CN109250838A - 利用烟道气进行预处理的净水设备及净水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用烟道气进行预处理的净水设备及净化方法，净化设备包括通过管路依次连通的活性炭过滤器、混合离子树脂过滤器、阳离子树脂过滤器、前置反渗透过滤器和反渗透过滤器，活性炭过滤器的端设有进水口，以通过管路与待处理水连通，反渗透过滤器的出水口通过一分支管路连接有高压储水罐，高压储水罐的顶部通过管路连接有烟道气高压气罐。本发明的混合离子树脂过滤器和阳离子树脂过滤器内分别填充官能团分布于表面外层的复合离子树脂和阳离子树脂，并在饱和后通过烟道气进行再生，可去除易结垢离子，解决了反渗透膜堵塞及寿命降低等问题，并同时降低了进水的TDS，降低了浓水渗透压，提高了水回收率，实现反渗透系统的节能减排。

Description

利用烟道气进行预处理的净水设备及净水方法

技术领域

本发明涉及净水设备技术领域，更具体地说，涉及一种利用烟道气进行预处理的净水设备及净水方法。

背景技术

目前，在净水处理领域最为广泛应用的技术有离子交换及膜技术。离子交换作为有效处理水中小分子阴阳离子的技术目前被广泛应用于水体有害超标离子去除，盐水淡化，硬水软化，家庭饮水机制造等领域。离子交换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。但是基于高浓度盐或者强酸碱的树脂再生技术在化学药品成本控制和超高浓度再生废液的处理上始终制约着离子交换技术的发展。各种利用离子交换树脂的家庭饮水机等小型水处理设备也必须定期由专人去更换回收树脂，或者被做成一次性使用的滤芯，造成极大浪费及成本提高。

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。同样是可以去除水中无机小分子乃至离子的膜技术近年来发展迅速。尤其在海水淡化领域更有其独有的优势。多种多样孔径不同大小的膜为不同领域的应用提供了一种非常方便有效的技术。但是膜技术又有其不可逾越的技术壁垒。以可以去除无机小分子乃至离子的反渗透膜为例，其被广泛应用于海水淡化，但是随着淡水的产生，其同时产生更高浓度的废水。这部分废水的处理目前仍是大部分尤其是内陆盐水淡化厂的首要问题。高浓度废水的体积减少又必然伴随着系统要克服的渗透压的提高。例如从80％的回收率提高到90％的回收率，废水的产生从20％降到10％，从而可以使要处理的废水体积减少一半，但伴随而来的确是能耗的指数式增长。系统需要更多的能量提供压力去克服超高浓度废水的渗透压。

尽管世界能源结构在慢慢发生转变，但目前能耗仍是制约许多技术发展的瓶颈，尤其是使用普通化石能源提供的能量伴随着烟道气对环境的污染和温室气体如CO₂的排放。同时膜技术在操作运营上需要的成本更高，膜的堵塞问题需要对其进水和操作更精细的控制和维护。目前市场上使用的家庭膜设备大多在极低的回收率下工作，以使操作压力降低从而降低能耗，降低成本，但造成极高的废水排放率。这在提供纯净水的同时造成了水资源的极大浪费，无形中造成更大的水资源压力。同时又由于其前处理缺失或者不足使膜的使用寿命较短。诸如火力发电厂等，其在大量使用反渗透膜设备制备纯水的同时，也产生大量烟道气，在二氧化碳造成的气候变化问题越来越严峻的今天，化石燃料烟道气减排或者资源化利用越来越成为焦点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，目前利用离子交换和膜技术的净水处理对树脂再生液造成二次污染，多种易结垢离子造成反渗透膜堵塞，使用阻垢剂等化学药品进入环境，无法节能减排等多项缺陷，因此提供一种利用烟道气进行预处理的净水设备及净水方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种利用烟道气进行预处理的净水设备，包括通过管路依次连通的活性炭过滤器、混合离子树脂过滤器、阳离子树脂过滤器、前置反渗透过滤器和反渗透过滤器，所述活性炭过滤器的端设有进水口，以通过管路与待处理水连通，所述反渗透过滤器的出水口通过一分支管路连接有高压储水罐，所述高压储水罐的顶部通过管路连接有烟道气高压气罐。

