CN107522268A - 一种用于水处理、物料分离的装置及其分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于膜分离及应用技术领域，具体是一种电场强化的膜渗透水处理和物料分离技术用于水处理、物料分离的装置和方法。装置为电源(1)、阳极室(2)、阴极室(3)及膜单元(4)；其中，电源的正极与阳极室连接、负极与阴极室连接，两极室之间为膜单元；所述膜单元由离子交换膜与透水膜组成。本发明的电场强化膜渗透水处理和物料分离装置可以在不需要其他推动力的条件下实现逆盐差将高盐浓度的供水转移至低盐浓度的产水端，同时可以脱除低盐产水中的盐。
Description
技术领域
本发明属于膜分离及应用技术领域，具体是一种电场强化的膜渗透水处理和物料分离技术用于水处理、物料分离的装置和方法。
背景技术
水和能源的短缺促使人类必须考虑发展更多突破传统自然资源限制的技术。膜分离技术由于其高效和独有的分离特性而被广泛应用在海水淡化、废水处理等水处理领域以及用于能源、农业、制药和食品加工等行业。但是压力膜，如反渗透(reverse osmosis,RO)虽然高效，但是其运行需要消耗大量外源能量，使其大规模应用变得经济上不可行。正渗透作为新兴的绿色膜分离技术，不需要外加压力作为分离驱动力，而是靠选择性膜两侧溶液自身的渗透压差推动正渗透分离过程，是目前世界膜分离领域研究的热点之一。
正渗透技术在脱盐、浓缩和水净化等领域有广泛的应用前景。正渗透的驱动力是两种溶液的渗透压差，因此，在应用正渗透技术进行工作时通常需要很高浓度的汲取液，而且理论上当膜两边的渗透压达到平衡后，正渗透既无法继续工作。正渗透的汲取液由于含盐量较高，因此其循环利用需要消耗大量的能量。另外，正渗透膜为了阻截盐的反扩散，通常膜孔径为小于1纳米的致密膜，而膜内浓差极化是正渗透过程中渗透压降低和导致通量下降的不可忽视的重要因素。
因此，现急需一种正渗透过程的驱动力不依赖于汲取液的渗透压的物料分离装置和方法。
发明内容
鉴于以上背景技术，本发明提供了一种电场强化膜渗透水处理和物料分离的装置和方法，通过由透水膜组成的供水单元和产水单元，实现类正渗透分离的目的。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于水处理、物料分离装置，装置为电源(1)、阳极室(2)、阴极室(3)及膜单元(4)；其中，电源的正极与阳极室连接、负极与阴极室连接，两极室之间为膜单元；所述膜单元由离子交换膜与透水膜组成组成。
所述膜单元分为供水单元和产水单元；其中，供水膜单元依次由阳离子交换膜、阴离子交换膜和透水膜组成，产水单元由供水膜单元中的透水膜和阳离子交换膜组成。
所述供水膜单元依次由阳离子交换膜、阴离子交换膜和透水膜形成两个腔室；D1室为阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，D2室为阴离子交换膜和透水膜组成。
所述供水单元D1和D2室可通入相同或不同的供水。所述产水单元为由供水膜单元中的透水膜和靠近电源负极的阳离子交换膜组成的产水单元腔室R。
所述透水膜孔径介于0.1-50000nm。
所述阴、阳离子交换膜可以是各种材质的离子交换膜。
一种采用用于水处理、物料分离装置分离物料的方法，将待处理样品注入至产水单元，并将电解液注入至供水单元，在电场的作用下在透水膜两侧分别形成离子耗尽层(供水单元)和离子富集层(产水单元)，使其在电子渗透压的作用下，供水单元中的水透过透水膜向产水单元迁移，同时在电场的作用，产水单元的离子透过透水膜向供水单元迁移，实现分离。
所述供水单元的电解液为具有电导率的单价或多价盐溶液。所述电场强化膜渗透，在工作过程中不需要汲取液，甚至供水单元的离子浓度可以高于产水单元，产水单元离子浓度可以低至近零。
其中，通过管路将供水通入供水膜单元，低盐浓度产水通过管路与产水膜单元相连。供水单元中形成的两个腔体可分别或通过一条管路将相同或不同的供水供入其中，进而形成两个腔室的分别单独使用或联通为整体使用。
