CN212151723U

CN212151723U - 一种膜、分离装置及水处理设备

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Publication number: CN212151723U
Application number: CN202020326020.9U
Authority: CN
Inventors: 陈小平
Original assignee: Foshan Viomi Electrical Technology Co Ltd
Current assignee: Guangdong Lizi Technology Co Ltd
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2030-03-16

Abstract

一种双极膜、具有该双极膜的电去离子装置及水处理设备，双极膜由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成；每平方厘米阳离子交换膜中阳离子交换基团数量为N_阳，每平方厘米阴离子交换膜中阴离子交换基团数量为N_阴，N_阳：N_阴为1.05‑10。双极膜通过阳离子交换基团数量与阴离子交换基团数量之间的比值，提升双极膜的长期性能。具有该双极膜的电去离子装置及水处理设备的水处理总量高、使用寿命长，脱盐率能在长时间内保持稳定状态。

Description

一种膜、分离装置及水处理设备

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种双极膜、电去离子装置及水处理设备。

背景技术

目前，离子交换已广泛应用于水的纯化与软化、海水及苦咸水淡化、溶液(如糖液)的精制和脱色等。离子交换材料除了广泛使用的离子交换树脂球或粉末外，另一种重要形式是离子交换膜，是含有离子交换基团的、由高分子材料制成的薄膜。全部含有阳离子交换基团的被称为阳离子交换膜，全部含有阴离子交换基团的被称为阴离子交换膜。

在现有技术中，电解辅助离子交换膜堆脱盐率随处理水量逐渐衰减，尤其是当水中的钙镁浓度较高时，衰减速度更快，影响膜堆的使用寿命。

因此，针对现有技术不足，提供一种双极膜、电去离子装置及水处理设备以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的之一在于避免现有技术的不足之处而提供一种双极膜，在构成电去离子装置时能够提升膜堆的水处理总量和使用寿命，确保脱盐率在长时间内保持稳定的脱盐状态，延缓膜堆的衰减速度。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现。

提供一种双极膜，由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，每平方厘米阳离子交换膜中阳离子交换基团数量为N_阳，每平方厘米阴离子交换膜中阴离子交换基团数量为N_阴，N_阳：N_阴为1.05-10。

优选的，上述的双极膜，N_阳：N_阴为1.5-5。

优选的，上述的双极膜，N_阳：N_阴为2-4。

优选的，上述的双极膜，所述阴离子交换膜由一张或者由多张阴离子交换膜叠层构成。

优选的，上述的双极膜，所述阳离子交换膜由一张或者由多张阳离子交换膜叠层构成。

优选的，上述的双极膜，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜之间还设置有界面催化层。

本发明的目的之二在于避免现有技术的不足之处而提供一种双极膜电去离子装置，至少有一对电极对以及位于构成电极对的两个电极之间的至少一张上述的双极膜。每张双极膜由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，构成同一张双极膜的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间无流道。

优选的，电极为多孔电极。

优选的，多孔电极设置有多孔材料，多孔材料具有孔径在0.5至50纳米之间的多孔结构。

本发明的另一目的在于提供一种水处理设备，具有上述的双极膜电去离子装置。

本发明的双极膜，由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成；每平方厘米阳离子交换膜中阳离子交换基团数量为N_阳，每平方厘米阴离子交换膜中阴离子交换基团数量为N_阴，N_阳：N_阴为1.5-5。该双极膜通过阳离子交换基团数量与阴离子交换基团数量之间的比值，提升双极膜的长期性能。具有该双极膜的电去离子装置及水处理设备的水处理总量高、使用寿命长，脱盐率能在长时间内保持稳定状态。

说明书附图

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明实施例1的双极膜的示意图。

图2是本发明实施例1中的双极膜A长期脱盐性能实验结果。

图3是本发明实施例1中的双极膜B长期脱盐性能实验结果。

图4是本发明实施例1中的双极膜C长期脱盐性能实验结果。

图5是本发明实施例1中的双极膜D长期脱盐性能实验结果。

图6是本发明实施例2的双极膜的示意图。

图7是本发明实施例3的双极膜的示意图。

图8是本发明实施例4的双极膜电去离子装置脱盐状态的示意图。

图9是本发明实施例4的双极膜电去离子装置再生状态的示意图。

图10是本发明实施例5的双极膜电去离子装置脱盐状态的示意图。

在图1至图10中，包括：

双极膜300、阳离子交换膜310、阴离子交换膜320、

界面催化层400、

电极100、电极200；

在图10中，包括：

多孔电极100、

集电体130、多孔材料110、阴离子交换膜120、

多孔电极200、

集电体230、多孔材料210、阳离子交换膜220、

双极膜300、阳离子交换膜310、阴离子交换膜320。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步说明。

除非本申请中清楚地另行定义，所用到的科学和技术术语的含义为本申请所述技术领域的技术人员通常所理解的含义。本申请中使用的“包括”、“包含”、“具有”或“含有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以内。