作为优选，所述混合离子树脂过滤器内填充有混合离子交换树脂。

作为优选，所述混合离子交换树脂的官能团分布于表面外层。

作为优选，所述混合离子交换树脂主要由官能团分布于表面外层的复合纳米氧化锆树脂和内部含有纳米氧化铝颗粒、且官能团分布于表面外层的复合纳米氧化铝树脂混合而成。

混合离子树脂过滤器具有超大吸附容量并具有很高的反应速率，同时可以选择吸附磷，硅等极易形成沉淀且堵塞膜的离子。

作为优选，所述阳离子树脂过滤器内填充有氢型阳离子交换树脂，所述氢型阳离子交换树脂的官能团分布于表面外层。

阳离子树脂过滤器对氢离子具有强吸附性并具有很高的反应速率，作为预处理时可以选择吸附钙镁等易结垢离子，并能进行有效的再生。

混合离子树脂过滤器和阳离子树脂过滤器结合使用，可以有效去除易结垢离子(硫酸根，磷酸根，碳酸根，硅酸盐，钙离子，镁离子)，并降低进水溶解固体含量(TDS)从而极大提高反渗透的净水效率并降低废水排放，节约能耗。在不使用任何阻垢化学药剂的情况下，使反渗透过滤器净水产水率可以达到80％以上，相比较传统反渗透的30％到60％的产水率有大幅度的提升，且使用寿命大幅度延长。

作为优选，所述高压储水罐内部设有曝气头。

作为优选，所述前置反渗透过滤器内设有PP棉过滤膜。

作为优选，所述活性炭过滤器的出水口、混合离子树脂过滤器的出水口和阳离子树脂过滤器的出水口均设有旁支管道，所述旁支管道内设有pH检测元件，以检测对应的出水口的pH值。

作为优选，所述活性炭过滤器、混合离子树脂过滤器、阳离子树脂过滤器、前置反渗透过滤器、反渗透过滤器、高压储水罐和烟道气高压气罐的连通管路上均设有自动阀门，所述自动阀门和pH检测元件均与控制器连接，以自动控制相应的管路接通或断开。

利用烟道气同时对混合离子树脂过滤器和阳离子树脂过滤器中的树脂进行再生，并重复使用，无需单独使用强酸强碱分别对阴阳离子进行再生，烟道气一种气体即可同时完成两种树脂的再生，并且再生废水中不含额外的化学药剂。

一种利用烟道气进行预处理的净水方法，采用如上所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，包括如下步骤：

(1)待处理水通过增压泵的提升自上而下流过活性炭过滤器，并测定出水口的PH值pH₁。

(2)活性炭过滤器的出水自上而下流过混合离子树脂过滤器，同时测定出水口的PH值pH₂；该步骤的反应式如下：

(3)混合离子树脂过滤器的出水自上而下流过阳离子树脂过滤器，同时测定出水口的PH值pH₃；该步骤的反应式如下：

(4)阳离子树脂过滤器的出水流过前置反渗透过滤器，以去除各种小颗粒。

(5)前置反渗透过滤器的出水流过反渗透过滤器，制取纯水。

(6)经反渗透过滤器制取的纯水一部分进入高压储水罐，高压储水罐充满纯水后与烟道气罐连通，并设定压力为40-50大气压。

(7)比较pH₁、pH₂、pH₃的大小，当pH₁＝pH₂或者pH₂＝pH₃时，关闭增压泵，断开活性炭过滤器与混合离子树脂过滤器之间的连通管路，断开前置反渗透过滤器与阳离子树脂过滤器之间的连通管路，连通混合离子树脂过滤器、阳离子树脂过滤器和高压储水罐的连通管路，使高压储水罐中的水自下而上先流过阳离子树脂过滤器，再自下而上流过混合离子树脂过滤器，混合离子树脂过滤器设有与反渗透过滤器的废水管路连通的废水排放管路，以将废水排放出气；该步骤的反应式如下：

(8)当混合离子树脂过滤器的废水管路中测定的再生出水的pH值降低到6以下，阳离子树脂过滤器与高压储水罐的连通管路断开，活性炭过滤器与混合离子树脂过滤器重新连通，前置反渗透过滤器与阳离子树脂过滤器重新连通，打开增压泵，重复步骤(1)～(6)进行纯水制备。

实施本发明的利用烟道气进行预处理的净水设备及净水方法，具有以下有益效果：通过装填了特殊结构的混合离子树脂的混合离子树脂过滤器和装填了特殊结构的阳离子树脂的阳离子树脂过滤器，可去除普通钙、镁、硫酸根离子及选择性去除磷、硅等特殊离子，解决由这些易结垢离子造成的反渗透膜堵塞及寿命降低等问题，并同时降低进水的TDS，以降低浓水渗透压，提高水回收率，实现反渗透系统的节能减排，且混合离子树脂过滤器和阳离子树脂过滤器可以由烟道气进行完全再生，不产生高浓度再生液，并资源化利用烟道气排放。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的利用烟道气进行预处理的净水设备的结构示意图；

