CN113912223A - 一种纯水-超纯水梯级制备系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纯水‑超纯水梯级制备系统及方法，梯级制备系统包括反渗透单元、离子交换单元和电去离子单元，反渗透单元包括原水水箱、一级增压泵、二级增压泵、一级反渗透装置、二级反渗透装置、除二氧化碳器和脱碳水箱，离子交换单元包括离子交换装置进水水泵、离子交换装置和纯水水箱，电去离子单元包括电去离子装置、浓水水箱和超纯水水箱。原水水箱、一级反渗透装置、二级反渗透装置和反渗透储水箱依次连通，反渗透储水箱与除二氧化碳器、脱碳水箱、离子交换装置、纯水水箱、电去离子装置和超纯水水箱依次连通，本发明能够同时获得纯水和超纯水，以满足不同行业需求，实现梯级利用，并且大大减弱电去离子装置膜污染。

Description

一种纯水-超纯水梯级制备系统及方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，尤其是涉及一种纯水-超纯水梯级制备系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国电力、化工、医药等领域的发展，高品质水的需求得到了提升。在电力行业中，随着亚临界、超临界发电机组的投入运行，对于锅炉补给水电阻率的要求达到16MΩ，在冶金行业中，不锈钢冷轧生产过程中也需要用超纯水冲淋表面。半导体行业可以作为国家综合实力的表现之一，其发展具有研发成本高，技术要求高等特点，想要以最低的成本获取最高收益，需从技术手段对超纯水制备提出要求，对现有技术进行优化，从而达到使用预期。半导体行业中的超纯水除了水分子外，几乎没有任何杂质，电阻率达18MΩ×cm。

制备纯水或超纯水，常规工艺产水往往不能实现梯级利用，供需不能完好匹配，产水品质单一，从而造成资源浪费。电去离子工艺制备超纯水过程中往往存在膜污染问题，定期需要更换离子交换膜，成本大大提升。因此有必要设计一种纯水-超纯水梯级制备系统，来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种纯水-超纯水梯级制备系统，能够同时获得纯水和超纯水，以满足不同行业需求，实现梯级利用，并且大大减弱电去离子装置膜污染。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种纯水-超纯水梯级制备系统，包括反渗透单元、离子交换单元和电去离子单元，所述的反渗透单元包括原水水箱、一级增压泵、二级增压泵、一级反渗透装置、二级反渗透装置、反渗透储水箱、除二氧化碳器和脱碳水箱，所述的离子交换单元包括离子交换装置进水水泵、离子交换装置和纯水水箱，所述的电去离子单元包括电去离子装置、浓水水箱和超纯水水箱；

原水水箱出水口通过硅胶管将一级增压泵和一级反渗透装置的进水口连通，在一级增压泵与一级反渗透装置之间设有进水阀门，一级反渗透装置的出水通过二级增压泵进入二级反渗透装置，二级反渗透装置的出水进入反渗透储水箱；

反渗透储水箱通过硅胶管将增压泵和除二氧化碳器进水口连接，在反渗透储水箱与增压泵之间设置除二氧化碳器进水阀门，除二氧化碳器的出水进入脱碳水箱；

脱碳水箱出水通过离子交换装置进水水泵与离子交换装置连通，离子交换装置进水水泵与离子交换装置之间设置离子交换装置进水阀门，离子交换装置出水口与纯水水箱相连；

所述电去离子装置包括直流稳压电源和电去离子膜堆，直流稳压电源为电去离子膜堆供电，纯水水箱的出水口通过电去离子进水水泵与电去离子膜堆连通，在电去离子装置和电去离子进水水泵之间设有电去离子进水阀门，电去离子装置的浓室出水进入浓水水箱，淡室出水进入超纯水水箱。

