CN114772792A - 一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，包括如下步骤：1)将海水通过装有高分子树脂吸附材料的密封容器，利用高分子树脂吸附材料带有正、负静电荷的树脂颗粒对海水中阴阳离子吸引、阻滞、捕捉，使其从海水中分离得到预处理后的水；2)在超声波协同作用下，用淡化水对上步骤达到饱和吸附的树脂颗粒进行再生，使树脂颗粒脱附其所吸附捕捉到的离子；3)将步骤1)得到的预处理后的水再经反渗透设备处理，得到淡化水。4)用声空化对捕捉器中原有的海水及高分子树脂吸附材料进行振动解吸,得到的高浓度盐水可以收集利用。

Description

一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法
【技术领域】
本发明涉及海水淡化处理技术领域，具体涉及一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法。
【背景技术】
地球上的咸水与淡水的比例约为97.47比2.53。海水的成份很复杂，大体分为由水和盐组成，海盐所含的元素有80多种，其中主要含有阳离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+；阴离子Cl-、Br-、SO42-、CO3 2-、F-等，占盐成份总和的99.9％。如何将盐从海水中分离出来，达到海水淡化的目的，是世界性的难题。
目前已有相关的研究，例如中国专利申请号201710598513.0公开了一种海水淡化高分子絮凝剂，由20％-40％丙烯酰胺水溶液、10％-20％MPS、10％-25％AANa、20％-25％SSA及25％-40％去离子水按照比例混合均匀，采用近似绝热水溶液共聚合工艺聚合而成，其采用的引发体系为K-R-A三元引发体系，采用的链转移剂为NTP-尿素JFC复合链转移剂，该聚合体系采用的引发剂及链转移剂能获得超高分子量、表观粘度高、水溶性好、分子链柔顺及活性官能团分布均匀的共聚物产品；聚合釜内壁采用硅橡胶树脂涂层，为海水淡化预处理提供了一种优质高效高性价比的高分子絮凝剂，其效果明显优于无机铁盐及壳聚糖低分子絮凝剂。
又例如中国专利申请号201610494913.2公开了一种超声波处理脱除卤水中钙的方法，包括以下步骤：将卤水输送至装有超声波脱钙探头的管路，超声的作用方式为连续式，停留时间为1-30分钟；经过超声处理后脱钙卤水进入管道上的在线微滤膜过滤器，滤除钙盐固体，最终得到脱钙后的卤水；其中，所述的超声波脱钙探头的管路中，管路内径5-20厘米；超声波探头的末端直径为1-10毫米，超声处理的参数设置为功率密度500-5000W/m3，频率10-100kHz，采用超声处理方法，促进主要成垢离子的成核，析出碳酸钙、硫酸钙等晶体并过滤除去，脱钙后的高盐水可进一步返回脱盐单元提高浓缩率，最终提高产水率。
总的来说，如何将盐从海水中分离出来，达到海水淡化的目的，现常用的方法有离子交换膜、电渗析、蒸发冷冻和反渗透等，存在工艺复杂且能耗高等不足，由于运行成本太高，工艺复杂等原因，难以做到普遍采用或推广。虽然现在对海水淡化有多种不同的处理方法与装备，但没有真正找到一种简单实用而成本较低的方法。
【发明内容】
针对目前海水淡化现常用的离子交换膜、电渗析、蒸发冷冻和反渗透等方法，存在工艺复杂且能耗高等不足，本发明提供了一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，利用一种简易高效而低能耗的微静电颗粒与超声波一体的海水处理方法对海水淡化处理，主要利用两种高分子树脂吸附材料实现对海水中盐的阻滞，使其中盐与水分离，从而达到海水淡化的目的，具有一定的价值及发展前景。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，具体包括如下步骤：