上述装置和方法可以应用在水处理和物料分离领域，如产物浓缩、稀释、样品提纯等过程，并且还可用于利用盐差发电。
本发明所具有的优点：本发明电场强化膜渗透水处理和物料分离装置和方法，其通过电场作为驱动力，代替传统正渗透的渗透压驱动，克服了传统正渗透在浓缩、稀释和脱盐方面的局限性，能耗低，使得正渗透的工作效率将会提高，且不受限于浓差极化现象，由于膜的表面电位作用，膜对于水中的盐具有一定的阻截效果，其利用普通透水膜(如超滤膜)可达到正渗透的作用，这将会极大扩展该技术在水处理和物料分离的应用领域，使其可以用于海水淡化、高附加值产物浓缩或有毒副产物稀释，也可以用于产物提纯。
附图说明
图1A为本发明实施例提供的基本装置图，其中，1.电源、2.阳极室、3.阴极室、4.膜单元。
图1B为本发明实施例提供的基本装置图，其中，1.电源、2.阳极室、3.阴极室、4.膜单元。
图2为本发明实施例1提供的电场强化膜渗透海水淡化示意图。
图3为本发明实施例2提供的电场强化膜渗透产物浓缩示意图。
图4为本发明实施例4提供的电场强化膜渗透装置图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，为了更清楚地说明本发明实施例，下面结合附图中的介绍对实施例或现有技术进行描述，非常明显地，附图中记载的仅仅是本发明的一些实施例。
本发明电场强化膜渗透水处理和物料分离装置和方法，方法包括与电源的正极连接的阳极室、与电源的负极连接的阴极室及透水膜单元，所述膜单元分为供水单元和产水单元；所述供水膜单元由阳离子交换膜、阴离子交换膜和透水膜组成，所述产水单元由透水膜和阳离子交换膜组成，其中供水膜单元和产水膜单元的透水膜是同一片膜，膜渗透的驱动力为电场。本发明是对传统正渗透技术的一种颠覆，以电场作为驱动力代替传统正渗透的渗透压驱动，不依赖于汲取液的渗透压，通过电场作为驱动力，正渗透的工作效率将会提高，且不受限于浓差极化现象。另外，由于膜的表面电位作用，膜对于水中的盐具有一定的阻截效果。因此，如果利用普通透水膜(如超滤膜)可达到正渗透的作用，克服了传统正渗透在浓缩、稀释和脱盐方面的局限性，能耗低，在能源和环境领域应用前景广阔。
实施例1
装置，参见图1A和B，包括电源(1)、阳极室(2)、阴极室(3)及膜单元(4)；其中，电源的正极与阳极室连接、负极与阴极室连接，膜单元置于阳极室和阴极室之间；所述膜单元由离子交换膜与透水膜组成组成。
所述膜单元分为供水单元和产水单元；其中，供水膜单元依次由阳离子交换膜、阴离子交换膜和透水膜组成，产水单元由供水膜单元中的透水膜和阳离子交换膜组成。
所述供水膜单元依次由阳离子交换膜、阴离子交换膜和透水膜形成两个腔室；D1室为阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，D2室为阴离子交换膜和透水膜组成。所述产水单元由供水膜单元中的透水膜和靠近电源负极的阳离子交换膜组成的产水单元腔室R。
所述透水膜孔径介于0.1-50000nm。
电场强化膜渗透方法过程，参见图1，将待处理样品注入至产水单元，并将电解液注入至供水单元，在电场的作用下在透水膜两侧分别形成离子耗尽层(供水单元)和离子富集层(产水单元)，使其在电子渗透压的作用下，供水单元中的水透过透水膜向产水单元迁移，同时在电场的作用，产水单元的离子透过透水膜向供水单元迁移，实现分离。
所述供水单元的电解液为具有电导率的单价或多价盐溶液。电场强化膜渗透在工作过程中不需要汲取液，甚至供水单元的离子浓度可以高于产水单元，产水单元离子浓度可以低至近零。
其适用于产物浓缩、稀释、样品提纯等过程。
实施例2
利用上述装置，进行海水淡化，供水单元内通入同样的溶液，对一种样品进行淡化，具体为：
