CN114751492B - 一种大通量选择性目标去除电渗析设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大通量选择性目标去除电渗析的设备与方法，属于饮用水处理领域，具体涉及对饮用原水通过电渗析除离子工艺处理得到饮用水；电渗析除离子工艺通过控制大通量膜、大通量膜堆和大通量工艺参数对饮用原水进行处理；电渗析除离子工艺采用大通量膜，大通量膜的厚度为1mm以上，大通量膜的孔径为0.1微米以上，大通量膜的孔中官能团强度为80%以上；大通量膜堆具有至少1段、长度至少0.8m的特征；段为饮用原水在大通量膜堆中的重复流动次数。本发明可实现通量增加2‑5倍，投资成本降低2‑5倍以上，选择性提高3倍，运行成本降低3倍以上，浓水可排，膜堆阻力略增，清洗周期不变，实现了电渗析饮用水低成本应用。
Description
技术领域
本发明属于饮用水处理领域，具体涉及一种大通量选择性目标去除电渗析的设备与方法。
背景技术
随着社会的发展和人们对健康的重视程度增加，饮用水安全收到广泛的关注。地下水是饮用水的主要来源之一，在我国地下水中氟离子、钙、镁、氯、硫酸根、硝酸根、亚硝酸根、砷等离子等超标是普遍存在的问题。以氟离子为例，人体对饮用水中氟化物的健康需求量的健康范围为0.4-1.0mg/L，超过这个标准会引起一系列的健康问题。因此，饮用水除氟始终是重要的研究技术之一。
传统的电渗析技术用于饮用水除氟主要面临着以下两大问题：1）饮用水中氟离子浓度低，低于氯、硫酸根等阴离子；2）传统电渗析除氟时，氟离子与其他阴离子之间存在竞争效应，需要先去除饮用水中的氯离子、硝酸根离子和硫酸根离子之后才能实现氟离子的去除。目前用于饮用水除氟的技术可分为吸附法、离子交换法和化学沉淀法等，以及反渗透、纳滤等膜法。吸附法中依吸附剂类型可分为：骨炭法、活性氧化铝、沸石、活性炭及其复合材料、氧化镁，其中，骨炭法的优势为无需调节原水pH值、吸附容量大，不足为原料来源有限、预处理复杂、成本较高；活性氧化铝的优势为操作简单、成本低，不足为对pH和吸附温度要求较高；沸石的优势为成本低、设备简单，不足为吸附容量低、吸附时间长；活性炭及其复合材料的优势为吸附时间短、容易再生、经济方便，不足为般要求pH＜3；氧化镁的优势为吸附能力强、效率高、吸附pH范围广，不足为吸附设备和工艺有待推广；离子交换法的优势为机理简单，树脂易再生，除氟效果稳定、不会产生二次污染，不足为对原水pH要求较高、会引入胺类物质；化学沉淀法的优势为处理水量大、成本低，不足为水质不稳定且会产生沉淀污泥、产生大量的溶解钙危害人体健康；反渗透的优势为除氟效率可以达到90%以上、无需添加其他化学试剂、操作简单、出水质量有保证，不足为处理后去除全部的矿物质、高盐浓缩水难处理、操作压力高、能耗高、处理成本高；纳滤的优势为无需添加化学试剂、不受其他阴离子干扰、能够有效去除悬浮物、无机毒物、有机微污染物，不足为维护成本高、运行成本高、不能去除分子量较小的离子。
电渗析与以上传统的饮用水除氟技术相比，可以通过对操作参数的调整实现WHO规定的饮用水中氟化物限值，同时也可以保留部分氟离子，满足人体健康对氟化物的需求量。电渗析不仅具有无需投加化学试剂、不产生活性污泥、占地面积小、操作简单、无二次污染和除氟成本低的优点，而且可以实现目标离子的选择性去除，满足GB5749-2006和WHO对饮用水中氟离子的需求。但是目前电渗析饮用水处理投资成本高于反渗透，严重制约了电渗析饮用水处理的发展。
发明内容
本发明基于电渗析离子电迁移去除易于实现大通量的技术特点，通过克服膜堆阻力以及采用大通量膜及工艺参数实现大通量，大幅提高目标离子选择性去除率并降低电渗析的投资与运行成本的装备与方法。与标准技术规范相比，本发明可实现通量增加2-5倍，投资成本降低2-5倍以上，选择性提高3倍，运行成本降低3倍以上，浓水可排，膜堆阻力略增，清洗周期不变，实现了电渗析饮用水低成本应用。
一种大通量选择性目标去除的电渗析方法，包括：对饮用原水通过电渗析除离子工艺处理得到饮用水；
电渗析除离子工艺通过控制大通量膜、大通量膜堆和大通量工艺参数对饮用原水进行处理；
