CN114684894A - 废水处理系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一种废水处理系统与方法。所述废水处理系统包括废水室、正极室、负极室、酸液室、碱液室以及缓冲室。废水室接收含有第一离子的废水。正极室与负极室分别设置于废水室的相对两侧。酸液室设置于废水室与正极室之间。碱液室设置于废水室与负极室之间。缓冲室设置于酸液室与碱液室中的一个与废水室之间，接收含有第一离子的缓冲溶液。废水室与缓冲室之间的界面为第一离子交换膜，酸液室与碱液室中的所述一个与第一缓冲室之间的界面为第二离子交换膜，且第一离子交换膜与第二离子交换膜具有相同的电性。
Description
技术领域
本揭露涉及一种废水处理系统与方法。
背景技术
在现有的废水处理系统中，电透析(electrodialysis，ED)装置可将废水中的盐类转变成酸液与碱液，以达到资源回收以及减少环境污染的目的。
在传统的双极膜电透析装置中，酸液室、废水室以及碱液室依序排列。在废水处理的过程中，酸液室中的阳离子与碱液室中的阴离子的浓度会随时间而增加，而废水室中的阳离子与阴离子的浓度则越来越低，因此在酸液室、废水室以及碱液室之间产生浓度极化现象，导致离子迁移阻抗增加而影响废水处理的效能。此外，由于上述的浓度极化现象，酸液室中的阳离子与碱液室中的阴离子会扩散回废水室中，导致无法有效地回收酸液与碱液。另外，由于传统的双极膜电透析装置中仅具有标准的阴离子交换膜与标准的阳离子交换膜，因此无法将具有相同电性的离子(例如氯离子与硫酸根离子)分离开，导致所回收的酸液与碱液的纯度降低。
发明内容
本揭露是针对一种废水处理系统，其包括设置于废水室与酸液室和/或碱液室之间的缓冲室。
本揭露是针对一种废水处理方法，其通过设置于废水室与酸液室和/或碱液室之间的缓冲室来提高废水处理效率以及酸液和/或碱液的回收效率。
根据本揭露的实施例，废水处理系统包括废水室、正极室、负极室、酸液室、碱液室以及第一缓冲室。废水室接收含有第一离子的废水。正极室与负极室分别设置于废水室的相对两侧。酸液室设置于废水室与正极室之间。碱液室设置于废水室与负极室之间。第一缓冲室设置于酸液室与碱液室中的一个与废水室之间，接收含有第一离子的第一缓冲溶液。废水室与第一缓冲室之间的界面为第一离子交换膜，酸液室与碱液室中的所述一个与第一缓冲室之间的界面为第二离子交换膜，且第一离子交换膜与第二离子交换膜具有相同的电性。第一缓冲溶液中的第一离子的浓度不低于废水室中的第一离子的目标浓度，且不高于酸液室与碱液室中的所述一个中的第一离子的目标浓度。
根据本揭露的实施例，废水处理方法包括以下步骤。将含有第一离子的废水提供至上述的废水处理系统。将含有第一离子的第一缓冲溶液提供至第一缓冲室中，其中第一缓冲溶液中的第一离子的浓度不低于废水室中的第一离子的目标浓度，且不高于酸液室与碱液室中的所述一个中的第一离子的目标浓度。施加电压至正极室与负极室。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本揭露的实施例的废水处理系统的示意图；
图2为本揭露的实施例的废水处理的示意图；
图3为实验例与比较例的废水脱盐率的比较图；
图4为实验例与比较例的产生的盐酸的浓度的比较图；
图5为实验例与比较例的产生的盐酸的纯度的比较图；
图6为实验例与比较例的产生盐酸的能耗的比较图；
图7为实验例与比较例的产生盐酸的电流效率的比较图。
具体实施方式
现将详细地参考本揭露的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
关于文中所提到“包含”、“包括”、“具有”等的用语均为开放性的用语，也就是指“包含但不限于”。
此外，在本文中，由“一数值至另一数值”表示的范围是一种避免在说明书中逐一列举所述范围中的所有数值的概要性表示方式。因此，某一特定数值范围的记载涵盖了所述数值范围内的任意数值，以及涵盖由所述数值范围内的任意数值界定出的较小数值范围。
