CN1273210C - 节省酸用量的电透析装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种节省酸用量的电透析装置及方法，其包含有一工作槽、至少一组离子交换膜、一阳极极室、一阴极极室、一阴极是设于所述阴极极室内与负电连接及一阳极是设于阳极极室内与正电连接，介于阴极极室与阳极极室间由离子交换膜区隔依序形成淡室及浓室，所述阳极极室是通过一输送管线与浓室连接，是将电透析装置通电操作时，阳极极室所产生的酸性极水回流至各浓室，以降低浓水的pH值，防止发生沉淀或结垢现象，节省额外添加的酸用量。
Description
技术领域
本发明是关于一种节省酸用量的电透析装置及方法，是将阳极的极室产生的酸性极水回流注入各浓室的入口端，借此降低浓水端的pH值，防止发生沉淀或结垢现象，节省额外添加的酸用量。
背景技术
特殊分离系统的技术着重于薄膜分离技术的开发与应用，薄膜分离应用具有一个共同的特性，就是所有的分离流程皆需在薄膜存在的状态下来完成，薄膜是两种物质间具有选择性的障碍，视分离物种的粒径而有适用的应用技术。
目前薄膜分离技术包括有利用电位差当成驱动力来进行分离的电透析分离技术，利用溶液浓度差进行分离的扩散透析与压力差进行分离的逆渗透、压力透析等技术，这些技术的原理均是利用薄膜透析设备在电位差、浓度差、压力差或温度差的驱动力驱使下，经由不同薄膜孔径大小与离子选择性，进行透析作用，而达成分离目的。
使用离子交换膜于透析的应用领域有：
1、扩散透析：其是应用于非铁电解液精制、金属盐类回收、铝阳极处理浴、钢铁酸洗浴、铝箔电解蚀刻金属表面安定化等；
2、压力透析：应用于铝阳极处理、金属盐类浓缩回收、有机物纯化及酸性废水回收等；
3、电透析：应用于食盐制造、放射性废液处理、电镀废液中回收有价金属、锅炉用水前处理、药品、食品脱盐及果汁去酸等。
在技术层次上扩散透析应用到离子交换膜的选择性及浓度差等两项因子，电透析则除了原有的质传与流力两项理论外，更增加了电化学的原理，使得电透析的技术应用上引用了相当多的经验式；加上特殊的离子交换膜与多重模块的开发，使得扩散透析与隔膜电解的应用也越来受到重视，设计分离系统、测试分离效率与个别技术的整合运用能力，可以针对各个不同的应用现况做最适当的设计与生产流程规划。
电透析(electrodialysis，ED)处理技术是利用不同特性的薄膜对水中的离子做一分离选择，水中离子的移动则是靠正负直流电来当吸引的驱动力，而倒极式电透析(electrodialysis reversal，EDR)是将电透析处理技术作进一步修正，乃利用直流电正负极和内部导流的切换来延长薄膜使用装置。
图1所示为一般电透析操作原理的示意图，电透析设备通电操作时，两端的电极表面上还有电化学反应发生，在阳极会反应产生氧气和H+，极水呈酸性；而在阴极产生氢气与OH-，极水呈碱性。靠近电极的隔室(极室)需要通入极水，极水可为原水或淡水，以便不断排出电透析过程在极室产生的电解反应产物，其中阴极室和阳极室的流出液中，分别含有碱或酸和气体。电透析用于脱盐原理则是利用阳离子只能穿透阳离子交换膜，而阴离子只穿透阴离子交换膜的特性，在外加直流电场的作用下，水中的阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，最后得到淡水及浓水，达到淡化除盐的目的。
电透析(ED)及倒极式电透析(EDR)的设计视处理需求及原水的水质而定，主要构成为膜组(membrane stacks)、薄膜(membrane)、电极(electrodes)及隔间(spacers)，于膜的二端设置阳极与阴极，在框的上缘、下缘开设溶液流通的通路孔，通路孔在透析槽装配、重叠时彼此形成液路，这些通路孔交替以细流路连通液室。进流经由此设计，分为淡水(dilute)与浓水(concentrate)经不同室离开，各室以阳离子和阴离子交换膜隔开，室间设间隔物，使液室保持一定间隙，并有助于液流的混合。
