CN108928885A - 一种利用二氧化碳进行滤料再生的水处理技术 - Google Patents

一种利用二氧化碳进行滤料再生的水处理技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用二氧化碳进行滤料再生的水处理技术，操作步骤分别为：原材料预处理，装填处理容器，进水经过处理，材料再生，材料重新利用，可以降低地表水地下水或者自来水中50％的TDS含量，并去除水中的钙镁离子对水进行软化，以及氯离子硫酸根离子，并选择性吸附水中的氟等有害离子，材料再生时，不产生高浓度盐废液或者强酸强碱废液，采用二氧化碳一次性再生两种树脂，相比现有技术极大降低化学药品消耗，降低成本，且不产生高浓度或者危险强酸碱废液，减少废水排放。

Description

一种利用二氧化碳进行滤料再生的水处理技术
技术领域
本发明属于水处理离子交换技术领域，具体地说，本发明涉及一种利用二氧化碳进行树脂再生的水处理技术。
背景技术
离子交换技术目前在净水处理领域应用十分广泛。离子交换作为有效处理水中阴阳离子的技术目前被广泛应用于净水处理如水体超标有害离子去除，盐水淡化，硬水软化，家庭饮水机制造等领域。其操作简单且所需设备材料成本低，运行及维护需求不高使其在多种领域发挥着重要作用。但是通常离子交换净水或者硬水软化技术无法实现除盐效果，且需要使用高浓度盐进行树脂再生，消耗大量的化学药品，并形成高浓度再生液废水排入环境；而当离子交换应用于除盐领域时，同时使用阴阳离子两种交换树脂，则需要使用强酸和强碱对阴阳离子树脂分别进行再生，消耗大量的危险化学液体，且同样产生危险再生废液。离子交换再生技术在化学药品成本控制和超高浓度再生废液或者危险再生废液的处理上始终制约着离子交换技术的发展，且无法进一步降低对环境的影响。对树脂再生技术的革新将从根本上促进其在水处理领域的更广泛应用，降低成本且减少其对环境的有害影响。同时在人类大量使用化石燃料提供能源的今天，温室气体如CO2排放引起的气候变化引发越来越多的关注。减少碳排放，或者资源化利用碳排放将对国家对人类社会产生重大影响。目前工业界许多火力发电厂，水泥厂，啤酒厂，各种锅炉设备等既需要大量的水处理，又同时产生碳排放，本发明创新性的将碳排放合理资源化利用到水处理当中，对水进行净化，软化和除盐综合处理，又不使用高浓度盐及强酸强碱，通过新型材料及工艺实现了水处理和碳排放资源利用的结合，降低碳排放，减少水处理成本，减少废水排放。
发明内容
本发明提供一种利用二氧化碳进行水处理的方法，以解决现有离子交换技术中导致的交换树脂再生液二次污染，对高浓度盐和强酸强碱的大量消耗等问题，可以通过使用二氧化碳这一温室气体，对所使用的阴阳离子交换材料进行同时再生，同时所选用的SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂去除普通阴离子的同时实现氟离子的选择吸附，并结合了SC-WAC阳离子交换树脂同时实现水的软化并将进水的TDS含量降低50％以上。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为，包括第一固定床容器、第二固定床容器、高压储水罐、二氧化碳储气罐，该方法包括以下步骤：
第一步，原材料预处理：准备5％的小苏打溶液，将SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂浸没于5％小苏打溶液中1h；准备3％的盐酸溶液，将SC-WAC阳离子交换树脂浸没于3％盐酸溶液中1h，浸泡完成后，将材料冲洗备用；
第二步，装填处理容器：将SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂装填入第一固定床容器(1)作为阴离子交换材料，将SC-WAC阳离子交换树脂装填入第二固定床容器(2)作为阳离子交换材料；
第三步，进水经过净化、软化、除盐及除氟处理：将进水先通过第一固定床容器(1)，再通过第二固定床容器(2)，其中一部分进水填充到高压储水罐(3)，其余排出利用得到出水；
第四步，材料再生：通过检测出水TDS含量，当出水TDS含量超过进水TDS含量的80％时，将高压储水罐(3)与二氧化碳储气罐(4)联通，使高压储水罐(3)内稳定在10大气压下，并利用压力将高压储水罐(3)中的储水从底部反向流过第二固定床容器(2)对SC-WAC阳离子交换树脂进行再生，再反向流过第一固定床容器(1)对SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂进行再生；