电渗析除离子工艺采用大通量膜，大通量膜的厚度为1mm以上，大通量膜的孔径为0.1微米以上，大通量膜的孔中官能团强度为80%以上；
大通量膜堆具有至少1段、长度至少0.8m的特征；段为饮用原水在大通量膜堆中的重复流动次数。
优选地，大通量膜为异向膜、均相膜中至少一种单个膜或由其任一种组成的复合膜，所述复合膜为至少2层膜组成，大通量膜表面为波纹面或平面；波纹面上波纹密度0.3-10毫米，波纹高差0.01-0.05毫米。
优选地，大通量膜为离子交换膜。
优选地，单个异向膜的制备中，异向膜采用粒度200-400目的阴离子交换树脂与聚乙烯混炼压膜制备6-100KJ/m2冲击强度的异向膜。离子交换树脂为磺酸基阳离子交换树脂或季铵基阴离子交换树脂，由磺酸基阳离子交换树脂与聚乙烯混炼压膜制备的为异向阳离子交换膜，由季铵基阴离子交换树脂与聚乙烯混炼压膜制备的为异向阴离子交换膜。
优选地，膜的复合处理中，在膜表面涂布甲基丙烯酸甘油酯作为溶剂、粘合剂或交联剂，再涂布环氧树脂，在100-300℃下压延使膜复合一起。
优选地，异向复合膜的制备中，再将波纹膜、单个异向膜、无选择性离子交换膜按需要求、按顺序采用膜的复合处理方式制备得到异向复合膜。同一复合膜中的单个异向膜仅使用异向阴离子交换膜或异向阳离子交换膜，异向阴离子交换膜和异向阳离子交换膜不混用。无选择性离子交换膜为聚乙烯膜，制备条件与单个异向膜的制备条件相同。波纹膜的材质与单个异向膜或无选择性离子交换膜相同。
优选地，五层异向复合膜的制备中，将波纹膜、单个异向膜、无选择性离子交换膜、单个异向膜、波纹膜依次采用膜的复合处理方式并最终制备得到五层异向复合膜。
优选地，均相膜制备中，将聚氯乙烯材质膜按现在技术方法替换为离子交换基团，制备得到均相基膜，在均相基膜表面涂布甲基丙烯酸甘油酯作为溶剂、粘合剂或交联剂，涂布环氧树脂，再涂覆聚乙烯亚胺制成复合膜，然后在复合膜表面，涂布甲基丙烯酸甘油酯作为溶剂、粘合剂或交联剂，涂布环氧树脂，再涂布改性氯乙烯，在25-60℃聚合交联成膜，制成均相膜。离子交换基团为磺酸基团或季铵基团，替换为磺酸基团的为均相阳离子交换膜，替换为季铵基团的为均相阴离子交换膜。
优选地，均向复合膜的制备中，再将波纹膜、单个均向膜、无选择性离子交换膜按需要求、按顺序采用膜的复合处理方式制备得到均向复合膜。同一复合膜中的单个均向膜仅使用均向阴离子交换膜或均向阳离子交换膜，均向阴离子交换膜和均向阳离子交换膜不混用。波纹膜的材质与单个均向膜或无选择性离子交换膜相同。
优选地，五层均向复合膜的制备中，将波纹膜、单个均向膜、无选择性离子交换膜、单个均向膜、波纹膜依次采用膜的复合处理方式并最终制备得到五层均向复合膜。
更优选地，波纹膜表面的波纹呈现为曲线波纹、三角波纹或梯形波纹。
更优选地，大通量膜的孔中官能团强度为85%以上。
优选地，大通量膜上含有增强材料，增强材料为金属或非金属材料，大通量膜上存在增强材料的部位在2公斤压力下的薄膜变形为5%以下，厚度占比60%以下，40%以上。
优选地，大通量膜堆的段数为1-3，长度为0.8-2.6m。
优选地，大通量膜堆由大通量膜和大通量隔板构成；大通量膜和大通量隔板在相对应的端位置上存在流道，流道分成两部分，一部分进水，另一部分出水；大通量隔板由框及导流格网组成，框上存在流道，在流道与导流格网间存在孔道，大通量隔板的厚度为0.9-2.0毫米，导流格网的网丝的直径为0.05-0.15毫米，孔道与网丝形成的入流角为20-80度，孔道的宽度为0.1-0.5毫米，数目5-15。传统电渗析使用中为了提高阻力而使用粗导流格网，本发明是为了降低大通量电渗析方法的装置损压头（流动阻力），采用含有细导流格网的大通量隔板，并且为降低处理原水在大通量膜表面的表面扰动及控制流速，将大通量膜表面制成波纹面，进一步提高本发明大通量电渗析的处理效果。
优选地，流道为圆形，流道直径为4-10mm。
优选地，大通量膜堆中以阴离子交换膜、阳离子交换膜和大通量隔板组成循环单元，阴离子交换膜和阳离子交换膜通过大通量隔板进行分隔。
优选地，大通量工艺参数包括流速、电压、压差和浓差。
