CN104445535B - 螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统。至少包括两个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置；每个装置的下接口分别经二通阀与各自三通阀的常通端相连；三通阀的另外两端中的一端与进水管相并接，另一端与浓水管并接；每个装置的上接口分别接二通阀并接后与出水管相连接。本发明的树脂层易被高度紧压，上下树脂颗粒间能始终保持紧密接触，有利于减小树脂层电阻，降低所需再生电压。上电极上产生的少量气泡进入树脂层后不会引起再生电压的显著增加，简化结构；系统能连续、稳定地制备高纯水。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以去除离子性杂质为目的的其他水与废水的处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种电去离子装置，尤其是涉及一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统。
技术背景
电力、半导体、医药、化工等行业在生产过程中常需消耗大量高纯水。高纯水的制备，国内外先后经历了三代处理工艺。第一代为“预处理+离子交换”，其中预处理主要用于去除胶体与细小的悬浮颗粒，而离子交换则用于去除离子态杂质。作为第一代核心的离子交换，虽净化效率高，但操作麻烦，劳动强度大，且再生过程中有大量酸碱废水产生，不利于环保。随着反渗透与电渗析等膜分离技术的快速发展，从上世纪70年代开始，逐渐形成了“预处理+膜分离+离子交换”的第二代工艺。由于膜分离能去除水中大部分溶解性杂质，因此离子交换的再生次数明显减少，使劳动强度与酸碱废水产生量得以大幅下降。1987年，美国的Millipore公司推出了革命性的EDI产品，由此引发了第三代工艺—“预处理+膜分离+EDI”的诞生。EDI充分发挥了离子交换与电渗析两者的技术特长，不仅处理效率高，而且无需化学再生，环境友好，操作简便。但是，EDI目前尚存在装置结构复杂，制作成本高，维修困难，运行过程中易产生膜污染等问题。这使得一些处理规模大的用户，如电厂，宁愿选择离子交换，而不愿使用EDI。
近年来，EDI技术有了新突破。已授权专利（专利号为ZL201110048386.X；ZL201210016704.9）介绍了一种无需离子交换膜的EDI技术（简称MFEDI）。MFEDI不但彻底摈弃了传统EDI所需的膜组件，而且保持了很高的净化效率，出水水质能满足众多行业对纯水的要求。但是，要成功地实现工业化应用，MFEDI尚有一些关键性问题需要进一步解决。首先，其装置结构不合理，需要改进。通常，树脂的导电性优，水的导电性差，因此树脂颗粒间必须保持紧密接触，否则树脂层内的电压降将显著增加，浪费能耗。已授权专利（专利号为ZL201210016704.9）介绍了在顶盖与多孔板之间安装弹簧的方法来紧压树脂层。这种方法主要适用于小型的MFEDI实验装置。对于大型的工业化MFEDI装置，所需的弹簧作用力将大幅增加。这一方面会使装置的安装非常困难，树脂层难以被压紧，导致树脂层电阻增加，所需再生电压与能耗上升；另一方面有可能因弹簧作用力直接施加于顶盖下侧而造成装置破损。MFEDI需要解决的另一关键问题是如何合理组合各个MFEDI装置，构建成能连续稳定地制水的集成系统。原理上，MFEDI相当于一种在水流协助下利用直流电对失效树脂进行再生的离子交换技术，可俗称为电再生离子交换或电离子交换，当内充阴阳混合树脂时，MFEDI装置还可俗称为电再生混床或电混床。因此，类似于常规离子交换，单台MFEDI装置只能间歇操作，不能连续制水。欲实现连续且流量稳定的制水，有必要对多台MFEDI装置进行合理组合。
发明内容
本发明的目的在于提供安装方便，树脂层易被压紧，且结构简单的一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统。
本发明采用的技术方案是：
该系统至少包括两个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置，每个螺杆紧压式无膜电去离子装置，均包含由带有上接口和电缆密封接头的顶盖，筒状壳体，和带有排水口和下接口的底盖组成的绝缘腔体；绝缘腔体内从上至下依次安装有上多孔压板、上电极、离子交换树脂层、下电极、下多孔压板和挡圈，上多孔压板与筒状壳体内圈间装有上多孔压板密封圈，下多孔压板与筒状壳体内圈间装有下多孔压板密封圈；螺杆自上而下同轴依次穿过上多孔压板、上电极、离子交换树脂层、下电极和下多孔压板，螺杆下端与下电极和下多孔压板用螺母固定连接，位于上多孔压板上面一段的螺杆内套有弹簧，弹簧的一端压在上多孔压板上，弹簧的另一端用上螺母压紧；上电极和下电极分别接导线后通过电缆密封接头与直流电源连接；
