CN201037122Y

CN201037122Y - 逆流式电除盐装置

Info

Publication number: CN201037122Y
Application number: CNU2007201539344U
Authority: CN
Inventors: 孟广祯
Original assignee: 孟广祯
Current assignee: Canpure Equipment International, Ltd.
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2017-05-21

Abstract

本实用新型涉及以直流电作为去离子驱动力的水纯化装置，具体公开一种逆流式电除盐装置。该装置的特点是淡水给水入口在电除盐装置的上端，淡水出水口在电除盐装置的下端，浓水入水口在电除盐装置的下端，浓水出水口在电除盐装置的上端，或者，淡水给水入口在电除盐装置的下端，淡水出水口在电除盐装置的上端，浓水入水口在电除盐装置的上端，浓水出水口在电除盐装置的下端。这使得大部分进入浓水的钙、镁离子和硅酸根、硅酸氢根等离子不再经过淡水出水端的极化区，从而大大减低了阴离子交换膜和阳离子交换膜在淡水出水端的极化区中的浓水侧的表面结垢的可能性，因而可以大大放宽淡水给水条件，使得电除盐装置的应用范围更加广泛。

Description

逆流式电除盐装置

技术领域

本实用新型涉及一种以直流电作为离子驱动力的溶液去离子装置，特别是一种以直流电作为去离子驱动力的水纯化装置。

背景技术

传统的流体脱盐主要方法是离子交换法。其中一级除盐主要通过阳离子交换床和阴离子交换床实现，而二级除盐一般通过混合离子交换床来实现。离子交换法存在的最大问题是离子交换树脂必须使用酸和碱再生，因此造成化学品的大量使用和环境污染；也造成了间断运行和运行参数波动。传统的一级除盐可以用反渗透法代替，而电除盐装置主要代替传统的混合离子交换床，生产二级脱盐纯化液或二级脱盐水或称超纯水。与混合离子交换床不同，电除盐装置不需要化学再生，因此不会因为化学再生而停机，不需要消耗酸和碱，脱盐液的纯度稳定、运行费用低、无污染物或污水排放。电除盐装置的重要用途之一是水的脱盐。

美国专利US2815320揭示了一种电除盐装置，如图4所示，将混合离子交换树脂10充填在阴离子交换膜20和阳离子交换膜30之间形成除盐单元。阴离子交换膜20只充许阴离子透过，不充许阳离子透过；而阳离子交换膜30只充许阳离子透过，不充许阴离子透过。电除盐装置中将一定数量的除盐单元罗列在一起，使阴离子交换膜20和阳离子交换膜30交替排列，并使用隔离物40将每个除盐单元隔开，相邻的阴离子交换膜20和阳离子交换膜30之间的隔离物40占据的空间形成浓水室3。除盐单元中阴离子交换膜20和阳离子交换膜30之间包括混合离子交换树脂10的空间为淡水室2。在一系列淡水室2和浓水室3相间罗列的阳离子交换膜一端设置负电极50，另一端设置正电极60。在给定的直流电推动下，淡水室2中的阳离子(例如H⁺、Na⁺)被负电极50(-)吸引，通过阳离子交换膜30进入到邻近的浓水室3中；而邻近的阴离子交换膜20不充许其通过，这些离子即被阻隔在浓水室3中。阴离子(例如Cl^-、HCO₃ ^-)则向相反的方向运动，同样的被阻隔在浓水室3中。正电极60与相近的阴离子交换膜20之间包括隔离物40的空间和负电极50与相近的阳离子交换膜30之间包括隔离物40的空间称为极水室1。淡水室2中充填的混合离子交换树脂10从给水中不断地吸附给水中的离子，而这些被吸附的离子又在正电极60和负电极50的电场作用下通过混合离子交换树脂10和阴离子交换膜20及阳离子交换膜30被转移到浓水室3中，因此这些紧密接触的混合离子交换树脂10大大增加了淡水室2内离子的运动速度，因而减小了淡水室2内的电阻。美国专利4465573揭示的浓水室3中的隔离物40可以是隔网，也可以是离子交换树脂。