优选地，大通量电渗析方法的调控公式为：Z方法=（K膜×（Z阴+Z阳）+K膜堆×Z膜堆）×K参，Z为相应参数的阻力，K为相应参数的校正系数。本发明上述公式中Z为流动阻力，Z值均可通过技术参数书查询得到，K为校正系数，使相关的Z值的理论值与实际值相符合，Z方法是使用大通量电渗析方法处理饮用水的方法的流动阻力，流动阻力的大小与方法的经济性相关，因此，通过本发明方法可以通过控制膜、膜堆及大通量电渗析参数调控流动阻力，从而完成造价低而饮用水处理效果好的大通量电渗析处理。大通量电渗析方法中饮用水原水通过由阴、阳离子膜分隔成的通道，阴、阳离子膜的Z值通过技术参数书查询得到，在大通量电渗析方法中以阴、阳离子膜作为一组膜对，在计算膜的参数调控时，Z阴与Z阳为多组膜对中各阴、阳离子膜同类膜的Z值的叠加，Z阴与Z阳与流体相接触的最接近的大通量膜中的单个离子交换膜的值；在多组膜对共同使用时，多组膜对的Z值并非单组膜对的Z值的简单叠加，K膜为膜对的校正系数，使理论值符合实际值，膜堆的Z值跟段有关，膜堆的Z值由各段中膜对的Z值与段间连通连接头的Z值加和而成，同样Z值由技术参数书查询得到，并且由K膜堆来进行校正。K参是不同流速、电压、压差和浓差的条件下的校正系数，在对K膜、K膜堆、K参的值进行计算时，分别通过控制变量法逐一验证，K膜的值在选定的膜对不变时保持恒定，K膜堆的值在选定的膜对、段数不变时保持恒定，K参的值在相应流速、电压、压差和浓差的参数不变时保持恒定。本发明中的K膜、K膜堆、K参的值由于实际使用的膜、膜堆的性质差异，新组装的符合要求的大通量电渗析中K膜、K膜堆、K参的值均需重新校正。实际实施时，Z方法的值为给定值，通过对大通量电渗析方法中膜、膜堆、参数的调控，使实际值尽可能符合给定值，由于实际实施不可避免的因素，无法使实际值与给定值完全一致，但仍处于整体可控的体系之内。
本发明基于电渗析离子电迁去除易于实现大通量的技术特点，通过克服膜堆阻力以及采用大通量膜及工艺参数实现大通量处理，大幅提高目标离子选择性去除率并降低电渗析的投资与运行成本。本发明明确提出通过控制大通量膜的厚度、大通量膜孔径、大通量膜孔中官能团强度、大通量膜的表面纹路、大通量膜上部分位置的形变强度，和大通量隔板的厚度、大通量隔板上孔道宽度、大通量隔板上细倒流格网的网丝直径、大通量隔板上孔道宽度、大通量隔板上孔道与细倒流格网的入流角的角度，以及由大通量膜和大通量隔板构成的膜堆的长度及段数，并且在流速、电压、压差、浓差的大通量参数的控制下，实现对饮用原水中目标离子的选择性去除。
本发明对大通量膜、大通量膜堆、大通量工艺参数的调控，大幅降低装置流动阻力，实现导向型电渗析的大通量处理。
优选地，大通量膜的厚度为的1-3mm，大通量膜的孔径为0.1-2.0微米，官能团强度为80%以上。
大通量膜堆，采用孔道膜增强，增强材料可采用金属、非金属导体，增强强度，2公斤压力下，薄膜变形小于5%。
大通量工艺参数，高流速、高电压、低压差、高浓差等。流速为10-25cm/s，电压为1-1.5V/对，一组阴、阳膜为一对，浓淡室压差一样大，浓淡室的浓度比为5-15：1。
优选地，一种大通量选择性目标除硬的电渗析方法中，原水硬度500ppm-700ppm(以碳酸钙计)，TDS800-1200ppm，大通量电渗析方法的调控公式为：Z方法=（K膜×（Z阴+Z阳）+K膜堆×Z膜堆）×K参，Z方法小于0.2MPa，电渗析膜为大通量膜，大通量膜为复合膜，复合膜为五层均向复合膜，复合膜厚度为1-3mm，复合膜孔径为0.1-2.0mm，官能团强度为80%以上，复合膜最外层为圆波纹膜，波纹膜高度0.01-0.05mm，密度0.3-10mm；大通量隔板的厚度为0.9-2.0mm，流道为圆形，流道直径为4-10mm，大通量隔板上的细导流格网的网丝直径为0.05-0.15mm，孔道宽度为0.1-0.5mm，数目5-15，入流角为20-80度，与孔道相接的大通量膜的位置通过增强材料增强，增强材料为铝条，增强材料宽度跟孔道高度相当或稍大，阳离子交换膜、大通量隔板、阴离子交换膜和大通量隔板构成一个膜对，膜对循环叠加使用构成膜堆，膜堆长度，膜堆为1-3段；大通量工艺参数中，流速为1.5厘米/秒，电压35伏以上，浓淡室的浓度比为5-15：1，浓淡室的压力相同，产水率85-90%，淡浓比0.5-1.0，出水硬度140-400mg/L，TDS400-650ppm，直接运行成本0.04元/吨元以下，投资1.0万/吨小时以下，清洗周期半年，膜寿命8年以上。