1)将海水依次通过装有二种高分子树脂吸附材料的密封容器，容器采用串联方式，利用不同种类高分子树脂吸附材料所带的正、负静电荷的树脂颗粒对海水中阴阳离子吸引、阻滞、捕捉，使其从海水中分离得到预处理后的水；所述的高分子树脂吸附材料选自强碱弱酸型及强酸弱碱型高分子树脂吸附材料，强碱弱酸型高分子树脂与强酸弱碱型高分子树脂的体积比为1:1，所述的高分子树脂吸附材料与海水中含盐量质量比为1:(0.06-0.09)；
利用在线电导率测试仪控制原海水流量，使从第二个高分子树脂容器出来的海水电导率小于3000μs/cm，当电导率超过3000μs/cm时立即停止海水流进装有高分子树脂的密封容器；
2)在超声波协同作用下，用淡化水对上步骤达到饱和吸附的树脂颗粒进行再生，使树脂颗粒脱附其所吸附捕捉到的离子；
3)将步骤1)得到的预处理后的水再经反渗透设备处理，得到淡化水。
本发明中：
步骤1)所述的高分子树脂吸附材料，是在具有电荷功能基的交联体上交缠有带相反电荷功能基的线形体的聚合物，具有两个不同基团，其分离原理在于：是通过异性相吸(静电)的作用，把海水中带有静电的电解质相互吸引在合成高分子表面，使水基本上不带有静电离子排出，从而达到金属阳离子及酸根阴离子与水分离效果；当高分子树脂阻滞离子达到极限后，利用超声波与少量纯水的声空化作用，把阻滞停留在高分子树脂吸附材料上的离子洗脱，从而实现高分子树脂反复回用。
进一步地，所述的强碱弱酸型高分子树脂是采用带正电的强碱性季铵基官能团及带负电的弱酸性羧酸基官能团的两性高分子树脂；所述强碱弱酸型高分子树脂具有较强的吸附海水中溶解性的且较强负电性阴离子(如Cl-、SO4 2-)的能力，兼具有一定的吸附海水中溶解性稍弱阳离子(如Sr2+等)的能力。
进一步地，所述的强酸弱碱型高分子树脂是采用带负电的强酸性磺酸基团官能团及带正电的伯胺基官能团的两性高分子树脂；所述强酸弱碱型高分子树脂具有较强的吸附海水中溶解性的且较强正电性阳离子(如Na+、K+、Ca2+、Mg2+)的能力，兼具有一定的吸附海水中溶解性带稍弱的阴离子(如CO3 2-、F-)的能力。
步骤1)所述的高分子树脂吸附材料与海水中含盐量质量比为1:0.08。进一步地，两种高分子树脂在使用时，采用串联使用的方式，即先让海水通过强碱弱酸型高分子树脂层，再让通过强碱弱酸型高分子吸附(捕捉)了较多阴离子的海水通过强酸弱碱型高分子树脂层，以便能较好地吸附(捕捉)正电性阳离子(如Na+、K+、Ca2+、Mg2+)。
步骤2)所述的超声波协同作用，超声波的频率20-40KHz，超声功率密度0.2-0.5w/cm2，超声波作用时间5-15min。
步骤2)所述的淡化水用量是刚好淹没高分子树脂吸附材料。
步骤3)所述的反渗透设备，选用反渗透RO膜滤芯，其孔径范围为0.1-1.0nm。
和现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明所述的一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，利用高分子树脂吸附材料的同一树脂颗粒同时带有正、负微静电，其中一种为强碱弱酸型高分子树脂，另一种为强酸弱碱型高分子树脂，这两种高分子树脂均同时带有正、负微静电，通过树脂颗粒串联分别实现对海水中的阴阳离子捕捉，当分离出的水与原海水的离子去除率达95％以上，再进入反渗透膜进一步净化；二个串联的高分子树脂颗粒则在超声波作用下用少量纯水反冲以实现吸附材料的反复利用,同时反冲出来的水属超高浓度的海水，可以根据生产需要加以利用，该方法是当前对海水淡化处理比较简单易行且高效低能耗的方法。
2、本发明所述的一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，针对两性树脂的种类繁多的问题，本发明的高分子树脂吸附材料选择其中的强碱弱酸型及强酸强弱型树脂，在微观结构上均属蛇笼树脂。如强酸弱碱类树脂由于分子形态结合的阴离子和阳离子交换基组成[R：-SO3H+N+(CH3)3X-]，它既能吸附海水中运动着的阳离子，又可吸附海水中运动着的阴离子，它的作用机理是离子阻滞，无论是强碱弱酸型或强酸弱碱型高分子树脂吸附材料，由于互相配对的功能基对被阻滞的离子吸着力较弱，所以用少量纯水和超声波棒即可使树脂再生，该树脂阻滞容量较大，达到0.9959mmol/ml。
