CN114105379A - 一种基于linx系统的渗透析纯净水处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于LINX系统的渗透析纯净水处理工艺，对待处理的原水进行预处理；预处理后的原水流入到去离子再生式模块进行渗透析处理；步骤三，注入循环水促使置换出的离子的排出；对净化水进行定时监测；根据监测结果实时调节待处理的原水和循环水的流量。基于LINX系统的渗透析纯净水处理工艺具有高效的去离子能力和自动再生能力，在电场的作用下将去离子过程和再生过程交替分开进行，同时系统将交替产生处理过的去离子水和浓缩的含离子水。
Description
技术领域
本发明属于渗透析净水处理技术领域，特别涉及一种基于LINX系统的渗透析纯净水处理工艺。
背景技术
透析用水处理工艺在透析治疗过程中起着关键性的作用，水处理设备的配置合理与否对透析室是相当重要的。透析用水处理设备由预处理、反渗透机、供水管路组成。目前医院所使用的透析用水的制作包括以下步骤：1)预处理，2)软化，3)超滤，4)一级反渗透，5)二级反渗透，6)杀菌。预处理步骤又包括：前级加压泵、预处理的多介质罐、碳罐、树脂罐等。每一个步骤都使用独立的设备，这些步骤加起来需要一个几十平方米的设备房间，这些设备的使用和维护成本也很高。
目前国内透析用水的制成所采用的技术都是双膜反渗透技术。在国外医用透析用水的处理技术也是以双膜反渗透技术为主。今年有一些新的基于电化学技术的去离子技术得到了一定程度的采用，但由于这类技术还需要消毒技术的配合才能达到透析用水的标准，导致这类技术的采用受到了限制。
同时，对于家庭透析时，每个透析病人进行透析治疗过程中每小时需要使用30升水，每次治疗需要120-150升水。所以家庭透析必须使用现场制水技术才可行。据不完全统计，我国在医院接受透析治疗的病人大约26万人左右，但末期肾病需要透析治疗的人高达200万人。需要治疗的人数每年在接近两位数百分比的速度增长。医学界的最新研究表明，相比传统的每周2-3次透析治疗，采用每周5-6次短时间透析治疗方式能够将病人的生存率提升一倍以上。目前在美国，欧洲和日本这种新的治疗方式都以每年两位数百分百成长。另外这对方便病人治疗，缓解医院床位负荷，减少病人负担，减少治疗费用都会起到积极的作用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于LINX系统的渗透析纯净水处理工艺，包括如下步骤：
步骤一，对待处理的原水进行预处理；
步骤二，预处理后的原水流入到去离子再生式模块进行渗透析处理；
步骤三，注入循环水促使置换出的离子的排出；
步骤四，对净化水进行定时监测；
步骤五，根据所述步骤四的监测结果实时调节待处理的原水和循环水的流量。
进一步地，所述去离子再生式模块的左右两侧分别设置有阳极室和阴极室，所述阳极室端部设置有阳极，所述阴极室端部设置有阴极，所述阳极室和阴极室间设置有两个浓缩室和两个去离子室，所述两个去离子室左右对称地设置于所述去离子再生式模块的中央部位，所述两个浓缩室左右对称地设置于所述两个去离子室的外侧；阳极侧的去离子室和浓缩室被阴离子交换膜隔开，阴极侧的去离子室和浓缩室被阳离子交换膜隔开，所述两个去离子室之间被双极性离子膜隔开，在阳极侧的去离子室和浓缩室中填充有阴离子交换体；在阴极侧的去离子室和浓缩室中填充有阳离子交换体；阳极室和与其相邻的浓缩室之间、阴极室和与其相邻的浓缩室之间均用带通水孔的氟系离子交换膜隔开。
进一步地，所述步骤一中，所述预处理采用活性炭过滤器和双联软化器联合去除待处理的原水中的重金属和硬度。
进一步地，所述步骤二中，所述预处理后的原水在双极性离子膜中发生解离反应，生成H+、OH-离子，所述H+、OH-离子分别穿过阳离子交换层和阴离子交换层向阴、阳极迁移，H+与失效的阳离子交换体的阳离子发生置换反应，OH-与失效的阴离子交换体中的阴离子发生置换反应，置换下来的阳离子与阴离子分别向阴极室、阳极室迁移，实现阴、阳离子交换树脂的再生。