一种大通量选择性目标除氟的电渗析设备和方法，原水氟离子浓度1.2-2.0ppm，TDS500-900ppm，大通量电渗析方法的调控公式为：Z方法=（K膜×（Z阴+Z阳）+K膜堆×Z膜堆）×K参，Z方法小于0.2MPa，电渗析膜为大通量膜，大通量膜为复合膜，复合膜为五层均向复合膜，复合膜厚度为1-3mm，复合膜孔径为0.1-2.0mm，官能团强度为80%以上，复合膜最外层为圆波纹膜，波纹膜高度0.01-0.05mm，密度0.3-10mm；大通量隔板的厚度为0.9-2.0mm，流道为圆形，流道直径为4-10mm，大通量隔板上的细导流格网的网丝直径为0.05-0.15mm，孔道宽度为0.1-0.5mm，数目5-15，入流角为20-80度，与孔道相接的大通量膜的位置通过增强材料增强，增强材料为铝条，增强材料宽度跟孔道高度相当或稍大，阳离子交换膜、大通量隔板、阴离子交换膜和大通量隔板构成一个膜对，膜对循环叠加使用构成膜堆，膜堆长度，膜堆为1-3段；大通量工艺参数中，流速为1.5厘米/秒，电压35伏以上，浓淡室的浓度比为5-15：1，浓淡室的压力相同，产水率85-90%，淡浓比0.5-1.0，出水氟离子浓度0.5-0.85mg/L，TDS 250-650ppm，直接运行成本0.04元/吨元以下，投资1.0万/吨小时以下，清洗周期1年，膜寿命8年以上。
一种大通量选择性目标去除的电渗析设备和方法除硝酸盐，原水硝酸盐浓度10-50ppm，TDS 700-1500ppm，大通量电渗析方法的调控公式为：Z方法=（K膜×（Z阴+Z阳）+K膜堆×Z膜堆）×K参，Z方法小于0.2MPa，电渗析膜为大通量膜，大通量膜为复合膜，复合膜为五层均向复合膜，复合膜厚度为1-3mm，复合膜孔径为0.1-2.0mm，官能团强度为80%以上，复合膜最外层为圆波纹膜，波纹膜高度0.01-0.05mm，密度0.3-10mm；大通量隔板的厚度为0.9-2.0mm，流道为圆形，流道直径为4-10mm，大通量隔板上的细导流格网的网丝直径为0.05-0.15mm，孔道宽度为0.1-0.5mm，数目5-15，入流角为20-80度，与孔道相接的大通量膜的位置通过增强材料增强，增强材料为铝条，增强材料宽度跟孔道高度相当或稍大，阳离子交换膜、大通量隔板、阴离子交换膜和大通量隔板构成一个膜对，膜对循环叠加使用构成膜堆，膜堆长度，膜堆为1-3段；大通量工艺参数中，流速为1.5厘米/秒，电压35伏以上，浓淡室的浓度比为5-15：1，浓淡室的压力相同，产水率85-90%，淡浓比0.5-1.0，出水硝酸盐浓度4.0-8.0mg/L，TDS 250-650ppm，直接运行成本0.04元/吨元以下，投资1.0万/吨小时以下，清洗周期1年，膜寿命8年以上。
本发明采用了大通量膜、大通量隔板，及由大通量膜和大通量隔板构成的大通量膜堆，其中，使用的大通量膜相比于传统电渗析膜更厚，大通量膜的孔径大，并且孔中存在离子交基团，官能团强度高，大通量膜由大通量隔板分隔，大通量隔板上存在流道、孔道和细导流格网，通过控制流速、电压、压差、浓差等参数控，实现以溶解性离子为目标的导向性去除，对饮用水处理及饮用水安全具有重大意义。本发明是一种用于饮用水目标性离子选择性去除的导向型电渗析方法。
附图说明
图1为复合膜的结构图；
图2为含增强材料复合膜示意图；
图3为大通量隔板示意图；
图4为大通量膜堆示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：
本申请上下文中对同一物质使用了多种不同的描述，为了更好的描述本发明的的应用性，采用了概括性描述，为了突出具体实施中可使用或选择的材料，使用更精确的描述，因此，对本发明的的含义需要依据其上下文具体分析其指代意义。