3、本发明所述的一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，一种颗粒同时带有两个相反的微静电与离子相互吸引捕捉与水分离，利用颗粒带微静电吸附捕捉海水中的离子是作海水淡化预处理，通过预处理的水才能进一步进入反渗透膜分离，保证海水淡化效率和质量，预处理后再经反渗透达到最终目的，利用两性树脂吸附海水中的离子是作海水淡化的预处理，此时海水的电导率由原来的50000-90000μs/cm变为预处理后的5000μs/cm以下，预处理后的水再经过反渗透达到最终目的。
4、在具体应用中，本发明所述的一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，二个串联的高分子树脂颗粒则在超声波作用下用少量纯水反冲以实现吸附材料的反复利用,同时反冲出来的水属超高浓度的海水，可以根据生产需要加以利用。
【附图说明】
图1是本发明实施例1的海水处理单体装置示意图；
图2是本发明实施例1的微静电颗粒-超声波协同处理作用海水成套装置示意图。
图1标记：
1、超声波振子(上)；2、滤网(上)；3、两性高分子材料；4、超声波振子(下)；5、海水进口；6、进水阀；7、浓盐水出口；8、浓盐水出水阀；9、滤网(下)；10、淡盐水出水滤网；11、淡盐水出口；12、淡盐水出水阀；13、出气阀；14、出气口；
图2标记：
21、海水入口；22、进反冲水口；23、淡盐水入口管；24、淡化海水出口；25、在线电导率测试仪；26、淡盐水暂存箱；27、离子捕捉罐(串联)；28、反渗透装置。
【具体实施方式】
以下结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。
实施例1：
一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，使用到如图2所示的海水成套装置，具体包括如下步骤：
1)往储罐中加入720升海水，海水电导率为80000μs/cm,通过流量计和智能数据自动控制系统，把海水以2升/秒左右的流速输送到装有400升高分子树脂吸附材料的捕捉器(参见图1所示的海水处理单体装置)中，经过捕捉器处理后，海水的电导率就从原来的80000μs/cm，降低至2000μs/cm时系统自动停止输送海水，此时经捕捉处理得到的水为淡盐水；
所述的捕捉器采用串联方式，所述的高分子树脂吸附材料选自强碱弱酸型及强酸弱碱型高分子树脂吸附材料，强碱弱酸型高分子树脂与强酸弱碱型高分子树脂的体积比为1:1，所述的高分子树脂吸附材料与海水中含盐量质量比为1:0.08；所述的强碱弱酸型高分子树脂是采用带正电的强碱性季铵基官能团及带负电的弱酸性羧酸基官能团的两性高分子树脂；所述的强酸弱碱型高分子树脂是采用带负电的强酸性磺酸基团官能团及带正电的伯胺基官能团的两性高分子树脂；
2)利用压力泵为9公斤的压力将捕捉器中滤出的淡盐水输送到反渗透设备中，反渗透设备(选用反渗透RO膜滤芯，其孔径范围为0.1-1.0nm)出来的水，即为淡化海水,淡化海水的电导率已降至100μs/cm以下，此时所得到的淡化海水(主产品)与浓盐水(副产品)的体积比为7:3；
3)为实现捕捉机组中的高分子树脂吸附材料得到再生循环利用，先用声空化对捕捉器中原有的海水及高分子树脂吸附材料进行振动10-15min,得到的高浓度盐水收集利用；再利用从反渗透出来淡盐水与纯水分别送到捕捉机组内，用超声波振动5-8min，超声波的频率20-40KHz，超声功率密度0.2-0.5w/cm2，使捕捉器中捕捉的离子进行解吸，洗出的浓盐水排出捕捉器外，淡盐水留作下次冲洗用；这样，得到的纯水大于反冲解吸所用的水，就可以达到将海水淡化的目的。