两个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置组成一个系统，第一个装置的下接口经第一个二通阀与第一个三通阀的常通端相连，第二个装置的下接口经第二个二通阀与第二个三通阀的常通端相连；两个三通阀的另外两端中的一端与进水管相并接，两个三通阀的另外两端中的另一端与浓水管相并接；第一个装置的上接口经第三个二通阀和第二个装置的上接口经第四个二通阀通过管道并接后与出水管相连接。
所述离子交换树脂层至少同时包含一种阳离子交换树脂与一种阴离子交换树脂；阴阳树脂均匀互混后填充；或将不同比例或不同种类的阴阳树脂分别加以均匀混合后分多层填充；或为了阻断离子的反向电迁移以阳树脂、阴树脂、阳树脂、阴树脂……的交替方式分多层填充，或以阴阳均匀混合树脂、阴树脂或阳树脂、阴阳均匀混合树脂、阴树脂或阳树脂……的交替方式分多层填充。
所述上电极与下电极中的一个电极为阳极，另一个电极为阴极。
所述上电极与下电极均采用孔尺寸小于离子交换树脂颗粒粒径的微孔网状电极。
或者所述上电极采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但上电极与上多孔压板之间添加1~2层孔径小于离子交换树脂颗粒粒径的滤网或滤布；所述下电极采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但下电极与下多孔压板之间添加1~2层孔径小于离子交换树脂颗粒粒径的滤网或滤布。
或者所述下电极采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但在下电极与下多孔压板之间安装有与下多孔压板孔数相同个数的滤水帽，滤水帽的出水端与下多孔压板上的孔道相接。
本发明具有的有益效果是：
1）装置安装方便，且不易受损。
2）树脂层易被高度紧压，有利于减小树脂层电阻，降低所需再生电压。
3）由于树脂层可被高度紧压，上下树脂颗粒间能始终保持紧密接触，上电极上产生的少量气泡进入树脂层后不会引起再生电压的显著增加，简化装置结构。
4）集成系统能连续、稳定地制备高纯水。
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以去除离子性杂质为目的的其他水与废水的处理。
附图说明
图1是本发明MFEDI装置的结构原理图。
图2是本发明的实施例1主视图。
图3是图2的俯视图。
图4是图2的右视图。
图5是本发明的实施例2主视图。
图6是图5的俯视图。
图7是图5的右视图。
图中：1、上接口，2、电缆密封接头，3、顶盖，4、顶盖密封圈，5、筒状壳体，6、螺杆，7、上螺母，8、上垫片，9、弹簧，10、中上垫片，11、上多孔压板，12、上多孔压板密封圈，13、上电极，14、绝缘套管，15、离子交换树脂层，16、中螺母，17、中下垫片，18、下电极，19、下多孔压板密封圈，20、下多孔压板，21、下垫片，22、下螺母，23、挡圈，24、底盖密封圈、25、排水口，26、下接口，27、底盖，28、二通阀，29、三通阀。
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所示，该系统至少包括两个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置，每个螺杆紧压式无膜电去离子装置，均包含由带有上接口1和电缆密封接头2的顶盖3，筒状壳体5，和带有排水口25和下接口26的底盖27组成的绝缘腔体，顶盖3与筒状壳体5上端面之间装有顶盖密封圈，底盖27与筒状壳体5下端面之间装有顶盖密封圈；绝缘腔体内从上至下依次安装有上多孔压板11、上电极13、离子交换树脂层15、下电极18、下多孔压板20和挡圈23，上多孔压板11与筒状壳体5内圈间装有上多孔压板密封圈12，下多孔压板20与筒状壳体5内圈间装有下多孔压板密封圈19；外套有绝缘套管14的螺杆6自上而下同轴依次穿过上多孔压板11、上电极13、离子交换树脂层15、下电极18和下多孔压板20，螺杆6下端与下电极18和下多孔压板20用螺母固定连接(即螺杆6下端从上至下依次装有中螺母16、中下垫片17、下垫片21和下螺母22，中螺母16、中下垫片17位于下电极18上面一侧，下垫片21和下螺母22位于下多孔压板20下面一侧，用中螺母16和下螺母22夹紧)，位于上多孔压板11上面一段的螺杆6内套有弹簧9，弹簧9的一端通过中上垫片10压在上多孔压板11上，弹簧9的另一端通过上垫片8用上螺母7压紧；上电极13和下电极18分别接导线后通过电缆密封接头2与直流电源连接；
两个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置组成一个系统，第一个装置的下接口经第一个二通阀与第一个三通阀的常通端相连，第二个装置的下接口经第二个二通阀与第二个三通阀的常通端相连；两个三通阀的另外两端中的一端与进水管相并接，两个三通阀的另外两端中的另一端与浓水管相并接；第一个装置的上接口经第三个二通阀和第二个装置的上接口经第四个二通阀通过管道并接后与出水管相连接。