进一步的，所述离子交换装置为阴离子交换床、阳离子交换床或离子交换混合床。

进一步的，所述除二氧化碳器为鼓风式除碳器或真空式除碳器。

进一步的，电去离子膜堆的离子交换膜的形式为均相离子交换膜、异相离子交换膜或半均相离子交换膜中的一种或几种的组合。

进一步的，所述的电去离子膜堆中的离子交换树脂的装填种类为阴离子交换树脂、阳离子交换树脂中的一种或两种任意比例混合。

进一步的，在所述离子交换装置与纯水水箱之间设有第一电导率检测仪；在靠近超纯水水箱的进水口处设有第二电导率检测仪。

进一步的，在所述离子交换装置与第一电导率检测仪之间设有离子交换止回阀，在电去离子膜堆的出水口处设有产水止回阀。

一种纯水-超纯水梯级制备方法，包括以下步骤：

步骤一、调节各增压泵和阀门控制水压达到预定值；调节直流稳压电源，改变电去离子膜堆两端的电压，调节离子交换装置进水水泵与电去离子装置进水水泵，使两个装置的流量相匹配，达到连续运行；

步骤二、开启进水阀门，调节一级增压泵，二级增压泵，通过一级反渗透装置和二级发渗透装置对原水水箱中的水进行两级反渗透处理；

步骤三、开启除二氧化碳器进水阀门和增压泵，将经过两级反渗透处理的水通过除二氧化碳器进行除二氧化碳处理后进入脱碳水箱；

步骤四、打开离子交换装置进水阀门和离子交换装置进水水泵，脱碳水箱的出水进入离子交换装置，通过离子交换装置对脱碳水箱内的水进行离子交换处理，离子交换装置的出水进入纯水水箱，得到纯水；

步骤五、打开电去离子进水阀门和电去离子进水水泵，通过电去离子装置对纯水水箱中的水经电去离子膜堆处理，电去离子装置的浓室产生浓水进入浓水水箱，电去离子装置的淡室产生淡水进入超纯水水箱，得到超纯水。

进一步的，所述步骤一中电去离子装置中直流稳压电源的电压为0-90V。

进一步的，所述步骤一中离子交换装置进水水泵的流速为0-60L/h，步骤四中电去离子装置进水水泵的流速为0-60L/h。

相对于现有技术，本发明所述的一种纯水-超纯水梯级制备系统具有以下优势：

本发明采用离子交换-电去离子组合方式，可作为一种纯水-超纯水制备技术，大大降低出水电导率，提高出水品质和能源利用效率。

1、本发明装置简单，易于启动，操作简便；离子交换与电去离子进水首先经过除二氧化碳器，可防止水中过多溶解二氧化碳影响工艺处理效果。

2、本发明采用离子交换装置与电去离子装置分级脱盐，离子交换装置处理反渗透出水，使其达到电去离子装置进水要求，减弱了离子交换膜污染，提高了电流效率；电去离子装置进一步脱盐，提高纯水电阻率；充分利用离子交换与电去离子之间的协同作用，防止膜污染的同时，提高了脱盐率。

3、本发明可针对用户需求调整流速、电压等运行条件，满足不同行业用水需求，灵活高效，产水率高。

4、本发明运行能耗低，可与太阳能结合使用，阳光充裕地区可节约大量能源。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种纯水-超纯水梯级制备系统的结构示意图。

附图标记说明：

1-原水水箱，2-一级增压泵，3-进水阀门，4-一级反渗透装置，5-二级反渗透装置，6-反渗透储水箱，7-除二氧化碳器进水阀门，8-增压泵，9-除二氧化碳器，10-脱碳水箱，11-离子交换装置进水水泵，12-离子交换装置进水阀门，13-离子交换装置，14-离子交换止回阀，15-第一产水电导率检测仪，16-纯水水箱，17-电去离子进水水泵，18-电去离子进水阀门，19-电去离子膜堆，20-直流稳压电源，21-产水止回阀，22-浓水水箱，23-第二产水电导率检测仪，24-超纯水水箱，25-二级增压泵。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种纯水-超纯水梯级制备系统，包括反渗透单元、离子交换单元和电去离子单元，所述的反渗透单元包括原水水箱1、一级增压泵2、二级增压泵25、一级反渗透装置4、二级反渗透装置5、反渗透储水箱6、除二氧化碳器9和脱碳水箱10，所述的离子交换单元包括离子交换装置进水水泵11、离子交换装置13和纯水水箱16，所述的电去离子单元包括电去离子装置、浓水水箱22和超纯水水箱24；