实施例2：
一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，包括如下步骤：
1)往储罐中加入900升海水，海水电导率为80000μs/cm,通过流量计和智能数据自动控制系统，把海水以2升/秒左右的流速输送到装有400升高分子树脂吸附材料的捕捉器中，经过捕捉器处理后，海水的电导率从原来的80000μs/cm，降低至3000μs/cm时系统自动停止输送海水，此时经捕捉处理得到的水为淡盐水；
所述的捕捉器采用串联方式，所述的高分子树脂吸附材料选自强碱弱酸型及强酸弱碱型高分子树脂吸附材料，强碱弱酸型高分子树脂与强酸弱碱型高分子树脂的体积比为1:1，所述的高分子树脂吸附材料与海水中含盐量质量比为1:0.06；所述的强碱弱酸型高分子树脂是采用带正电的强碱性季铵基官能团及带负电的弱酸性羧酸基官能团的两性高分子树脂；所述的强酸弱碱型高分子树脂是采用带负电的强酸性磺酸基团官能团及带正电的伯胺基官能团的两性高分子树脂；
2)利用压力泵为9公斤的压力将捕捉器中滤出的淡盐水输送到反渗透设备中，反渗透设备(选用反渗透RO膜滤芯，其孔径范围为0.1-1.0nm)出来的水，即为淡化海水,淡化海水的电导率已降至100μs/cm以下，此时所得到的淡化海水(主产品)与浓盐水(副产品)的体积比为6.5:3.5，反渗透出来的纯水电导率已降至100μs/cm以下；
3)为实现捕捉机组中的高分子树脂吸附材料得到再生循环利用，先用声空化对捕捉器中原有的海水及高分子树脂吸附材料进行振动10-15min,得到的高浓度盐水收集利用；再利用从反渗透出来淡盐水与纯水分别送到捕捉机组内，用超声波振动8-12min，超声波的频率20-40KHz，超声功率密度0.2-0.5w/cm2，使捕捉器中捕捉的离子进行解吸，洗出的浓盐水排出捕捉器外，淡盐水留作下次冲洗用；这样，得到的纯水大于反冲解吸所用的水，就可以达到将海水淡化的目的。
对比例1：
与实施例1不同的是：实施例1中所述的400升高分子树脂吸附材料，同时含有二种高分子树脂，其中一种为强碱弱酸型树脂，另一种为强酸强弱型树脂，它们的体积比为1:1，而对比例1中所述的400升高分子树脂，全部为强碱弱酸型高分子树脂；其余与实施例1相同，具体操作是：
1)往储罐中加入720升海水，海水电导率为80000μs/cm,通过流量计和智能数据自动控制系统，把海水以2升/秒左右的流速输送到装有400升强碱弱酸型高分子树脂吸附材料的捕捉器中，经过捕捉器处理后，海水的电导率就从原来的80000μs/cm，降低至4000μs/cm时系统自动停止输送海水，此时经捕捉处理得到的水为淡盐水；
2)利用压力泵为9公斤的压力将捕捉器中滤出的淡盐水输送到反渗透设备中，反渗透设备出来的水，即为淡化海水,淡化海水的电导率已降至100μs/cm以下。此时所得到的淡化海水(主产品)与浓盐水(副产品)的体积比为4.7:5.3；
3)为实现捕捉机组中的高分子树脂吸附材料得到再生循环利用，先用声空化对捕捉器中原有的海水及高分子树脂吸附材料进行振动10-15min,得到的高浓度盐水收集利用；再利用从反渗透出来淡盐水与纯水分别送到捕捉机组内，用声波振动5-8min，使捕捉器中捕捉的离子进行解吸，洗出的浓盐水排出捕捉器外，淡盐水留作下次冲洗用；这样，得到的纯水大于反冲解吸所用的水，就可以达到将海水淡化的目的。
对比例2：
与实施例1不同的是：实施例1中所述的400升高分子树脂吸附材料，同时含有二种高分子树脂，其中一种为强碱弱酸型树脂，另一种为强酸强弱型树脂，它们的体积比为1:1，而对比例2中所述的400升高分子树脂，全部为强酸弱碱型高分子树脂；其余与实施例1相同，具体操作是：
1)往储罐中加入720升海水，海水电导率为80000μs/cm,通过流量计和智能数据自动控制系统，把海水以2升/秒左右的流速输送到装有400升强酸弱碱型高分子树脂吸附材料的捕捉器中，经过捕捉器处理后，海水的电导率就从原来的80000μs/cm，降低至4000μs/cm时系统自动停止输送海水，此时经捕捉处理得到的水为淡盐水；