第五步，再生后的材料重新利用：进水再通过正向流过第一固定床容器(1)和第二固定床容器(2)对进水进行净化、软化、除盐及除氟的处理。
优选的，所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂对氟有选择吸附性，而本身官能团仍可吸附氯离子硫酸根阴离子，且原材料预处理和材料再生后均为碳酸氢根型，同时SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂的本身官能团的分布，满足超大吸附容量的同时提供很高的反应速率。
优选的，所述SC-WAC阳离子交换树脂，其可以去除水中的钙镁离子，对水进行软化，且原材料预处理或者材料再生后为氢型，同时SC-WAC阳离子交换树脂的本身官能团分布得到优化，满足超大吸附容量的同时提供很高的反应速率。
优选的，所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂和SC-WAC阳离子交换树脂饱和后，通过二氧化碳可以对SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂和SC-WAC阳离子交换树脂同时进行再生，并进行持续重复使用。
优选的，所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂可以选择性吸附氟有害离子达到净水作用，并对水质进行软化实现硬水软化，且去除50％-60％的总TDS含量实现除盐效果。
优选的，所述进水包括地表水，地下水或者自来水。
采用以上技术方案的有益效果是：本发明的一种水处理技术包含了可利用二氧化碳进行滤料再生，并净化水去除有害离子，且实现硬水软化及同时除盐。
1.SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂可以有效吸附地下水中的氟等有害离子，即使是低浓度的氟离子也可以选择性吸附，尤其是SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂中复合纳米氧化锆颗粒在高浓度离子背景下也可以有效吸附处理氟离子，如图2所示。
2.SC-WAC阳离子交换树脂实现对钙镁离子的选择性吸附，去除有害离子的同时对水进行软化，如图3所示。
3.SC-WAC阳离子交换树脂在实现净水和软化的同时，对进水实现50％以上的TDS含量去除，如图4所示。
4.材料再生不使用高浓度的盐溶液和强酸强碱，避免普通离子交换材料再生带来的高浓度再生液处置及药品消耗问题，降低成本，并减少对环境影响。
5.材料再生使用造成温室效应的二氧化碳气体，并实现对两种滤料的同时再生，为碳排放的资源化利用提供了有效途径。
6.除了单独作为水处理技术外，可以与反渗透等技术有效结合，通过本技术将易结垢离子如钙镁硫酸根磷等去除，进水TDS降低50％以上，在不使用任何阻垢化学药剂的情况下，使反渗透产水率大幅度提高且使用寿命大幅度延长，降低反渗透能耗，减少废水排放。
7.可以作为传统离子交换除盐工艺的前处理技术，通过本技术利用二氧化碳降低50％以上进水含盐率，使现有离子交换除盐设备再生周期提高一倍，强酸强碱使用量减少一半，从而大幅度降低成本，减少危险废水排放。
8.操作简单，本技术可根据利用水量和使用场景来适用于大中小型不同应用，基础建设简单，回收碳排放应用于水处理，极大减少碳排放，并降低水处理成本，且同时实现氟等有害离子去除，硬水软化，盐水淡化等多种效用。
附图说明
图1为本发明的技术流程示意图。
图2为氟污染地下水中氟离子去除测试的实验结果图。
图3为硬水软化时对水中钙离子的去除测试的实验结果图。
图4为对水中含盐量的去除测试的实验结果图。
其中，1-第一固定床容器，2-第二固定床容器，3-高压储水罐，4-二氧化碳储气罐。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1至图4所示，本发明是一种利用二氧化碳进行水处理的方法，以解决现有离子交换技术中导致的交换树脂再生液二次污染，对高浓度盐和强酸强碱的大量消耗等问题，可以通过使用二氧化碳这一温室气体，对所使用的阴阳离子交换材料进行同时再生，同时所选用的SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂去除普通阴离子的同时实现氟离子的选择吸附，并结合了SC-WAC阳离子交换树脂同时实现水的软化并将进水的TDS含量降低50％以上。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为，包括第一固定床容器、第二固定床容器、高压储水罐、二氧化碳储气罐，该方法包括以下步骤：