在本揭露的实施例中，废水处理系统使用电透析的方式将废水中的盐类制成酸液与碱液，以使废水中的盐类的浓度降低至所需的浓度(在本文中称为废水中盐类所含离子的目标浓度)。此外，本揭露的实施例的废水处理系统包括设置于酸液室和/或碱液室与废水室之间的缓冲室，因此可避免酸液室中的阳离子与碱液室中的阴离子因浓度过高而扩散回废水室中的问题，且可有效地将具有相同电性的离子分离开。以下将对本揭露实施例的废水处理系统与方法作详细说明。
图1为本揭露的实施例的废水处理系统的方块示意图。请参照图1，本揭露实施例的废水处理系统10包括废水室100、正极室P、负极室N、酸液室A、碱液室B、第一缓冲室B1与第二缓冲室B2。废水室100用以接收含有盐类的废水。正极室P与负极室N分别设置于废水室100的相对两侧。正极室P中具有电极PE，且用以接收极室液(例如硫酸钠溶液)。负极室N中具有电极NE，且用以接收极室液(例如硫酸钠溶液)。当对电极PE与电极NE施加电压时，可使废水中的盐类的阴离子朝向正极移动，以及使废水中的盐类的阳离子朝向负极移动。如此一来，可使废水中的盐类浓度降低，达到废水处理的目的。在一实施例中，在废水处理的过程中，电流密度例如介于10mA/cm2至100mA/cm2之间。如此一来，可使废水中的盐类浓度降低而达到废水处理的目的。
酸液室A设置于废水室100与正极室P之间，且与正极室P连结。酸液室A用以接收水溶液(例如纯水)以及来自第一缓冲室B1的阴离子(后续将对此进行说明)。在本实施例中，酸液室A与正极室P之间的界面为双极膜PM1。双极膜PM1中的氢氧离子往正极端移动到正极室P中，而氢离子则与来自第一缓冲室B1的阴离子形成酸液。酸液室A中的酸液浓度随着废水处理的时间增加而上升，直到到达所需的酸液浓度(在本文中称为酸液中阴离子的目标浓度)。此时，可自酸液室A接收制成的酸液而达到废水再利用的目的。
类似地，碱液室B设置于废水室100与负极室N之间，且与负极室N连结。碱液室B用以接收水溶液(例如纯水)以及来自第二缓冲室B2的阳离子(后续将对此进行说明)。在本实施例中，碱液室B与负极室N之间的界面为双极膜PM2。双极膜PM2中的氢离子往负极端移动到负极室N中，而氢氧离子则与来自第二缓冲室B2的阳离子形成碱液。碱液室B中的碱液浓度随着废水处理的时间增加而上升，直到到达所需的碱液浓度(在本文中称为碱液中阳离子的目标浓度)。此时，可自碱液室B接收制成的碱液而达到废水再利用的目的。
第一缓冲室B1设置于酸液室A与废水室100之间，且与酸液室A以及废水室100连结。第一缓冲室B1用以接收含有与待制成的酸液中的阴离子(即废水中欲回收再利用的阴离子)相同的阴离子的第一缓冲溶液。在本实施例中，第一缓冲室B1与废水室100之间的界面为阴离子交换膜M1，且第一缓冲室B1与酸液室A之间的界面亦为阴离子交换膜M2。也就是说，第一缓冲室B1与废水室100之间的界面以及第一缓冲室B1与酸液室A之间的界面具有相同的电性。如此一来，在废水处理的过程中，废水中的盐类的阴离子朝向正极移动而进入第一缓冲室B1中，而第一缓冲室B1中的与待制成的酸液中的阴离子相同的阴离子则进入酸液室A中，以与来自双极膜PM1中的氢离子形成酸液。
此外，在本实施例中，第一缓冲溶液中的阴离子的浓度不低于废水室100中的相同阴离子的目标浓度，且不高于酸液室A中的相同阴离子的目标浓度。由于第一缓冲溶液中的阴离子浓度介于废水室100中的目标浓度与酸液室A中的目标浓度之间，因此当废水室100中的离子浓度随着废水处理的时间增加而降低时，可减缓因酸液室A与废水室100之间过大的渗透压差而造成废水室100中的水进入酸液室A中，以避免酸液回收浓度降低。此外，通过第一缓冲室B1的设置，可防止酸液室A中的离子因离子浓度差过大而回到废水室100中，以避免废水处理及酸液回收的效率降低。另外，由于第一缓冲溶液中的阴离子与待制成的酸液中的阴离子相同，因此即在废水中含有多种阴离子的情况下，这些阴离子仅会进入第一缓冲室B1中，而第一缓冲溶液中的阴离子则会进入酸液室A中，因而可提高所制得的酸液的纯度。
