CN111229330A - 用于液流处理的离子交换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种离子交换系统，用于从待处理液流中提取或去除离子，包括至少一个离子交换单元，所述离子交换单元包括依次排列的阴极、第一阳离子交换膜、水解离隔膜、第一阴离子交换膜和阳极；所述离子交换单元还包括阴极室，填充有阳离子交换树脂的阳离子交换室，填充有阴离子交换树脂的阴离子交换室，以及阳极室，所述离子交换系统具有液流处理、树脂再生和清洗三种运行工况。

Description

用于液流处理的离子交换系统
技术领域
本发明涉及离子交换技术领域，主要涉及一种从液流中提取或去除离子的离子交换系统。
背景技术
离子交换是采用离子交换剂(最常见的是离子交换树脂)从液流中提取或去除液流中离子的方法之一。目前，离子交换已广泛应用于水的纯化与软化；海水、苦咸水淡化；溶液(如糖液)的精制和脱色；从矿物浸出液中提取铀和稀有金属；从发酵液中提取抗生素，以及从工业废水中回收贵金属等。
离子交换树脂是一类带有功能基团的、具有三维网状结构的高分子化合物，大部分以颗粒状存在，也有一些制成纤维状或粉状，不溶于水和一般溶剂。离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类，可分别与液流中的阳离子和阴离子进行离子交换。在离子交换过程中，液流中的阳离子(如Na+,Ca2+,K+,Mg2+,Fe3+等)与阳离子交换树脂上的H+进行交换，液流中的阳离子转移到树脂上，而树脂上的H+被交换到水中；液流中的阴离子(如Cl-，HCO3 -等)与阴离子交换树脂上的OH-进行交换，水中的阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH-交换到液流中，而H+与OH-相结合生成水，达到从液流中提取或去除离子的目的。
离子交换法的优点之一是离子交换树脂可以再生后重复利用，通常的再生方法是酸碱化学再生法，使用酸液清洗阳离子交换树脂，使用碱液清洗阴离子交换树脂，采用顺流或逆流的方式。酸碱化学再生法存在着诸多缺陷，如再生用酸碱利用率低，废酸碱液排放污染环境，再生操作复杂，酸碱被作为危险化学品，要注意安全贮运，劳动条件也不好。已有研究者提出了离子交换树脂的电再生方法，但目前的电再生方法大多需要将离子交换树脂从离子交换系统导出至专门的再生系统中，停机时间长，操作较为复杂。
目前，仍然有需要开发一种用于液流处理的、具有简便的树脂再生功能的新型离子交换系统。
发明内容
本发明针对离子交换技术领域中，对于离子交换树脂再生操作简便的需求，设计了一种新型的用于液流处理的离子交换系统，可有效提取或去除待处理液流中的离子，且能不使用酸碱化学药剂实现离子交换树脂的原位再生，操作简便。
本发明实施例涉及一种离子交换系统，用于从待处理液流中提取或去除离子，其特征在于，所述系统包括至少一个离子交换单元，所述离子交换单元包括：依次排列的阴极、第一阳离子交换膜、水解离隔膜、第一阴离子交换树脂和阳极，其中，所述水解离隔膜包括第二阳离子交换膜，第二阴离子交换膜，或，第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜；阴极室，位于所述阴极与所述第一阳离子交换膜之间，包括两个开口；阳离子交换室，位于所述第一阳离子交换膜和所述水解离隔膜之间，包括两个开口，填充有阳离子交换树脂；阴离子交换室，位于所述水解离隔膜和所述第一阴离子交换膜之间，包括两个开口，填充有阴离子交换树脂；以及阳极室，位于所述第一阴离子交换膜与所述阳极之间，包括两个开口。
本发明实施例的离子交换系统具有液流处理、树脂再生和清洗三种运行工况：在液流处理工况下，待处理液流流经阳离子交换室和阴离子交换室，得到去离子液流；在树脂再生工况下，对所述阴极和所述阳极施加电压形成直流电场，所述水解离隔膜处的水解离生成H+与OH-，所述H+在直流电场作用下迁移到所述阳离子交换室对所述阳离子交换树脂进行再生，所述OH-在直流电场作用下迁移到所述阴离子交换室对所述阴离子交换树脂进行再生，同时将所述待处理液流流经阳极室和阴极室，得到树脂再生浓液；以及，在清洗工况下，将待处理液流流经所述阳离子交换室得到酸性溶液，将所述酸性溶液流经阴极室和/或阳极室，对阴极室和/或进行清洗处理。
