CN111229331A - 用于液流处理的离子交换系统 - Google Patents

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CN111229331A CN202010183583.1A CN202010183583A CN111229331A CN 111229331 A CN111229331 A CN 111229331A CN 202010183583 A CN202010183583 A CN 202010183583A CN 111229331 A CN111229331 A CN 111229331A
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陈小平
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Foshan Viomi Electrical Technology Co Ltd
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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，其中，所述水解离隔膜包括第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜；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。

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第二阳离子交换膜之间，包括两个开口，填充有阳离子交换树脂；阴离子交换室，位于所述第二阴离子交换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和树脂再生两种运行工况：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，同时将所述待处理流体流经阳极室和阴极室，得到树脂再生浓液。
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，且不使用酸碱化学药剂，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串联的两个离子交换单元100的液流处理工况示意图；
图4示意性地显示了根据本发明一个实施例的串联的两个离子交换单元100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串联的两个离子交换单元200的液流处理工况示意图；
图6示意性地显示了根据本发明一个实施例的串联的两个离子交换单元200的树脂再生工况示意图；
图7示意性地显示了根据本发明一个实施例的串联的两个离子交换单元200和100的液流处理工况示意图；
图8示意性地显示了根据本发明一个实施例的串联的两个离子交换单元200和100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，起到分离阳离子交换室和阴离子交换室的作用。水解离隔膜通常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-。
本申请提及的“第一级”“前一级”“后一级”是指在离子交换单元串联的体系中，每个离子交换单元为一级，液流处理工况下，按照待处理液流流经的方向，第一个流经的离子交换单元记为“第一级离子交换单元”，先流经的记为“前一级”，后流经的记为“后一级”。
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，具有液流处理和树脂再生两种运行工况，分别如图1和图2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，将待处理流体流经阳极室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。
本发明实施例的离子交换系统还包括多个离子交换单元串联的情况。图3和图4示意性地显示了根据本发明一个实施例的含有串联的两个离子交换单元100的离子交换系统。如图3、图4所示，两个结构相同的离子交换单元100串联，串联的方式是：将第一级离子交换单元100(左侧)的阴离子交换室114上开口与第二级离子交换单元100(右侧)的阳离子交换室113上开口相连通，将第一级离子交换单元100(左侧)的阳极室112上开口与第二级离子交换单元100(右侧)的阴极室112上开口相连通。此处提及的“上开口”仅是参照图示而言，并不代表实物系统的方位。
如图3所示，对于串联的两个离子交换单元100，在液流处理工况下，一股待处理液流(如箭头所示)依次流经第一级离子交换单元100的阳离子交换室和阴离子交换室、第二级离子交换单元100的阳离子交换室和阴离子交换室，得到去离子液流。如上文提到，待处理液流的流经顺序可以调整，不限于图3中箭头所示的流经顺序。
如图4所示，对于串联的两个离子交换单元100，在树脂再生工况下，一股待处理液流依次流经第一级离子交换单元100的阳极室和阴极室、第二级离子交换单元100的阳极室和阴极室，得到树脂再生浓液。如上文提到，待处理液流的流经顺序可以调整，不限于图4中箭头所示的流经顺序。
本发明实施例的离子交换系统还可以包括三个、四个以至于更多个离子交换单元100串联的情况，串联的连接方式以及运行方式与上文中对于图3、图4的描述大致相同。
本发明实施例的离子交换系统还包括以其它方式串联的两个或两个以上离子交换单元。图5和图6所示为包括串联的两个离子交换单元200的离子交换系统。
离子交换单元200具有与离子交换单元100相似的构造，不同之处在于，离子交换单元200的阳离子交换室213和阴离子交换室214互不连通，阴极室211和阳极室212互不连通。对于两个串联的离子交换单元200，串联的方式是：如图5所示，将第一级离子交换单元的阳离子交换室一个开口与第二级离子交换单元的阴离子交换室一个开口相连通，将第一级离子交换单元的阴离子交换室一个开口与第二级离子交换单元的阳离子交换室一个开口相连通，形成两条离子交换流道；如图6所示，将第一级离子交换单元的阴极室一个开口与第二级离子交换单元的阳极室一个开口相连通，将第一级离子交换单元的阳极室一个开口与第二级离子交换单元的阴极室一个开口相连通，形成两条极室流道。
如图5所示，含有两个离子交换单元200串联的离子交换系统，在液流处理工况下，两股待处理液流(如箭头所示)分别流入第一级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室，在第二级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室开口处分别得到两股去离子液流。
如图6所示，含有两个离子交换单元200串联的离子交换系统，在树脂再生工况下，两股待处理液流(如箭头所示)分别流入第一级离子交换单元的阳极室和阴极室，在第二级离子交换单元的阳极室和阴极室开口处分别得到两股树脂再生浓液。
本发明实施例还可以包括含有三个、四个以至于更多个离子交换单元200串联的情况，串联的连接方式以及运行方式与上文中对于图5、图6的描述大致相同。具体地，在串联方式上，前一级离子交换单元的阳离子交换室连接后一级离子交换单元的阴离子交换室，前一级离子交换单元的阴离子交换室连接后一级离子交换单元的阳离子交换室，形成两条离子交换流道；前一级离子交换单元的阴极室连接后一级离子交换单元的阳极室，前一级离子交换单元的阳极室连接后一级离子交换单元的阴极室，形成两条极室流道。这样，在液流处理工况下，两股待处理液流分别流入第一级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室，在最后一级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室分别得到两股去离子液流，在树脂再生工况下，两股待处理液流分别流入第一级离子交换单元的阳极室和阴极室，在最后一级离子交换单元的阳极室和阴极室分别得到两股树脂再生浓液。
图7和图8所示为另一种含有串联的离子交换单元的离子交换系统，具体地，包括串联的离子交换单元200和离子交换单元100。离子交换单元200的阳离子交换室213和阴离子交换室214互不连通，阴极室211和阳极室212也互不连通。离子交换单元100的阳离子交换室113和阴离子交换室114互相连通，阴极室111和阳极室112也互相连通。这样，两者串联起来时，串联方式是，如图7所示，将离子交换单元200的阳离子交换室213的一个开口与离子交换单元100的阴离子交换室114相连接，将离子交换单元200的阴离子交换室214的一个开口与离子交换单元100的阳离子交换室113相连接；如图8所示，将离子交换单元200的阳极室212的一个开口与离子交换单元100的阴极室111相连接，将离子交换单元200的阴极室211的一个开口与离子交换单元100的阳极室112相连接。
运行时，在液流处理工况下，如图7所示，一股待处理液流(如箭头所示)依次流经第一级离子交换单元200的阳离子交换室213、第二级离子交换单元100的阴离子交换室114、阳离子交换室113、以及第一级离子交换单元200的阴离子交换室214，得到去离子液流。在树脂再生工况下，如图8所示，一股待处理液流(如箭头所示)依次流经第一级离子交换单元200的阳极室212、第二级离子交换单元100的阴极室111、阳极室112、以及第一级离子交换单元200的阴极室211，得到树脂再生浓液。
本发明实施例还可以包括含有三个、四个以至于更多个离子交换单元的、与图7图8所示类似串联方式的情况，例如包括两个或两个以上离子交换单元200和一个离子交换单元100。具体地，连接方式是：前一级离子交换单元的阳离子交换室连接后一级离子交换单元的阴离子交换室，前一级离子交换单元的阴离子交换室连接后一级离子交换单元的阳离子交换室，最后一级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室连通，形成一条离子交换流道；前一级离子交换单元的阴极室连接后一级离子交换单元的阳极室，前一级离子交换单元的阳极室连接后一级离子交换单元的阴极室，最后一级离子交换单元的阳极室和阴极室连通，形成一条极室流道。这样，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，在树脂再生工况下，一股待处理液流流经每个离子交换单元的阳极室和阴极室，得到树脂再生浓液。
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流体中的阴阳离子，更重要地是，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，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
按照如图1图2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。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，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。由上述实验数据可见，树脂在再生工况中得到了有效再生，将再生的树脂进行脱盐工况处理自来水，产水量基本保持不变。
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 (10)