进一步地，所述步骤三中，从去离子再生式模块的两个浓缩室的底部连续地注入循环水，所述循环水从去离子再生式模块的阳极室和阴极室侧端排出，带动置换出的离子的排出，排出的循环水分别流入阳极循环水箱和阴极循环水箱后用于循环。
进一步地，所述步骤四中，通过对净化水存储器中的净化水进行定时监测，确定去离子再生式模块的电流效率与去除效率，
电流效率：
式中，ηe为电流效率，Q为NO3 -的电荷数，F为法拉第常数，n(NO3 -)为迁移到阳极浓缩室的NO3 -的量，I为电流，t为反应器运行时间；
去除效率：p＝(ρi-ρf)×100％/ρi；
式中，ρi和ρf为分别为进出水NO3 --N的质量浓度。
进一步地，所述步骤五中，控制流入去离子再生式模块的循环水流量控制为20L/min，待处理水的流量控制为2L/min。
进一步地，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜采用离子交换树脂或整块有机多孔离子交换体或二者交替层叠制备而成，液体透过率为1/100-1/1000。
进一步地，所述循环水存储器采用电导率在1μS/cm以下的纯水。
进一步地，所述带通水孔的氟系离子交换膜的内均匀布设有多个小孔，循环水流入通水孔，能够使在带通水孔的氟系离子交换膜的附近浓缩的离子向阳极室或阴极室侧排出。
LINX技术的核心是它的双极性离子膜，在电场的作用下LINX系统具有高效的去离子能力和自动再生能力，调节电极的极性将去离子过程和再生过程交替分开进行，同时系统将交替产生处理过的去离子水和浓缩的含离子水。
附图说明
图1为本发明的基于LINX系统的渗透析纯净水处理系统的结构示意图；
图2为本发明的渗透析纯净水处理系统中的去离子再生式模块的结构示意图；
图3为本发明的双极性离子膜、离子交换膜之间的离子交换示意图；
图4为本发明的基于LINX系统的渗透析纯净水处理工艺的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，为本发明的基于LINX系统的渗透析纯净水处理系统的结构示意图；该渗透析纯净水处理系统包括：去离子再生式模块100、待处理水存储器10、预处理系统60、净化水存储器20、循环水存储器50、阳极循环水箱30和阴极循环水箱40。
如图2所示，为本发明的渗透析净水设备中的去离子再生式模块的结构示意图。去离子再生式模块100为多格室的有机玻璃反应器，去离子再生式模块100的左右两侧分别设置有阳极室101和阴极室102，阳极室101端部设置有阳极，阴极室101端部设置有阴极，阳极室101和阴极室102间设置有两个浓缩室108、109和两个去离子室106、107，两个去离子室106、107左右对称地设置于去离子再生式模块100的中央部位，两个浓缩室108、109左右对称地设置于两个去离子室106、107的外侧。
去离子室106和浓缩室108在阳极侧被阴离子交换膜111隔开，去离子室107和浓缩室109在阴极侧被阳离子交换膜112隔开，去离子室106和107之间被双极性离子膜113隔开，在阳极侧去离子室106、阳极侧浓缩室108中填充有阴离子交换体；在阴极侧去离子室107、阴极侧浓缩室109中填充有阳离子交换体。
阳极室101和浓缩室108之间、阴极室102和浓缩室109之间均用带通水孔的氟系离子交换膜114隔开。
在去离子室106的顶部设置有待处理水流入口A，待处理水从预处理系统60经过流量计M流入去离子再生式模块100，去离子室106的底部设置有处理水流出口B；在去离子室107的底部设置有处理水流入口C，从去离子室106流出的处理水进一步流入去离子室107，去离子室107的顶部设置有净化水流出口D，从净化水流出口D流出的被净化的水流入净化水存储器20。
在浓缩室108和109的底部均设置有循环水注入口E，在阳极室101和阴极室102侧端均设置有排出口F，从循环水存储器50流出的循环水，经过流量计M后，分别流入浓缩室108和109，并从阳极室101和阴极室102侧端的排出口F流出。
在带通水孔的氟系离子交换膜的内均匀布设有多个小孔，通过循环水流入通水孔，能够使在带通水孔的氟系离子交换膜的附近浓缩的离子向阳极室101或阴极室102侧排出。
阴离子交换膜111和阳离子交换膜112使用液体的透过率为1/100-1/1000左右的离子交换膜。
