CN113772773B - 一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的方法及装置 - Google Patents

一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热‑电‑膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置及方法，基于污水冻结过程冰的自净、阴极诱导吸附重金属阳离子和重金属阳离子单向交换膜筒的选择透过性原理，针对重金属污水的离子污染特性，选择适宜的冻结模式、阴极极化程度和离子交换膜类型，由周边到中间径向渐进冻结和诱导吸附驱替净化重金属污水，最后将重金属阳离子单向交换膜筒包裹的阴极区高浓度重金属污水泵出至高浓离子集液器内等待集中化学处理，提高当前重金属污水的处理效率、降低化学处理成本以及避免二次污染等次生危害，该技术具有净化效率高、成本低、无污染和操作便捷等诸多优点。

Description

一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种净化重金属污水的方法及装置，尤其是一种适用于矿山开采和工业生产过程产生的重金属污水综合高效治理的热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的方法及装置。
背景技术
随着金属矿山开采和冶金工业过程的进行，不可避免地会造成重金属离子进入土壤和水体内，近年来工业和民用污水的排放量逐年增加，其中重金属污水排放量不容忽视。然而，目前国内外对于重金属污水处理过程存在以下典型问题：(一)基建工程对于污水处理配套措施不够，导致施工过程产生明显的土水污染；(二)由于重金属污水含量较大，广泛采用的化学净化法成本过高；(三)化学净化法技术不够成熟，或无法达到净化效果或造成次生化学污染；(四)现有独立采用的热法(冻结法)、化学法或电法在重金属污水处理过程中净化效率不明显，资源耗费严重得不偿失。
综上所述，目前迫切需要一种既能高效净化重金属污水的技术，同时又能避免二次污染的方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有重金属污水净化手段存在的不足，提供一种净化效率高、成本低，又能避免二次污染的热-电-膜耦合径向向渐进净化重金属污水的方法及装置。
技术方案：本发明的热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，包括污水净化槽、依次间隔设在污水净化槽内的Ⅰ级制冷筒、Ⅱ级制冷筒和阳离子单向交换膜筒，所述污水净化槽、Ⅰ级制冷筒、Ⅱ级制冷筒和阳离子单向交换膜筒的中心线重合且等高；所述Ⅰ级制冷筒与Ⅱ级制冷筒之间形成的空间内注有低浓度离子液，Ⅱ级制冷筒与阳离子单向交换膜筒之间形成的空间内注有中浓度离子液，阳离子单向交换膜筒内注有高浓度离子液；所述阳离子单向交换膜筒的中部设有与阳离子单向交换膜筒等高的阴极棒，阳离子单向交换膜筒内还设有离子浓度传感器和与高浓离子集液器相连的复合式集液管，所述复合式集液管外部的管段上设有集液泵，集液泵经导线和中控开关连接离子浓度传感器，当离子浓度传感器检测到阳离子单向交换膜筒内的浓度值达到设定值时，触发中控开关进而打开集液泵将阳离子单向交换膜筒的高浓度离子液泵送至高浓离子集液器中；所述Ⅰ级制冷筒与Ⅱ级制冷筒之间形成的空间上方设有向内注入低浓度离子液的污水进液管，所述污水净化槽的底部设有连通低浓度离子液的净水排液管；所述中浓度离子液为Ⅰ级制冷筒初次冻结驱替低浓度离子液后穿过Ⅱ级制冷筒所得液体；所述高浓度离子液为Ⅱ级制冷筒再次冻结驱替中浓度离子液后穿过阳离子单向交换膜筒所得液体。