如图1所示，所述离子交换树脂层15至少同时包含一种阳离子交换树脂与一种阴离子交换树脂；阴阳树脂均匀互混后填充；或将不同比例或不同种类的阴阳树脂分别加以均匀混合后分多层填充；或为了阻断离子的反向电迁移以阳树脂、阴树脂、阳树脂、阴树脂……的交替方式分多层填充，或以阴阳均匀混合树脂、阴树脂或阳树脂、阴阳均匀混合树脂、阴树脂或阳树脂……的交替方式分多层填充。
所述上电极13与下电极18中的一个电极为阳极，另一个电极为阴极。
所述上电极13与下电极18均采用孔尺寸小于离子交换树脂颗粒粒径的微孔网状电极。
或者所述上电极13采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但上电极13与上多孔压板11之间添加1~2层孔径小于离子交换树脂颗粒粒径的滤网或滤布；或者所述下电极18采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但下电极18与下多孔压板20之间添加1~2层孔径小于离子交换树脂颗粒粒径的滤网或滤布(图1中未画出)。
或者所述下电极18采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但在下电极18与下多孔压板20之间安装有与下多孔压板20孔数相同个数的滤水帽，滤水帽的出水端与下多孔压板20上的孔道相接(图1中未画出)。
本发明的单个MFEDI装置处理与再生过程如下：
本发明的单个MFEDI装置采取间歇操作，处理与再生交替进行。处理时，直流电源不向其供电，水流首先自下接口26进入，然后自下至上依次流过下多孔压板20、下电极18、离子交换树脂层15、上电极13、上多孔压板11，处理后的高纯水最终自上接口1流出。再生时，直流电源供电，利用上电极13上产生的H+离子或OH-离子以及由直流电促进水电离而产生的H+离子与OH-离子分别对失效阳离子树脂与阴离子树脂进行再生；与此同时，经过处理的高纯水从上接口1进入，自上至下流动，流过离子交换树脂层15时便可携带脱附下来的杂质离子，最终含有脱附下来的杂质离子的浓水自下接口26流出。再生过程中上电极13上产生的大部分气泡积累在顶盖3下侧，并在下一处理过程中随处理后的高纯水流出上接口1；少部分气泡则随再生水流穿过离子交换树脂层15，最终与下电极18上产生的气泡随同浓水一起流出下接口26。
本发明的第一个实施例：
如图2、图3、图4所示，两个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置组成一个系统，第一个装置的下接口经第一个二通阀28与第一个三通阀29的常通端相连，第二个装置的下接口经第二个二通阀28与第二个三通阀29的常通端相连；两个三通阀的另外两端中的一端与进水管相并接，两个三通阀的另外两端中的另一端与浓水管相并接；第一个装置的上接口经第三个二通阀28和第二个装置的上接口经第四个二通阀28通过管道并接后与出水管相连接。
其工作原理如下：
两个装置一开始同时进行处理，所产出水全部通过出水管外送；运行一段时间后，其中一个装置转入再生，另一个装置继续处理，其所产出水中的一部分作为再生用水供处于再生状态的装置使用，另一部分出水通过出水管外送。当上述处于再生状态的装置结束再生后，立刻恢复至处理状态，两个装置又同时制水，所产出水又全部通过出水管外送。再过一段时间，尚未进行过再生的装置转入再生，已经过再生的装置维持处理状态，类似地，其所产出水中的一部分作为再生用水供处于再生状态的装置使用，另一部分出水则通过出水管外送。上述过程往复循环，整个系统可连续制水外送。所述二通阀为手动阀，主要用于各单元与系统间的隔离，以便对MFEDI装置进行检修。所述三通阀为气动阀、电动阀、电磁阀等自动阀。所述三通自动阀也可用两个二通自动阀代替。处理过程与再生过程的切换，均采用自动控制、自动操作。系统使用一个直流电源，轮流对处于再生状态的装置供电。
本发明的第二个实施例：
如图5、图6、图7所示，一个由十个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置组成的连续制水系统为例进行说明。该系统分成Ⅴ个单元，每个单元均包含两个MFEDI装置。
前面的Ⅴ个单元中：第Ⅰ单元的下接口经第一个二通阀28与第一个三通阀29的常通端相连，第Ⅱ单元的下接口经第二个二通阀28与第二个三通阀29的常通端相连，……第Ⅴ单元的下接口经第五个二通阀28与第五个三通阀29的常通端相连；后面的Ⅴ单元中：每个单元的下接口分别接各自的第六个、第七个、第八个、第九个、第十个二通阀28，各自的二通阀28分别与第一个、第二个、第三个、第四个和第五个三通阀29的常通端相连，每个三通阀的另外两端中的一端与进水管相并接，每个三通阀的另外两端中的另一端与浓水管相并接；
十个结构相同的MFEDI装置的上接口分别接各自的二通阀28(上接口有十个二通阀)通过管道并接后与出水管相连接。
其工作原理如下：