阳离子交换膜中含有带负电的酸性活性基团，它的固定基团带负电，构成强烈的负电场，只允许阳离子通过而几乎不通过阴离子。活性基团主要有磺酸基(-SO3H)，磷酸基(-PO3H2)，膦酸基(-OPO3H)，羧酸基(-COOH)，酚基等。按活性基团酸性的强弱，即基团解离度的大小，又可分为强酸性阳膜、中等酸性阳膜及弱酸性阳膜。其中磺酸型阳膜因具有强酸性的活性基团，解离度大，适用范围广，在水处理中应用最多。弱酸性阳膜解离度小，易受pH值影响，在碱性介质中使用较好。
阴离子交换膜中存在带碱性的离子交换基团，它的固定基团带正电，构成强烈的正电场，只允许阴离子通过而几乎不透过阳离子。它活性基团主要有季胺基[-N(CH3)3OH]、伯胺基[-NH2]、仲胺基[-NHR]、叔胺基[-NR2]等。同样，按照活性基团碱性的强弱也可以将阴离子交换膜分为强碱性、中等碱性、弱碱性阴膜。
作为电极，优选电场分布均匀且不妨碍液体排出的形状，可以使用棒状、网眼状、环状的电极。材质没有特别限定，优选具有耐腐蚀性的铂。电源可以组装于去离子再生式模块，也可以使用外部电源，优选直流电源，但也可以是交流电源。
循环水存储器50中存储有注入去离子再生式模块100的浓缩室中的纯水，用于使得移动的离子向电极室排出，通常采用电导率在1μS/cm以下的纯水。从阳极室流出的水进入阳极循环水箱，从阴极室流出的水进入阴极循环水箱，分别再次循环与循环水共同流入去离子模块100的浓缩室。
如图3所示，为双极性离子膜、离子交换膜之间的离子交换示意图。双极性离子膜113的结构与普通离子交换膜不同，双极性离子膜由阳离子交换层、阴离子交换层和中间催化层复合而成，类似三明治结构，双极性离子膜在直流电场作用下发生水解离反应，生成H+和OH-离子。
根据施加的电压方向不同，双极性离子膜中有两种离子传递方式。在正向直流电场驱动下，双极性离子膜阴离子交换层右侧的阴离子迁移进阴离子交换层，阳离子交换层左侧的阳离子迁移到阳离子交换层，阴阳离子交换层之间的过渡区离子浓度增加。双极性离子膜在反向直流电场的驱动下工作，反向电压较小时，溶液中的正、负离子分别透过阳离子交换层和阴离子交换层，从过渡区向阴、阳极移动，过渡区离子浓度下降，膜的电阻减小，当反向电压增加到一定值时，膜外通过扩散、渗透作用补充进来的离子量，不足以抵消电迁移损失的离子量，造成过渡区的离子被耗尽，形成高电势梯度，双极性离子膜发生水解离，生成的H+、OH-进入到膜两侧去离子室内，即附图2中的去离子室106和107。
在优选实施例中，双极性离子膜的膜表面可设有多个直径约为150μm的凹槽，这些凹槽提高了离子交换膜的填充密度，将膜表面积增加大约两倍，从而实现更快的离子交换速率。
如图4所示，为本发明的基于LINX系统的渗透析纯净水处理工艺的流程示意图，包括如下步骤：
步骤一，对待处理的原水进行预处理。
原水水质对去离子再生式模块的成功运行至关重要，原水中各种成分的含量会影响到膜堆的性能及使用寿命。例如：电导率，进水中离子含量的多少不仅关系到去离子再生式模块的产水水质，而且对水中弱解离性物质的去除有影响。pH值，pH值与水中弱解离性物质的存在状态有关，控制合适的pH值有利于弱解离性物质的去除。硬度，硬度是去离子再生式模块进水中的主要结垢物质，应严格控制EDI膜堆进水中的硬度含量。
因此，去离子再生式模块的进水条件必须控制在一定范围之内。需要对储存在待处理水存储器10中的待处理的原水进行预处理，防止结垢、胶体和颗粒物质的堵塞。在本发明中，采用预处理系统60对原水进行预处理。
优选实施例中，预处理系统60采用活性炭过滤器+双联软化器联合去除原水中的重金属和硬度。
活性炭过滤器的主要原理是通过活性炭表面自由基和其内部多孔结构的毛细孔吸附能力去除原水中的余氯、色素、有机物以及其他重金属。对水中余氯的除去能力是考察活性炭过滤器的主要指标，经过活性炭过滤器处理的余氯含量不应大于0.1mg/L。活性炭过滤运行过程中会截留部分从前端漏过来的杂质，且长期运行的活性炭之间会有摩擦，产生细微的额粉末，所以需定期对活性炭装置进行反冲洗。
