CN114014415A - 用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，主要材料包括双极膜、阳离子交换膜、阳离子交换树脂、阴离子交换膜、阴离子交换树脂、直流电源等。本发明把传统的阳离子交换器+阴离子交换器脱盐工艺和双极膜解离氢离子、氢氧根离子、电渗析的离子迁移有机结合起来，以实现阳离子交换器和阴离子交换器连续去离子脱盐，并用直流电和双极膜同步在线再生的动态稳定工况。经本系统脱盐处理后脱盐率高，产水品质优于传统阳离子交换器+阴离子交换器组合，具有投资低、运行成本低、产水率高、产水品质高、进水适应性好、不消耗酸碱、自动化程度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统及方法，适用于绝大多数水的脱盐领域。
背景技术
水的脱盐应用领域广泛，从日常生活中喝的纯净水到工业应用的除盐水、超纯水，海水淡化……几乎覆盖所有行业。水的脱盐方法很多，蒸发、反渗透、电渗析、离子交换、EDI等在各自的脱盐领域发挥着功效。EDI连续电去离子技术的工业化应用为电再生离子交换脱盐指明了一个方向，相比传统离子交换具有占地面积小、自动化程度高、运行成本低、无污染等多种优点。但是EDI也有很明显的短板：进水水质要求高只能用于脱盐水的深度脱盐。基于EDI电连续再生脱盐的启示，发明一种直流电连续再生的阳离子交换器+阴离子交换器组合系统，以取代目前的阳离子交换器+阴离子交换器的组合系统，本发明系统结合了传统阳离子交换器+阴离子交换器的组合系统对进水水质要求不高、阳离子和阴离子分别独立处理和EDI直流电连续再生自动化程度高的优点，能对大部分水进行脱盐。
对于高硬度的水一般不能直接进行脱盐，需要对水进行软化处理后再进脱盐系统，而本发明系统对阳离子和阴离子分开处理且处理掉的离子再和电解质提供的离子配对成易溶盐，从根本上解决了高硬度水脱盐容易结垢的问题。由于本发明系统脱盐的基本原理为离子交换，再生的基本原理为离子交换和离子电迁移，而再生所需离子全部由水解离所得，再生排放液离子配对采用电解质，故系统的消耗只有电能、少量水和电解质，电解质绝大部分可选用价格低廉容易获取的氯化钠，运行成本低不受地域限制。
现有技术中，绝大部分的脱盐技术会面临得水率低、排放水容易结垢影响设备运行的情况。本发明系统再生是连续进行的，氢离子和氢氧根离子不存在浪费情况，比传统阳离子交换器+阴离子交换器组合系统有更高的得水率，一般苦咸水的得水率可在90%以上。
发明内容
受EDI连续电去离子技术启发，发明连续电去离子的阳离子交换器+阴离子交换器组合系统，以解决高硬度水脱盐问题、得水率低问题、排放水容易结垢问题，本系统应用广泛相比较传统脱盐方法具有非常大的成本优势和适用性。
为实现上述目的，采用的技术方案如下：
本发明涉及一种用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，从左到右依次包括有：阴极板，电解质填充室，阴膜，阳床浓排室，阳膜，阳离子交换室，双极膜，阴离子交换室，阴膜，阴床浓排室，阳膜，电解质填充室，阳极板；所述的阴极板与阳极板之间连接有直流电源；
所述阳离子交换室内填充阳离子交换树脂，顺水流动方向阳离子逐步转化为氢离子，垂直水流方向由双极膜解离出的氢离子置换树脂吸附的其他阳离子，实现在线再生；
所述阴离子交换室内填充阴离子交换树脂，顺水流动方向阴离子逐步转化为氢氧根离子，垂直水流方向由双极膜解离出的氢氧根离子置换树脂吸附的其他阴离子，实现在线再生；
所述阳离子交换室的上端连接处理水进口，阳离子交换器下端与阴离子交换器的上端连接，阴离子交换器的下端连接处理水出口；
所述阳床浓排室为排放阳离子交换器再生液的隔室，收集由阳床和电解质填充室迁移到排放室的离子生成新的易溶盐溶液，并由一端排放掉；
所述阴床浓排室为排放阴离子交换器再生液的隔室，收集由阴床和电解质填充室迁移到排放室的离子生成新的易溶盐溶液，并由一端排放掉；