所述的污水净化槽为耐腐蚀性强、化学性质稳定和力学强度高的聚四氟乙烯材质。
所述的Ⅰ级制冷筒和Ⅱ级制冷筒均为中空封闭形圆环筒，其中Ⅱ级制冷筒的筒壁环向上中下位置均布有Ⅱ级制冷筒过液口，Ⅰ级制冷筒紧贴污水净化槽的壁面，Ⅱ级制冷筒与Ⅰ级制冷筒的距离由Ⅰ级制冷筒的制冷温度和制冷效率决定，制冷温度为-5～-20℃，制冷效率为0.01～0.1℃/h。
所述的复合式集液管插入阳离子单向交换膜筒内的管段间隔设有多个喷孔。
所述Ⅰ级制冷筒和Ⅱ级制冷筒的顶部分别对称设有与外部循环制冷设备相连、进出制冷液的Ⅰ级循环进液口、Ⅰ级循环出液口和Ⅱ级循环进液口、Ⅱ级循环出液口。
所述的阴极棒为多孔镍镀层低碳钢材质与外部电源负极连接形成闭合回路，回路电压<24V，回路电流<10mA。
所述的阳离子单向交换膜筒的材质根据待净化污水内重金属离子类型选用汞、镉、铅、铜、铬、镍、铁、锰、锌中的任一种。
一种使用上述装置的热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的方法，包括以下步骤：
a、关闭净水排液管，将低浓度离子液由污水进液管注入污水净化槽，注入量略低于Ⅰ级制冷筒和Ⅱ级制冷筒高度；
b、启动与Ⅰ级制冷筒的Ⅰ级循环进液口和Ⅰ级循环出液口连接的外部循环制冷设备，使Ⅰ级制冷筒达到预定制冷温度，对低浓度离子液进行径向冻结驱替净化，直至Ⅰ级制冷筒和Ⅱ级制冷筒中间范围液体全部冻结后，重金属离子通过Ⅱ级制冷筒环向均布的透水孔进入Ⅱ级制冷筒与阳离子单向交换膜筒中间区域获得中浓度离子液；
c、关闭与Ⅰ级制冷筒的Ⅰ级循环进液口和Ⅰ级循环出液口连接的外部循环制冷设备，启动与Ⅱ级制冷筒的Ⅱ级循环进液口和Ⅱ级循环出液口连接的外部循环制冷设备，对中浓度离子液进行二次径向渐进冻结驱替净化，直至Ⅱ级制冷筒与阳离子单向交换膜筒中间范围液体全部冻结后，重金属离子通过阳离子单向交换膜筒进入污水净化槽中间区域获得高浓度离子液；
d、设定中控开关触发的高浓度离子液浓度阈值，当中控开关被触发启动集液泵工作时，高浓度离子液被收集在高浓离子集液器内；
e、调节外部循环制冷设备，使Ⅰ级制冷筒和Ⅱ级制冷筒的温度为0℃度以上，消融冻结过程产生的洁净冰，直至全部融化为洁净水；
f、打开净水排液管，即可收集得到净化后符合排放标准的二类水质。
所述设定中控开关触发的高浓度离子液浓度阈值为45-55g/L。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能够利用污水冻结过程冰的自净、阴极诱导吸附阳离子和阳离子单向交换膜筒的选择透过性原理，采用由两边到中间的双向渐进冻结方式，同时针对重金属污水的离子特性，选择适宜的冻结模式、阴极极化程度和离子交换膜类型，由两边到中间双向渐进冻结驱替净化重金属污水，最后将阳离子单向交换膜筒包裹的阴极区高浓度污水泵出至高浓离子集液器内等待集中化学处理，提高当前重金属污水的处理效率、降低化学处理成本以及避免二次污染等次生危害。上述技术方案与本技术领域内现有技术相比，具有净化效率高、成本低、无污染和操作便捷等诸多优点。
附图说明
图1为本发明的热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置示意图。