图2是本发明的利用烟道气进行预处理的净水设备的离子交换树脂处理(实线)及再生(虚线)的管路连接示意图；

图3是本发明的利用烟道气进行预处理的净水设备的离子交换树脂的结构示意图；

图4是本发明的利用烟道气进行预处理的净水设备的高压储水罐的内部结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种利用烟道气进行预处理的净水设备，包括通过管路依次连通的活性炭过滤器1、混合离子树脂过滤器2、阳离子树脂过滤器3、前置反渗透过滤器5和反渗透过滤器6，活性炭过滤器2的端设有进水口，以通过管路与待处理水连通，反渗透过滤器6的出水口通过一分支管路连接有高压储水罐4，高压储水罐4的顶部通过管路连接有烟道气高压气罐7。

混合离子树脂过滤器2内填充有混合离子交换树脂，普通离子交换树脂的官能团遍布整个树脂内部，混合离子树脂过滤器2内填充的混合离子交换树脂的官能团只分布于表面外层，如图3所示，以此来提高离子交换速率和效率。混合离子交换树脂主要由官能团分布于表面外层的复合纳米氧化锆树脂和内部含有纳米氧化铝颗粒、且官能团分布于表面外层的复合纳米氧化铝树脂混合而成。混合离子交换树脂(SCHX-AZ)具有超大吸附容量并具有很高的反应速率，同时应用混床结构可实现硫酸根、磷与硅酸盐等的同时去除。

阳离子树脂过滤器3内填充有氢型阳离子交换树脂(SCCX)，氢型阳离子交换树脂的官能团分布于表面外层。对氢离子具有强吸附性的同时并具有很高的反应速率，并选择性去除钙镁离子。

待处理水依次通过混合离子树脂过滤器2和阳离子树脂过滤器3后，水中的钙镁离子、碳酸根、硫酸根离子、磷、硅等易结垢离子可以同时被去除，这些离子是造成反渗透膜结垢堵塞的主要离子，从而延长反渗透的使用寿命，并避免了阻垢剂等化学药剂的使用。另外，还降低了进水溶解固体含量(TDS)，进水中的部分盐分被转化为二氧化碳，从而使进水的TDS降低50％以上，使所需要克服的反渗透浓液的反渗透压极大降低，提高了反渗透的净水效率，并降低了废水的排放率，并在同等出水产量的情况下降低反渗透所需的能耗，实现了节能减排。

高压储水罐4和高压烟道气罐7连通后，可以利用烟道气溶液反向流过阳离子树脂过滤器3，结合图1和图2虚线所示，溶液从阳离子树脂过滤器3的底部从下而上流过，出水后再经过混合离子树脂过滤器2的底部，从上口流出，在这个过程中能够同时对阳离子树脂过滤器3和混合离子树脂过滤器2的树脂进行再生，以重复使用。

与传统树脂再生工艺产生高浓度盐溶液废水不同，利用烟道气的再生液中不含额外盐分，只含有处理过程中被去除的盐分，因此出水不含高浓度再生盐。另外，再生过程中无需单独使用强酸强碱分别对阴阳离子树脂进行再生，利用烟道气这一种资源，即可同时完成两种树脂的再生。

高压储水罐4和高压烟道气罐7连通可以在高压储水罐4中形成40大气压下的饱和溶液。高压储水罐4和高压烟道气罐7之间的连通管路上安装有气体减压阀和水流止逆单向阀，以防止水发生逆流。高压储水罐4的内部设有曝气头，如图4所示，使进入的烟道气分散成极小的气泡，加速与液体的接触饱和。利用烟道气实现混合离子树脂和阳离子树脂的再生，混合离子树脂过滤器2和阳离子树脂过滤器3饱和后无需丢弃和更换，可重复使用，减少资源的浪费。

活性炭滤器1内填充有活性炭。

前置反渗透过滤器5内设有PP棉过滤膜，反渗透过滤器6内设有反渗透膜，PP棉过滤膜可去除各种小颗粒，并保护反渗透膜。经反渗透过滤器6预处理过的水流经反渗透膜制取纯水，净水产水率可以达到80％以上，相比较传统反渗透的30％到60％的产水率有大幅度的提升，且无结垢堵塞风险，使用寿命大幅度延长。