原水水箱1出水口通过硅胶管将一级增压泵2和一级反渗透装置4的进水口连通，在一级增压泵2与一级反渗透装置4之间设有进水阀门3，一级反渗透装置4的出水通过二级增压泵25进入二级反渗透装置5，二级反渗透装置5的出水进入反渗透储水箱6；

反渗透储水箱6通过硅胶管将增压泵8和除二氧化碳器9进水口连接，在反渗透储水箱6与增压泵8之间设置除二氧化碳器进水阀门7，除二氧化碳器9的出水进入脱碳水箱10；

脱碳水箱10出水通过离子交换装置进水水泵11与离子交换装置13连通，离子交换装置进水水泵11与离子交换装置13之间设置离子交换装置进水阀门12，离子交换装置13出水口与纯水水箱16相连；

所述电去离子装置包括直流稳压电源20和电去离子膜堆19，直流稳压电源20为电去离子膜堆19供电，纯水水箱16的出水口通过电去离子进水水泵17与电去离子膜堆19连通，在电去离子装置和电去离子进水水泵17之间设有电去离子进水阀门18，电去离子装置的浓室出水进入浓水水箱22，淡室出水进入超纯水水箱24。

离子交换装置13为阴离子交换床、阳离子交换床或离子交换混合床。除二氧化碳器9为鼓风式除碳器、真空式除碳器或实验室自制除二氧化碳器。电去离子膜堆19中的离子交换膜的形式为均相离子交换膜、异相离子交换膜或半均相离子交换膜中的一种或几种的组合。电去离子膜堆19中的离子交换树脂的装填种类为阴离子交换树脂、阳离子交换树脂中的一种或两种任意比例混合。阴、阳离子交换树脂按照不同比例装填可组成离子交换阳床系统、离子交换阴床系统及离子交换混床系统。离子交换混床系统在两级反渗透处理之后，可深度脱盐，产生高纯水。电去离子(EDI)将电渗析技术和离子交换技术结合，通过阴、阳离子交换膜的选择透过性和离子交换树脂对水中离子的交换作用，通电后可以实现水中离子的定性迁移，从而达到深度脱盐。水电解产生的氢离子和氢氧根离子可以对树脂进行再生，因此EDI装置可以连续运行。

在所述离子交换装置13与纯水水箱16之间设有第一电导率检测仪15；在靠近超纯水水箱24的进水口处设有第二电导率检测仪23。通过第一电导率检测仪15对生成的纯水进行电导率在线检测，通过第二电导率检测仪23对生成的超纯水进行电导率在线检测，实时控制纯水和超纯水的电导率。

为了防止产生的水回流，在所述离子交换装置13与第一电导率检测仪15之间设有离子交换止回阀14，在电去离子膜堆19的出水口处设有产水止回阀21。

一种利用上述系统制备纯水-超纯水的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、调节各增压泵和阀门控制水压达到预定值；调节直流稳压电源，改变电去离子膜堆两端的电压，调节离子交换装置进水水泵与电去离子装置进水水泵，使两个装置的流量相匹配，达到连续运行，电去离子装置中直流稳压电源20的电压为0-90V；离子交换装置进水水泵11的流速为0-60L/h，电去离子装置进水水泵17的流速为0-60L/h；