图中：1、污水净化槽，2、Ⅰ级制冷筒，2-1、Ⅰ级循环进液口，2-2、Ⅰ级循环出液口，3、Ⅱ级制冷筒，3-1、Ⅱ级循环进液口，3-2、Ⅱ级循环出液口，3-3、Ⅱ级制冷筒过液口，4、阳离子单向交换膜筒，5、阴极棒，6、污水进液管，7、净水排液管，8、复合式集液管，9、集液泵，10、高浓离子集液器，11、低浓度离子液，12、中浓度离子液，13、高浓度离子液，14、中控开关，15、离子浓度传感器。
图2为本发明热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置俯视示意图。
具体实施方式：
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
本发明的热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，主要由污水净化槽1、依次间隔设在污水净化槽1内的Ⅰ级制冷筒2、Ⅱ级制冷筒3和阳离子单向交换膜筒4构成，所述污水净化槽1、Ⅰ级制冷筒2、Ⅱ级制冷筒3和阳离子单向交换膜筒4的中心线重合且等高；所述的污水净化槽1为耐腐蚀性强、化学性质稳定和力学强度高的聚四氟乙烯材质。所述的Ⅰ级制冷筒2和Ⅱ级制冷筒3均为中空封闭形圆环筒，其中Ⅱ级制冷筒3的筒壁环向上中下位置均布有Ⅱ级制冷筒过液口3-3，Ⅰ级制冷筒2紧贴污水净化槽1的壁面，Ⅱ级制冷筒3与Ⅰ级制冷筒2的距离由Ⅰ级制冷筒2的制冷温度和制冷效率决定，制冷温度为-5～-20℃，制冷效率为0.01～0.1℃/h。所述Ⅰ级制冷筒2和Ⅱ级制冷筒3的顶部分别对称设有与外部循环制冷设备相连、进出制冷液的Ⅰ级循环进液口2-1、Ⅰ级循环出液口2-2和Ⅱ级循环进液口3-1、Ⅱ级循环出液口3-2。所述Ⅰ级制冷筒2与Ⅱ级制冷筒3之间形成的空间内注有低浓度离子液11，Ⅱ级制冷筒3与阳离子单向交换膜筒4之间形成的空间内注有中浓度离子液12，阳离子单向交换膜筒4内注有高浓度离子液13；所述阳离子单向交换膜筒4的中心位置设有与阳离子单向交换膜筒4等高的阴极棒5，所述的阴极棒5为多孔镍镀层低碳钢材质与外部电源负极连接形成闭合回路，回路电压<24V，回路电流<10mA。所述的阳离子单向交换膜筒4的材质根据待净化污水内重金属离子类型选用汞、镉、铅、铜、铬、镍、铁、锰、锌中的任一种。阳离子单向交换膜筒4内还设有离子浓度传感器15和与高浓离子集液器10相连的复合式集液管8，所述的复合式集液管8插入阳离子单向交换膜筒4内的管段间隔设有多个喷孔。所述复合式集液管8外部的管段上设有集液泵9，集液泵9经导线和中控开关14连接离子浓度传感器15，当离子浓度传感器15检测到阳离子单向交换膜筒4内的浓度值达到设定值时，触发中控开关14进而打开集液泵9将阳离子单向交换膜筒4的高浓度离子液13泵送至高浓离子集液器10中；所述Ⅰ级制冷筒2与Ⅱ级制冷筒3之间形成的空间上方设有向内注入低浓度离子液11的污水进液管6，所述污水净化槽1的底部设有连通低浓度离子液11的净水排液管7；所述中浓度离子液12为Ⅰ级制冷筒2初次冻结驱替低浓度离子液11后穿过Ⅱ级制冷筒3所得液体；所述高浓度离子液13为Ⅱ级制冷筒3再次冻结驱替中浓度离子液12后穿过阳离子单向交换膜筒4所得液体。
本发明的热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的方法，具体步骤如下：
a、关闭净水排液管7，将低浓度离子液11由污水进液管6注入污水净化槽1，注入量略低于Ⅰ级制冷筒2和Ⅱ级制冷筒3高度；
