CN115555054A - 一种工业盐电再生离子交换树脂的系统 - Google Patents

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刘德庆
姜国策
朱学兵
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胡特立
董娟
尹萍
周娜
张彬彬
和会申
慕时荣
王占兵
王宏宾
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Abstract

本发明公开一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，包括溶解过滤槽、盐水箱、纳滤产水箱以及双极膜装置；溶解过滤槽出口与纳滤产水箱相连，纳滤产水箱与双极膜装置相连；双极膜装置包括阴极室、碱液室、盐水室、酸液室以及阳极室；盐水室为中间位置，盐水室一侧设置碱液室，碱液室的一侧设置阴极室，碱液室与阴极室之间设置有第一双极膜，阴极室内设置有阴极板；盐水室另一侧设置酸液室，酸液室另一侧设置阳极室，盐水室与酸液室之间设置有阴离子交换膜，阳极室内设置有阳极板。本发明集成了工业盐储存、下料计量、纳滤和双极膜技术，可以现场制备出低浓度的酸溶液和碱溶液，可以满足离子交换树脂的再生，减少生产成本和降低安全风险。

Description

一种工业盐电再生离子交换树脂的系统
技术领域
本发明属于水处理领域，具体涉及一种工业盐电再生离子交换树脂的系统。
背景技术
在火电厂除盐水工艺中，目前还存在较多的阴阳床、混床等离子交换工艺，需要采用工业酸碱再生，消耗了大量的酸碱。阴离子树脂再生时，将30％的工业碱(氢氧化钠溶液)配制成5％的稀溶液，输送至阴离子树脂再生罐内进行置换反应，再生后的废液外排处理；阳离子树脂再生时，将33％工业酸(盐酸溶液)稀释成4％的溶液，输送至阳离子树脂再生罐内进行置换反应，再生后的废液外排处理，因此，离子交换树脂再生的工业酸碱系统，需要有储存设备、计量、输送和稀释设备，设备较多，操作复杂。
另外，需要外购大量的工业酸碱，工业酸碱为危险化学品，运输之前还得去当地政府主管部门进行备案，管理复杂。在实际生产中，由于工业酸碱由于浓度高，腐蚀性强，存在维护费用高、人员操作风险较大的缺点。因此，为了克服现有火电厂工业酸碱系统缺点，采用一种非危险化学品药剂替代传统的工业酸碱，降低安全风险，减轻生产企业的负担，有着重要的经济价值。
近年来，由于膜技术的高质量发展，开出一种双极离子交换膜(简称双极膜)，并且已经成功商业应用。该双极膜比传统的离子交换膜对水解离要高2-3个数量级(在直流电压条件下)，且能耗较低，通过对工业盐阴阳离子的定向迁移和水解离的形成的氢氧根和氢离子，可以现场制备低浓度的工业酸碱溶液。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明的目在于提供一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，该系统利用工业盐现场制备低浓度的酸碱溶液，以满足离子交换树脂再生所需酸碱。根据现场需要可以制备浓度为3％-8％的酸碱溶液，可以替代工业酸碱，从而不需要外购工业酸碱，降低危险化学品风险。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，包括溶解过滤槽、盐水箱、纳滤产水箱以及双极膜装置；溶解过滤槽出口与纳滤产水箱入口相连，纳滤产水箱出口与双极膜装置相连；
双极膜装置包括阴极室、碱液室、盐水室、酸液室以及阳极室；其中，盐水室为中间位置，盐水室一侧设置碱液室，碱液室一侧设置阴极室，盐水室与碱液室之间设置有阳离子交换膜，碱液室与阴极室之间设置有第一双极膜，阴极室内设置有阴极板；盐水室另一侧设置酸液室，酸液室另一侧设置阳极室，盐水室与酸液室之间设置有阴离子交换膜，酸液室与阳极室之间设置有第二双极膜，阳极室内设置有阳极板。