而随设备通电操作过程，在浓水区域因为浓缩的效果，常常会发生碳酸钙(CaCO3)或硫酸钙(CaSO4)沉淀造成堵塞，在一般操作控制常利用额外添加酸，以降低pH值，其主要缺陷在于：
利用额外添加酸的方法，对电透析装置应用于大量的废水回收、硬水软化、饮用水或地下水脱盐或海水淡化，无疑是笔额外的支出。
发明内容
本发明的目的是提供一种的节省酸用量的电透析装置及方法，是利用电透析设备通电操作时，阳极极室内反应产生氧气和H+使极水呈酸性，将阳极极水以接管方式导至浓水入口，可降低浓水的pH值，防止碳酸钙(CaCO3)或硫酸钙(CaSO4)沉淀造成堵塞，节省额外添加酸的用量。
本发明的目的是提供一种节省酸用量的电透析装置及电透析方法，达到降低成本及节省酸用量的目的。
本发明的另一目的是提供一种节省电透析装置酸用量的方法，通过将阳极极室产生的酸性极水直接或间接导至浓室的浓水中，通过电透析过程中，阳极产生氧气和氢离子使极水呈酸性，将此酸性阳极极水导至浓室的浓水中，借此降低浓水的pH值，避免浓室产生沉淀及/或结垢现象，达到节省额外添加酸的量的目的。
本发明的目的是这样实现的：一种节省酸用量的电透析装置，其包含有：一工作槽、至少一组离子交换膜、一阳极极室及一阴极极室；阴极是设于前述阴极极室内用以与负电连接；阳极是设于前述阳极极室内用以与正电连接，前述介于阴极极室与阳极极室间，由离子交换膜区隔依序形成淡室及浓室；其特征是：前述阳极极室是通过一输送管线与浓室连接，以将阳极极室产生的酸性极水导至浓室，用以降低浓室中浓水的pH值，避免浓室产生沉淀及/或结垢现象。
前述电透析装置是固定电极电性的电透析装置或正负极与内部导流可切换的倒极式电透析装置。前述至少一组离子交换膜是由相同数目的阴离子交换膜及阳离子交换膜于前述工作槽中间隔排列。
前述阴极极室是由阳离子交换膜与工作槽槽壁构成；前述阳极极室是由阴离子交换膜与工作槽槽壁构成，且前述阴极极室及阳极极室是分别位于工作槽的两端。前述阳极极室与浓室的连接方式是通过一输送管线将阳极极室的极水出口端与浓室的浓水注入口端相连接。前述浓室连接一组浓水输送管线进行浓水注入与输出。前述淡室连接一原水输送管线进行原水注入。前述淡室连接一淡水输送管线进行淡水输出。前述阴极极室连接一组阴极极水输送管线进行阴极极水的注入与输出。前述阳极极室连接一组阳极极水注入管线及输出管线进行阳极极水的注入与输出。
本发明的另提供一种节省电透析装置酸用量的方法，其特征是将阳极极室产生的酸性极水直接或间接导至浓室的浓水中，通过电透析过程中，阳极产生氧气和氢离子使极水呈酸性，将此酸性阳极极水导至浓室的浓水中，借此降低浓水的pH值，避免浓室产生沉淀及/或结垢现象，通过上述方法可节省额外添加酸的量。
利用本发明的节省酸用量的电透析装置及方法，仍可视情况进一步添加适量的酸，以增加其降低浓水pH值的效果，并不受限制。前述原水是可为废水、硬水、饮用水、地下水、半盐水或海水。前述极水是可为原水或淡水。
本发明再提供一种节省电透析装置酸用量的方法，是通过本发明的电透析装置达成。
本发明提供的节省酸用量的电透析装置及方法，是将阳极极室内反应生成酸性极水，以接管方式将阳极极水导至浓水注入各浓室的入口端，可降低浓水的pH值，防止碳酸钙(CaCO3)或硫酸钙(CaSO4)沉淀造成堵塞，节省额外添加酸的用量。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
附图说明
图1是一般电透析作用的原理示意图。
图2是本发明的节省酸用量的电透析装置示意图。
具体实施方式
