CN105056763B - 无电压双膜渗析脱除水中盐分的方法和反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无电压条件下双膜渗析去除水中盐分的方法和反应器，通过构造适配反应器，利用阴阳离子交换膜的交换作用，以酸和碱作为驱动物质，在无电压条件下通过膜渗析作用将水中阴阳离子富集至指定区域内，使得进水中阴阳离子浓度降低从而脱除进水中的盐分。本发明突出的优点是：渗析在无电压条件下自发进行，能耗较低；使用酸和碱做为驱动物质，运行成本低；仅需定期更换阴阳离子交换室内溶液，运行维护方便；反应速度快，处理单元简化，易于操作，占地面积小。此外，本发明反应器可以多组并联使用以扩大其处理能力。

Description

无电压双膜渗析脱除水中盐分的方法和反应器

技术领域

本发明涉及去除水中盐分的去除方法，属于水处理技术的应用领域。本发明提出了一种无电压条件下双膜渗析去除水中阴阳离子的方法和反应器，通过构造适配反应器，利用阴阳离子交换膜的交换作用，以酸和碱作为驱动物质，在无电压条件下通过膜渗析作用将水中阴阳离子富集至指定区域内，使得进水中阴阳离子浓度降低从而脱除进水中的盐分。

技术背景

天然水和工业废水中通常含有多种离子，各种阴阳离子即盐分的去除是水处理工艺的重要方面。在工业用水处理中，除盐主要用于制取软水或纯水；在工业废水处理中，主要用以回收贵金属离子，也用于放射性废水和有机废水中某些有害离子的去除。在天然水的处理中，鉴于目前日益短缺的淡水资源，海水淡化即利用海水脱盐制取淡水是实现水资源高效利用、开源增量的重要举措。

目前，用于水体脱盐的方法主要包括离子交换法、反渗透、蒸馏、电渗析等。离子交换法需要借助离子交换树脂与溶液中的离子进行交换，达到去除溶液中某些离子的目的，树脂交换饱和后，需采用化学方法再生。反渗透以压力差为驱动力，借助膜的过滤特性，截留水中各种无机离子、大分子物质和胶体，实现盐组分的高效去除，具有高效率、易于工业化等优点，但能耗较高，膜组件需定期更换。电渗析法利用离子交换膜的选择透过性，在电场的作用下，使各离子选择性地透过膜，各离子富集至浓水室，从而达到去除盐分的目的，电渗析是膜分离过程中较为成熟的一项技术，已广泛地应用于工业水脱盐，但还存在着阳极易腐蚀，阴极易结垢，能耗较高等缺点。蒸馏法消耗大量能源并容易在设备中产生大量锅垢，限制了该工艺的使用。

发明内容

本发明基于以上技术背景，提出一种无电压条件下双膜渗析去除水中阴阳离子的方法和反应器，具体是采用阴离子交换膜、阳离子交换膜将反应器隔为阴离子交换室、阳离子交换室和进出水室，以酸和碱为驱动物质，原水中的阳离子发生渗析作用透过阳离子交换膜富集至阳离子交换室，阴离子透过阴离子交换膜富集至阴离子交换室，从而实现对水中盐类组分的分离去除。

本发明的技术原理是：基于膜渗析原理，在阴阳离子交换室内分别施加高于原水盐浓度的碱性及酸性溶液做为驱动溶液，在浓度差的驱动下，碱溶液中的OH^-和酸溶液中的H⁺分别透过阴离子和阳离子交换膜进入至进出水室中，原水中的阴阳离子则分别渗透至阴阳离子交换室从而去除水中盐分。由于碱性及酸性溶液浓度均高于原水盐溶液，碱溶液中的OH^-向进出水室的渗析对原水阴离子向阴离子交换室的渗析有促进作用，即道南渗析效应，同样，酸溶液中H⁺向进出水室的渗析也能促进原水的阳离子向阳离子交换室的渗析，从而促进盐类组分的脱除。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

