CN115465978A - 一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，步骤1，原水中的清水在浓缩提取液1的正渗透作用下，穿过正渗透膜并与浓缩提取液1混合变为稀释提取液1，同时获得的浓水直接排出系统外；步骤2，稀释提取液1经过电渗析过程，获得较高浓度的浓缩提取液1，回到正渗透工艺中，经过电渗析后所产生的稀释提取液2，进入后续反渗透工艺；步骤3，稀释提取液2经过反渗透浓缩，所产生的浓缩提取液2回到电渗析，经过反渗透所得的净水排出系统外。本发明将反渗透浓缩后的浓缩提取液回到电渗析，作为电渗析的进水侧溶液，加大了电渗析进水侧的溶液浓度，无需额外的增加电压，降低了能耗、节约了成本。

Description

一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法
技术领域
本发明涉及一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法。
背景技术
工业生产伴随大量水处理需求，特别是针对工业高浓废水（即下文的原水）、特种物料浓缩等领域，有效降低水处理能耗，减少废水总量，提升水处理效率，在现代工业体系中更加重要。目前主流水处理技术中，常见浓缩技术有反渗透、电渗析、正渗透、蒸发等，但适用性都存在一定的限制。例如，卷式反渗透产水水质较好，由于高压操作，非常不耐有机污堵，一般进水COD需要控制在30-100ppm以下，并且对于盐水的浓缩上限较低，一般仅为3-5%，部分碟管式反渗透操作压力更高，浓缩上限也仅能达到8-15%；电渗析技术对于浓盐水的浓缩上限较高，一般可以达到15-20%以上，或者接近饱和的程度，部分溶解度较高的盐类，可以浓缩至50%，但是所产生的淡水浓度不宜过低，一般需要TDS浓度需要高于0.5-1%，否则电耗将大幅度升高，经济性急剧变差，并且电渗析膜对于表面活性剂等两性物质耐受性较差。正渗透膜对于有机物耐受性好，不怕表面活性剂等物质，对于盐也有较好的截留作用，但是正渗透过程需要高浓盐水或者其他高渗透压溶液作为提取液，才能完成水与溶解性物质的分析。
为此，目前的水处理采用的是反渗透、电渗析、正渗透配合的技术来实现，如公告日为2016.12.07、公告号为CN 205773801 U的中国实用新型专利中，公开了一种无机盐汲取液循环再生系统，该系统工作时，原水箱内的源水进入正渗透单元，合格的浓缩液出料至浓盐水箱，稀释后的汲取液再进入反渗透装置，反渗透浓水进入第1个正渗透机构，第2个正渗透机构稀释的汲取液进入电渗析装置，电渗析浓水作为第2个正渗透机构的汲取液。电渗析装置产水口连接反渗透装置进水口，使电渗析产水进入所述反渗透装置回用。
由于电渗析过程是通过施加电压实现迁移的，在外加直流电场的驱动下，利用离子交换膜的选择透过性(即阳离子可以透过阳离子交换膜，阴离子可以透过阴离子交换膜)，阴、阳离子分别向阳极和阴极移动。离子迁移过程中，若膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通过;如果它们的电荷相同，则离子被排斥。若大量的盐已经渗透到离子交换膜的另一侧，电渗析的特点在于进水浓度不宜过低，如一开始进水浓度在2%-7%，通过电渗析，膜另一侧的浓度会上升到15-20%以上，甚至达到50%，而进水浓度会不断的下降，若降低至小于1%-3%，进水侧溶液的离子含量比较低，在离子含量过低的溶液中，将盐迁移至阳离子交换膜的浓度比较高的盐中，需要通过加额外的电压来保证进水侧的溶液中的少量离子继续往阳离子膜的另一侧迁移，这样导致能耗较高、成本较高的问题。一般当进水测盐浓度小于0.1-0.5%时，使用经济性极差。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种能降低能耗、节约成本的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法。
为了达到以上目的，本发明采用的其中一种技术方案是：一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，包括以下步骤：
步骤1，原水中的清水在浓缩提取液1的正渗透作用下，穿过正渗透膜并与浓缩提取液1混合变为稀释提取液1，同时获得的浓水直接排出系统外；
步骤2，稀释提取液1经过电渗析过程，获得较高浓度的浓缩提取液1，回到正渗透工艺中，经过电渗析后所产生的稀释提取液2，进入后续反渗透工艺；
步骤3，稀释提取液2经过反渗透浓缩，所产生的浓缩提取液2回到电渗析，经过反渗透所得的净水排出系统外。