本发明图1为复合膜的结构图，其中，11为波纹膜，12为离子交换膜，13为无选择性离子交换膜，14为离子交换膜，15为波纹膜，16为复合膜的孔，161为复合膜的孔上的官能团，11和15表面波纹可分为曲线波纹（21）、三角波纹（22）或梯形波纹（23），11或15可使用同一材质或不同材质的膜，12与14为同一种离子交换膜。
本发明图2为含增强材料复合膜示意图，其中，17为流道，流道之间不连通，18为增强材料，增强材料在膜内部，通过制膜时将增强材料加入膜层间或膜表面。本图为本申请中一种含增强材料复合膜的示意图，不是对其的唯一限定，增强材料可制作在膜表面。
本发明图3为大通量隔板示意图，其中，31为流道，流道之间不连通，隔板流道与大通量膜流道相对应，32为孔道，33为细导流格网。
本发明图4为大通量膜堆示意图，其中，为大通量膜（阳离子交换膜），/>为大通量隔板，/>为大通量膜（阴离子交换膜），/>为阳极电极板，/>为阴极电极板，在极板上与大通量膜、大通量隔板上的相应位置上具有相同的流道，极板上未使用的流道会封堵。
本发明实施例中使用的五层均相复合膜中，单个均相膜制备中，将聚氯乙烯材质膜按现在技术方法替换为离子交换基团，制备得到均相基膜，在均相基膜表面涂布甲基丙烯酸甘油酯作为溶剂、粘合剂或交联剂，涂布环氧树脂，再涂覆聚乙烯亚胺制成复合膜，然后在复合膜表面，涂布甲基丙烯酸甘油酯作为溶剂、粘合剂或交联剂，涂布环氧树脂，再涂布改性氯乙烯，在60℃聚合交联成膜，制成均相膜。离子交换基团为磺酸基团或季铵基团，替换为磺酸基团的为均相阳离子交换膜，替换为季铵基团的为均相阴离子交换膜。
本发明实施例中使用的五层均相复合膜中，波纹膜为无选择性离子交换膜。
本发明实施例中使用的无选择性离子交换膜的制备中，将聚乙烯树脂混炼压膜制备50KJ/m2冲击强度的无选择性离子交换膜。
实施例1：
一种大通量选择性除硬的电渗析方法，
原水硬度500ppm (以碳酸钙计)，TDS800ppm，大通量电渗析方法的调控公式为：Z方法=（K膜×（Z阴+Z阳）+K膜堆×Z膜堆）×K参，Z方法为0.15MPa，电渗析膜为大通量膜，大通量膜为复合膜，复合膜为五层均向复合膜，复合膜厚度为1.5mm，复合膜孔径为0.5mm，官能团强度为90%，复合膜最外层为圆波纹膜，波纹膜高度0.01mm，密度3mm；大通量隔板的厚度为1.2mm，流道为圆形，流道直径为10mm，大通量隔板上的细导流格网的网丝直径为0.05mm，孔道宽度为0.4mm，数目5，入流角为45度，与孔道相接的大通量膜的位置通过增强材料增强，增强材料为铝条，增强材料宽度跟孔道高度相当，宽度为2.5cm，阳离子交换膜、大通量隔板、阴离子交换膜和大通量隔板构成一个膜对，膜对循环叠加使用构成膜堆，膜堆长度，膜堆为1段；大通量工艺参数中，流速为1.5厘米/秒，电压35伏，浓淡室的浓度比为8：1，浓淡室的压力相同，产水率85%，淡浓比0.5，出水硬度400mg/L，TDS 400ppm，直接运行成本0.04元/吨元，投资1.0万/吨小时，清洗周期半年，膜寿命8年。
实施例2：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
原水氟离子浓度2.0ppm，TDS900ppm，大通量电渗析方法的调控公式为：Z方法=（K膜×（Z阴+Z阳）+K膜堆×Z膜堆）×K参，Z方法为0.15MPa，电渗析膜为大通量膜，大通量膜为复合膜，复合膜为五层均向复合膜，复合膜厚度为1.5mm，复合膜孔径为0.15mm，官能团强度为95%，复合膜最外层为圆波纹膜，波纹膜高度0.02mm，密度5mm；大通量隔板的厚度为1.2mm，流道为圆形，流道直径为10mm，大通量隔板上的细导流格网的网丝直径为0.05mm，孔道宽度为0.3mm，数目5，入流角为75度，与孔道相接的大通量膜的位置通过增强材料增强，增强材料为铝条，增强材料宽度跟孔道高度相当，宽度为2.5cm，阳离子交换膜、大通量隔板、阴离子交换膜和大通量隔板构成一个膜对，膜对循环叠加使用构成膜堆，膜堆长度，膜堆为1段；大通量工艺参数中，流速为1.5厘米/秒，电压35伏，浓淡室的浓度比为5：1，浓淡室的压力相同，产水率88%，淡浓比0.5，出水氟离子浓度0.5mg/L，TDS 250ppm，直接运行成本0.04元/吨元，投资1.0万/吨小时，清洗周期1年，膜寿命8年。