在使用离子交换方法处理液流时，离子交换树脂的再生通常需要使用酸碱化学药剂，存在不安全性，而且需要将离子交换树脂从处理系统中导出至专门的再生系统进行再生，操作复杂。本发明的离子交换系统能够实现离子交换树脂的原位再生，不使用酸碱化学药剂，还能有效防止极室结垢，是一种新型具有实用性的离子交换系统，可广泛应用于各种需要使用离子交换树脂进行离子交换的场合。
附图说明
附图以及下面的详细描述用于帮助理解本发明的特征和优点，其中：
图1示意性地显示了根据本发明一个实施例的离子交换单元100的液流处理工况示意图；
图2示意性地显示了根据本发明一个实施例的离子交换单元100的树脂再生工况示意图；
图3示意性地显示了根据本发明一个实施例的离子交换单元100的清洗工况示意图；
图4示意性地显示了根据本发明一个实施例的离子交换单元200的树脂再生工况示意图；
图5示意性地显示了根据本发明一个实施例的离子交换单元300的树脂再生工况示意图。
具体实施方式
除非本申请中清楚地另行定义，所用到的科学和技术术语的含义为本申请所述技术领域的技术人员通常所理解的含义。本申请中使用的“包括”、“包含”、“具有”或“含有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以内。术语“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如，成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可能存在的情况。本申请中提及“一些实施例”等，表示所述与本发明相关的一种特定要素(例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或可能不出现于其它实施例中。另外，需要理解的是，所述发明要素可以以任何适当的方式结合。
本申请提及的“提取或去除离子”是指从待处理液流中除去至少一部分离子，因目的不同存在不同的表述，提取是以回收液流中的离子为目的，去除是以得到去除离子的纯净液流为目的。在某些情况下，“去除离子”或“去离子”也被称之为“脱盐”或“脱除矿物质”。
本申请提及的“液流”包括各种呈液体状态的流体，例如：包含以离子状态存在的盐分(包括各种价态的阴离子和阳离子)的水溶液，或包含非水溶剂的液体。作为示例，本申请实施例的待处理液流包括自来水、海水、苦咸水、工业废水、糖液、矿物浸出液、发酵液中的一种或多种。
本申请提及的“水解离隔膜”是指在直流电场中，能使水发生解离生成H+与OH-的一种隔膜，在未加电场时，起到分隔阳离子交换室和阴离子交换室的作用。在第一种实施例中，例如图1所示的离子交换单元100，水解离隔膜包括一张阳离子交换膜和一张阴离子交换膜(即所述第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜)。在本发明一些实施例中，一张阳离子交换膜和一张阴离子交换膜紧贴后即可作为水解离隔膜。在本发明另外一些实施例中，水解离隔膜还包括位于阳离子交换膜和阴离子交换膜之间的中间层，中间层中包括催化剂，可降低水的解离电压，使水更容易解离生成H+与OH-。在第二种实施例中，例如图4所示的离子交换单元200，水解离隔膜包括一张阳离子交换膜，在电场作用下，阳离子交换膜与阴离子交换树脂的界面处发生水的解离。在第三种实施例中，例如图5所示的离子交换单元300，水解离隔膜包括一张阴离子交换膜，在电场作用下，阴离子交换膜与阳离子交换树脂的界面处发生水的解离。