进一步的，还包括工业盐干粉仓，工业盐干粉仓底部通过下料计量装置与溶解过滤槽顶部相连。
进一步的，下料计量装置运行时间通过以下公式计算：
T＝Ψ(V×P×1000)/q
式中，P-工业盐水需要配制的浓度；
V-工业盐水溶解槽有效容积；
q-工业盐下料计量装置出力
Ψ-调整系数；
T-下料计量装置运行时间。
进一步的，溶解过滤槽底部入口连接有风机。
进一步的，溶解过滤槽出口经盐水箱与纳滤产水箱入口相连。
进一步的，盐水箱的出口经反洗泵与解过滤槽底部入口相连。
进一步的，盐水箱与纳滤产水箱之间设置有高压泵、保安过滤器和纳滤装置。
进一步的，纳滤产水箱与双极膜装置之间设置有给水泵。
进一步的，第一双极膜与第二双极膜结构相同，第一双极膜包括阴层、阳层和催化层，阴层设置在催化层一侧，阳层设置在催化层另一侧；阴层用于带负电荷离子通过；阳层用于带正电荷离子通过，催化层用于催化水解离成氢离子和氢氧根离子。
进一步的，酸液室出口连接有酸液循环罐，在酸液循环罐的进口设置酸度仪，碱液室出口连接有碱液循环罐，在碱液循环罐的进口设置碱度仪。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明中通过设置双极膜装置，双极膜装置包括盐水室、酸碱室、碱液室、阴极室和阳极室，酸碱溶液分别采用离子交换膜隔离，保证了酸碱溶液的纯度；在直流电压的作用下，对水进行解离，产生了氢离子和氢氧根离子。氢离子与工业盐解离出来的阴离子结合形成酸，氢氧根离子与工业盐解离得到的阳离子结合形成碱，并在系统内不断循环富集，分别得到稀酸碱溶液，可以直接输送至离子交换器进行再生，大大简化了离子交换树脂再生的流程。本系统中无危险化学品，工业盐储存计量不会产生明显的化学危害。本发明的系统可以实现全自动运行，减少现场操作强度，降低运行成本。
进一步的，工业盐进行自动下料计量和溶解工艺，自动下料计量装置内置有防堵赛的刮刀装置，能消除工业盐的储存时形成的拱桥现象，并能控制工业盐水溶液质量浓度在10％-30％之内，并可以根据工艺需求自动调节工业盐水的浓度。
进一步的，通过设置纳滤装置，对工业盐采用纳滤处理，脱除工业盐中的二价杂质离子，对工业盐的纯度要求可以降低到90％-95％，价格更低，进一步提高工业盐水的纯度，并可以节约生产成本。
进一步的，盐水室、酸液室和碱液室能够采用循环进水方式，不断从工业盐水中分离钠离子和氯离子，与双极膜水解离的氢氧根离子和氢离子不断结合，分别在酸液室和碱液室聚集，形成一定浓度的酸碱液。
进一步的，酸液循环罐的进口设置酸度仪，碱液循环罐的进口设置碱度仪，能够实时测量酸液质量浓度和碱液质量浓度，并控制在3％-8％，能够现场制备低浓度酸碱溶液可以满足离子交换再生需求，不必外购高浓度工业酸碱，并且操作简单，安全风险低，腐蚀性较弱，有利于降低维护成本。
附图说明
图1为本发明的一种利用工业盐电再生离子交换树脂的系统示意图。
图2为双极膜装置内部结构示意图。
图中，1-工业盐干粉仓，2-下料计量装置，3-溶解过滤槽，4-风机，5-反洗泵，6-盐水箱，7-高压泵，8-保安过滤器，9-纳滤装置，10-纳滤产水箱，11-给水泵，12-双极膜装置，13-酸液循环罐，14-碱液循环罐，15-酸液循环泵，16-碱液循环泵，17-酸度仪，18-碱度仪，19-阴极板，20-阴极室，21-第一双极膜，22-碱液室，23-盐水室，24-酸液室，25-阳极板，26-阳极室，27-阴离子交换膜，28-阳离子交换膜，29-第二双极膜。
具体实施方式
下面结合附图对本系统作进一步详细描述。