建立双膜电渗析反应器，其具体特征是(1)反应器设置进出水室、阳离子交换室及阴离子交换室；进出水室与阳离子交换室由阳离子交换膜隔开，进出水室与阴离子交换室由阴离子交换膜隔开；(2)三室可同建于一个反应器内，也可以分为两组串联(一组包括进出水室、阴离子交换室，另一组包括进出水室、阳离子交换室，两组通过进出水室串联，串联顺序不分先后)；(3)阴离子交换室中加入一定浓度的碱性溶液，阳离子交换室中加入一定浓度的酸性溶液；(4)进出水室中连续流入原水和连续流出处理后的水，原水进入进出水室后，由于进出水室两侧阴阳离子交换膜渗析作用，原水中的阳离子透过阳离子交换膜进入阳离子交换室，阴离子透过阴离子交换膜进入阴离子交换室，与此同时，碱溶液中的OH^-和酸溶液中的H⁺分别透过阴离子和阳离子交换膜进入至进出水室中，进而发生中和反应，从而实现水中盐类组分的分离去除。

为了减少阳离子交换室、进出水室及阴离子交换室中浓差极化现象的产生，三室内部均需实施连续机械搅拌或水力搅拌，保证各室内溶液均处于完全混合状态。碱性溶液及酸性溶液浓度应为原水中盐浓度的2-40倍(摩尔浓度之比)，以20-25倍为宜；碱性溶液包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的任意一种或多种混合，pH＞10；酸性溶液包括硫酸、盐酸、硝酸中的任意一种或多种混合，pH＜4。

随着装置的运行，原水中阳离子富集至阳离子交换室，阴离子富集至阴离子交换室，碱溶液中的OH^-和酸溶液中的H⁺分别进入进出水室中，导致膜两侧离子渗透压差不断减小，会引起脱盐效率的下降，此时需监测阴阳离子交换室pH值的变化情况。若发现阴离子交换室内溶液pH值下降至9以下，或阳离子交换室内溶液pH值上升至5以上，或原水除盐效果不理想时，需更换阴阳离子交换室内溶液。

本发明突出的优点是：渗析在无电压条件下自发进行，能耗较低；使用酸和碱做为驱动物质，运行成本低；仅需定期更换阴阳离子交换室内溶液，运行维护方便；反应速度快，处理单元简化，易于操作，占地面积小。此外，本发明反应器可以多组并联使用以扩大其处理能力。

附图说明：

图1本发明反应器原理图(三室共建于一个反应器中)

图2本发明反应器示意图(两组串联)

附图标记：

1阳离子交换室；2进出水室；3阴离子交换室；4阳离子交换膜；5阴离子交换膜；6搅拌器

具体实施方式

实施例1对于500mg/L(3.125mmol/L)含CuSO₄盐的废水，采用三室共建反应器(如图1)所示，三室有效体积均为1L，阳离子交换室施加浓度为0.1mol/L的HCl溶液，阴离子交换室施加浓度为0.1mol/L的NaOH溶液，停留时间为3h，反应器连续运行72h，出水脱盐率大于90％。

实施例2进水含NaCl300mg/L(5.12mmol/L)，采用二组串联反应器(如图2)所示，每室有效体积均为1L，阳离子交换室施加浓度为0.1mol/L的H₂SO₄溶液，阴离子交换室施加浓度为0.2mol/L的NaOH溶液，每组反应器停留时间为3h，反应器连续运行48h，出水脱盐率大于95％。

Claims (3)

1.无电压双膜渗析脱除水中盐分的方法在水处理中的应用，其特征在于，所述的无电压双膜渗析脱除水中盐分的方法包括：(1)该方法所使用的反应体系设置进出水室、阳离子交换室及阴离子交换室；进出水室与阳离子交换室由阳离子交换膜隔开，进出水室与阴离子交换室由阴离子交换膜隔开，三室建于一个反应器内；(2)阴离子交换室中加入一定浓度的碱性溶液，阳离子交换室中加入一定浓度的酸性溶液；(3)进出水室中连续流入原水和连续流出处理后的水，原水进入进出水室后，在两侧酸碱溶液的驱动下，原水中阴阳离子渗析富集至离子交换室，从而实现水中盐类组分的分离去除；(4)碱性溶液及酸性溶液的摩尔浓度均为原水中盐浓度的2-40倍；碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的任意一种或多种混合，pH＞10；酸性溶液为硫酸、盐酸、硝酸中的任意一种或多种混合，pH＜4；随着装置的运行，检测阴阳离子交换室pH值的变化情况；若阴离子交换室内溶液pH值下降至9以下，或阳离子交换室内溶液pH值上升至5以上；则更换阴阳离子交换室内溶液。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征是，所述的碱性溶液及酸性溶液的摩尔浓度均为原水的20-25倍。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，阳离子交换室、进出水室及阴离子交换室内部均实施连续机械搅拌或水力搅拌，保证各室内溶液均处于完全混合状态。