CN113461119B - 一种同步去除饮用水硬度及有害金属的电微滤装置体系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及饮用水安全保障领域，特别涉及一种可用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系。所述用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系中料液池通过导管与第一泵体连接，第一泵体通过导管与阴极室连接，阴极室通过导管与压力表连接，压力表通过导管与第二泵体连接，第二泵体通过导管与阳极室连接，阳极室通过导管与第三泵体连接。本发明利用阴极室、膜表面、膜孔内部的强碱性氛围使碳酸钙沉淀，沉淀过程中有害金属离子产生共沉淀，产生的难溶晶体同步被微滤膜截留。阴极出水流经阳极腔室，保证整体出水为中性，达到饮用水标准。膜通量明显下降时，可对阴阳极进行倒极，并对膜电极施加反向水流，膜通量可完全恢复。

Description

一种同步去除饮用水硬度及有害金属的电微滤装置体系
技术领域
本发明涉及水处理领域，特别涉及一种可用于饮用水中硬度及有害金属去除的电化学反应装置。
背景技术
人们的生活中离不开饮用水，饮用水质对人的身体健康和生命安全有至关重要的影响。饮用水中硬度过大会对人体造成一定的伤害，因此，需要对硬度超标的水体进行硬度去除。此外，饮用水中的有害金属污染也是一个不可忽视的问题。
各种天然水中不同程度地溶解有多种矿物质和气体。雨、雪水降落到地面，并流入河、湖、沟渠与池塘，不断溶解土壤和岩石中的钙、镁、硫、氯等物质，因此，河、湖水中的矿物质要比雨雪水中的矿物质多，硬度也大。如果雨雪水或河湖水渗入地下，由于通常流经的路途比河水要长，沿途溶解的矿物质种类和数量也比较多，所以地下水的硬度又比雨雪水与河湖水的硬度高。在日常生活中，用硬水洗衣物不仅肥皂不易起泡沫，丧失了去污能力，而且还能使纤维变硬、发脆，损坏衣物。用高硬水洗澡后，头发、皮肤有发粘的感觉。当一个人长期饮用低硬水一旦改用高硬水时，就可能出现暂时性的肠胃功能紊乱。近年来，饮用水硬度升高，是肾结石发病率增长的一个原因。在工业生产上，纺织印染工业使用硬水，既浪费肥皂，又容易造成次品及废品，增加了生产成本。硬水不能用来进行化学实验，也不能制取化学试剂、药品和针剂。锅炉使用硬水，就会在炉内和管道上生成水垢，不但耗费燃料，而且还影响锅炉寿命，甚至会引起爆炸事故。
有害金属污染是当今世界需要解决的水污染问题之一。有害金属主要有重金属和放射性核素两大类。由于矿山开采，金属加工，金属冶炼以及生产废水的排放，化石燃料的燃烧等因素，重金属会进入到天然水体中。由于核能源生产比如铀矿石的开采、核燃料制造等过程，以及放射性同位素及其辐照源、射线装置等在工业、医学和科研领域的广泛应用，一些放射性核素进入天然水体中。由于重金属毒性大，在环境中不易被代谢，易被生物富集并有生物放大效应等特点，会严重危害饮用水安全。
目前，人们对饮用水中硬度的去除和水体中有害金属污染问题已有相对深入的研究，同时采取了多种方法对水体进行处理和修复。
对于处理水体中硬度的去除主要有药剂软化法、离子交换法、膜软化法、微电解法等方法。药剂软化法是根据溶度积原理，向水中加入化学试剂使水中的钙镁离子沉淀，从而降低地下水硬度，达到地下水软化的目的。药剂软化法的缺点是出水残留硬度高、需加酸调节，泥渣量过多。离子交换法是去除水中阳离子的常用方法，原理是水中的离子经过离子交换树脂时在库伦力的作用下会将树脂上带有同种电荷的离子进行替换，附着在离子交换树脂上，从而达到去除水中离子的作用。此种方法的优点是方法简单，效果明显，去除率高，出水水质好、处理量大和无对环境的二次污染，缺点是离子交换树脂易受污染氧化失效，需要再生，再生时操作繁琐，需要更换树脂，费用高而目进水需要预处理。膜软化法原理是依靠特殊高分子半透膜作为介质，然后外部条件施加一定的压力，使溶液中的某些溶质或水渗透出来，从而达到软化分离的目标。在膜软化法中原水通过半透膜时，原水溶液中组分不会变化，且饮用水不易生成有毒附作物、能量损耗低和对处理水质要求低，因此该法具有管理方便、简单高效和占地面积小等诸多优点，在工业水和饮用水设计处理工艺方式中进行了普遍应用。但膜污染问题是一个亟需解决的问题。利用微电解法进行水软化时，装置内会发生微电解反应，使得阴极附近产生一个碱性区域，将水中钙、镁离子沉淀在处理装置内，从而软化系统内的水体。这是一种新兴的水体软化的方法，该方法无需添加化学药剂，清洁无污染，反应条件温和，能耗低，且装置易于自动化管理，是一种绿色的水体除硬方法。