活性炭过滤器1的出水口、混合离子树脂过滤器2的出水口和阳离子树脂过滤器3的出水口均设有旁支管道，旁支管道内设有pH检测元件，例如pH检测探头，以检测对应的出水口的pH值。活性炭过滤器1、混合离子树脂过滤器2、阳离子树脂过滤器3、前置反渗透过滤器5、反渗透过滤器6、高压储水罐4和烟道气高压气罐7的连通管路上均设有自动阀门，自动阀门和pH检测元件均与控制器连接，以自动控制相应的管路接通或断开。

本发明中的利用烟道气进行预处理的净水设备可利用场景扩大或者减小尺寸，活性炭过滤器1、混合离子树脂过滤器2和阳离子树脂过滤器3可以根据水量选择合适的填料容积，反渗透过滤器6可以选择不同尺寸和数量的反渗透膜块，可以作为小型家庭净水设备，也可以作为大型工厂纯水制备设备。

本发明还公开了一种利用烟道气进行预处理的净水方法，包括如下步骤：

(1)作为进水的待处理水(地表水、地下水或者自来水)通过增压泵的提升自上而下流过活性炭过滤器1，以去除原水泥沙、铁锈、胶体，吸附有机物、异色异味、余氯等。活性炭过滤器1设有旁路出水口，用于测定出水的PH值pH₁。

(2)活性炭过滤器1的出水自上而下流过混合离子树脂过滤器2，利用树脂内的纳米氧化锆氧化铝颗粒去除磷硅等离子，并去除硫酸根的同时释放碳酸氢根，反应式参见(1)-(3)，混合离子树脂过滤器2设有旁路出水口，用于测定出水的PH值pH₂。

(3)混合离子树脂过滤器2的出水自上而下流过阳离子树脂过滤器3，以去除钙镁等离子，且降低水中TDS，反应式参见(4)-(5)，过程如图2实线所示，阳离子树脂过滤器3设有旁路出水口，用于测定出水的PH值pH₃。

(4)阳离子树脂过滤器3的出水流过前置反渗透过滤器5，以去除各种小颗粒。

(5)前置反渗透过滤器5的出水流过反渗透过滤器6，制取纯水。

(6)经反渗透过滤器6制取的纯水一部分进入高压储水罐4，高压储水罐4充满纯水后与烟道气罐7连通，并设定压力为40-50大气压。

(7)比较pH₁、pH₂、pH₃的大小，当pH₁＝pH₂或者pH₂＝pH₃时，关闭增压泵，断开活性炭过滤器1与混合离子树脂过滤器2之间的连通管路，断开前置反渗透过滤器5与阳离子树脂过滤器3之间的连通管路，混合离子树脂过滤器2、阳离子树脂过滤器3、高压储水罐4和烟道气储气罐7依次连通，使高压储水罐4中的水自下而上先流过阳离子树脂过滤器3，再自下而上流过混合离子树脂过滤器2，混合离子树脂过滤器2设有与反渗透过滤器的废水管路连通的废水排放管路，以将废水排放出系统。此再生过程充分利用烟道气中的有效二氧化碳成分，对所使用的树脂填料进行在线回收利用，参见反应式(6)-(8)。再生过程如图2的虚线所示。

(8)当混合离子树脂过滤器2的废水管路中测定的再生出水的pH值降低到6以下，阳离子树脂过滤器3与高压储水罐4的连通管路断开，活性炭过滤器1与混合离子树脂过滤器2重新连通，前置反渗透过滤器5与阳离子树脂过滤器3重新连通，打开增压泵进行纯水制备。

实施例一

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为200ppm，通过传统反渗透设备，制取纯水产水率为60％，产生40％的废水，且需要持续添加阻垢剂。同样的水通过本发明的利用烟道气进行预处理的净水设备和净水方法，通过混合离子树脂过滤器2和阳离子树脂过滤器3后TDS可以低于100ppm，且不含钙、镁、磷、硅、硫酸根等易结垢离子，反渗透产水率大于85％，废水排放率降低接近50％，且相同产水率能耗减少50％以上。火力发电厂自身会产生大量烟道气排放，收集压缩后可对饱和的混合离子树脂过滤器2和阳离子树脂过滤器3进行再生，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。