系统内各单元轮流再生，即先对第Ⅰ单元进行再生，其余单元处于处理状态；第Ⅰ单元再生完毕后，又对第Ⅱ单元进行再生，其余单元处于处理状态，依次类推。这样，制水可连续进行，某一单元的再生用水由其他单元的出水供给。所述二通阀为手动阀，主要用于各单元与系统间的隔离，以便对MFEDI装置进行检修。所述三通阀为气动阀、电动阀、电磁阀等自动阀。所述三通自动阀也可用两个二通自动阀代替。处理过程与再生过程的切换，均采用自动控制、自动操作。系统使用两个直流电源，其中一个直流电源轮流对前面的V个装置中处于再生状态的装置供电，另一个直流电源轮流对后面的V个装置中处于再生状态的装置供电。大规模制水时，可采用多个相互独立、并联运行的上述MFEDI集成系统。
具体实施例：
一级反渗透出水采用图2、图3、图4所示的MFEDI系统进行处理。在平均处理流速与再生流速均为35m/h，一个工作周期内处理时间与再生时间分别为180min与15min，进水电导率为4.5-5.5µs/cm，再生电流密度为200A/m2的工况下，所需平均再生电压与能耗分别为920V与0.44kWh/m3，出水电导率为0.060-0.070µs/cm，水回收率为92%。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统，其特征在于：该系统至少包括两个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置，每个螺杆紧压式无膜电去离子装置，均包含由带有上接口(1)和电缆密封接头(2)的顶盖(3)，筒状壳体(5)，和带有排水口(25)和下接口(26)的底盖(27)组成的绝缘腔体；绝缘腔体内从上至下依次安装有上多孔压板(11)、上电极(13)、离子交换树脂层(15)、下电极(18)、下多孔压板(20)和挡圈(23)，上多孔压板(11)与筒状壳体(5)内圈间装有上多孔压板密封圈(12)，下多孔压板(20)与筒状壳体(5)内圈间装有下多孔压板密封圈(19)；螺杆(6)自上而下同轴依次穿过上多孔压板(11)、上电极(13)、离子交换树脂层(15)、下电极(18)和下多孔压板(20)，螺杆(6)下端与下电极(18)和下多孔压板(20)用螺母固定连接，位于上多孔压板(11)上面一段的螺杆(6)内套有弹簧(9)，弹簧(9)的一端压在上多孔压板(11)上，弹簧(9)的另一端用上螺母(7)压紧；上电极(13)和下电极(18)分别接导线后通过电缆密封接头(2)与直流电源连接；
两个结构相同的螺杆紧压式无膜电去离子装置组成一个系统，第一个装置的下接口经第一个二通阀与第一个三通阀的常通端相连，第二个装置的下接口经第二个二通阀与第二个三通阀的常通端相连；两个三通阀的另外两端中的一端与进水管相并接，两个三通阀的另外两端中的另一端与浓水管相并接；第一个装置的上接口经第三个二通阀和第二个装置的上接口经第四个二通阀通过管道并接后与出水管相连接。
2.根据权利要求1所述的一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统，其特征在于：所述离子交换树脂层(15)至少同时包含一种阳离子交换树脂与一种阴离子交换树脂；阴阳树脂均匀互混后填充；或将不同比例或不同种类的阴阳树脂分别加以均匀混合后分多层填充；或为了阻断离子的反向电迁移以阳树脂、阴树脂、阳树脂、阴树脂的交替方式分多层填充，或以阴阳均匀混合树脂、阴树脂或阳树脂、阴阳均匀混合树脂、阴树脂或阳树脂的交替方式分多层填充。
3.根据权利要求1所述的一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统，其特征在于：所述上电极(13)与下电极(18)中的一个电极为阳极，另一个电极为阴极。
4.根据权利要求1所述的一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统，其特征在于：所述上电极(13)与下电极(18)均采用孔尺寸小于离子交换树脂颗粒粒径的微孔网状电极。
5.根据权利要求1所述的一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统，其特征在于：所述上电极(13)采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但上电极(13)与上多孔压板(11)之间添加1~2层孔径小于离子交换树脂颗粒粒径的滤网或滤布；所述下电极(18)采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但下电极(18)与下多孔压板(20)之间添加1~2层孔径小于离子交换树脂颗粒粒径的滤网或滤布。
6.根据权利要求1所述的一种螺杆紧压式无膜电去离子连续制水系统，其特征在于：所述下电极(18)采用孔尺寸大于离子交换树脂颗粒粒径的网状电极，但在下电极(18)与下多孔压板(20)之间安装有与下多孔压板(20)孔数相同个数的滤水帽，滤水帽的出水端与下多孔压板(20)上的孔道相接。
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