对于饮用水中有害金属处理的方法主要有：化学沉淀法、混凝-絮凝法、电化学法等方法。化学沉淀法由于其操作相对简便且去除率较高，被广泛用于各种水体中有害金属离子的去除。通过化学反应使溶解的有害金属离子转变为难溶的沉淀，形成的沉淀可以通过沉降和过滤从水体中分离出去，分离后的液体再通过适当的处理就可重新使用。传统上，化学沉淀法多通过有害金属离子与氢氧根离子发生化学反应产生氢氧化物沉淀来达到去除的目的，沉淀剂通常为石灰，与其他方法相比，其操作简单，成本较低和pH易控等优点。尽管化学沉淀法有许多优点，但为了使有害金属浓度降低到可接受的水平，需要消耗大量化学药品，使其成本增加。混凝-絮凝法也常被用作去除污染水体中有害金属离子，其去除原理主要是通过加入凝结剂破坏胶体颗粒的稳定性使其沉淀以达到去除的目的，为了方便去除沉淀颗粒，一般在混凝后使不稳定颗粒形成大体积絮凝体。这种技术一般通过调节pH以及加入盐离子(铁/铝)作为混凝剂来克服颗粒之间的斥力。混凝-絮凝法在实际应用中也存在一些局限性，如化学药品的消耗而产生高操作成本，混凝絮凝剂的使用增加了污泥量，导致二次污染，这些都限制了其在实际污水处理中的应用。电化学方法是在直流电作用下，利用金属的电化学性质去除废水中的金属离子，是处理高浓度金属废水的一种有效方法。电化学法具有处理效率高、可回收重金属等优点，并且随着污水排放标准的日益严格，电化学法得到越来越多的应用。电化学处理废水技术主要包括电絮凝、电解法、电浮选等。电絮凝技术是在通电条件下，利用阳极溶蚀产生的金属阳离子经水解、聚合形成的絮凝剂去除废水中的污染物。同时，水分子也发生电解反应，分别在阴极和阳极产生H2和O2，与水中未被絮凝剂沉降的悬浮固粒结合形成密度小于水的气浮体，可进一步提高处理效果。电解法是利用电化学原理，将两种不同电极电位的金属或金属与非金属在传导性较好的电解质中接触，形成无数微小的原电池，通过外加电源提供电能，使电极表面发生氧化还原反应，以去除废水中的重金属离子及含有的有机物。电浮选是通过水电解产生的氢气和氧气等微小气泡对水体中的污染物进行粘附形成浮选体去除，在有害金属离子的去除中有广泛的应用，但其浮选效率易受到浮选时间、pH值、电流密度、极板间距等因素的影响。
综上所述，电化学方法是一种具有很大优势的降低饮用水硬度与有害金属去除的方法。研究表明，金属离子可以与碳酸钙发生共沉淀并与其中一部分钙离子进行晶格替换。因此，使用电化学在去除钙硬度的过程中同时去除有害金属将会是一种对饮用水进行软化和有害金属修复的可行性方法。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明提供一种可用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系。
本发明是这样实现的，一种可用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系，所述用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置设置有料液池；
料液池通过导管与第一泵体连接，第一泵体通过导管与电微滤装置的阴极室连接；
阴极室通过导管与压力表连接，压力表通过导管与第二泵体连接；第二泵体通过导管与电微滤装置的阳极室连接，阳极室上端设置有出水管与第三泵体连接。
进一步，所述的反应装置，形状可为筒式和箱式。
进一步，所述的穿透式阴极，材质可为烧结钛、Ti7O4等，形状可为管式和平板式。
进一步，所述的穿透式阴极的对电极，可为DSA、BDD、PbO2、石墨电极。
进一步，所述的PTFE膜，孔径可为0.1-50μm之间不等。
进一步，所述的电流密度，可以为0.5-50mA/cm2之间不等。
进一步，所述的停留时间，可为0.5-15min不等。
进一步，所述的有害金属离子，可为重金属离子如铬、铅、镉，也可为放射性核素如137Cs、90Sr，浓度为10-1000μg/L。
进一步，所述的钙离子浓度，可为50-300mg/L。
进一步，所述的反洗时间，可为1-10min。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)本发明利用通过将阴阳极腔室用PTFE膜分隔开来，可在两个腔室中分别产生强酸和强碱性环境，即可在阴极室去除钙离子和有害金属离子，阴极出水向阳极室循环一遍，出水达到中性，无需添加试剂调节酸碱性。
(2)本发明制备的Ti4O7导电陶瓷膜可同时作为阴极材料和微滤膜，兼有反洗自清洁功能。
(3)本发明所制备的材料不会产生二次污染，耐用性强，环境友好。
(4)本发明使用PTFE膜将反应装置分隔为阴阳极两个腔室，相较于传统的离子交换膜，具有抗污染性能更强、能适应更复杂水体、造价低的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的可用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系示意图。
图2是本发明实施例提供的电微滤单元结构示意图。