类似地，第二缓冲室B2设置于碱液室B与废水室100之间，且与碱液室B以及废水室100连结。第二缓冲室B2用以接收含有与待制成的碱液中的阳离子(即废水中欲回收再利用的阳离子)相同的阳离子的第二缓冲溶液。在本实施例中，第二缓冲室B2与废水室100之间的界面为阳离子交换膜M3，且第二缓冲室B2与碱液室B之间的界面亦为阳离子交换膜M4。也就是说，第二缓冲室B2与废水室100之间的界面以及第二缓冲室B1与碱液室B之间的界面具有相同的电性。如此一来，在废水处理的过程中，废水中的盐类的阳离子朝向负极移动而进入第二缓冲室B2中，而第二缓冲室B2中的与待制成的碱液中的阳离子相同的阳离子则进入碱液室B中，以与来自双极膜PM2中的氢氧离子形成碱液。
此外，在本实施例中，第二缓冲溶液中的阳离子的浓度不低于废水室100中的相同阳离子的目标浓度，且不高于碱液室B中的相同阳离子的目标浓度。由于第二缓冲溶液中的阳离子浓度介于废水室100中的目标浓度与碱液室B中的目标浓度之间，因此当废水室100中的离子浓度随着废水处理的时间增加而降低时，可减缓因碱液室B与废水室100之间过大的渗透压差而造成废水室100中的水进入碱液室B中，以避免碱液回收浓度降低。此外，通过第二缓冲室B2的设置，可防止碱液室B中的离子因离子浓度差过大而回到废水室100中，以避免废水处理及碱液回收的效率降低。另外，由于第二缓冲溶液中的阳离子与待制成的碱液中的阳离子相同，因此即在废水中含有多种阳离子的情况下，这些阳离子仅会进入第二缓冲室B2中，而第二缓冲溶液中的阳离子则会进入碱液室B中，因而可提高所制得的碱液的纯度。
在本揭露实施例中，第一缓冲室B1设置于酸液室A与废水室100之间，第二缓冲室B2设置于碱液室B与废水室100之间。因此，第一缓冲室B1以及第二缓冲室B2分别可减少废水室100与酸液室A以及碱液室B之间的浓度差距并形成浓度梯度，使得酸液室A或碱液室B中的离子不回渗至废水室100，且降低渗透压差。换句话说，若非将第一缓冲室B1设置于酸液室A与废水室100之间和/或将第二缓冲室B2设置于碱液室B与废水室100之间，则无法解决因酸液室A和/或碱液室B与废水室100之间的浓度差距过大而造成酸液和/或碱液回收效率降低的问题。
此外，在本实施例中，第一缓冲室B1与第二缓冲室B2是分隔开的腔室，且第一缓冲室B1与第二缓冲室B2连通。因此，第一缓冲溶液相同于第二缓冲溶液，且都含有产生酸液所需的阴离子以及产生碱液所需的阳离子。在另一实施例中，第一缓冲室B1可与第二缓冲室B2不连通。在此情况下，第一缓冲溶液与第二缓冲溶液不同。
以下将以本实施例的废水处理系统10为例来对本揭露的废水处理进行说明。
图2为本揭露的实施例的废水处理的示意图。请参照图2，将含有盐类的废水200通入废水室100中。所述盐类例如为氯化钠、硫酸钠、氯化锂、硫酸锂、氯化钾、硫酸钾或其组合。此外，于正极室P通入极室液202(例如硫酸钠溶液)，于负极室N中通入极室液204(例如硫酸钠溶液)，于酸液室A中通入水溶液206(例如纯水)，于与碱液室B中通入水溶液208(例如纯水)，于第一缓冲室B1中通入第一缓冲液210，以及于第二缓冲室B2中通入第二缓冲液212。第一缓冲液210所含的阴离子取决于所欲产出的酸液214中的阴离子的种类，且第二缓冲液212所含的阳离子取决于所欲产出的碱液216中的阳离子的种类。
取决于废水处理后废水200中的盐类的第一目标浓度、所需的酸液中的阴离子的第二目标浓度以及所需的碱液中的阳离子的第三目标浓度，第一缓冲溶液210中的所需的阴离子的浓度介于第一目标浓度与第二目标浓度之间，且第二缓冲溶液212中的所需的阳离子的浓度介于第一目标浓度与第三目标浓度之间。