双联软化器会配置两台串联使用的软化装置。当其中一台需要进行再生的步骤时，软化器过滤系统会根据前期设置好的程序自动切换为并联运行的方式。既一台进入再生反冲洗模式，另一台正压过滤。这样的设计能很好的避免水中微生物的滋生。
双联软化器的主要功能是去除水中的钙镁离子。软化器通常由盛装树脂的容器、树脂、阀门管件以及控制系统组成。软化器工作原理是通过钠型树脂对原水中的钙、镁离子等进行离子交换，从而将其去除。在软化器离子交换过程中，水中的钙、镁离子被RNa型树脂中的钠离子置换出来后停留在树脂中。通常情况下，原水经过软化器后出水硬度能降低至3mg/L以下。
步骤二，预处理后的原水流入到去离子再生式模块进行渗透析处理。
首先，预处理后的原水从去离子室106顶部的待处理水流入口A流入，从去离子室106底部的处理水流出口B流出，再从在去离子室107的底部的处理水流入口C流入，从在去离子室107的顶部的净化水流出口D流出。经去离子再生式模块处理后的净化水储存在净化水存储器20中。
在此步骤中，预处理后的原水在双极性离子膜的中间催化层发生解离反应，生成的H+、OH-进入到双极性离子膜两侧的去离子室后，分别穿过阳离子交换层和阴离子交换层向阴、阳极迁移，H+与失效的阳离子交换体的阳离子发生置换反应，OH-与失效的阴离子交换体中的阴离子发生置换反应，同时，置换下来的阳离子与阴离子分别向阴极室、阳极室迁移，从而实现阴、阳离子交换树脂的再生。
其中，阳离子交换体和阴离子交换体是指具有离子交换功能的物质，可以为离子交换树脂、整块有机多孔离子交换体等，只要具有阳离子或阴离子的离子交换能力，也可以将这些两种以上的离子交换体适当地交替层叠，进行混相使用。
因此，本发明的去离子再生式模块可用于再生树脂，在直流电场作用下，双极性离子膜中间催化层发生解离反应，生成H+、OH-离子，
步骤三，从浓缩室108和109的底部的循环水注入口E连续地注入循环水存储器50中的循环水，使其从阳极室101和阴极室102侧端的排出口F排出，带动了从阳离子交换体和阴离子交换体中置换出的离子的排出，分别流入阳极循环水箱30和阴极循环水箱40中，用于循环。
步骤四，通过对净化水存储器20中的净化水进行定时监测，确定去离子再生式模块100的电流效率与去除效率。
在去离子再生过程中，电流效率与去除效率是评价一个去离子再生式模块优劣的重要标准，采用这2个参数来评价处理效果。
电流效率：
式中，ηe为电流效率，Q为NO3 -的电荷数，F为法拉第常数(96485C/mol)，n(NO3 -)为迁移到阳极浓缩室的NO3 -的量，I为电流，t为反应器运行时间。
去除效率：p＝(ρi-ρf)×100％/ρi；
式中，ρi和ρf为分别为进出水NO3 --N的质量浓度，NO3 -N的含量，使用HJ/T346-2007的紫外分光光度法进行检测。
去离子再生式模块的操作参数对运行十分重要，若控制不当，也无法生产出品质合格的产品水，并可能会造成去离子再生式模块性能的下降及能耗的浪费等。尤其是循环水的流量控制，循环水流量对产水水质的影响最明显。流量低，滞留层厚、离子迁移慢和浓差极化程度大。增大流量虽然可以改善上述问题，但是，水在浓缩室内部的停留时问短，离子来不及迁移出浓缩室，造成产水水质变差。因此进行步骤五。
步骤五，根据步骤四中的监测计算结果，实时调节流入去离子再生式模块的待处理的原水的流量和循环水的流量，二者均可通过在线的流量计M进行调节。在优选实施例中，去离子再生式模块的循环水流量控制为20L/min，待处理水的流量控制为2L/min。
同时去离子再生式模块还装有在线的压力表、进水电导率仪、出水电阻率仪等，去离子再生式模块的操作电流使用万用表进行检测。
去离子再生式模块的运行存在一个适宜的温度范围。温度过低，离子的迁移速度过慢，会造成产品水的水质变差；温度升高，则离子的活度增大，迁移速度也较快，产水水质提高；但若水温太高，离子的反迁移也会加快，导致产水水质变差。另外，温度过高，会造成膜堆的受热变形，甚至漏水。因此，在优选实施例中，控制去离子再生式模块中的水温为20℃。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的。
Claims (10)