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第二阳离子交换膜之间，包括两个开口，填充有阳离子交换树脂；
阴离子交换室，位于所述第二阴离子交换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，所述离子交换系统具有液流处理和树脂再生两种运行工况：
在所述液流处理工况下，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；
在所述树脂再生工况下，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，同时将所述待处理流体流经所述阳极室和所述阴极室，得到树脂再生浓液。
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紧贴在一起的所述第二阳离子交换膜和所述第二阴离子交换膜。
4.如权利要求1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。
5.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。
6.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述离子交换单元中，所述阳离子交换室的一个开口与所述阴离子交换室的一个开口连通，所述阴极室的一个开口与所述阳极室的一个开口连通。
7.如权利要求6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，在树脂再生工况下，一股待处理液流流经每个离子交换单元的阳极室和阴极室，得到树脂再生浓液。
8.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，
前一级离子交换单元的阳离子交换室连接后一级离子交换单元的阴离子交换室，前一级离子交换单元的阴离子交换室连接后一级离子交换单元的阳离子交换室，形成两条离子交换流道；
前一级离子交换单元的阴极室连接后一级离子交换单元的阳极室，前一级离子交换单元的阳极室连接后一级离子交换单元的阴极室，形成两条极室流道；；
在液流处理工况下，两股待处理液流分别流入第一级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室，在最后一级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室分别得到两股去离子液流，在树脂再生工况下，两股待处理液流分别流入第一级离子交换单元的阳极室和阴极室，在最后一级离子交换单元的阳极室和阴极室分别得到两股树脂再生浓液。
9.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，
前一级离子交换单元的阳离子交换室连接后一级离子交换单元的阴离子交换室，前一级离子交换单元的阴离子交换室连接后一级离子交换单元的阳离子交换室，最后一级离子交换单元的阳离子交换室和阴离子交换室连通，形成一条离子交换流道；
前一级离子交换单元的阴极室连接后一级离子交换单元的阳极室，前一级离子交换单元的阳极室连接后一级离子交换单元的阴极室，最后一级离子交换单元的阳极室和阴极室连通，形成一条极室流道；
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，在树脂再生工况下，一股待处理液流流经每个离子交换单元的阳极室和阴极室，得到树脂再生浓液。
10.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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