电除盐装置的运行电流包括两部分，有效电流和过剩电流。有效电流指将给水中离子全部迁移到浓水室3中相对应的电流值，而过剩电流指水电离产生的氢离子和氢氧根离子迁移引起的电流值。有效电流值可以根据法拉利常数、水的流量和水中离子摩尔浓度计算。由于氢离子和氢氧根离子或多或少地参与离子迁移过程，因而当电除盐装置在有效电流或有效电流以下运行时，给水中的盐不会被全部清除，除盐水的纯度不能保证。另外在此条件下，水中的弱电介质(例如二氧化碳和二氧化硅)也较难被清除。因此，电除盐装置一般要求在有较大量的过剩电流的运行条件下工作。较大过剩电流的存在导致了氢离子和氢氧根离子的大量迁移，而氢离子和氢氧根离子的大量迁移导致了阳离子交换膜30的表面pH较低，阴离子交换膜20的表面pH较高。可以把膜表面pH较低和较高的现象称为电除盐装置中的极化现象，把膜表面pH较低和较高的区域成为电除盐装置的极化区。在淡水室2的入水端，给水中有较多的强电解质，导电离子主要是这些离子，极化现象不严重，膜表面的pH值趋于中性。在淡水室2的出水端，淡水中的强电解质已被清除殆尽，导电离子主要是氢离子、氢氧根离子和弱电解质，极化现象严重。因此电除盐极化区主要出现在淡水室2的出水端。

美国专利US4465573揭示的板框式电除盐装置，其中给水、浓水和极水均采用了下进上出的形式。中国专利ZL 02203533.8揭示的电除盐装置也采用了同样的布水形式。美国专利Re35741及相关专利揭示了一种上进下出的布水形式。这两种形式中给水相对于浓水和极水均呈现顺流方式。在顺流布水方式中，大部分离子包括钙和镁离子在淡水室2的入水端开始被迁移到浓水室3中，钙和镁离子逐渐被浓缩，同时在浓水室3中的这些离子有不断向阴离子交换膜20表面迁移的倾向。极化区中的钙和镁离子与阴离子交换膜20表面的氢氧根离子或碳酸根离子反应生成碳酸钙、氢氧化钙、碳酸镁、氢氧化镁等沉淀物。因为类似的原因，在淡水室2的出水端阳离子交换膜30表面的pH值则较低，极化区中的硅酸氢根和硅酸根离子与氢离子反应生成二氧化硅沉淀物。这些沉淀物生成的倾向随着给水硬度和硅含量的增加而增加，随过剩电流的增加而增加，随浓水流速的减小而增加，随浓水浓缩倍率的增加而增加。而结垢的区域也随过剩电流的增加而向入水端迁移。这些结垢问题使得电除盐的入水硬度和二氧化硅含量要求非常严格，浓水浓缩倍率受到限制，因而影响了这一技术的应用领域。

中国专利申请CN200510049156.x和中国专利ZL 200520100710.8揭示了一种错流式卷式电除盐装置，其中淡水水流和浓水水流流向近似垂直向的流动方式，这样的方式改变了之前技术中完全顺流的设计，但是该技术使得淡水出水端和浓水出水端在两个水流出口端相遇，仍然存在结垢威胁。

实用新型内容

本实用新型要解决现有的顺流式电除盐装置的阴离子交换膜和阳离子交换膜在淡水出水端的极化区中的浓水侧的表面容易结垢的技术问题，提供一种逆流式电除盐装置。

本实用新型的电除盐装置，包括一正电极、一负电极、至少一阴离子交换膜、至少一阳离子交换膜和充填在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的混合离子交换树脂，阴离子交换膜和阳离子交换膜位于正电极和负电极之间，阴离子交换膜邻近正电极并与正电极隔开一定距离，阳离子交换膜邻近负电极并与负电极隔开一定距离，淡水、浓水和极水在电除盐装置内流动，其特征在于，淡水给水入口在电除盐装置的上端，淡水出水口在电除盐装置的下端，浓水入水口在电除盐装置的下端，浓水出水口在电除盐装置的上端，或者，淡水给水入口在电除盐装置的下端，淡水出水口在电除盐装置的上端，浓水入水口在电除盐装置的上端，浓水出水口在电除盐装置的下端。

本实用新型的电除盐装置，由于淡水与浓水在电除盐装置内流向相反，使得大部分进入浓水的钙、镁离子和硅酸根、硅酸氢根等离子不再经过淡水出水端的极化区，从而大大减低了阴离子交换膜和阳离子交换膜在淡水出水端的极化区中的浓水侧的表面结垢的可能性，因而可以大大放宽淡水给水条件，使得电除盐装置的应用范围更加广泛。同时，由于淡水与浓水以逆流方式流动也减低了淡水出水端浓淡水之间的盐度差，因而可以有效地降低电除盐装置对过剩电流的要求，进一步降低结垢倾向和节省电力。

本实用新型的电除盐装置还具有下列技术特征：

浓水入水口与淡水出水口连通。

淡水给水入口在电除盐装置的上端，淡水出水口在电除盐装置的下端，极水入水口在电除盐装置的下端，极水出水口在电除盐装置的上端，或者，淡水给水入口在电除盐装置的下端，淡水出水口在电除盐装置的上端，极水入水口在电除盐装置的上端，极水出水口在电除盐装置的下端。