实施例3：
一种大通量选择性除硝酸盐的电渗析方法，
原水硝酸盐浓度50ppm，TDS1500ppm，大通量电渗析方法的调控公式为：Z方法=（K膜×（Z阴+Z阳）+K膜堆×Z膜堆）×K参，Z方法为0.15MPa，电渗析膜为大通量膜，大通量膜为复合膜，复合膜为五层均向复合膜，复合膜厚度为1.5mm，复合膜孔径为0.15mm，官能团强度为90%，复合膜最外层为圆波纹膜，波纹膜高度0.01mm，密度7mm；大通量隔板的厚度为1.2mm，流道为圆形，流道直径为10mm，大通量隔板上的细导流格网的网丝直径为0.05mm，孔道宽度为0.3mm，数目5-15，入流角为25度，与孔道相接的大通量膜的位置通过增强材料增强，增强材料为铝条，增强材料宽度跟孔道高度相当，宽度为2.5cm，阳离子交换膜、大通量隔板、阴离子交换膜和大通量隔板构成一个膜对，膜对循环叠加使用构成膜堆，膜堆长度，膜堆为1段；大通量工艺参数中，流速为1.5厘米/秒，电压35伏，浓淡室的浓度比为6：1，浓淡室的压力相同，产水率90%，淡浓比0.5，出水硝酸盐浓度4.0mg/L，TDS 250ppm，直接运行成本0.04元/吨元，投资1.0万/吨小时，清洗周期1年，膜寿命8年。
实施例4：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
电渗析操作参数：电压：35V，流速：100cm/s；浓淡室的浓度比为1:1，浓淡室的压力相同；氯化钠溶液浓度：0.1mol/L，氟化钠溶液浓度：0.1mol/L。
电渗析膜、膜堆为实施例2中的电渗析膜、膜堆。
实施例5：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例4相比，不同之处仅在于，流速：200cm/s。
实施例6：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例4相比，不同之处仅在于，流速：300cm/s。
实施例7：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例4相比，不同之处仅在于，流速：400cm/s。
实施例8：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例4相比，不同之处仅在于，流速：500cm/s。
实施例4-8说明流速对扩散边界层电阻RDBL的影响，即大通量对扩散边界层电阻RDBL的影响，用于大通量选择性去除目标离子，氯化钠和氟化钠浓度均为0.1mol/L。不同流速下扩散边界层电阻值如表1所示，可以看出随着流速的增加，氟化钠和氯化钠两个体系中的扩散边界层电阻都呈现出减小的趋势，当流速从100cm/s增加到500cm/s时，氯化钠体系中的扩散边界层电阻从9.39 ohm减小到1.96 ohm，降低了79.13%，而氟化钠体系中的扩散边界层电阻从6.40 ohm减小到1.28 ohm，降低了80.00%，发现体系中扩散边界层电阻的变化趋势与总电阻减小的趋势一致，因此，流速的改变主要是改变了离子交换膜表面的扩散边界层电阻。主要是由于流速增加，离子交换膜表面的水流速度加快，经过膜表面的水流湍流程度发生变化，增大的流速削减了离子交换膜表面扩散边界层的厚度，导致扩散边界层厚度减小，且流速愈快，对扩散边界层厚度的削减程度愈大。因此，总电阻呈现出与扩散边界层电阻一致的减小趋势。
表1 不同流速下扩散边界层电阻值
| 流速cm/s | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
| RDBL-NaCl/ohm | 9.39 | 8.64 | 5.98 | 3.81 | 1.96 |
| RDBL-NaF/ohm | 6.40 | 5.92 | 1.57 | 1.33 | 1.28 |
实施例9：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