优选地，较高浓度的浓缩提取液1的浓度为5-50%；所述稀释提取液1的浓度为2-30%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液1的浓度大于稀释提取液1的浓度。
优选地，所述稀释提取液2的浓度为0.1-8%；所述浓缩提取液2的浓度为0.5-15%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液2的浓度大于稀释提取液2的浓度。
优选地，所述浓缩提取液1、稀释提取液1、浓缩提取液2、稀释提取液2中的提取液为在水中可电离的无机盐溶液。
优选地，所述无机盐包括但不限于NaCl、KCl，Na2SO4、MgSO4、CaCl2、MgCl2，NH4Cl、NH4NO3、(NH4)2SO4中的任意一种或几种。本申请主要从盐的成本、溶解度、溶解后所产生的渗透压，以及获取难以程度等几个方面，选择所使用无机盐的种类，基本上所有的在水中可电离的无机盐的溶液都起到提取液的作用，不同的盐类，则反渗透步骤中处理的盐浓度会有所不同，因为反渗透主要是考量盐溶解后所产生渗透压的高低。渗透压=常数×盐浓度/分子量×电离数，例如NaCl电离数位2，Na2SO4电离数为3.综合考虑盐的成本和单位重量贡献渗透压的大小，NaCl为最佳，其他盐类也有相似的特点。
优选地，所述步骤一、步骤二、步骤三的步骤分别至少重复一次。步骤一、步骤二、步骤三可以重复一次，也可以重复多次，反渗透浓缩几遍后，再给电渗析，然后电渗析也可以浓缩几次再出来。
本发明其中一种的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法的有益效果是：
1）将反渗透浓缩后的浓缩提取液2回到电渗析，作为电渗析的进水侧溶液，加大了电渗析进水侧的溶液浓度，无需额外的增加电压，解决了电渗析过程中，需要额外增加电压来保证进水侧的溶液中的少量离子继续往阳离子膜的另一侧迁移的问题，具有降低能耗、降低成本的效果。
2）充分发挥正渗透可以截盐截留有机物、低压运行耐污染的特点，直接面对复杂的原水，可以为高盐高有机物废水、有机难降解废水、有机物料等，使清水穿过正渗透膜，而原水中的溶质被截留，实现清水和溶质的分离。
3）在处理复杂工业废水的时候，特别是一些表面加工、清洗、含油废水的时候，避免其废水中含有的表面活性剂等物质对电渗析造成致命伤害；此外，当采用盐类物质作为提取液时，在较为经济的运行成本下（<20元/吨水），电渗析难以将产水中盐分降到较低的程度（<0.5%）。
4）利用反渗透产水水质好，但是浓缩上限低的特性，将电渗析处理过的淡水作为反渗透的进水，既节省了电渗析的能耗，又充分利用常规反渗透的适用范围，利用反渗透将电渗析淡水合理浓缩后，浓缩提取液2回到电渗析，而产水作为系统总产水排出系统外，具有水质高，盐含量低（<2000ppm）。本申请不将浓缩提取液2直接排出，反而回到电渗析系统，是因为常规卷式反渗透由于技术限制，直接出来的浓缩提取液2还不够浓，一般盐浓度仅在1-7%这个区间，直接排出系统外则整体水回用效率不够好，而这个区间刚好可以作为电渗析的进水，因此回到电渗析系统，可以进一步浓缩这股水，进而让浓缩提取液2变得更浓，达到15-20%以上，甚至50%的浓度，这样产生的浓缩提取液1具有更好的提取效果。
5）利用上述工艺，最大限度的提升电渗析和反渗透的寿命，运行成本控制在电渗析和反渗透的合理运行范围，使得综合运行成本最低。
6）可以处理电离型或非电离型溶质的原水，避免电渗析无法浓缩非电离型物质的缺点。
7）电渗析及反渗透系统可以为一级或多级处理，提高系统的灵活性。
为了达到以上目的，本发明采用的另一种技术方案是：一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，包括以下步骤：
步骤1，原水中的清水在浓缩提取液1的正渗透作用下，穿过正渗透膜并与浓缩提取液1混合变为稀释提取液1，同时获得的浓水直接排出系统外；
步骤2，稀释提取液1经过反渗透浓缩，所获得的浓缩提取液2到达电渗析，经过反渗透所得的净水排出系统外；
步骤3，浓缩提取液2经过电渗析过程，获得较高浓度的浓缩提取液1回到正渗透，经过电渗析后所产生的稀释提取液2回到反渗透。
本发明另一种的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法的有益效果是：
1）充分发挥正渗透可以截盐截留有机物、低压运行耐污染的特点，直接面对复杂的原水，可以为高盐高有机物废水、有机难降解废水、有机物料等，使清水穿过正渗透膜，而原水中的溶质被截留，实现清水和溶质的分离。