图中：1、料液池；2、第一泵体；3、阴极室；4、电微滤单元；5、阳极室；6、压力表；7、第二泵体；8、第三泵体；9、直流电源；10、阴极室入水口；11、阴极室抽水出口；12、阳极室入水口；13、阳极室出水口；14、Ti4O7导电微滤膜；15、阳极；16、PTFE膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的用于饮用水中硬度与有害金属去除的电微滤装置体系仅仅是一个具体实施例而已。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系中料液池1通过导管与第一泵体2连接，第一泵体2通过导管与阴极室5连接，阴极室5通过导管与压力表6连接，压力表6通过导管与第二泵体7连接；第二泵体7通过导管与阳极室3连接，阳极室3通过导管与第三泵体8连接。其中，阴极室5和阳极室3通过导线与直流电源9连接。
阳极室3设置有阳极，阳极可为BDD电极、锡锑电极、钌铱电极、铱钽电极、PbO2电极等。阴极室5内部设置有穿透式阴极，阴极可为烧结钛、Ti7O4等，阴阳极电极间距可为1cm-10cm之间不等，电微滤单元4中的电流密度可为0.5mA/cm2-50mA/cm2之间不等。阳极、阴极之间内置PTFE微滤膜，PTFE膜的膜孔径在0.1um-50um之间不等。电微滤单元4中的停留时间可为0.5-15min不等。
本发明的工作原理为：
沉淀是通过以下阴极反应在阴极周围高pH环境的产生而诱发的：
O2+2H2O+4e-→4OH-
2H2O+2e-→H2+2OH-
高碱性环境作用将HCO3 -离子转化为CO2 2-形式。随之而来的CaCO3高过饱和度促进了其沉淀：
Ca2++HCO3 -+OH-→CaCO3+H2O
碳酸钙沉淀过程中，金属离子会替换掉碳酸钙中的钙离子，从而和碳酸钙一起形成沉淀。出水通过阳极室调节pH后，可达到接近中性。膜反洗时，通过将Ti4O7作为阳极产生局部酸性，在反向水流作用下膜通量可以快速恢复。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1
Cr(VI)浓度为500μg/L，钙离子浓度为150mg/L，pH为6.5的水体，电流密度为3mA/cm2，停留时间为5min时，经过该装置处理后，六价铬去除率达到98％，总铬去除率达到95％，钙离子浓度降低到95mg/L，出水pH为6.2。
实施例2
使用Cd浓度为100μg/L，钙离子浓度为120mg/L，pH为7的水体，电流密度为1mA/cm2，停留时间为10min，经过处理后，钙离子浓度去除达到60％，Cd去除率达到99％，出水pH为7.5。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，而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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系，其特征在于：所述用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系的设置有：
料液池；
料液池通过导管与第一泵体连接，第一泵体通过导管与电微滤装置的阴极室连接；
阴极室通过导管与压力表连接，压力表通过导管与第二泵体连接；第二泵体通过导管与电微滤装置的阳极室连接，阳极室上端设置有出水管与第三泵体连接；
反应装置中间用PTFE膜将其分为阴极室和阳极室两个腔室，使用导电微滤膜作为穿透式阴极，同时起到过滤作用，利用阴极室的强碱性氛围可使钙离子以碳酸钙的形式沉淀，与此同时水体中的有害金属与碳酸钙一起沉淀并取代碳酸钙晶格中的一部分钙离子从而得到去除，阴极出水通过阳极室使出水pH值达到中性，无需添加试剂调节酸碱性；
穿透式阴极材质为烧结钛、Ti4O7，形状为管式和平板式；
PTFE膜孔径为0.1-50 μm；
有害金属为重金属离子和/或放射性核素，浓度为10-1000 μg/L；
膜反洗时，通过将Ti4O7作为阳极产生局部酸性，在反向水流作用下膜通量可以快速恢复。
2.根据权利要求1所述的一种用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系，其特征在于：所述阴极室和阳极室通过导线与直流电源连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系，其特征在于：穿透式阴极的对电极为DSA、BDD、PbO2、石墨电极。
4.根据权利要求1所述的一种用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系，其特征在于：电流密度为0.5-50 mA/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系，其特征在于：停留时间为0.5-15 min。
6.根据权利要求1所述的一种用于饮用水中硬度与有害金属同步去除的电微滤装置体系，其特征在于：钙离子浓度为50-300 mg/L。
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