所述阴极板一侧的电解质填充室是向阳床浓排室提供阴离子电解质隔室，所述的阳极板一侧的电解质填充室是阴床浓排室提供阳离子电解质的隔室，两个电解质填充室相通并和外接的电解质储箱的电解质相连流通。
上述本发明的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，优选的，双极膜选用电流密度高的均相膜。
上述本发明的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，优选的，所述左侧的阴膜和阳膜分别采用电渗析用阳离子交换膜和阴离子交换膜，右侧的阴膜和阳膜分别采用电渗析用阳离子交换膜和阴离子交换膜。
上述本发明的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，优选的，阳离子交换室采用均粒强酸性阳离子交换树脂，阴离子树脂选用均粒强碱性阴离子交换树脂。
上述本发明的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，优选的，阳离子交换室填充阳离子树脂官能团应和阳膜官能团保持一致，阴离子交换室填充阴离子交换树脂官能团和阴膜官能团保持一致。
上述本发明的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，优选的，阳离子交换器入口和阴离子交换器出口均设电导率表。
上述本发明的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，优选的，设置有高低压保护装置、断水保护装置、超电流保护装置、高温保护装置。
上述本发明的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，优选的，阳离子交换室和阴离子交换室的间隔均为2-8mm；电解质填充室，阳床浓排室，阴床浓排室，电解质填充室，间距均为1-3mm。
上述本发明的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，优选的，所述电解质填充室的电解质为饱和食盐水。
本发明的主要创新点地于：1.阳离子交换器+阴离子交换器组合运行、再生同步连续进行；2.再生剂为双极膜解离出的氢离子和氢氧根离子，只需消耗电能和水不消耗酸碱；3.在线连续再生通过电渗析过程完成，阳离子交换器和阴离子交换器同步置换，氢离子和氢氧根离子利用率高，再生排水率低，系统回收率可达到90-95%；4.阳离子交换器再生排放阳离子和外加电解液（以氯化钠为例）提供的阴离子组合为完全易溶的氯盐高盐排放液，阴离子交换器再生排放阴离子和外加电解液提供的阳离子组合为完全易溶的钠盐高盐排放液，两种排放液分别排放便于后续处理；通过上述方式，本发明能够实现水的低成本高回收率脱盐尤其针对高硬度水的脱盐可以节省全部化学软化投资和运行成本。
本发明可以通过阳离子交换室内填充的阳离子交换树脂，直接对来水去除阳离子，该单元顺水流动方向阳离子逐步转化为氢离子，垂直水流方向由双极膜解离出的氢离子置换树脂吸附的其他阳离子，实现在线再生。
本发明可以通过阴离子交换室内填充的阴离子交换树脂，直接对阳床来水去除阴离子，该单元顺水流动方向阴离子逐步转化为氢氧根离子，垂直水流方向由双极膜解离出的氢氧根离子置换树脂吸附的其他阴离子，实现在线再生。
本发明独创了利用双极膜电渗析解离水连续运行和在线再生的一整套完整工艺，任何单位和个人未经专利所有者许可不得模仿套用。
本发明独创了利用电解质溶液配对阳床、阴床再生排放离子，形成可溶性盐，从根本上解决了其他脱盐设备容易结垢的问题，可低成本处理高硬度水。利用电解质离子配对其他阴阳离子形成新的易溶盐的脱盐方法为发明人独创任何单位和个人未经专利所有者许可不得模仿套用。
本发明实现了阳床阴床无酸碱再生，在线连续再生氢离子、氢氧根利用率高，无污染低消耗。
本发明只消耗部分水、电解质和电能，对于大部分水来说电解质可采用价格低廉的氯化钠，阳床浓排和阴床浓排分别排放氯盐和钠盐，原料获取方便，运行成本很低。