图1和图2所示为根据本发明一个实施例的离子交换单元100的示意图。离子交换单元100包括依次排列的阴极101、第一阳离子交换膜103、水解离隔膜、第一阴离子交换膜104和阳极102，其中，所述水解离隔膜包括第二阳离子交换膜105和第二阴离子交换膜106。离子交换单元100还包括：阴极室111，阳离子交换室113，阴离子交换室114和阳极室112，其中，阴极室111位于阴极101与第一阳离子交换膜103之间，包括两个开口；阳离子交换室113位于第一阳离子交换膜103和第二阳离子交换膜105之间，包括两个开口，填充有阳离子交换树脂；阴离子交换室114位于第二阴离子交换膜106和第一阴离子交换膜104之间，包括两个开口，填充有阴离子交换树脂；阳极室112位于第一阴离子交换膜104与阳极102之间，包括两个开口。按照以上描述，离子交换单元100的阴极室111，阳离子交换室113，阴离子交换室114和阳极室112各有两个开口，根据各种操作工况需要，这些开口中的一个或多个可以作为液流入口或出口，其中的两个或多个可以互相连通。在某些实施例中，阳离子交换室113的一个开口与阴离子交换室114的一个开口连通，如图1所示，下面的开口相连通，液流可如箭头所示流过。阴极111的一个开口与阳极室112的一个开口连通，如图2所示，下面的开口相连通，液流可如箭头所示流过。
在本发明一些实施例中，阴极101可以采用金属板(例如铁板)或导电的石墨板，阳极102可以采用钌钛板或石墨板。
本发明一些实施例中，为了使离子交换单元的结构更加紧凑，阴极101、第一阳离子交换膜103、水解离隔膜105、106、第一阴离子交换膜104和阳极102通常平行排列。另外，整个离子单元可采用板框结构并压紧。
本发明某些实施例的离子交换系统包括离子交换单元100，具有液流处理、树脂再生和清洗三种运行工况，分别如图1、图2和图3中所示。
如图1所示，在液流处理工况下，待处理液流(如箭头所示)依次流经离子交换单元100的阳离子交换室113和阴离子交换室114，分别与其中的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进行离子交换，从而得到去离子液流。在某些实施例中，待处理液流也可以先流经阴离子交换室114，再流经阳离子交换室113，液流流经阴阳离子交换室的顺序在本申请中并不做限定，适用于本申请所有实施例。在液流处理工况下，阴极101和阳极102未施加电压。
如图2所示，在树脂再生工况下，对阴极101和阳极102施加电压形成直流电场，水解离隔膜(即第二阳离子交换膜105和第二阴离子交换膜106)处的水解离生成H+与OH-，H+在直流电场作用下迁移到阳离子交换室113对其中的阳离子交换树脂进行再生，OH-在直流电场作用下迁移到阴离子交换室114对其中的阴离子交换树脂进行再生，同时，将待处理液流流经阳极室112和阴极室111，得到树脂再生浓液(如箭头所示)。在某些实施例中，待处理液流也可以先流经阴极室111，再流经阳极室112，液流流经阳极室和阴极室的顺序在本申请中并不做限定，适用于本申请所有实施例。另外，在某些实施例中，树脂再生工况下，可向所述待处理液流中加入阻垢剂，然后再将所述待处理液流流经所述阳极室和所述阴极室。含有阻垢剂的待处理流体流经极室时，能够降低极室中的难溶性无机盐的含量，降低极室的结垢风险。本发明提到的阻垢剂包括所有能够起到分散液体中的难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐在基材表面的沉淀、结垢功能的药剂，例如包括各种有机、无机及聚合物阻垢剂。
如图3所示，在清洗工况下，电极之间未加电场，如箭头所示，先将待处理液流流经阳离子交换室113中的阳离子交换树脂，得到酸性溶液，然后将所述酸性溶液依次流经阴极室111和阳极室112，对阴极室111和阳极室112进行清洗，降低结垢风险。在某些实施例中，酸性溶液流经阴极室111和阳极室112的顺序可以进行改变，另外，还可以根据极室结垢情况，选择性地将酸性溶液引入某一极室中进行清洗，例如，仅将酸性溶液引入阴极室中进行清洗。
如图1和图2所示的两种工况交替运行，可使用离子交换单元100长期处理待处理液流。当极室出现结垢时，可开启图3所示的清洗工况，对极室进行清洗清洁，去除结垢。清洗工况可定期开启。在某些实施例中，本发明离子交换系统还包括结垢检测单元，用于检测阴极室111和/或阳极室112中的结垢情况，当结垢程度大于某一预设值时，开启清洗工况。