参阅图2所示，本发明的节省酸用量的电透析装置1，其组成组件包含工作槽2、堆栈置于工作槽2中的阳离子交换膜3及阴离子交换膜4，其中堆栈的离子交换膜一侧的阳离子交换膜3与工作槽壁形成阴极极室5，堆栈的离子交换膜另一侧的阴离子交换膜4与工作槽壁形成阳极极室6，阴极极室5中具有一阴极7与负电相接，阳极极室6中具有一阳极8与正电相接，而介于阴极极室5与阳极极室6间，由离子交换膜区隔形成的区域则由工作槽2两侧向中央依序形成多数个淡室9及浓室10。
浓室10是连接一组浓水输送管线13进行浓水的注入与输出，淡室9是连接一原水输送管线11进行原水注入及一淡水输送管线12进行淡水输出。阴极极室5是利用一组阴极极水输送管线14进行阴极极水的注入与输出，而阳极极室6是连接一组阳极极水注入管线15及阳极极水输出管线16进行阳极极水的注入与输出。
阳极极室6与浓室10的浓水注入口是接管连接，借此利用此输送管线16将阳极极室6产生的酸性极水导至各浓室10的入口端，注入浓水中。
利用前述电透析装置1节省酸用量的方法，是将阳极极室6产生的酸性极水直接接管至浓室10的浓水注入口，当电透析装置1通电操作时，淡室9中原水的阳离子及阴离子分别通过阳离子交换膜3及阴离子交换膜4进入浓室10，阳极8则会产生氧气和氢离子使极水呈酸性，将此酸性阳极极水导至各浓室10入口端，分别注入浓水中，可降低浓水的酸碱值，避免沉淀及/或结垢现象产生，进而达到节省额外添加酸的用量。
前述原水可为废水、硬水、饮用水、地下水、半盐水或海水。前述极水可为原水或淡水。
以下实施例是用于进一步了解本发明的优点，并非用于限制本发明的保护范围。
实施例1
利用节省酸用量的电透析装置进行自来水去离子反应的方法。
本实施例1是使用本发明的节省酸用量的电透析装置，该电透析装置中的阴离子交换膜及阳离子交换膜共有二十对膜，并以自来水为原水进行电透析实验。当实验组通电操作时，于淡水室中定量注入300ml/min自来水，操作电压设定在20V，电流约0.1A。为进行原水、淡水及浓水的输送，浓室是连接一组浓水输送管线进行浓水的注入与输出，淡室是连接一原水输送管线进行原水注入及一淡水输送管线进行淡水输出。
阴极极室及阳极极室则利用一组阴极极水输送管线进行阴极极水的注入与输出，而与一组阳极极水注入管线及阳极极水输出管线进行阳极极水的注入与输出。浓水、阳极水、阴极水等皆循环操作。
为达到利用酸性的阳极极水降低浓水pH值的目的，本发明是抽取阳极水以50ml/min流量注入浓水，并且每半小时以自来水补充被抽取的阳极极水。实验结果如表一所示。
表一、实验组：本发明的节省酸用量的电透析装置通电操作时极水、浓水及淡水的pH值及导电度变化
| 时间(小时) | pH | 导电度(ms/cm) | ||||||
| 阳极极水 | 阴极极水 | 浓水 | 淡水 | 阳极极水 | 阴极极水 | 浓水 | 淡水 | |
| 0 | 7.38 | 8.15 | 7.98 | 7.64 | 0.342 | 0.373 | 0.460 | 0.348 |
| 1 | 6.56 | 9.40 | 8.18 | 6.40 | 0.304 | 0.365 | 1.143 | 0.061 |
| 2 | 6.41 | 9.78 | 8.44 | 6.11 | 0.294 | 0.337 | 1.397 | 0.056 |
| 3 | 6.36 | 10.16 | 8.53 | 6.15 | 0.272 | 0.307 | 1.434 | 0.057 |
| 4 | 6.41 | 10.68 | 8.39 | 5.99 | 0.264 | 0.350 | 1.417 | 0.060 |
由实验结果可看出浓水pH值已被控制于8.5以下。pH值的变化与原水的成分有关，但不论原水的成分如何，利用酸性的阳极极水可降低浓水的pH值，使结垢现象不易发生。
为比较阳极极水注入浓水对降低浓水pH值的效益，另一对照组的操作条件都与实验组相同，但是并不抽取阳极极水注入浓水中，观察阴极极水与阳极极水的pH值，其结果如表二所示。