2)利用压力泵为9公斤的压力将捕捉器中滤出的淡盐水输送到反渗透设备中，反渗透设备出来的水，即为淡化海水,淡化海水的电导率已降至100μs/cm以下。此时所得到的淡化海水(主产品)与浓盐水(副产品)的体积比为5.3:4.7；
3)为实现捕捉机组中的高分子树脂吸附材料得到再生循环利用，先用声空化对捕捉器中原有的海水及高分子树脂吸附材料进行振动10-15min,得到的高浓度盐水收集利用；再利用从反渗透出来淡盐水与纯水分别送到捕捉机组内，用声波振动5-8min，使捕捉器中捕捉的离子进行解吸，洗出的浓盐水排出捕捉器外，淡盐水留作下次冲洗用；这样，得到的纯水大于反冲解吸所用的水，就可以达到将海水淡化的目的。
结果分析：
从上述对实施例与对比例可以看出，单独使用强碱弱酸型两性高分子树脂作为海水淡化中溶解性离子的吸附材料，对海水中溶解的离子有较弱的吸附捕捉效果，但处理后得到的淡化海水体积比小于海水体积的50％；类似地，单独使用强酸弱碱型高分子树脂作为海水淡化中溶解性离子的吸附材料，对海水中溶解的离子有吸附捕捉效果，仅占海水体积的53％；而采用强碱弱酸型高分子树脂与强酸弱碱型高分子树脂这两种两性高分子树脂等量串联，用于海水淡化，并与超声联合作用，可以有效地实现海水淡化，以及树脂的再生利用。
由此可见，本发明中所作用的两种两性高分子材料，以及与超声波协同作用，用于海水淡化的方法，具有不可替换性。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (5)

1.一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
1)将海水依次通过装有二种高分子树脂吸附材料的密封容器，容器采用串联方式，利用不同种类高分子树脂吸附材料所带的正、负静电荷的树脂颗粒对海水中阴阳离子吸引、阻滞、捕捉，使其从海水中分离得到预处理后的水；
所述的高分子树脂吸附材料选自强碱弱酸型及强酸弱碱型高分子树脂吸附材料，强碱弱酸型高分子树脂与强酸弱碱型高分子树脂的体积比为1:1，所述的高分子树脂吸附材料与海水中含盐量质量比为1:(0.06-0.09)；
利用在线电导率测试仪控制原海水流量，使从第二个高分子树脂容器出来的海水电导率小于3000μs/cm，当电导率超过3000μs/cm时立即停止海水流进装有高分子树脂的密封容器；
2)在超声波协同作用下，用淡化水对上步骤达到饱和吸附的树脂颗粒进行再生，使树脂颗粒脱附其所吸附捕捉到的离子；
3)将步骤1)得到的预处理后的水再经反渗透设备处理，得到淡化水。
2.根据权利要求1所述的一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，其特征在于：所述的强碱弱酸型高分子树脂是采用带正电的强碱性季铵基官能团及带负电的弱酸性羧酸基官能团的两性高分子树脂；所述的强酸弱碱型高分子树脂是采用带负电的强酸性磺酸基团官团及带正电的伯胺基官能团的两性高分子树脂。
3.根据权利要求1所述的一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，其特征在于：步骤2)所述的超声波协同作用，超声波的频率20-40KHz，超声功率密度0.2-0.5w/cm2，超声波作用时间5-15min。
4.根据权利要求1所述的一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，其特征在于：步骤2)所述的淡化水用量是刚好淹没高分子树脂吸附材料。
5.根据权利要求1所述的一种静电吸附与超声波协同作用的海水处理方法，其特征在于：步骤3)所述的反渗透设备，选用反渗透RO膜滤芯，其孔径范围为0.1-1.0nm。
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