1.一种基于LINX系统的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，对待处理的原水进行预处理；
步骤二，预处理后的原水流入到去离子再生式模块进行渗透析处理；
步骤三，注入循环水促使置换出的离子的排出；
步骤四，对净化水进行定时监测；
步骤五，根据所述步骤四的监测结果实时调节待处理的原水和循环水的流量。
2.根据权利要求1所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述去离子再生式模块的左右两侧分别设置有阳极室和阴极室，所述阳极室端部设置有阳极，所述阴极室端部设置有阴极，所述阳极室和阴极室间设置有两个浓缩室和两个去离子室，所述两个去离子室左右对称地设置于所述去离子再生式模块的中央部位，所述两个浓缩室左右对称地设置于所述两个去离子室的外侧；阳极侧的去离子室和浓缩室被阴离子交换膜隔开，阴极侧的去离子室和浓缩室被阳离子交换膜隔开，所述两个去离子室之间被双极性离子膜隔开，在阳极侧的去离子室和浓缩室中填充有阴离子交换体；在阴极侧的去离子室和浓缩室中填充有阳离子交换体；阳极室和与其相邻的浓缩室之间、阴极室和与其相邻的浓缩室之间均用带通水孔的氟系离子交换膜隔开。
3.根据权利要求2所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述步骤一中，所述预处理采用活性炭过滤器和双联软化器联合去除待处理的原水中的重金属和硬度。
4.根据权利要求2所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述步骤二中，所述预处理后的原水在双极性离子膜中发生解离反应，生成H+、OH-离子，所述H+、OH-离子分别穿过阳离子交换层和阴离子交换层向阴、阳极迁移，H+与失效的阳离子交换体的阳离子发生置换反应，OH-与失效的阴离子交换体中的阴离子发生置换反应，置换下来的阳离子与阴离子分别向阴极室、阳极室迁移，实现阴、阳离子交换树脂的再生。
5.根据权利要求4所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述步骤三中，从去离子再生式模块的两个浓缩室的底部连续地注入循环水，所述循环水从去离子再生式模块的阳极室和阴极室侧端排出，带动置换出的离子的排出，排出的循环水分别流入阳极循环水箱和阴极循环水箱后用于循环。
6.根据权利要求2所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述步骤四中，通过对净化水存储器中的净化水进行定时监测，确定去离子再生式模块的电流效率与去除效率，
电流效率：
式中，ηe为电流效率，Q为NO3 -的电荷数，F为法拉第常数，n(NO3 -)为迁移到阳极浓缩室的NO3 -的量，I为电流，t为反应器运行时间；
去除效率：p＝(ρi-ρf)×100％/ρi；
式中，ρi和ρf为分别为进出水NO3 --N的质量浓度。
7.根据权利要求2所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述步骤五中，控制流入去离子再生式模块的循环水流量控制为20L/min，待处理水的流量控制为2L/min。
8.根据权利要求2所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜采用离子交换树脂或整块有机多孔离子交换体或二者交替层叠制备而成，液体透过率为1/100-1/1000。
9.根据权利要求2所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述循环水存储器采用电导率在1μS/cm以下的纯水。
10.根据权利要求2所述的渗透析纯净水处理工艺，其特征在于，所述带通水孔的氟系离子交换膜的内均匀布设有多个小孔，循环水流入通水孔，能够使在带通水孔的氟系离子交换膜的附近浓缩的离子向阳极室或阴极室侧排出。
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