浓水和极水入水口与淡水出水口连通。

浓水和极水入水通过淡水出水在装置内部分配提供。

浓水和极水的出水在装置内部合并。

附图说明

图1是本实用新型第一种逆流式电除盐装置的示意图，同时表示出各水流流向及各种离子迁移的状况。

图2是本实用新型第二种逆流式电除盐装置的示意图，同时表示出各水流流向及各种离子迁移的状况。

图3是本实用新型第三种逆流式电除盐装置的示意图，同时表示出各水流流向及各种离子迁移的状况。

图4是现有的顺流式电除盐装置的示意图，同时表示出各水流流向及各种离子迁移的状况。

具体实施方式

图1至图3所示的本实用新型的逆流式电除盐装置的基本构造与图4所示的现有的顺流式电除盐装置的基本构造相同，相同的部分用相同的标号表示，且不再进行重复描述。

图1至图3所示的本实用新型的逆流式电除盐装置与图4所示的现有的顺流式电除盐装置的不同在于：

在图1所示的本实用新型第一种逆流式电除盐装置中，淡水给水入口设在逆流式电除盐装置的上端，淡水出口设在逆流式电除盐装置的下端，淡水自上而下流经淡水室2；浓水和极水入口设在电除盐装置下端，浓水和极水出口设在逆流式电除盐装置上端，浓水和极水由下而上分别流经浓水室3和极水室1。淡水给水由逆流式电除盐装置的上端进入淡水室2时，大部分离子包括钙镁离子在逆流式电除盐装置上端被迁移进入浓水室3，此处的大部分电流被用于给水中离子的迁移，参与离子迁移的氢离子和氢氧根离子较少，阴离子交换膜20和阳离子交换膜30表面的pH值接近中性，浓水室3侧的膜表面不易结垢。当淡水室2中的淡水继续下流至逆流式电除盐装置的下端时，淡水中参与迁移的离子主要是氢离子和氢氧根离子和碳酸根离子，膜表面的pH值较低或较高，但是此时浓水从逆流式电除盐装置的下端刚刚进入浓水室3，浓水中钙镁离子和硅酸氢根和硅酸根离子含量均较低，不易在浓水室侧膜表面结垢。浓水和极水在自下而上的流动中，在逆流式电除盐装置的下端进入浓水的氢离子和氢氧根离子发生反应中和成水，在浓水和极水流至装置上端时，浓水中钙镁离子和硅酸氢根和硅酸根离子含量开始增加，但上端膜表面的pH基本呈中性，不易结垢。

在图2所示的本实用新型第二种逆流式电除盐装置中，淡水给水入口设在逆流式电除盐装置的下端，淡水出口设在逆流式电除盐装置的上端，淡水在淡水室2中自下而上流动；浓水入口设在逆流式电除盐装置上端，浓水出口设在逆流式电除盐装置下端，浓水在浓水室3中由下而上流动；极水入口设在逆流式电除盐装置下端，极水出口设在逆流式电除盐装置上端，极水在极水室1中由下而上流动，以利于排除极水中由于电解产生的气体。

在图3所示的本实用新型第二种逆流式电除盐装置中，把淡水出水的一部分作为浓水和极水的入水，同时把浓水和极水的出水在装置内部合并，从而将逆流式电除盐装置出口简化。

也可以只将电除盐装置的浓水入水改为淡水出水。

对比例

如图4所示，本实施例作为对比，采用原有技术。装置如中国专利ZL02203533.8揭示的电除盐装置的基本结构，又如美国专利4465573揭示的在顺流电除盐装置浓水室充填离子交换树脂。顺流电除盐装置由四十对阴离子交换膜20和阳离子交换膜30组成，以顺流方式运行，即淡水给水、浓水入水和极水入水在顺流电除盐装置中全部为下端进上端出，给水电导率30uS/cm，硬度10mg/L(碳酸钙计)。由图4可以看到在入水端进入浓水室3中的钙离子等离子将不可避免地与在出水端进入浓水室3中的氢氧根离子等离子相遇，带来结垢威胁。顺流电除盐装置实际运行达到稳态后运行参数如下表。

电流(A)(±0.1)	2.0	3.0	4.0	5.0
电流(A)(±0.1)	2.0	3.0	4.0	5.0	电压(V)(±5)	62	74	82	92
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0.1)	7.3	12.6	15.3	18.0	电压(V)(±5)	62	74	82	92

将顺流电除盐装置以5A连续运行，运行46小时后淡水电阻率开始下降，继续运行12小时，浓水流量开始有明显降低。此时停止运行。将该顺流电除盐装置解剖，发现浓水室3中上部位有明显结垢现象。

