。
进行海水淡化水除盐处理时，关闭再生进水阀29、排气阀30、混床再生液出口阀31、阴床再生液出口阀32，打开进水阀25、混床出水阀26、阴床出水阀27，海水淡化水通过进水阀25进入混床33，自下而上通过混床树脂14；水中Na+被混床树脂14中的强酸树脂吸附，部分Cl-被混床树脂14中的弱碱树脂吸附，其余Cl-以HCl形式存在于出水，使混床出水呈酸性；混床出水从出水口3排出，经混床出水阀26流向阴床34，自下而上通过阴床树脂22；该阶段阴床树脂22将水中HCl吸收，制得产品水；产品水经阴床出水阀27流入产水箱24。
进行树脂原位电再生时，关闭进水阀25、混床出水阀26、阴床出水阀27，打开再生进水阀29、排气阀30、混床再生液出口阀31、阴床再生液出口阀32；打开再生泵28将产水箱24中的产品水通过再生进水阀29从出水口3进入混床33；打开高压直流电源23，对混床树脂14施加高压直流电，树脂表面的水电离产生H+及OH-，促使混床树脂14的再生；混床树脂14吸附的离子将从树脂相转移至水相，而被自上而下的水流经混床再生液出口阀31带出，混床33中树脂得到高效再生；再生过程中，上电极11产生的气体依靠自身浮力由排气口1经排气阀30排出，下电极13产生的气体由自上而下的水流携带出混床33；含NaOH及NaCl而呈碱性的混床再生液从上接口15流入阴床34，自上而下通过阴床树脂22，对阴床树脂22进行化学再生，阴床34中弱碱树脂得到高效再生，含NaCl的再生液经下接口17通过阴床再生液出口阀32排出。再生液可回用至反渗透等除盐装置入口。
实施例：
电导率约50μS/cm的海水淡化水采用图1所示的两级床去离子方法进行除盐处理。混床填充按体积比4:1混合的强酸阳树脂与弱碱阴树脂，阴床填充弱碱阴树脂，混床树脂层高50cm，阴床树脂层高80cm。操作条件如下：再生电流密度200A/m2、再生水流流速20m/h，再生时间30min，再生后处理流速为25m/h。运行结果如下：再生过程平均电压为680V，再生液平均电导为442μS/cm，pH为6.0；处理出水平均电导为1.1μS/cm，除盐率为97.8%，水回收率为88.7%，能耗0.81KWh/m3。
Claims (6)
1. 一种海水淡化水的两级床去离子方法，其特征在于：由混床和阴床串联而成；混床中的混床树脂层两端安装有一对正负电极，交替进行水除盐及树脂再生；水除盐阶段，海水淡化水通过混床，水中Na+被混床树脂中的强酸树脂吸附，部分Cl-被混床树脂中的弱碱树脂吸附，其余Cl-以HCl形式存在于出水；该出水通过阴床，HCl被弱碱树脂吸收后，制得产品水；树脂再生阶段，对混床施加高压直流电，产品水电离产生H+及OH-来再生混床树脂，混床树脂中的弱碱树脂再生时能够促进强酸树脂的电再生；再生出的Na+离子、Cl-离子及多余的OH-离子由自上而下的产品水流带走，形成含NaOH及NaCl的碱性再生液；将碱性再生液通过阴床，对弱碱树脂进行化学再生；含NaCl的再生浓缩液pH呈中性，回用至反渗透除盐设备入口。
2. 根据权利要求1所述的一种海水淡化水的两级床去离子方法，其特征在于：所述混床中的混床树脂为强酸树脂与弱碱树脂以体积比2～8:1混合而成；所述阴床中的阴床树脂为弱碱树脂。
3. 根据权利要求1所述的一种海水淡化水的两级床去离子方法，其特征在于：所述混床及阴床中，强酸树脂总交换容量与弱碱树脂总交换容量之比为1: 1.1～2.5。
4. 根据权利要求1所述方法的一种海水淡化水的两级床去离子装置，其特征在于，它由混床（33）和阴床（34）串联而成；其中：
混床（33）：包括带排气口（1）的混床顶盖（2）、带出水口（3）的混床绝缘筒体（4）和带进水口（5）的混床底盖（6）组成；混床顶盖（2）与混床绝缘筒体（4）上端之间设有混床上密封圈（7），混床底盖（6）与混床绝缘筒体（4）下端之间设有混床下密封圈（8），混床绝缘筒体（4）内从上至下依次设有压力弹簧（9）、上多孔支撑板（10）、上电极（11）、混床树脂（14）、下电极（13）与下多孔支撑板（12）；上电极（11）固定于上多孔支撑板（10）下部，下电极（13）固定于下多孔支撑板（12）上部；上电极（11）与高压直流电源（23）的正极相连，下电极（13）与高压直流电源（23）的负极相连；排气口（1）与排气阀（30）相连；出水口（3）与混床出水阀（26）及再生进水阀（29）相连；进水口（5）与进水阀（25）及混床再生液出口阀（31）相连；
阴床（34）：包括带上接口（15）的阴床顶盖（16）、阴床绝缘筒体（19）和带下接口（17）的阴床底盖（18）组成；阴床顶盖（16）与阴床绝缘筒体（19）上端之间设有阴床上密封圈（20），阴床底盖（18）与阴床绝缘筒体（19）下端之间设有阴床下密封圈（21），阴床绝缘筒体（19）中填充阴床树脂（22），上接口（15）与阴床出水阀（27）和混床再生液出口阀（31）相连，阴床出水阀（27）出口接产水箱（24），产水箱（24）经再生泵（28）与出水口（3）相连；下接口（17）与混床出水阀（26）和阴床再生液出口阀（32）相连。
5. 根据权利要求4所述的一种海水淡化水的两级床去离子装置，其特征在于：所述上电极（11）和下电极（13）均采用孔尺寸小于树脂颗粒粒径的微孔网状电极。
6. 根据权利要求4所述的一种海水淡化水的两级床去离子装置，其特征在于：所述高压直流电源（23）是能为混床树脂层供给电流密度100～500A/m2，电压500-1500V的直流电源。
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