参见图1，本发明所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，主要包括工业盐干粉仓1、下料计量装置2、溶解过滤槽3、风机4、反洗泵5、盐水箱6、高压泵7、保安过滤器8、纳滤装置9、纳滤产水箱10、给水泵11、双极膜装置12、酸液循环罐13、碱液循环罐14、酸液循环泵15、碱液循环泵16、酸度仪17、碱度仪18、阴极板19、阴极室20、双极膜21、碱液室22、盐水室23、酸液室24、阳极板25、阳极室26、阴离子交换膜27以及阳离子交换膜28。
其中，工业盐干粉仓1底部通过下料计量装置2与溶解过滤槽3顶部相连，溶解过滤槽3底部入口连接有风机4，溶解过滤槽3侧壁出口与盐水箱6相连，盐水箱6的第一出口溶盐水箱6的第一出口经高压泵7、保安过滤器8、纳滤装置9与纳滤产水箱10入口相连，盐水箱6的第二出口经反洗泵5与解过滤槽3底部入口相连，纳滤产水箱10出口经给水泵11与双极膜装置12相连。
具体的，参见图2，双极膜装置12包括阴极室20、碱液室22、盐水室23、酸液室24以及阳极室26；其中，盐水室23为中间位置，盐水室23一侧设置碱液室22，碱液室22一侧设置阴极室20，盐水室23与碱液室22之间设置有阳离子交换膜28，碱液室22与阴极室20之间设置有第一双极膜21，阴极室20一侧设置有阴极板19；盐水室23另一侧设置酸液室24，酸液室24另一侧设置阳极室26，盐水室23与酸液室24之间设置有阴离子交换膜27，酸液室24与阳极室26之间设置有第二双极膜29，阳极室26的一侧设置有阳极板25。
本发明中如上所述的工业盐电再生离子交换树脂系统的工作过程为：
工业盐干粉仓1，用于对固体工业盐进行储存。工业盐为粉末状，一般为槽罐车来运输，采用气力输送至干粉仓。粉末状工业盐通过下料计量装置2输送至溶解过滤槽3内，下料计量装置2内置有计量称重部件和刮刀部件，刮刀部件用于对工业盐进行卸料，计量称重部件用于进行计量和输出工作。在溶解过滤槽3内进行溶解并过滤，溶解过滤槽3底部装填有均粒石英砂滤料，对溶解后的盐水进行过滤，滤除较大的杂质，溶解时通过风机4进行溶解搅拌，反洗时通过风机4和反洗泵5共同完成。通过下料计量装置2，可以配制所需的浓度盐水。过滤后的盐水进入盐水箱6中，对盐水进行缓冲。盐水箱6的出水接高压泵7，盐水加压后进入保安过滤器8，对微小颗粒进一步过滤去除，然后进入纳滤装置9中，经保安过滤器8过滤去除微小颗粒，能够保护纳滤装置9。在纳滤装置9内，进行膜分离处理，对工业盐中二价杂质离子进行去除。纳滤装置9出水进入纳滤产水箱10。纳滤产水箱10的出水接给水泵11，给水泵11与双极膜装置12相连，工业盐水在双极膜装置12内在直流电流驱动下进行阴阳离子定向迁移。同时，双极膜装置12的双极膜产生的氢离子和氢氧根离子分别与工业盐水的阴阳离子结合，分别形成氢氧化钠溶液和盐酸溶液，盐酸溶液在酸液循环罐13和双极膜装置24内循环，盐酸进行富集。同样，氢氧化钠溶液在碱液循环罐14和双极膜装置22内循环，氢氧化钠进行富集。
下料计量装置2运行时间按如下公式计算：
Figure BDA0003896244520000061
P-工业盐水需要配制的浓度，如10％，代入0.1；
V工业盐水溶解槽有效容积，m3；
q工业盐下料计量装置出力，kg/h；
Ψ-调整系数，1.01-1.05；
T-下料计量装置运行时间，h；
溶解过滤槽3的有效容积V在系统设计完成后为定值，工业盐水需要配制的浓度P可以根据需要人为的设置，设置范围10％-30％，工业盐下料设备的额定出力q为定值，一般为1500kg/h-3000kg/h不等，可以变频调节。安全调整系统Ψ根据工业盐和设备情况设定，经验值。因此，只要在控制系统输入工业盐水需要配制的浓度P，下料计量装置2的运行时间T可以计算，下料计量装置2根据运行时间可以自动停止运行。