实施例二

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利用烟道气进行预处理的净水设备和净水方法，通过混合离子树脂过滤器2和阳离子树脂过滤器3后TDS可以低于70ppm，且不含钙、镁、磷、硅、硫酸根等易结垢离子，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。啤酒厂维持发酵温度所需的蒸汽来源会产生大量烟道气，压缩后可对饱和的混合离子树脂过滤器2和阳离子树脂过滤器3进行再生，可利用烟道气进行纯水制取环节的节能和废气废水双重减排。

实施例三

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TDS150ppm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，通过本发明的利用烟道气进行预处理的净水设备和净水方法，通过混合离子树脂过滤器2和阳离子树脂过滤器3后TDS可以小于70ppm，且不含钙、镁、磷、硅、硫酸根等易结垢离子，反渗透产水率大于60％，废水排放率降低接近40％，且过滤器无需丢弃，可用烟道气气罐进行再生，重复持续利用，节约资源。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，包括通过管路依次连通的活性炭过滤器、混合离子树脂过滤器、阳离子树脂过滤器、前置反渗透过滤器和反渗透过滤器，所述活性炭过滤器的端设有进水口，以通过管路与待处理水连通，所述反渗透过滤器的出水口通过一分支管路连接有高压储水罐，所述高压储水罐的顶部通过管路连接有烟道气高压气罐。

2.根据权利要求1所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，所述混合离子树脂过滤器内填充有混合离子交换树脂。

3.根据权利要求2所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，所述混合离子交换树脂的官能团分布于表面外层。

4.根据权利要求2所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，所述混合离子交换树脂主要由官能团分布于表面外层的复合纳米氧化锆树脂和内部含有纳米氧化铝颗粒、且官能团分布于表面外层的复合纳米氧化铝树脂混合而成。

5.根据权利要求4所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，所述阳离子树脂过滤器内填充有氢型阳离子交换树脂，所述氢型阳离子交换树脂的官能团分布于表面外层。

6.根据权利要求1所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，所述高压储水罐内部设有曝气头。

7.根据权利要求1所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，所述前置反渗透过滤器内设有PP棉过滤膜。

8.根据权利要求1所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，所述活性炭过滤器的出水口、混合离子树脂过滤器的出水口和阳离子树脂过滤器的出水口均设有旁支管道，所述旁支管道内设有pH检测元件，以检测对应的出水口的pH值。

9.根据权利要求6所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，其特征在于，所述活性炭过滤器、混合离子树脂过滤器、阳离子树脂过滤器、前置反渗透过滤器、反渗透过滤器、高压储水罐和烟道气高压气罐的连通管路上均设有自动阀门，所述自动阀门和pH检测元件均与控制器连接，以自动控制相应的管路接通或断开。

10.一种利用烟道气进行预处理的净水方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任一项所述的利用烟道气进行预处理的净水设备，包括如下步骤：

(1)待处理水通过增压泵的提升自上而下流过活性炭过滤器，并测定出水口的PH值pH₁。

(2)活性炭过滤器的出水自上而下流过混合离子树脂过滤器，同时测定出水口的PH值pH₂；该步骤的反应式如下：

(3)混合离子树脂过滤器的出水自上而下流过阳离子树脂过滤器，同时测定出水口的PH值pH₃；该步骤的反应式如下：

(4)阳离子树脂过滤器的出水流过前置反渗透过滤器，以去除各种小颗粒。

(5)前置反渗透过滤器的出水流过反渗透过滤器，制取纯水。

(6)经反渗透过滤器制取的纯水一部分进入高压储水罐，高压储水罐充满纯水后与烟道气罐连通，并设定压力为40-50大气压。

(7)比较pH₁、pH₂、pH₃的大小，当pH₁＝pH₂或者pH₂＝pH₃时，关闭增压泵，断开活性炭过滤器与混合离子树脂过滤器之间的连通管路，断开前置反渗透过滤器与阳离子树脂过滤器之间的连通管路，连通混合离子树脂过滤器、阳离子树脂过滤器和高压储水罐的连通管路，使高压储水罐中的水自下而上先流过阳离子树脂过滤器，再自下而上流过混合离子树脂过滤器，混合离子树脂过滤器设有与反渗透过滤器的废水管路连通的废水排放管路，以将废水排放出系统；该步骤的反应式如下：

(8)当混合离子树脂过滤器的废水管路中测定的再生出水的pH值降低到6以下，阳离子树脂过滤器与高压储水罐的连通管路断开，活性炭过滤器与混合离子树脂过滤器重新连通，前置反渗透过滤器与阳离子树脂过滤器重新连通，打开增压泵，重复步骤(1)～(6)进行纯水制备。