经由电极PE与电极NE，施加电压至正极室P与负极室N。此时，双极膜PM1的氢氧离子朝向正极端移动而进入正极室P中，废水200中的盐类的阴离子自废水室100朝向正极端移动而进入第一缓冲室B1中，且第一缓冲液206中的阴离子(与待制成的酸液中的阴离子相同)进入酸液室A中与来自双极膜PM1中的氢离子形成酸液214而排出。同时，双极膜PM2的氢离子朝向负极端移动而进入负极室N中，废水200中的盐类的阳离子自废水室100朝向负极端移动而进入第二缓冲室B2中，且第二缓冲液208中的阳离子(与待制成的碱液中的阳离子相同)进入碱液室B中与来自双极膜PM2的氢氧离子形成碱液216而排出。如此一来，排出的废水200a与通入的废水200相比具有低的盐类浓度，且可自酸液室A与碱液室B中回收酸液与碱液。此外，由于第一缓冲液206中的阴离子与待制成的酸液中的阴离子相同且第二缓冲液208中的阳离子与待制成的碱液中的阳离子相同，因此可获得纯度较高的酸液与碱液。
在上述实施例中，废水处理系统10包括第一缓冲室B1与第二缓冲室B2，因此可有效地提高所产生的酸液与碱液的纯度与浓度，但本揭露不限于此。在其他实施例中，视实际需求，废水处理系统可仅包括第一缓冲室B1或第二缓冲室B2。
以下将以实验例与比较例来对本揭露的废水处理系统与方法作说明。
实验例
采用本揭露实施例的废水处理系统10，其中提供1L的废水(含有1.3％的NaCl与0.7％的Na2SO4)至废水室100，酸液室A中已含有0.25L的HCl(0.2M)，碱液室B中已含有0.25L的NaOH(0.2M)，正极室P与负极室N中含有0.3M的Na2SO4，且第一缓冲室B1与第二缓冲室B2中含有1L的NaCl(5％)的缓冲溶液。此外，操作电流密度为30mA/cm2。
比较例
除了采用不具有缓冲室的废水处理系统以及不使用缓冲溶液之外，其余条件与实验例相同。
在实验例与比较例中，分别通入3次废水，每次时间持续1.5小时，结果如图3、图4、图5、图6与图7所示。由图3可以看出，相较于比较例的废水脱盐率(77％降低至45％)，实验例具有明显较高的废水脱盐率(92％降低至85％)，且脱盐率随着时间增加并未明显降低。由图4与图5可以看出，在实验例中，所产生的盐酸的浓度为7.8％(纯度98％)，其明显高于比较例的盐酸的浓度(6.3％)与纯度(89％)。由图6与图7可以看出，在实验例中，产生的盐酸的能耗与电流效率明显优于比较例的能耗与电流效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本揭露的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本揭露进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本揭露各实施例技术方案的范围。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (16)
1.一种废水处理系统，其特征在于，包括：
废水室，接收含有第一离子的废水；
正极室与负极室，分别设置于所述废水室的相对两侧；
酸液室，设置于所述废水室与所述正极室之间；
碱液室，设置于所述废水室与所述负极室之间；以及
第一缓冲室，设置于所述酸液室与所述碱液室中的一个与所述废水室之间，接收含有所述第一离子的第一缓冲溶液，
其中所述废水室与所述第一缓冲室之间的界面为第一离子交换膜，所述酸液室与所述碱液室中的所述一个与所述第一缓冲室之间的界面为第二离子交换膜，且所述第一离子交换膜与所述第二离子交换膜具有相同的电性，以及
其中所述第一缓冲溶液中的所述第一离子的浓度不低于所述废水室中的所述第一离子的目标浓度，且不高于所述酸液室与所述碱液室中的所述一个中的所述第一离子的目标浓度。