参见图2，工业盐进入盐水室23，在直流电流的驱动下，钠离子通过阳离子交换膜28往阴极侧迁移，迁移到碱液室22；氯离子通过阴离子交换膜27往阳极侧迁移，迁移到酸液室24；钠离子和氯离子分别在碱液室22和酸液室24富集。另外，在直流电压的驱动下，左侧的第一双极膜21对水进行解离，氢氧根离子进入到碱液室22，与迁移过来的钠离子形成碱液；同样，右侧的第二双极膜29对水进行解离，氢离子进入到酸液室24，与迁移过来的氯离子形成酸液。其中，双极膜装置12的盐水室23由纳滤产水箱10的工业盐水补充，当纳滤产水箱10内的工业盐水浓度降低到一定程度后，由前序的纳滤装置9补水。如此循环往复，直到碱液室22中氢氧化钠质量浓度达到3％-8％，盐液室24的盐酸质量浓度达到3％-8％为止。
采用干粉仓储存工业盐，干粉仓下设置下料计量设备，并进行溶解处理。根据溶解槽的容积配制10％-30％浓度的工业盐水，然后对工业盐水进行过滤，去除悬浮物，并用过滤后的清水进行反冲洗，清水流入工业盐水箱。反冲洗水进入到火电厂现有工业废水处理系统，由于工业盐纯度高，因此沉淀下来的污泥量少，可以单独处置或者与其他污泥协同处理。
过滤后的工业盐水利用高压泵输入保安过滤器，进一步去除细小悬浮物，然后进行纳滤处理，脱除工业盐中的二价杂质离子，再送至双极膜装置进行分离，在直流电压作用下，盐水中的钠离子通过阳离子交换膜进入到碱液室，氯离子通过阴离子交换膜进入酸液室。工业盐溶液中的水份在双极膜的作用下，解离出氢氧根离子和氢离子，氢氧根离子进入碱液室，与原先迁移过来的钠离子结合形成碱液，氢离子进入酸液室，与原先迁移过来的氯离子结合形成酸液。
碱液采用循环泵不断在碱液室内循环，当循环到固定浓度后，输送至阴离子交换树脂罐内进行再生，再生后的废碱液去火电厂现有的工业废水处理系统。
酸液采用循环泵不断在双极膜装置的酸液室内循环，当循环到一定浓度后，输送至阳离子交换树脂罐内进行再生，再生后的废碱液去火电厂现有的原工业废水处理系统。
本系统的核心设备之一为双极膜，第一双极膜21与第二双极膜29结构相同，第一双极膜21是一种独特结构的复合膜，在结构上，第一双极膜21由三部分构成：阴层、阳层和催化层，阴层带有正电荷的功能基团，允许带负电荷离子通过；阳层带有负电荷功能基团，允许带正电荷离子通过，中间是催化层，催化层能催化水解离成氢离子和氢氧根离子，在直流电场作用下，中间层产生的氢离子和氢氧根离子分别通过阳层和阴层，迁移到膜两侧的主体溶液中，与阴膜和阳膜结合使用，可以将盐转化为相应的酸和碱。酸和碱不断循环富集。
分别得到稀酸碱溶液，可以直接输送至离子交换器进行再生，大大简化了离子交换树脂再生的流程。
优选的，本系统通过设置工业盐干粉仓1与下料计量装置2，可以精准配制工业盐水的浓度。本系统集成了工业盐储存、下料计量及溶解工艺、纳滤工艺和双极膜工艺。工业盐储存、下料计量溶解工艺解决工业盐容易形成拱桥而下料计量不准确问题，而利用物理化学处理的纳滤，可以减少去除二价离子药剂的使用，及环保又经济，同时为双极膜制备酸碱提供了盐水溶液的纯度。而双极膜则解决了如何现场制酸碱，集成设计为一体化系统，可以根据现场需要经济环保制备低浓度的酸碱，而无需外购大量的工业酸碱。
酸液室24出口连接有酸液循环罐13，在酸液循环罐13的进口设置酸度仪17，碱液室24出口连接有碱液循环罐14，在碱液循环罐14的进口设置碱度仪18，能够实时测量酸液浓度和碱液浓度，控制酸液质量浓度和碱液质量浓度为3％-8％，可以满足离子交换再生需求。
优选的，本系统采用纳滤装置9脱除工业盐水中的二价杂质离子，可以使工业盐水的纯度达到98％以上。
优选的，本系统采用高压泵7、保安过滤器8、纳滤装置9直联模式，保安过滤器9采用中压装置，较传统的给水泵-保安过滤器-高压泵-纳滤装置，精简了系统。
优选的，双极膜装置12采用5室结构，中间为盐水室23，右侧为酸液室13和阳极室25，左侧为碱液室22和阴极室20，盐水室23两侧为阳离子交换膜28和阴离子交换膜27，对盐水的阴阳离子进行定向迁移。