表二、对照组：未抽取阳极极水注入浓水的电透析装置通电操作时极水、浓水及淡水的pH值及导电度变化
| 时间(小时) | pH | 导电度(ms/cm) | ||||||
| 阳极极水 | 阴极极水 | 浓水 | 淡水 | 阳极极水 | 阴极极水 | 浓水 | 淡水 | |
| 0 | 7.28 | 7.65 | 7.67 | 7.71 | 0.403 | 0.383 | 0.497 | 0.458 |
| 1 | 7.09 | 9.67 | 8.42 | 6.20 | 0.325 | 0.397 | 2.010 | 0.071 |
| 2 | 6.03 | 10.28 | 8.71 | 6.11 | 0.257 | 0.369 | 2.740 | 0.071 |
| 3 | 3.75 | 10.47 | 8.81 | 5.82 | 0.267 | 0.453 | 3.460 | 0.069 |
| 4 | 3.35 | 11.07 | 8.88 | 5.62 | 0.259 | 0.497 | 4.010 | 0.068 |
随着操作时间增加，阴极极水愈碱，而阳极极水愈酸，而浓水pH值也随着时间而增加。
综上所述，本发明的节省酸用量的电透析装置，是利用阳极极室产生的酸性极水接管至浓水输送管线，降低浓水pH值以防止结垢，除有利于电透析设备的维护与水回收率外，更重要的是可借此达到节省酸用量的目的，降低操作成本。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所作各种的更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1、一种节省酸用量的电透析装置，其包含有一工作槽、至少一组离子交换膜、一阳极极室、一阴极极室、一阴极是设于所述阴极极室内与负电连接及一阳极是设于所述阳极极室内与正电连接，所述介于阴极极室与阳极极室间由离子交换膜区隔依序形成淡室及浓室，其特征是：所述阳极极室是通过一输送管线与浓室连接，将阳极极室产生的酸性极水导至浓室，用以降低浓室中的pH值，避免浓室产生沉淀及/或结垢现象。
2、根据权利要求1所述的节省酸用量的电透析装置，其特征是：所述电透析装置是固定电极电性的电透析装置或正负极与内部导流可切换的倒极式电透析装置。
3、根据权利要求1所述的节省酸用量的电透析装置，其特征是：所述至少一组离子交换膜是由相同数目的阴离子交换膜及阳离子交换膜于前述工作槽中间隔排列。
4、根据权利要求1所述的节省酸用量的电透析装置，其特征是：所述阳极极室与浓室的连接方式是通过一输送管线将阳极极室的极水出口端与浓室的浓水注入口端相连接。
5、根据权利要求1所述的节省酸用量的电透析装置，其特征是：所述浓室连接一组浓水输送管线进行浓水注入与输出。
6、根据权利要求1所述的节省酸用量的电透析装置，其特征是：所述淡室连接一原水输送管线进行原水注入。
7、根据权利要求1所述的节省酸用量的电透析装置，其特征是：所述淡室连接一淡水输送管线进行淡水输出。
8、根据权利要求1所述的节省酸用量的电透析装置，其特征是：所述阴极极室连接一组阴极极水输送管线进行阴极极水的注入与输出。
9、根据权利要求1所述的节省酸用量的电透析装置，其特征是：所述阳极极室连接一组阳极极水注入管线及阳极极水输出管线进行阳极极水的注入与输出。
10、一种通过权利要求1所述的电透析装置实施的电透析方法，其特征是：将阳极极室产生的酸性极水直接或间接导至浓室的浓水中，通过电透析过程中，阳极产生氧气和氢离子使极水呈酸性，将此酸性阳极极水导至浓室的浓水中，借此降低浓水的pH值，避免浓室产生沉淀及/或结垢现象。
11、根据权利要求10所述的电透析方法，其特征是：它包括进一步于所述阳极极室与浓室连接的浓水输送管线和/或浓室添加适量的酸性溶液。
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