第一步，原材料预处理：准备5％的小苏打溶液，将SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂浸没于5％小苏打溶液中1h；准备3％的盐酸溶液，将SC-WAC阳离子交换树脂浸没于3％盐酸溶液中1h，浸泡完成后，将材料冲洗备用；
第二步，装填处理容器：将SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂装填入第一固定床容器(1)作为阴离子交换材料，将SC-WAC阳离子交换树脂装填入第二固定床容器(2)作为阳离子交换材料；
第三步，进水经过净化、软化、除盐及除氟处理：将进水先通过第一固定床容器(1)，再通过第二固定床容器(2)，其中一部分进水填充到高压储水罐(3)，其余排出利用得到出水；
第四步，材料再生：通过检测出水TDS含量，当出水TDS含量超过进水TDS含量的80％时，将高压储水罐(3)与二氧化碳储气罐(4)联通，使高压储水罐(3)内稳定在10大气压下，并利用压力将高压储水罐(3)中的储水从底部反向流过第二固定床容器(2)对SC-WAC阳离子交换树脂进行再生，再反向流过第一固定床容器(1)对SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂进行再生；
第五步，再生后的材料重新利用：进水再通过正向流过第一固定床容器(1)和第二固定床容器(2)对进水进行净化、软化、除盐及除氟的处理。
本实施例中，所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂对氟有选择吸附性，而本身官能团仍可吸附氯离子硫酸根阴离子，且原材料预处理和材料再生后均为碳酸氢根型，同时SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂的本身官能团的分布，满足超大吸附容量的同时提供很高的反应速率。
本实施例中，所述SC-WAC阳离子交换树脂，其可以去除水中的钙镁离子，对水进行软化，且原材料预处理或者材料再生后为氢型，同时SC-WAC阳离子交换树脂的本身官能团分布得到优化，满足超大吸附容量的同时提供很高的反应速率。
本实施例中，所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂和SC-WAC阳离子交换树脂饱和后，通过二氧化碳可以对SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂和SC-WAC阳离子交换树脂同时进行再生，并进行持续重复使用。
本实施例中，所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂可以选择性吸附氟有害离子达到净水作用，并对水质进行软化实现硬水软化，且去除50％-60％的总TDS含量实现除盐效果。
本实施例中，所述进水包括地表水，地下水或者自来水。
基于上述，本发明的一种水处理技术包含了可利用二氧化碳进行滤料再生，并净化水去除有害离子，且实现硬水软化及同时除盐。
1.SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂可以有效吸附地下水中的氟等有害离子，即使是低浓度的氟离子也可以选择性吸附，尤其是SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂中复合纳米氧化锆颗粒在高浓度离子背景下也可以有效吸附处理氟离子，如图2所示。
2.SC-WAC阳离子交换树脂实现对钙镁离子的选择性吸附，去除有害离子的同时对水进行软化，如图3所示。
3.SC-WAC阳离子交换树脂在实现净水和软化的同时，对进水实现50％以上的TDS含量去除，如图4所示。
4.材料再生不使用高浓度的盐溶液和强酸强碱，避免普通离子交换材料再生带来的高浓度再生液处置及药品消耗问题，降低成本，并减少对环境影响。