向所述装置的供水单元内通入3wt％浓度的NaCl溶液；在所述产水单元通入海水；接通电源，在电场的作用下在透水膜两侧分别形成离子耗尽层(供水单元)和离子富集层(产水单元)，因此，在电致渗透压的作用下，水源源不断从供水单元透过透水膜向产水单元迁移，溶液的渗透压就会使水往产水方向走，同时由于电场的作用，产水单元的离子不断被迁移至供水单元，同时实现了产水和脱盐的双重目的(参见图2)。由图2可见，产水单元的电导率可以降到近零，同时供水单元的电导率约是海水的两倍，即该装置可以同时实现产水和脱盐的目的。
实施例3
利用上述装置，进行硫酸钠浓缩，供水单元内通入同样的溶液，对一种样品进行浓缩，具体为：
向所述装置的供水单元内通入硫酸钠溶液；在所述产水单元通入硫酸钠溶液；接通电源，在电场的作用下在透水膜两侧分别形成离子耗尽层(供水单元)和离子富集层(产水单元)，因此，在电致渗透压的作用下，水源源不断从供水单元透过透水膜向产水单元迁移，同时由于电场的作用，产水单元的离子不断被移走，同时实现了硫酸钠浓缩的目的(参见图3)。
由图3可见，供水单元的溶液可以浓缩至原体积的五分之一。
实施例4
利用上述装置(图4)，进行硫酸钠和氯化钠废液浓缩，同时实现水回用，供水单元D1和D2室分别通入硫酸钠和氯化钠废液，对两种样品进行浓缩，具体为：
向所述装置的供水单元D1和D2室内分别通入硫酸钠和氯化钠废液；在所述产水单元通入需要脱盐且回用水的工业废水(如氯碱废水)；接通电源，在电场的作用下在透水膜两侧分别形成离子耗尽层(供水单元)和离子富集层(产水单元)，因此，在电致渗透压的作用下，水源源不断从供水单元透过透水膜向产水单元迁移，同时由于电场的作用，产水单元的离子不断被移走，同时实现了供水浓缩和水回用的目的。
上面以举例方式对本发明进行了详细描述，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于水处理、物料分离的装置，其特征在于：装置为电源(1)、阳极室(2)、阴极室(3)及膜单元(4)；其中，电源的正极与阳极室连接、负极与阴极室连接，两极室之间为膜单元；所述膜单元由离子交换膜与透水膜组成组成。
2.按权利要求1所述的用于水处理、物料分离的装置，其特征在于：所述膜单元分为供水单元和产水单元；其中，供水膜单元依次由阳离子交换膜、阴离子交换膜和透水膜组成，产水单元由供水膜单元中的透水膜和阳离子交换膜组成。
3.按权利要求2所述的用于水处理、物料分离的装置，其特征在于：所述供水膜单元依次由阳离子交换膜、阴离子交换膜和透水膜形成两个腔室；D1室为阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，D2室为阴离子交换膜和透水膜组成。
4.按权利要求3所述的用于水处理、物料分离的装置，其特征在于：所述供水单元D1和D2室可通入相同或不同的供水。
5.按权利要求2所述的用于水处理、物料分离的装置，其特征在于：所述产水膜单元为供水膜单元中的透水膜和靠近电源负极的阳离子交换膜组成的产水单元腔室R。
6.按权利要求2-5任意一项所述的用于水处理、物料分离的装置，其特征在于：所述透水膜孔径介于0.1-50000nm。
7.按权利要求2-5任意一项所述的用于水处理、物料分离的装置，其特征在于：所述阴、阳离子交换膜可以是各种材质的离子交换膜。
8.一种采用权利要求1用于水处理、物料分离装置分离物料的方法，其特征在于：将待处理样品注入至产水单元，并将电解液注入至供水单元，在电场的作用下在透水膜两侧分别形成离子耗尽层(供水单元)和离子富集层(产水单元)，使其在电致渗透压的作用下，供水单元中的水透过透水膜向产水单元迁移，同时在电场的作用，产水单元的离子透过透水膜向供水单元迁移，实现分离。
9.按权利要求7所述的用于水处理、物料分离装置分离物料的方法，其特征在于：所述供水单元的电解液为具有电导率的单价或多价的一种或两种的盐溶液。
10.一种权利要求1所述的用于水处理、物料分离装置的应用，其特征在于：所述装置应用在水处理、物料的分离过程或用于盐差发电。
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