2）当经过正渗透获得的稀释提取液浓度较低时，可以直接进入反渗透进行初步浓缩后，再将反渗透浓缩后的浓缩提取液2进入电渗析，作为电渗析的进水侧溶液，加大了电渗析进水侧的溶液浓度，提高电流效率，解决了电渗析过程中，需要额外增加电压来保证进水侧的溶液中的少量离子继续往阳离子膜的另一侧迁移的问题，具有降低能耗、降低成本的效果。
3）在处理复杂工业废水的时候，特别是一些表面加工、清洗、含油废水的时候，避免其废水中含有的表面活性剂等物质对电渗析造成致命伤害；此外，当采用盐类物质作为提取液时，在较为经济的运行成本下（<20元/吨水），电渗析难以将产水中盐分降到较低的程度（<0.5%）。
4）利用反渗透产水水质好，但是浓缩上限低的特性，将电渗析处理过的淡水回到反渗透作为其中一部分的进水，既节省了电渗析的能耗，又充分利用常规反渗透的适用范围，利用反渗透将稀释提取液1和稀释提取液2合理浓缩后，浓缩提取液2作为电渗析进水，而反渗透产水作为系统总产水排出系统外，具有水质高，盐含量低（<2000ppm）。本申请不将浓缩提取液2直接排出，反而回到电渗析系统，是因为常规卷式反渗透由于技术限制，直接出来的浓缩提取液2还不够浓，一般盐浓度仅在1-7%这个区间，直接排出系统外则整体水回用效率不够好，而这个区间刚好可以作为电渗析的进水，因此回到电渗析系统，可以进一步浓缩这股水，进而让浓缩提取液2变得更浓，达到15-20%以上，甚至50%的浓度，这样产生的浓缩提取液1具有更好的提取效果。
5）利用上述工艺，最大限度的提升电渗析和反渗透的寿命，运行成本控制在电渗析和反渗透的合理运行范围，使得综合运行成本最低。
6）可以处理电离型或非电离型溶质的原水，避免电渗析无法浓缩非电离型物质的缺点。
7）电渗析及反渗透系统可以为一级或多级处理，提高系统的灵活性。
优选地，所述稀释提取液1的浓度为0.1-8%，所述浓缩提取液1的浓度为5-50%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液1的浓度大于稀释提取液1的浓度。
优选地，所述浓缩提取液2的浓度为0.5-15%，稀释提取液2的浓度为0.1-8%；在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液2的浓度大于稀释提取液2的浓度。
优选地，所述浓缩提取液1、稀释提取液1、浓缩提取液2、稀释提取液2中的提取液为在水中可电离的无机盐溶液。
优选地，所述无机盐包括但不限于NaCl、KCl，Na2SO4、MgSO4、CaCl2、MgCl2，NH4Cl、NH4NO3、(NH4)2SO4中的任意一种或几种。本申请主要从盐的成本、溶解度、溶解后所产生的渗透压，以及获取难以程度等几个方面，选择所使用无机盐的种类，基本上所有的在水中可电离的无机盐的溶液都可以起到提取液的作用，不同盐类的反渗透步骤中处理的盐浓度会有所不同，因为反渗透主要是考量盐溶解后所产生渗透压的高低。渗透压=常数×盐浓度/分子量×电离数，例如NaCl电离数位2，Na2SO4电离数为3.综合考虑盐的成本和单位重量贡献渗透压的大小，NaCl为最佳，NaCl成本较低、溶解度适中、同等浓度下可产生渗透压较大，可以作为优先选择的盐类，而其他盐类也有相似的特点。
优选地，所述步骤一、步骤二、步骤三的步骤分别至少重复一次。步骤一、步骤二、步骤三可以重复一次，也可以重复多次，反渗透浓缩几遍后，再给电渗析，然后电渗析也可以浓缩几次再出来。
附图说明
图1为实施例一第一种类型的流程框图；
图2为实施例一第二种类型的流程框图；
图3为实施例二第一种类型的流程框图；
图4为实施例二第二种类型的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一
参见附图1-2所示，一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法：
步骤1，原水中的清水在浓缩提取液1的正渗透作用下，穿过正渗透膜并与浓缩提取液1混合变为稀释提取液1，稀释提取液1的浓度为2-30%，并直接获得浓水排出系统外；
步骤2，稀释提取液1经过电渗析过程，获得较高浓度的浓缩提取液1，浓度为5-50%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液1的浓度大于稀释提取液1的浓度。提取液为在水中可电离的无机盐溶液，无机盐包括但不限于NaCl、KCl，Na2SO4、MgSO4、CaCl2、MgCl2，NH4Cl、NH4NO3、(NH4)2SO4中的任意一种或几种。以NaCl为例，回到正渗透工艺中，经过电渗析后所产生的淡水，即稀释提取液2，一般浓度为0.1-8%，进入后续反渗透工艺；