5.材料再生使用造成温室效应的二氧化碳气体，并实现对两种滤料的同时再生，为碳排放的资源化利用提供了有效途径。
6.除了单独作为水处理技术外，可以与反渗透等技术有效结合，通过本技术将易结垢离子如钙镁硫酸根磷等去除，进水TDS降低50％以上，在不使用任何阻垢化学药剂的情况下，使反渗透产水率大幅度提高且使用寿命大幅度延长，降低反渗透能耗，减少废水排放。
7.可以作为传统离子交换除盐工艺的前处理技术，通过本技术利用二氧化碳降低50％以上进水含盐率，使现有离子交换除盐设备再生周期提高一倍，强酸强碱使用量减少一半，从而大幅度降低成本，减少危险废水排放。
8.操作简单，本技术可根据利用水量和使用场景来适用于大中小型不同应用，基础建设简单，回收碳排放应用于水处理，极大减少碳排放，并降低水处理成本，且同时实现氟等有害离子去除，硬水软化，盐水淡化等多种效用。
以下用具体实施例对具体工作方式进行阐述：
如图1所示，作为进水的地表水，地下水或者自来水，通过提升泵自上而下流过第一个装有SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂的第一固定床容器1，去除氯离子，硫酸根，氟等离子，并将氯离子硫酸根等替换为碳酸氢根，反应式(1)-(3)，出水再次自上而下流过第二个装有SC-WAC阳离子交换树脂的第二固定床容器2，去除钠钙镁等离子，并将水中的阳离子替换为氢离子，反应式(4)。在完成净水，软化的同时，替换出来的碳酸氢根与氢离子结合形成二氧化碳气体，使水中含盐量降低，反应式(5)。固定床的尺寸及填料的体积可由水量决定，应用灵活，大中小型系统皆可。
SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂具有两种官能团，四胺基官能团属于强碱阴离子官能团，可以吸附水中的氯离子及硫酸根等并释放碳酸氢根，同时氧化锆纳米颗粒可以选择吸附氟。
进一步的技术方案，离子交换材料饱和后可由装有填充水的高压储水罐3与二氧化碳储气罐4联通，在高压储水罐3中形成十大气压的二氧化碳饱和溶液对两种离子交换材料进行再生，反应式(6)-(8)。
由于所使用的再生液为二氧化碳与水形成的弱酸溶液，如果使用普通树脂材料无法对其进行有效的再生，本技术中使用的阴阳离子交换材料均对材料本身进行了官能团分布的优化，减少了再生离子的扩散路径，提高了反应速率，从而使二氧化碳对材料形成了高效的再生并稳定重复使用。
实施例：
地下水由于地质原因有很严重的氟污染，氟浓度为5.4ppm,WHO建议的饮用水氟浓度为1.5ppm，且此地下水硬度极高，含盐量高于2000ppm，不适宜饮用。通过本发明技术将此地下水流过第一固定床容器1后氟离子被完全去除，流过第二固定床容器2后钙离子被完全去除，最终出水含盐量减少到1000ppm，不含有害氟离子，且为软化水。通过二氧化碳对滤料进行材料再生后，不向环境排放高浓度盐溶液废水，且不需要在现场储存或者排放强酸强碱等危险液体。
火力发电厂需要高质量纯水进入锅炉产生蒸汽发电，以利用地表水如长江水作为水源为例，原水TDS含量为200ppm，通过传统离子交换去盐工艺制取纯水，每天进行一次再生，消耗十吨强酸强碱溶液。同样的水通过本发明技术，通过第一固定床容器1和第二固定床容器2后TDS含量低于100ppm，且不含钙镁硫酸根的结垢离子，出水再进入除盐车间，可使使用周期延长一倍，每两天再生一次，两天减少十吨强酸强碱的用量，成本减少一倍。火力发电厂自身会产生大量二氧化碳排放，收集压缩后可对饱和的滤料进行材料再生，可利用自身碳排放进行水处理的节能和废气废水双重减排。
啤酒厂每产生一顿原浆需要至少一顿纯水，以利用自来水为水源为例，原水TDS含量为150ppm,通过传统反渗透设备，制取纯水产水率为65％，产生35％的废水，且需要持续添加阻垢剂。同样的水通过本发明的净水设备，通过第一固定床容器1和第二固定床容器2后TDS含量可以低于70ppm，且不含钙镁硫酸根等结垢离子，减少膜阻塞，反渗透产水率大于90％，废水排放率降低接近70％，且相同产水率能耗减少60％以上。啤酒厂发酵自身会产生大量二氧化碳，压缩后可对饱和的过滤器进行材料再生，可利用自身碳排放进行纯水制取环节的节能和废气废水双重减排。