电渗析操作参数：电压为15 V，流速为2.1 cm/s，浓、淡室的浓度比为1:1，浓淡室的压力相同。氯离子浓度：500ppm，氟离子浓度：3ppm。
模拟饮用水均用NaHCO3调节初始电导率为1000 μs/cm；极室、浓室和淡室进水流量比为1：1：1。
电渗析膜、膜堆为实施例2中的电渗析膜、膜堆。
实施例10：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例9相比，不同之处仅在于，电渗析流速为4.2 cm/s。
实施例11：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例9相比，不同之处仅在于，电渗析流速为6.3 cm/s。
实施例12：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例9相比，不同之处仅在于，电渗析流速为8.4 cm/s。
实施例13：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例9相比，不同之处仅在于，电渗析流速为10.5 cm/s。
实施例9-13表明小型电渗析设备除氟效率和对氟离子的选择性分离效率。
实施例9-13中，流量对氟、氯离子去除效果的结果如表2所示，经电渗析处理后，水样中的氯离子和氟离子浓度可以达到世界卫生组织（WHO）规定的饮用水标准以下，且随着进水流速的增大，最终氟氯离子浓度愈低，且浓度降低趋势显著。电渗析进水流速增大相当于增大了处理水在膜堆中的停留时间，使得更多的离子通过离子交换膜进入浓缩室，因此出现流量越大，相同时间内电渗析对氯离子和氟离子的去除效果愈明显的现象。
表2 流量对氟、氯离子去除效果的影响
选择性分离系数的计算通式为：；
电渗析膜包括但不限于可控通道膜、压缩扩散边界层膜和离子交换膜中任一种，所述电渗析膜孔径小于1微米，电渗析膜的选择性分离系数为-1至1，A代表目标离子，B代表实际使用中的选定的标准离子或实际溶液中溶解性总固体TDS。
在本实施例中，A代表氟离子，B代表氯离子。
选择性分离系数如表3所示，氟离子选择性分离效率与进水流速呈正相关趋势增加，进水流速从2.1cm/s增加至10.5cm/s时，氟离子选择性分离效率由0.11增大至0.38。由此可见，电渗析进水流速的增加有利于提高电渗析处理饮用水的除氟效果，对氟离子的选择性分离也有显著的效果。
表3 选择性分离系数
| 流速cm/s | 2.1 | 4.2 | 6.3 | 8.4 | 10.5 |
| 选择性分离系数 | 0.11 | 0.17 | 0.21 | 0.28 | 0.38 |
实施例14：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
电渗析膜、膜堆为实施例2中的电渗析膜、膜堆。
电渗析参数为实施例2中的电渗析参数，但流速不同。
实施例15：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例14相比，不同之处仅在于，电渗析电压为65V。
实施例16：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例14相比，不同之处仅在于，电渗析电压为95V。
实施例17：
一种大通量选择性除氟的电渗析方法，
本实施例与实施例14相比，不同之处仅在于，电渗析电压为125V。
实施例14-17中，在电渗析外加电压为35、65、95、125V时分别将流速从5.5cm/s提升至8.8cm/s，选择性分离系数及差值如表4所示，在相同外加电压条件下，流速从5.5cm/s提升至8.8cm/s时，流速越高，即流量越大，氟离子选择性分离效率提高，因此，增大流量可以有效的提高电渗析水处理过程中氟离子的选择性去除效率。从表所示的结果可以看出，进水流量越大，氟离子选择性分离系数越大，且随着电压的增加，氟离子选择性分离效率随流量提升愈明显，因此，在高电压情况下增大进水流量可以更好的提高电渗析水处理过程中氟离子的选择性去除。电渗析进水流量增加，经过离子交换膜表面的水流湍流程度改变，削减了离子交换膜表面形成的扩散边界层厚度，扩散边界层电阻减小，离子通过离子交换膜的速率提高，导致离子去除效率增加。而氟离子受扩散边界层电阻控制更多，氯离子受扩散边界层电阻控制的同时还受到纯膜电阻的影响，因此，进水流量增加，氟离子选择性分离效率提高。