b、启动与Ⅰ级制冷筒2的Ⅰ级循环进液口2-1和Ⅰ级循环出液口2-2连接的外部循环制冷设备，使Ⅰ级制冷筒2达到预定制冷温度，对低浓度离子液11进行径向冻结驱替净化，直至Ⅰ级制冷筒2和Ⅱ级制冷筒3中间范围液体全部冻结后，重金属离子通过Ⅱ级制冷筒3环向均布的透水孔进入Ⅱ级制冷筒3与阳离子单向交换膜筒4中间区域获得中浓度离子液12；
c、关闭与Ⅰ级制冷筒2的Ⅰ级循环进液口2-1和Ⅰ级循环出液口2-2连接的外部循环制冷设备，启动与Ⅱ级制冷筒3的Ⅱ级循环进液口3-1和Ⅱ级循环出液口3-2连接的外部循环制冷设备，对中浓度离子液12进行二次径向渐进冻结驱替净化，直至Ⅱ级制冷筒3与阳离子单向交换膜筒4中间范围液体全部冻结后，重金属离子通过阳离子单向交换膜筒4进入污水净化槽1中间区域获得高浓度离子液13；
d、设定中控开关14触发的高浓度离子液13浓度阈值，所述设定中控开关14触发的高浓度离子液13浓度阈值为45-55g/L。当中控开关14被触发启动集液泵9工作时，高浓度离子液13被收集在高浓离子集液器10内；
e、调节外部循环制冷设备使Ⅰ级制冷筒2和Ⅱ级制冷筒3温度为0℃度以上，消融冻结过程产生的洁净冰，直至全部融化为洁净水；
f、打开净水排液管7，即可收集得到净化后符合排放标准的二类水质。

Claims (9)

1.一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，其特征在于：它包括污水净化槽(1)、依次间隔设在污水净化槽(1)内的Ⅰ级制冷筒(2)、Ⅱ级制冷筒(3)和阳离子单向交换膜筒(4)，所述污水净化槽(1)、Ⅰ级制冷筒(2)、Ⅱ级制冷筒(3)和阳离子单向交换膜筒(4)的中心线重合且等高；所述Ⅰ级制冷筒(2)与Ⅱ级制冷筒(3)之间形成的空间内注有低浓度离子液(11)，Ⅱ级制冷筒(3)与阳离子单向交换膜筒(4)之间形成的空间内注有中浓度离子液(12)，阳离子单向交换膜筒(4)内注有高浓度离子液(13)；所述阳离子单向交换膜筒(4)的中部设有与阳离子单向交换膜筒(4)等高的阴极棒(5)，阳离子单向交换膜筒(4)内还设有离子浓度传感器(15)和与高浓离子集液器(10)相连的复合式集液管(8)，所述复合式集液管(8)外部的管段上设有集液泵(9)，集液泵(9)经导线和中控开关(14)连接离子浓度传感器(15)，当离子浓度传感器(15)检测到阳离子单向交换膜筒(4)内的浓度值达到设定值时，触发中控开关(14)进而打开集液泵(9)将阳离子单向交换膜筒(4)的高浓度离子液(13)泵送至高浓离子集液器(10)中；所述Ⅰ级制冷筒(2)与Ⅱ级制冷筒(3)之间形成的空间上方设有向内注入低浓度离子液(11)的污水进液管(6)，所述污水净化槽(1)的底部设有连通低浓度离子液(11)的净水排液管(7)；所述中浓度离子液(12)为Ⅰ级制冷筒(2)初次冻结驱替低浓度离子液(11)后穿过Ⅱ级制冷筒(3)所得液体；所述高浓度离子液(13)为Ⅱ级制冷筒(3)再次冻结驱替中浓度离子液(12)后穿过阳离子单向交换膜筒(4)所得液体。
2.根据权利要求1所述的一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，其特征在于：所述的污水净化槽(1)为耐腐蚀性强、化学性质稳定和力学强度高的聚四氟乙烯材质。
3.根据权利要求1所述的一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，其特征在于：所述的Ⅰ级制冷筒(2)和Ⅱ级制冷筒(3)均为中空封闭形圆环筒，其中Ⅱ级制冷筒(3)的筒壁环向上中下位置均布有Ⅱ级制冷筒过液口(3-3)，Ⅰ级制冷筒(2)紧贴污水净化槽(1)的壁面，Ⅱ级制冷筒(3)与Ⅰ级制冷筒(2)的距离由Ⅰ级制冷筒(2)的制冷温度和制冷效率决定，制冷温度为-5～-20℃，制冷效率为0.01～0.1℃/h。