本发明公开一种去离子的阳离子交换器+阴离子交换器组合系统，包括阳离子交换器、阴离子交换器、双极膜电渗析、电渗析等几种成熟工艺。充分利用各成熟工艺的特点进行合理空间布局，水的脱盐和再生在垂直的两个方向同步进行，进而实现连续运行和再生。水流路线：预处理过的原水→（6）阳离子交换器→（8）阴离子交换器→产水→产水箱+两个浓水室（少量）；垂直水流方向阳离子交换器电迁移再生路线：（7）双极膜→（6）阳离子交换器→（5）阳膜→（4）阳床浓排室；阴离子交换器电迁移再生路线：（7）双极膜→（8）阴离子交换器→（9）阴膜→（10）阴床浓排室；垂直水流动方向阳床浓排室和阴床浓排室的另外一侧分别由阴膜和阳膜组成电解质填充室，循环流动饱和电解质溶液，提供配对离子和阳离子交换器、阴离子交换器再生迁移到浓排室的离子结合为易溶盐类，其中通过（2）电解质填充室→（3）阴膜→（4）阳床浓排室路线为阳床浓排室提供氯离子，通过（12）电解质填充室→（11）阳膜→（10）阴床浓排室路线为阴床浓排室提供钠离子。阳极板和阴极板之间所有的隔室、膜、填充均为易导电性质，离子迁移速率快，最大程度消除了浓差极化引起的离子“反迁移” ，形成了较低电阻的闭合回路，完成了电迁移的闭环。
系统的离子利用率高几乎不存在浪费，主要的消耗是电能和电解质，处理一般水可采用价格低廉容易获取的氯化钠作为电解质，综合产水运行成本低于目前绝大部分脱盐工艺。系统适用性好，阳离子和阴离子分开处理对来水水质要求比较宽泛，尤其针对高硬度水，可节约大量化学软化费用。
经本系统脱盐处理后脱盐率高，产水品质优于传统阳离子交换器+阴离子交换器组合，系统运行、再生均连续进行，主要消耗为电能和电解质（如氯化钠）。具有投资低、运行成本低、产水率高、产水品质高、进水适应性好、不消耗酸碱、自动化程度高等优点。本发明流程更简单，占用空间小，可做成独立模块单元，使用时只连接水源进出口和电源，并能像EDI模块一样大批量组合应用。具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明连续电去离子的阳离子交换器+阴离子交换器组合系统结构示意图。
图2是本发明连续电去离子的阳离子交换器+阴离子交换器组合系统运行示意图。
附图中各部件的标记如下：（1）阴极板，（2）电解质填充室，（3）阴膜（4）阳床浓排室，（5）阳膜，（6）阳离子交换室，（7）双极膜，（8）阴离子交换室，（9）阴膜，（10）阴床浓排室，（11）阳膜，（12）电解质填充室，（13）阳极板。
具体实施方式
下面结合附图1-2及具体实施例对本发明作更进一步的说明。双极膜、阳膜、阴膜的尺寸均按照800*400mm设计一套完整的模块单元。
如图1所示，本发明公开了一种新型的脱盐系统，主要由（1）阴极板，（2）电解质填充室，（3）阴膜（4）阳床浓排室，（5）阳膜，（6）阳离子交换室，（7）双极膜，（8）阴离子交换室，（9）阴膜，（10）阴床浓排室，（11）阳膜，（12）电解质填充室，（13）阳极板及相应电源、仪表阀门及管道管件等辅件组成。其中：
（6）阳离子交换室和（8）阴离子交换室间隔为8mm，隔室需要有较好的刚性，以免变形影响设备工况，阳离子交换室采用均粒强酸性阳离子交换树脂，阴离子树脂选用均粒强碱性阴离子交换树脂。
（2）电解质填充室，（4）阳床浓排室，（10）阴床浓排室，（12）电解质填充室，这几个隔室的间距均设计为1mm。
阴膜（3），阴膜（9），均选用均相阴离子交换膜；（5）阳膜，（11）阳膜，均选用均相阳离子交换膜。
双极膜（7）采用电流密度800mA．cm-2的均相膜。
电解质为食盐，为饱和食盐水的上清液。
电解质填充室（2），电解质填充室（12）内为循环流动的饱和食盐水。
选取电导率约400μs/cm的自来水，其中钙离子60mg/L，镁离子浓度0.5mg/L，经过滤处理后进入设备，（6）阳离子交换室和（8）阴离子交换室的流速为1.5cm/s,处理量约300L/h,进水直流电压输出10v,电流80A,产水电导率＜5μs/cm,总硬度≈0。系统脱盐率98%，回收率＞95%，吨水电耗＜3KW·h，吨水消耗氯化钠约110g。