表4 进水流量变换时的选择性分离系数及差值
| 外加电压V | 35 | 65 | 95 | 125 |
| 选择性分离系数S5.5 | 0.305 | 0.326 | 0.418 | 0.448 |
| 选择性分离系数S8.8 | 0.319 | 0.384 | 0.545 | 0.603 |
| ΔS | 0.014 | 0.058 | 0.127 | 0.155 |
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (1)
1.一种大通量选择性目标去除的电渗析方法，包括：对饮用原水通过电渗析除离子工艺处理得到饮用水；
所述电渗析除离子工艺通过控制大通量膜、大通量膜堆和大通量工艺参数对饮用原水进行处理；
所述电渗析除离子工艺采用大通量膜，大通量膜的厚度为1mm以上，大通量膜的孔径为0.1微米以上，大通量膜的孔中官能团强度为80%以上；
所述大通量膜堆的段数为1-3，长度为0.8-2.6m；所述段为饮用原水在大通量膜堆中的重复流动次数；
所述大通量膜为异向膜、均相膜中至少一种单个膜或由其任一种组成的复合膜，所述复合膜为至少2层膜组成，所述大通量膜表面为波纹面；所述波纹面上波纹密度0.3-10毫米，波纹高度0.01-0.05毫米；
所述波纹面的波纹呈现为曲线波纹、三角波纹或梯形波纹；
所述大通量膜堆中以阴离子交换膜、阳离子交换膜和大通量隔板组成循环单元，阴离子交换膜和阳离子交换膜通过大通量隔板进行分隔；
所述大通量膜上含有增强材料，增强材料为金属或非金属材料，大通量膜上存在增强材料的部位在2公斤压力下的薄膜变形为5%以下；
所述大通量膜堆由大通量膜和大通量隔板构成；所述大通量膜和大通量隔板在相对应的端位置上存在流道，流道分成两部分，一部分进水，另一部分出水；所述大通量隔板由框及导流格网组成，框上存在流道，在流道与导流格网间存在孔道，大通量隔板的厚度为0.9-2.0毫米，导流格网的网丝的直径为0.05-0.15毫米，孔道与网丝形成的入流角为20-80度，孔道的宽度为0.1-0.5毫米；
所述大通量工艺参数包括流速、电压、压差和浓差。
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Citations (3)
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| GB835744A (en) * | 1955-07-04 | 1960-05-25 | Tno | Process for electrodialysing liquids |
| CN108905658A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-30 | 中国科学技术大学 | 一种膜污染-电渗析沉积制备一多价离子交换膜的方法 |
| CN112960741A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-15 | 江苏省环境科学研究院 | 一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统及应用 |
-
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| 张雨山等.《海水利用技术问答》.中国石化出版社,2003,第155页. * |
| 郝瑞霞等.《水质工程学实验与技术》.北京工业大学出版社,2006,第277页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114751492A (zh) | 2022-07-15 |
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