步骤3，稀释提取液2经过反渗透浓缩，所产生的浓缩提取液2回到电渗析系统，所得产水，即总产水排出系统外。浓缩提取液2的浓度为0.5-15%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液2的浓度大于稀释提取液2的浓度。
本实施例之所以采用这个步骤顺序（正渗透、电渗析、反渗透），是因为这个步骤的能耗应该是最低的，也可以调换电渗析和反渗透的顺序，该步骤能耗比较高，仅能获得较低浓度的提取液。这里主要是利用电渗析和反渗透脱盐过程中的各自最有效率，即反渗透适合把盐水浓缩到3-7%（淡水一般在0.01-0.1%）,而电渗析适合把盐水浓缩到15-20%，甚至50%的浓度（淡水一般在0.5-1%）。
以金属加工行业切削液为废水为例，金属加工行业切削液含有大量乳化油类、表面活性剂、重金属及盐类。其中COD约为20000ppm，TDS约为5000ppm，采用上述工艺，原水进入正渗透系统，浓缩提取液1为20%的NaCl溶液，经过正渗透作用，原水被浓缩5倍后排出系统外。稀释提取液1浓度为10%NaCl溶液进入电渗析系统，经过浓缩后变为20%NaCl溶液回到正渗透作为浓缩提取液1，产生的淡水为2%NaCl溶液及稀释提取液2进入反渗透系统。经过反渗透作用，浓缩液约为5%NaCl溶液回到电渗析系统，淡水约为200ppmNaCl溶液作为系统总产水排出系统外，水质较好，可以作为生产清洗水回用或达标外排。
钢铁或化工行业中炼焦产生的焦化废水，其中难降解COD浓度约为10000ppm，TDS约为10000ppm，采用上述工艺，原水进入正渗透系统，浓缩提取液1为15%的NaCl溶液，经过正渗透作用，原水被浓缩10倍后排出系统外。稀释提取液1浓度为5%NaCl溶液进入电渗析系统，经过浓缩后变为15%NaCl溶液回到正渗透作为浓缩提取液1，产生的淡水为1%NaCl溶液及稀释提取液2进入反渗透系统。经过反渗透作用，浓缩液约为5%NaCl溶液回到电渗析系统，淡水约为500ppmNaCl溶液作为系统总产水排出系统外，水质较好，可以作为生产清洗水回用或达标外排。
调料加工行业产生的洗蒜废水，其中难降解COD浓度约为20000ppm，TDS约为1000ppm，采用上述工艺，原水进入正渗透系统，浓缩提取液1为20%的NaCl溶液，经过正渗透作用，原水被浓缩15倍后排出系统外。稀释提取液1浓度为7%NaCl溶液进入电渗析系统，经过浓缩后变为20%NaCl溶液回到正渗透作为浓缩提取液1，产生的淡水为1%NaCl溶液及稀释提取液2进入反渗透系统。经过反渗透作用，浓缩液约为5%NaCl溶液回到电渗析系统，淡水约为30ppmNaCl溶液作为系统总产水排出系统外，水质较好，可以作为生产清洗水回用或达标外排。
此外，所述步骤一、步骤二、步骤三的步骤分别至少重复一次。
实施例二
如图3-4所示，另一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，包括以下步骤：
步骤1，原水中的清水在浓缩提取液1的正渗透作用下，穿过正渗透膜并与浓缩提取液1混合变为稀释提取液1，同时获得的浓水直接排出系统外；
步骤2，稀释提取液1经过反渗透浓缩，所获得的浓缩提取液2到达电渗析，经过反渗透所得的净水排出系统外；
步骤3，浓缩提取液2经过电渗析过程，获得较高浓度的浓缩提取液1回到正渗透，经过电渗析后所产生的稀释提取液2回到反渗透。
其中，所述稀释提取液1的浓度为0.1-8%，所述浓缩提取液1的浓度为5-50%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液1的浓度大于稀释提取液1的浓度。所述浓缩提取液2的浓度为0.5-15%，稀释提取液2的浓度为0.1-8%；在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液2的浓度大于稀释提取液2的浓度。
与实施例一相同的是，浓缩提取液1、稀释提取液1、浓缩提取液2、稀释提取液2中的提取液为在水中可电离的无机盐溶液，在水中可电离的无机盐溶液；无机盐包括但不限于NaCl、KCl，Na2SO4、MgSO4、CaCl2、MgCl2，NH4Cl、NH4NO3、(NH4)2SO4中的任意一种或几种。此外，所述步骤一、步骤二、步骤三的步骤分别至少重复一次。