图4所示为根据本发明一个实施例的离子交换单元200的示意图，离子交换单元200包括依次排列的阴极201、第一阳离子交换膜203、第二阳离子交换膜205、第一阴离子交换膜204和阳极202，其中，第二阳离子交换膜205作为水解离隔膜。离子交换单元200还包括：阴极室211，阳离子交换室213，阴离子交换室214和阳极室212，其中，阴极室211位于阴极201与第一阳离子交换膜203之间，包括两个开口；阳离子交换室213位于第一阳离子交换膜203和第二阳离子交换膜205之间，包括两个开口，填充有阳离子交换树脂；阴离子交换室214位于第二阳离子交换膜205和第一阴离子交换膜204之间，包括两个开口，填充有阴离子交换树脂；阳极室212位于第一阴离子交换膜204与阳极202之间，也包括两个开口。
与离子交换单元100不同，离子交换单元200的水解离膜仅包括一张阳离子交换膜205。离子交换单元200具有与离子交换单元100相似的液流处理工况和清洗工况，但树脂再生工况略有不同。如图4所示，对离子交换单元200的阴极201和阳极202施加电压形成直流电场，第二阳离子交换膜205和阴离子交换树脂界面处的水解离生成H+与OH-，H+在直流电场作用下迁移到阳离子交换室213对其中的阳离子交换树脂进行再生，OH-在直流电场作用下迁移到阴离子交换室214对其中的阴离子交换树脂进行再生，同时，将待处理液流流经阳极室212和阴极室211，得到树脂再生浓液(如箭头所示)。
图5所示为根据本发明一个实施例的离子交换单元300的示意图，离子交换单元300包括依次排列的阴极301、第一阳离子交换膜303、第二阴离子交换膜306、第一阴离子交换膜304和阳极302，其中，第二阴离子交换膜306作为水解离隔膜。离子交换单元300还包括：阴极室311，阳离子交换室313，阴离子交换室314和阳极室312，其中，阴极室311位于阴极301与第一阳离子交换膜303之间，包括两个开口；阳离子交换室313位于第一阳离子交换膜303和第二阴离子交换膜306之间，包括两个开口，填充有阳离子交换树脂；阴离子交换室314位于第二阴离子交换膜306和第一阴离子交换膜304之间，包括两个开口，填充有阴离子交换树脂；阳极室312位于第一阴离子交换膜304与阳极302之间，也包括两个开口。
离子交换单元300的水解离膜仅包括一张阴离子交换膜306。在树脂再生工况下，对阴极301和阳极302施加电压形成直流电场，第二阴离子交换膜306和阳离子交换树脂界面处的水解离生成H+与OH-，H+在直流电场作用下迁移到阳离子交换室313对其中的阳离子交换树脂进行再生，OH-在直流电场作用下迁移到阴离子交换室314对其中的阴离子交换树脂进行再生，同时，将待处理液流流经阳极室312和阴极室311，得到树脂再生浓液(如箭头所示)。离子交换单元300具有与离子交换单元100相似的液流处理工况和清洗工况。
本发明实施例的离子交换系统还包括多个或多级离子交换单元串联的情况。在液流处理工况下，一股待处理液流流经每一级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室，得到去离子液流。至于具体的流经顺序，并不在本申请中限定。
本发明所提出的离子交换系统采用了阳离子交换树脂、阴离子交换树脂分别填充的方式，可以有效地去除待处理液流中的阴、阳离子，另外，本发明的离子交换系统采用原位电再生的方法使离子交换树脂进行再生，无需使用酸碱化学药剂，也无需将离子交换树脂导出，操作简便，更重要地是，本发明的离子交换系统包括一种清洗工况，可以在结垢发生后对极室进行有效地清洗，因此，本发明的离子交换系统是一种新颖高效的用于液流处理的离子交换系统。
实验示例
按照图1所示的离子交换单元100装配离子交换系统，其中阳离子交换室113内的阳离子交换树脂和阴离子交换室114内的阴离子交换树脂的体积均为400ml左右。采用离子交换单元100对自来水进行脱盐处理。如图1所示，在液流处理工况(即脱盐工况)下，进水为电导率300uS/cm的自来水，流速为100ml/min，系统的产水电导率均小于10uS/cm，在保证脱盐率大于90％的情况下，可产水124L；当脱盐率低于90％时，进行树脂再生工况，如图2所示，将自来水作为极室的入水开始再生，再生的时候保持电流在3A，直到再生出水的电导率约等于进水电导率停止再生；然后再在与前述液流处理工况相同的操作条件下进行液流处理工况(即脱盐工况)，可产水121L。一次脱盐工况和一次树脂再生工况为一个循环。按照如图3所示进行清洗工况，将自来水流经阳离子树脂产生酸性溶液，使酸性溶液流经极室，清洗极室10分钟。定时清洗能够让极室流量保持稳定，没有明显下降，进口压力也没有明显上升。