4.根据权利要求1所述的一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，其特征在于：所述的复合式集液管(8)插入阳离子单向交换膜筒(4)内的管段间隔设有多个喷孔。
5.根据权利要求1所述的一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，其特征在于：所述Ⅰ级制冷筒(2)和Ⅱ级制冷筒(3)的顶部分别对称设有与外部循环制冷设备相连、进出制冷液的Ⅰ级循环进液口(2-1)、Ⅰ级循环出液口(2-2)和Ⅱ级循环进液口(3-1)、Ⅱ级循环出液口(3-2)。
6.根据权利要求1所述的一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，其特征在于：所述的阴极棒(5)为多孔镍镀层低碳钢材质与外部电源负极连接形成闭合回路，回路电压<24V，回路电流<10mA。
7.根据权利要求1所述的一种热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的装置，其特征在于：所述的阳离子单向交换膜筒(4)的材质根据待净化污水内重金属离子类型选用汞、镉、铅、铜、铬、镍、铁、锰、锌中的任一种。
8.一种使用权利要求1-7任意项所述装置的热-电-膜耦合径向渐进净化重金属污水的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、关闭净水排液管(7)，将低浓度离子液(11)由污水进液管(6)注入污水净化槽(1)，注入量略低于Ⅰ级制冷筒(2)和Ⅱ级制冷筒(3)高度；
b、启动与Ⅰ级制冷筒(2)的Ⅰ级循环进液口(2-1)和Ⅰ级循环出液口(2-2)连接的外部循环制冷设备，使Ⅰ级制冷筒(2)达到预定制冷温度，对低浓度离子液(11)进行径向冻结驱替净化，直至Ⅰ级制冷筒(2)和Ⅱ级制冷筒(3)中间范围液体全部冻结后，重金属离子通过Ⅱ级制冷筒(3)环向均布的透水孔进入Ⅱ级制冷筒(3)与阳离子单向交换膜筒(4)中间区域获得中浓度离子液(12)；
c、关闭与Ⅰ级制冷筒(2)的Ⅰ级循环进液口(2-1)和Ⅰ级循环出液口(2-2)连接的外部循环制冷设备，启动与Ⅱ级制冷筒(3)的Ⅱ级循环进液口(3-1)和Ⅱ级循环出液口(3-2)连接的外部循环制冷设备，对中浓度离子液(12)进行二次径向渐进冻结驱替净化，直至Ⅱ级制冷筒(3)与阳离子单向交换膜筒(4)中间范围液体全部冻结后，重金属离子通过阳离子单向交换膜筒(4)进入污水净化槽(1)中间区域获得高浓度离子液(13)；
d、设定中控开关(14)触发的高浓度离子液(13)浓度阈值，当中控开关(14)被触发启动集液泵(9)工作时，高浓度离子液(13)被收集在高浓离子集液器(10)内；
e、调节外部循环制冷设备，使Ⅰ级制冷筒(2)和Ⅱ级制冷筒(3)的温度为0℃度以上，消融冻结过程产生的洁净冰，直至全部融化为洁净水；
f、打开净水排液管(7)，即可收集得到净化后符合排放标准的二类水质。
9.权利要求8所述的方法，其特征在于：所述设定中控开关(14)触发的高浓度离子液(13)浓度阈值为45-55g/L。
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