步骤二、开启进水阀门3，调节一级增压泵2，二级增压泵25，通过一级反渗透装置4和二级发渗透装置5对原水水箱1中的水进行两级反渗透处理；

步骤三、开启除二氧化碳器进水阀门7和增压泵8，将经过两级反渗透处理的水通过除二氧化碳器9进行除二氧化碳处理后进入脱碳水箱10；

步骤四、打开离子交换装置进水阀门12和离子交换装置进水水泵11，脱碳水箱10的出水进入离子交换装置13，通过离子交换装置13对脱碳水箱10内的水进行离子交换处理，离子交换装置13的出水进入纯水水箱16，得到纯水；

步骤五、打开电去离子进水阀门18和电去离子进水水泵17，通过电去离子装置对纯水水箱16中的水经电去离子膜堆19处理，电去离子装置的浓室产生浓水进入浓水水箱22，电去离子装置的淡室产生淡水进入超纯水水箱24，得到超纯水。

本发明的工作原理为：

经过预处理的水，通过反渗透进行初步脱盐，含有二氧化碳的反渗透出水经过增压泵进入除二氧化碳器中，水快速通过除二氧化碳器中文丘里管吸入空气，喷洒在填料上，与空气充分接触，由亨利定律可知，水中二氧化碳排出到空气中，防止水中二氧化碳含量过多，在进行离子交换时形成短流，提高离子去除率；也防止二氧化碳对EDI膜堆中离子交换膜造成破坏，提高膜堆寿命；除二氧化碳器出水直接进入离子交换装置，由于离子交换作用，水中阴、阳离子分别被OH^-和H⁺置换，去除水中其他离子，降低水电导率，出水可作为纯水使用，也可以作为电去离子装置进水，进一步处理生成超纯水；离子交换装置出水进入电去离子装置进一步处理，通过电去离子装置中阴、阳离子交换膜的选择透过性，产生超纯水和浓水；在淡水室中装有离子交换树脂，降低淡水室电阻，可以大幅度提高装置脱盐性能，保障了出水水质。

本申请的各增压泵、进水水泵为本系统提供动力，经过预处理的水进行两级反渗透处理，两级反渗透出水经除二氧化碳器9脱除水中二氧化碳，除二氧化碳器9中采用Ф50mm空心多面球。离子交换装置13采用一个阴离子交换树脂：阳离子交换树脂＝2:1的混合床，产生纯水电导率可达0.1-10μs/cm。纯水继续进入电去离子装置，电去离子装置为一级一段，即膜堆在一对电极之间，水流方向相同。产生超纯水电阻率可达0.1-0.055μs/cm。

在电去离子装置前添加离子交换混床脱盐既可以产生满足部分行业需求的纯水，又可以缓解膜污染。电去离子产生的超纯水又可以满足对水质要求高的行业用水。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纯水-超纯水梯级制备系统，其特征在于：包括反渗透单元、离子交换单元和电去离子单元，所述的反渗透单元包括原水水箱(1)、一级增压泵(2)、二级增压泵(25)、一级反渗透装置(4)、二级反渗透装置(5)、反渗透储水箱(6)、除二氧化碳器(9)和脱碳水箱(10)，所述的离子交换单元包括离子交换装置进水水泵(11)、离子交换装置(13)和纯水水箱(16)，所述的电去离子单元包括电去离子装置、浓水水箱(22)和超纯水水箱(24)；

原水水箱(1)出水口通过硅胶管将一级增压泵(2)和一级反渗透装置(4)的进水口连通，在一级增压泵(2)与一级反渗透装置(4)之间设有进水阀门(3)，一级反渗透装置(4)的出水通过二级增压泵(25)进入二级反渗透装置(5)，二级反渗透装置(5)的出水进入反渗透储水箱(6)；

反渗透储水箱(6)通过硅胶管将增压泵(8)和除二氧化碳器(9)进水口连接，在反渗透储水箱(6)与增压泵(8)之间设置除二氧化碳器进水阀门(7)，除二氧化碳器(9)的出水进入脱碳水箱(10)；