实施例1

参见图1，将图4中的下端淡水给水和上端淡水出水改为图1中的上端淡水给水和下端淡水出水，其它运行参数不变，从而由现有的顺流电除盐装置变为本实用新型的逆流电除盐装置。图1所示的逆流电除盐装置实际运行达到稳态后运行参数如下表。

电流(A)(±0.1)	1.0	1.2	2.0	3.5
电流(A)(±0.1)	1.0	1.2	2.0	3.5	电压(V)(±5)	60	62	80	89
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0.1)	17.8	1 8.0	16.2	15.0	电压(V)(±5)	60	62	80	89

将该逆流电除盐装置以1.2A连续运行720小时，淡水电阻率、流量和浓水流量、压力均无明显变化。将该逆流电除盐装置解剖，发现浓水室3中上部位没有明显结垢现象。

实施例2

参见图2，将图4中的下端浓水入水和上端浓水出水改为图1中的上端浓水入水和下端浓水出水，其它运行参数不变。运行效果和参数匀与实施例1在误差范围之内相同。将该逆流电除盐装置以1.2A连续运行720小时，淡水电阻率、流量和浓水流量、压力均无明显变化。

实施例3

逆流电除盐装置如实施例1，但将浓水入水变更为淡水出水，其它运行参数不变。由于浓水入水是淡水出水，浓水在极化区的硬度等杂质浓度更低，因此可以进一步降低结垢威胁。逆流电除盐装置达到稳态后运行参数如下表。

电流(A)(±0.1)	1.5	2.0	2.5	3.0
电流(A)(±0.1)	1.5	2.0	2.5	3.0	电压(V)(±5)	90	107	120	146
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0.1)	16.5	17.8	18.1	16.5	电压(V)(±5)	90	107	120	146

将该逆流电除盐装置以2.5A连续运行720小时，淡水电阻率、流量和浓水流量、压力均无明显变化。

实施例4

逆流电除盐装置如图3所示，将极水入水也变更为淡水出水，将浓水和极水的进水通道在逆流电除盐装置内部合并，将浓水和极水的出水通道在装置内部合并，其它运行参数不变。运行效果和参数除相同电流下电压略有升高外均与实施例3在误差范围之内相同。该逆流电除盐装置以2.5A连续运行720小时，淡水电阻率、流量和浓水流量、压力均无明显变化。

实施例5

逆流电除盐装如实施例4，给水电导率45uS/cm，硬度30mg/L(碳酸钙计)，其它运行参数不变。装置达到稳态后运行参数如下表。

电流(A)(±0.1)	2.0	3.0	3.5	4.0
电流(A)(±0.1)	2.0	3.0	3.5	4.0	电压(V)(±5)	101	146	158	175
淡水电阻率(MΩ·cm)(±0.1)	13.8	15.3	17.5	18.1	电压(V)(±5)	101	146	158	175

将该逆流电除盐装以4.0A连续运行2000小时，淡水电阻率、流量和浓水流量、压力均无明显变化。

Claims

1.一种电除盐装置，包括一正电极、一负电极、至少一阴离子交换膜、至少一阳离子交换膜和充填在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的混合离子交换树脂，阴离子交换膜和阳离子交换膜位于正电极和负电极之间，阴离子交换膜邻近正电极并与正电极隔开一定距离，阳离子交换膜邻近负电极并与负电极隔开一定距离，淡水、浓水和极水在电除盐装置内流动，其特征在于，淡水给水入口在电除盐装置的上端，淡水出水口在电除盐装置的下端，浓水入水口在电除盐装置的下端，浓水出水口在电除盐装置的上端，或者，淡水给水入口在电除盐装置的下端，淡水出水口在电除盐装置的上端，浓水入水口在电除盐装置的上端，浓水出水口在电除盐装置的下端。

2.根据权利要求1所述的电除盐装置，其特征在于，浓水入水口与淡水出水口连通。

3.根据权利要求1所述的电除盐装置，其特征在于，淡水给水入口在电除盐装置的上端，淡水出水口在电除盐装置的下端，极水入水口在电除盐装置的下端，极水出水口在电除盐装置的上端，或者，淡水给水入口在电除盐装置的下端，淡水出水口在电除盐装置的上端，极水入水口在电除盐装置的上端，极水出水口在电除盐装置的下端。

4.根据权利要求3所述的电除盐装置，其特征在于，浓水和极水入水口与淡水出水口连通。

5.根据权利要求4所述的电除盐装置，其特征在于，浓水和极水入水通过淡水出水在装置内部分配提供。

6.根据权利要求5所述的电除盐装置，其特征在于，浓水和极水的出水在装置内部合并。