2.根据权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，所述酸液室与所述正极室之间的界面为双极膜。
3.根据权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，所述碱液室与所述负极室之间的界面为双极膜。
4.根据权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，还包括第二缓冲室，设置于所述酸液室与所述碱液室中的另一个与所述废水室之间，其中所述废水含有第二离子，所述第二缓冲室接收含有所述第二离子的第二缓冲溶液，所述废水室与所述第二缓冲室之间的界面为第三离子交换膜，所述酸液室与所述碱液室中的所述另一个与所述第二缓冲室之间的界面为第四离子交换膜，且所述第三离子交换膜与所述第四离子交换膜具有相同的电性。
5.根据权利要求4所述的废水处理系统，其特征在于，所述第二缓冲溶液中的所述第二离子的浓度不低于所述废水室中的所述第二离子的目标浓度，且不高于所述酸液室与所述碱液室中的所述另一个中的所述第二离子的目标浓度。
6.根据权利要求4所述的废水处理系统，其特征在于，所述第一缓冲室与所述第二缓冲室连通，且所述第一缓冲溶液与所述第二缓冲溶液相同。
7.根据权利要求4所述的废水处理系统，其特征在于，所述第一缓冲室与所述第二缓冲室分隔开，且所述第一缓冲溶液与所述第二缓冲溶液不同。
8.一种废水处理方法，其特征在于，包括：
将含有第一离子的废水提供至废水处理系统，其中所述废水处理系统，包括：
废水室，接收所述废水；
正极室与负极室，分别设置于所述废水室的相对两侧；
酸液室，设置于所述废水室与所述正极室之间；
碱液室，设置于所述废水室与所述负极室之间；以及
第一缓冲室，设置于所述酸液室与所述碱液室中的一个与所述废水室之间；
将含有所述第一离子的第一缓冲溶液提供至所述第一缓冲室中，其中所述第一缓冲溶液中的所述第一离子的浓度不低于所述废水室中的所述第一离子的目标浓度，且不高于所述酸液室与所述碱液室中的所述一个中的所述第一离子的目标浓度；以及
施加电压至所述正极室与所述负极室。
9.根据权利要求8所述的废水处理方法，其特征在于，所述废水室与所述第一缓冲室之间的界面为第一离子交换膜，所述酸液室与所述碱液室中的所述一个与所述第一缓冲室之间的界面为第二离子交换膜，且所述第一离子交换膜与所述第二离子交换膜具有相同的电性。
10.根据权利要求8所述的废水处理方法，其特征在于，所述酸液室与所述正极室之间的界面为双极膜。
11.根据权利要求8所述的废水处理方法，其特征在于，所述碱液室与所述负极室之间的界面为双极膜。
12.根据权利要求8所述的废水处理方法，其特征在于，所述废水含有第二离子，且所述废水处理系统还包括第二缓冲室，所述第二缓冲室设置于所述酸液室与所述碱液室中的另一个与所述废水室之间。
13.根据权利要求12所述的废水处理方法，其特征在于，所述废水室与所述第二缓冲室之间的界面为第三离子交换膜，所述酸液室与所述碱液室中的所述另一个与所述第二缓冲室之间的界面为第四离子交换膜，且所述第三离子交换膜与所述第四离子交换膜具有相同的电性。
14.根据权利要求13所述的废水处理方法，其特征在于，所述废水处理方法还包括将含有所述第二离子的第二缓冲溶液提供至所述第二缓冲室中，其中所述第二缓冲溶液中的所述第二离子的浓度不低于所述废水室中的所述第二离子的目标浓度，且不高于所述酸液室与所述碱液室中的所述另一个中的所述第二离子的目标浓度。
15.根据权利要求14所述的废水处理方法，其特征在于，所述第一缓冲室与所述第二缓冲室连通，且所述第一缓冲溶液与所述第二缓冲溶液相同。
16.根据权利要求14所述的废水处理方法，其特征在于，所述第一缓冲室与所述第二缓冲室分隔开，且所述第一缓冲溶液与所述第二缓冲溶液不同。
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