电解质填充室（2）、电解质填充室（12）流动的介质为阳离子交换器和阴离子交换器再生排放离子配对，生成其他易溶盐，这种以盐除盐的工艺设计为独创工艺，任何单位和个人未经专利所有人允许不得模仿、复制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)
1.一种用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，从左到右依次包括有：阴极板（1），电解质填充室（2），阴膜（3）阳床浓排室（4），阳膜（5），阳离子交换室（6），双极膜（7），阴离子交换室（8），阴膜（9），阴床浓排室（10），阳膜（11），电解质填充室（12），阳极板（13）；所述的阴极板与阳极板之间连接有直流电源；
所述阳离子交换室（6）内填充阳离子交换树脂，顺水流动方向阳离子逐步转化为氢离子，垂直水流方向由双极膜解离出的氢离子置换树脂吸附的其他阳离子，实现在线再生；
所述阴离子交换室（8）内填充阴离子交换树脂，顺水流动方向阴离子逐步转化为氢氧根离子，垂直水流方向由双极膜解离出的氢氧根离子置换树脂吸附的其他阴离子，实现在线再生；
所述阳离子交换室的上端连接处理水进口，阳离子交换器下端与阴离子交换器的上端连接，阴离子交换器的下端连接处理水出口；
所述阳床浓排室（4）为排放阳离子交换器再生液的隔室，收集由阳床和电解质填充室迁移到排放室的离子生成新的易溶盐溶液，并由一端排放掉；
所述（10）阴床浓排室为排放阴离子交换器再生液的隔室，收集由阴床和电解质填充室迁移到排放室的离子生成新的易溶盐溶液，并由一端排放掉；
所述阴极板（1）一侧的电解质填充室（2）是向阳床浓排室提供阴离子电解质隔室，所述的阳极板（13）一侧的电解质填充室（12）是阴床浓排室提供阳离子电解质的隔室，两个电解质填充室相通并和外接的电解质储箱的电解质相连流通。
2.根据权利要求1所述的用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，所述阴极板（1）、阳极板（13）均采用优质耐腐蚀产品，双极膜（7）选用电流密度高的均相膜。
3.根据权利要求1用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，所述左侧的阴膜（3）和阳膜（5）分别采用电渗析用阳离子交换膜和阴离子交换膜，右侧的阴膜（9）和阳膜（11）分别采用电渗析用阳离子交换膜和阴离子交换膜。
4.根据权利要求1用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，阳离子交换室采用均粒强酸性阳离子交换树脂，阴离子树脂选用均粒强碱性阴离子交换树脂。
5.根据权利要求1用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，阳离子交换室填充阳离子树脂官能团应和阳膜官能团保持一致，阴离子交换室填充阴离子交换树脂官能团和阴膜官能团保持一致。
6.根据权利要求1用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，阳离子交换器入口和阴离子交换器出口均设电导率表。
7.根据权利要求1用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，设置有高低压保护装置、断水保护装置、超电流保护装置、高温保护装置。
8.根据权利要求1用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，阳离子交换室（6）和阴离子交换室（8）的间隔均为2-8mm；电解质填充室（2），阳床浓排室（4），阴床浓排室（10），电解质填充室（12），间距均为1-3mm。
9.根据权利要求1用直流电源连续再生去离子阳离子交换器+阴离子交换器系统，其特征在于，所述电解质填充室的电解质为饱和食盐水。
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