以电镀行业表面清洗废水为例，其中污染物含有重金属、盐类，少量有机物。其中COD约为1000ppm，TDS约为5000ppm。采用上述工艺，原水进入正渗透系统，浓缩提取液1为20%的NaCl溶液，经过正渗透作用，原水被浓缩30倍后排出系统外。稀释提取液1浓度为2%NaCl溶液进入反渗透系统，得到净水约为200ppmNaCl溶液作为系统总产水排出系统外，水质较好，可以作为生产清洗水回用或达标外排。经过反渗透浓缩后的浓缩提取液2变为5%NaCl溶液，再进入电渗析，经过电渗析处理后得到浓缩提取液1的浓度达到20%，回到正渗透作为浓缩提取液1，电渗析产生的淡水，即2%NaCl溶液作为稀释提取液2再进入反渗透系统。
以铸件加工脱模废水为例，其中污染物含有重金属、盐类，大量有机物及少量表面活性剂。其中COD约为10000ppm，TDS约为2000ppm。采用上述工艺，原水进入正渗透系统，浓缩提取液1为40%的CaCl2溶液，经过正渗透作用，原水被浓缩20倍后排出系统外。稀释提取液1浓度为2% CaCl2溶液进入反渗透系统，得到净水约为100ppm CaCl2溶液作为系统总产水排出系统外，水质较好，可以作为生产清洗水回用或达标外排。经过反渗透浓缩后的浓缩提取液2变为8% CaCl2溶液，再进入电渗析，经过电渗析处理后得到浓缩提取液1的浓度达到40%，回到正渗透作为浓缩提取液1，电渗析产生的淡水，即2% CaCl2溶液作为稀释提取液2再进入反渗透系统。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，原水中的清水在浓缩提取液1的正渗透作用下，穿过正渗透膜并与浓缩提取液1混合变为稀释提取液1，同时获得的浓水直接排出系统外；
步骤2，稀释提取液1经过电渗析过程，获得较高浓度的浓缩提取液1，回到正渗透工艺中，经过电渗析后所产生的稀释提取液2，进入后续反渗透工艺；
步骤3，稀释提取液2经过反渗透浓缩，所产生的浓缩提取液2回到电渗析，经过反渗透所得的净水排出系统外。
2.根据权利要求1所述的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于：较高浓度的浓缩提取液1的浓度为5-50%；稀释提取液1的浓度为2-30%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液1的浓度大于稀释提取液1的浓度。
3.根据权利要求1所述的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于：所述稀释提取液2的浓度为0.1-8%，浓缩提取液2的浓度为0.5-15%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液2的浓度大于稀释提取液2的浓度。
4.一种渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，原水中的清水在浓缩提取液1的正渗透作用下，穿过正渗透膜并与浓缩提取液1混合变为稀释提取液1，同时获得的浓水直接排出系统外；
步骤2，稀释提取液1经过反渗透浓缩，所获得的浓缩提取液2到达电渗析，经过反渗透所得的净水排出系统外；
步骤3，浓缩提取液2经过电渗析过程，获得较高浓度的浓缩提取液1回到正渗透，经过电渗析后所产生的稀释提取液2回到反渗透。
5.根据权利要求4所述的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于：所述稀释提取液1的浓度为0.1-8%，所述浓缩提取液1的浓度为5-50%，在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液1的浓度大于稀释提取液1的浓度。
6.根据权利要求4所述的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于：所述浓缩提取液2的浓度为0.5-15%，稀释提取液2的浓度为0.1-8%；在采用同一盐成分组成的提取液时，浓缩提取液2的浓度大于稀释提取液2的浓度。
7.根据权利要求1或4所述的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于：所述浓缩提取液1、稀释提取液1、浓缩提取液2、稀释提取液2中的提取液为在水中可电离的无机盐溶液。
8.根据权利要求7所述的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于：所述无机盐为NaCl、KCl，Na2SO4、MgSO4、CaCl2、MgCl2，NH4Cl、NH4NO3、(NH4)2SO4中的任意一种或几种。
9.根据权利要求1或4所述的渗透膜渗析膜联用的水溶液浓缩方法，其特征在于：所述步骤一、步骤二、步骤三的步骤分别至少重复一次。
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