脱碳水箱(10)出水通过离子交换装置进水水泵(11)与离子交换装置(13)连通，离子交换装置进水水泵(11)与离子交换装置(13)之间设置离子交换装置进水阀门(12)，离子交换装置(13)出水口与纯水水箱(16)相连；

所述电去离子装置包括直流稳压电源(20)和电去离子膜堆(19)，直流稳压电源(20)为电去离子膜堆(19)供电，纯水水箱(16)的出水口通过电去离子进水水泵(17)与电去离子膜堆(19)连通，在电去离子装置和电去离子进水水泵(17)之间设有电去离子进水阀门(18)，电去离子装置的浓室出水进入浓水水箱(22)，淡室出水进入超纯水水箱(24)。

2.根据权利要求1所述的一种纯水-超纯水梯级制备系统，其特征在于：所述离子交换装置(13)为阴离子交换床、阳离子交换床或离子交换混合床。

3.根据权利要求1所述的一种纯水-超纯水梯级制备系统，其特征在于：所述除二氧化碳器(9)为鼓风式除碳器或真空式除碳器。

4.根据权利要求1所述的一种纯水-超纯水梯级制备系统，其特征在于：电去离子膜堆(19)中的离子交换膜的形式为均相离子交换膜、异相离子交换膜或半均相离子交换膜中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的一种纯水-超纯水梯级制备系统，其特征在于：电去离子膜堆(19)中的离子交换树脂的装填种类为阴离子交换树脂、阳离子交换树脂中的一种或两种任意比例混合。

6.根据权利要求1所述的一种纯水-超纯水梯级制备系统，其特征在于：在所述离子交换装置(13)与纯水水箱(16)之间设有第一电导率检测仪(15)；在靠近超纯水水箱(24)的进水口处设有第二电导率检测仪(23)。

7.根据权利要求6所述的一种纯水-超纯水梯级制备系统，其特征在于：在所述离子交换装置(13)与第一电导率检测仪(15)之间设有离子交换止回阀(14)，在电去离子膜堆(19)的出水口处设有产水止回阀(21)。

8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的纯水-超纯水梯级制备系统制备纯水-超纯水的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、调节各增压泵和阀门控制水压达到预定值；调节直流稳压电源，改变电去离子膜堆两端的电压，调节离子交换装置进水水泵与电去离子装置进水水泵，使两个装置的流量相匹配，达到连续运行。

步骤二、开启进水阀门(3)，调节一级增压泵(2)，二级增压泵(25)，通过一级反渗透装置(4)和二级发渗透装置(5)对原水水箱(1)中的水进行两级反渗透处理；

步骤三、开启除二氧化碳器进水阀门(7)和增压泵(8)，将经过两级反渗透处理的水通过除二氧化碳器(9)进行除二氧化碳处理后进入脱碳水箱(10)；

步骤四、打开离子交换装置进水阀门(12)和离子交换装置进水水泵(11)，脱碳水箱(10)的出水进入离子交换装置(13)，通过离子交换装置(13)对脱碳水箱(10)内的水进行离子交换处理，离子交换装置(13)的出水进入纯水水箱(16)，得到纯水；

步骤五、打开电去离子进水阀门(18)和电去离子进水水泵(17)，通过电去离子装置对纯水水箱(16)中的水经电去离子膜堆(19)处理，电去离子装置的浓室产生浓水进入浓水水箱(22)，电去离子装置的淡室产生淡水进入超纯水水箱(24)，得到超纯水。

9.根据权利要求8所述的一种利用纯水-超纯水梯级制备系统制备纯水-超纯水的方法，其特征在于：所述步骤一中电去离子装置中直流稳压电源(20)的电压为0-90V。

10.根据权利要求9所述的一种利用纯水-超纯水梯级制备系统制备纯水-超纯水的方法，其特征在于：所述步骤一中离子交换装置进水水泵(11)的流速为0-60L/h，电去离子装置进水水泵(17)的流速为0-60L/h。

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