普通反渗透家庭净水器通过可更换软水滤芯配以反渗透制取纯水，以原水为TDS含量150ppm的自来水为例，传统净水器三个月更换软水滤芯，一次性丢弃，且反渗透出水产水率为30％，产生70％的废水。同样的水和压力下，通过本发明第一固定床容器1和第二固定床容器2后TDS含量可以小于70ppm，且不含钙镁硫酸根，反渗透产水率大于60％，废水排放率降低接近40％，且过滤材料无需丢弃，可用自备二氧化碳发生器或者二氧化碳气罐进行材料再生，重复持续利用，节约资源
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用二氧化碳进行树脂再生的水处理技术，包括第一固定床容器、第二固定床容器、高压储水罐、二氧化碳储气罐，其特征在于：该方法包括以下步骤：
第一步，原材料预处理：准备5％的小苏打溶液，将SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂浸没于5％小苏打溶液中1h；准备3％的盐酸溶液，将SC-WAC阳离子交换树脂浸没于3％盐酸溶液中1h，浸泡完成后，将材料冲洗备用；
第二步，装填处理容器：将SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂装填入第一固定床容器(1)作为阴离子交换材料，将SC-WAC阳离子交换树脂装填入第二固定床容器(2)作为阳离子交换材料；
第三步，进水经过净化、软化、除盐及除氟处理：将进水先通过第一固定床容器(1)，再通过第二固定床容器(2)，其中一部分进水填充到高压储水罐(3)，其余排出利用得到出水；
第四步，材料再生：通过检测出水TDS含量，当出水TDS含量超过进水TDS含量的80％时，将高压储水罐(3)与二氧化碳储气罐(4)联通，使高压储水罐(3)内稳定在10大气压下，并利用压力将高压储水罐(3)中的储水从底部反向流过第二固定床容器(2)对SC-WAC阳离子交换树脂进行再生，再反向流过第一固定床容器(1)对SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂进行再生；
第五步，再生后的材料重新利用：进水再通过正向流过第一固定床容器(1)和第二固定床容器(2)对进水进行净化、软化、除盐及除氟的处理。
2.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳进行树脂再生的水处理技术，其特征在于：所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂中复合的纳米锆颗粒对氟有选择吸附性，而本身官能团仍可吸附氯离子硫酸根阴离子，且原材料预处理和材料再生后均为碳酸氢根型，同时SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂的本身官能团的分布，满足超大吸附容量的同时提供很高的反应速率。
3.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳进行树脂再生的水处理技术，其特征在于：所述SC-WAC阳离子交换树脂，其可以去除水中的钙镁离子，对水进行软化，且原材料预处理或者材料再生后为氢型，同时SC-WAC阳离子交换树脂的本身官能团分布得到优化，满足超大吸附容量的同时提供很高的反应速率。
4.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳进行树脂再生的水处理技术，其特征在于：所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂和SC-WAC阳离子交换树脂饱和后，通过二氧化碳可以对SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂和SC-WAC阳离子交换树脂同时进行再生，并进行持续重复使用。
5.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳进行树脂再生的水处理技术，其特征在于：所述SC-HAIX-NanoZr阴离子交换树脂可以选择性吸附氟有害离子达到净水作用，并对水质进行软化实现硬水软化，且去除50％-60％的总TDS含量实现除盐效果。
6.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳进行树脂再生的水处理技术，其特征在于：所述进水包括地表水，地下水或者自来水。
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