对比例：按照如上所述进行自来水脱盐和树脂再生的循环实验，测试的过程中，三次循环后，系统中极室的流速下降很快，同时压力也增加很大。
以上的水处理方法和系统仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种离子交换系统，用于从待处理液流中提取或去除离子，其特征在于，所述系统包括至少一个离子交换单元，所述离子交换单元包括：
依次排列的阴极、第一阳离子交换膜、水解离隔膜、第一阴离子交换膜和阳极，其中，所述水解离隔膜包括第二阳离子交换膜，第二阴离子交换膜，或，第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜；
阴极室，位于所述阴极与所述第一阳离子交换膜之间，包括两个开口；
阳离子交换室，位于所述第一阳离子交换膜和所述水解离隔膜之间，包括两个开口，填充有阳离子交换树脂；
阴离子交换室，位于所述水解离隔膜和所述第一阴离子交换膜之间，包括两个开口，填充有阴离子交换树脂；以及
阳极室，位于所述第一阴离子交换膜与所述阳极之间，包括两个开口，
其中，所述离子交换系统具有液流处理、树脂再生和清洗三种运行工况：
在液流处理工况下，将待处理液流流经所述阳离子交换室和所述阴离子交换室，得到去离子液流；
在树脂再生工况下，对所述阴极和所述阳极施加电压形成直流电场，所述水解离隔膜处的水解离生成H+与OH-，所述H+在直流电场作用下迁移到所述阳离子交换室对所述阳离子交换树脂进行再生，所述OH-在直流电场作用下迁移到所述阴离子交换室对所述阴离子交换树脂进行再生，同时将所述待处理液流流经所述阳极室和所述阴极室，得到树脂再生浓液；以及
在清洗工况下，将待处理液流流经所述阳离子交换室得到酸性溶液，将所述酸性溶液流经阴极室和/或阳极室，对阴极室和/或阳极室进行清洗处理。
2.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，在所述树脂再生工况下，向所述待处理液流中加入阻垢剂，然后再将所述待处理液流流经所述阳极室和所述阴极室。
3.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述水解离隔膜包括所述第二阳离子交换膜和所述第二阴离子交换膜，其中，所述第二阳离子交换膜靠近所述阳离子交换树脂一侧，所述第二阴离子交换膜靠近所述阴离子交换树脂一侧。
4.如权利要求3所述的离子交换系统，其中，所述第二阳离子交换膜和所述第二阴离子交换膜紧贴在一起。
5.如权利要求3所述的离子交换系统，其中，所述水解离隔膜还包括位于所述第二阳离子交换膜和所述第二阴离子交换膜之间的中间层，所述中间层包括催化剂。
6.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述阴极、第一阳离子交换膜、水解离隔膜、第一阴离子交换膜和阳极平行排列。
7.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述离子交换系统包括两个或两个以上串联的所述离子交换单元，在所述液流处理工况下，一股待处理液流流经每个离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室，得到去离子液流。
8.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述待处理液流包括自来水、海水、苦咸水、工业废水、糖液、矿物浸出液、发酵液中的一种或多种。
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