优选的，阳极室26和阴极室20采用工业盐水进水，进水流量为盐水室23进水流量的1％，有利于阳极室26和阴极室20产生的气体排出，阳极室26和阴极室20的出水汇合后回流到工业盐溶解过滤槽3，进一步进行回收。

Claims (10)

1.一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，包括溶解过滤槽(3)、盐水箱(6)、纳滤产水箱(10)以及双极膜装置(12)；溶解过滤槽(3)出口与纳滤产水箱(10)入口相连，纳滤产水箱(10)出口与双极膜装置(12)相连；
双极膜装置(12)包括阴极室(20)、碱液室(22)、盐水室(23)、酸液室(24)以及阳极室(26)；其中，盐水室(23)为中间位置，盐水室(23)一侧设置碱液室(22)，碱液室(22)一侧设置阴极室(20)，盐水室(23)与碱液室(22)之间设置有阳离子交换膜(28)，碱液室(22)与阴极室(20)之间设置有第一双极膜(21)，阴极室(20)内设置有阴极板(19)；盐水室(23)另一侧设置酸液室(24)，酸液室(24)另一侧设置阳极室(26)，盐水室(23)与酸液室(24)之间设置有阴离子交换膜(27)，酸液室(24)与阳极室(26)之间设置有第二双极膜(29)，阳极室(26)内设置有阳极板(25)。
2.根据权利要求1所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，还包括工业盐干粉仓(1)，工业盐干粉仓(1)底部通过下料计量装置(2)与溶解过滤槽(3)顶部相连。
3.根据权利要求2所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，下料计量装置(2)运行时间通过以下公式计算：
T＝Ψ(V×P×1000)/q
式中，P-工业盐水需要配制的浓度；
V-工业盐水溶解槽有效容积；
q-工业盐下料计量装置出力
Ψ-调整系数；
T-下料计量装置运行时间。
4.根据权利要求1所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，溶解过滤槽(3)底部入口连接有风机(4)。
5.根据权利要求1所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，溶解过滤槽(3)出口经盐水箱(6)与纳滤产水箱(10)入口相连。
6.根据权利要求5所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，盐水箱(6)的出口经反洗泵(5)与解过滤槽(3)底部入口相连。
7.根据权利要求5所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，盐水箱(6)与纳滤产水箱(10)之间设置有高压泵(7)、保安过滤器(8)和纳滤装置(9)。
8.根据权利要求1所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，纳滤产水箱(10)与双极膜装置(12)之间设置有给水泵(11)。
9.根据权利要求1所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，第一双极膜(21)与第二双极膜(29)结构相同，第一双极膜(21)包括阴层、阳层和催化层，阴层设置在催化层一侧，阳层设置在催化层另一侧；阴层用于带负电荷离子通过；阳层用于带正电荷离子通过，催化层用于催化水解离成氢离子和氢氧根离子。
10.根据权利要求1所述的一种工业盐电再生离子交换树脂的系统，其特征在于，酸液室(24)出口连接有酸液循环罐(13)，在酸液循环罐(13)的进口设置酸度仪(17)，碱液室(24)出口连接有碱液循环罐(14)，在碱液循环罐(14)的进口设置碱度仪(18)。
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