在说明书和权利要求中，除非清楚地另行指出，所有项目的单复数不加以限制。本申请说明书及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的材料或实施例等。

除非上下文另外清楚地说明，术语“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。

本说明书中提及“一些实施例”等，表示所述与本发明相关的一种特定要素(例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或不可能出现于其它实施例中。另外，需要理解的是，所述发明要素可以以任何适当的方式结合。

本说明书提及的“去离子”即从待处理液体中除去离子，包括各种价态的阴离子和阳离子。在大部分情况下，“去离子”与“脱盐”具有同样的含义。在某些情况下，去离子也被称之为脱除矿物质。

实施例1。

如图1所示，一种双极膜300，由贴合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成，每平方厘米阳离子交换膜中阳离子交换基团数量为N_阳，每平方厘米阴离子交换膜中阴离子交换基团数量为N_阴，存在N_阳：N_阴为1.05-10。

其中，阴离子交换膜310可由至少一张或者由多张阴离子交换膜叠层构成。阳离子交换膜320可由至少一张或者由多张阳离子交换膜叠层构成。

在本实施例中阴离子交换膜为一张阴离子交换膜。阳离子交换膜310为一张阴离子交换膜。每张双极膜300由贴合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜构成，构成同一张双极膜的阳离子交换膜310和阴离子交换膜之间无流道。

本实施例中分别以双极膜A,双极膜B,双极膜C,双极膜D进行脱盐率的实验，其中，双极膜A由1张子阳离子交换膜和1张子阴离子交换膜热压贴合构成；双极膜B由2张子阳离子交换膜和2张子阴离子交换膜热压贴合构成；双极膜C由1张子阳离子交换膜和2张子阴离子交换膜热压贴合构成；双极膜D由2张子阳离子交换膜和1张子阴离子交换膜热压贴合构成；所有双极膜的膜面积都为0.2m²，所有子阳离子交换子、阴离子交换膜的厚度一致。实验步骤为：将4种双极膜分别安装进电去离子装置中，然后分别向双极膜A,B,C,D中以0.5L/min的流速通入750ppm NaCl溶液，NaCl溶液一次性流过，4种双极膜的脱盐率随时间变化情况如图2至5所示。本发明的方案为双极膜B与双极膜D。

双极膜长期性能实验结果：双极膜A的脱盐率在300分钟后从48％-52％衰减到38％-52％，在900分钟后衰减到26％-43％。双极膜B的脱盐率在1100分钟内维持在80％以上，在1200后缓慢衰减到70％-80％。双极膜C的脱盐率在400分钟后从70％以上衰减到65％-80％，在1200后缓慢衰减到40％-60％。双极膜D的脱盐率在1700分钟内一直维持在70％以上。由实验结果可知，本发明的方案的双极膜B与双极膜D的双极膜设计可以达到最好的长期脱盐效果，即处理单元中所有双极膜每平方厘米离子交换膜的离子交换基团总量越大，长期脱盐效果好；更进一步地，所有双极膜每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量大于每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量，长期脱盐效果最佳。

实验发现，当双极膜300的中阳离子交换膜310的离子交换基团数量越高，膜堆的长期性能越好；如果双极膜300的阴离子交换膜320、阳离子交换膜310的离子交换容量提高同样倍数，长期性能也变好，但是没有阳离子交换膜310>阴离子交换膜320的组成好；相反的，阳离子交换膜310<阴离子交换膜320的情况长期性能并未得到提升。所以说明双极膜300的阳离子交换膜310离子交换基团数量比阴离子交换膜320高是关键因素。

通常的双极膜在电解辅助离子交换应用中，为保持出水pH在中性，会尽量控制阴阳离子交换数量相当。但在本例的实验中发现，尽管阳离子交换膜离子交换数量远大于阴离子交换膜，产水pH仍然可控在中性范围。

本发明的双极膜，通过控制阳离子交换基团数量与阴离子交换基团数量之间的比值为1.5-5，提升双极膜的长期性能，在构成双极膜电去离子装置时能够提升膜堆的水处理总量和使用寿命，确保脱盐率在长时间内保持稳定的脱盐状态，延缓膜堆的衰减速度。

实施例2。

一种双极膜，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：如图6所示，阳离子交换膜310和阴离子交换膜320之间还设置有界面催化层400。

界面催化层400作为催化层设置于阳离子交换膜310和阴离子交换膜320之间。催化层在通电的作用下，阴、阳离子交换膜复合层间的H₂O解离成H+和OH-并分别通过阴离子交换膜320、阳离子交换膜310，作为H+和OH-离子源。

通过设置有界面催化层能够提升双极膜中的阳离子交换膜和阴离子交换膜的使用寿命以及离子交换效率。

实施例3。

一种双极膜，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：N_阳：N_阴为1.5-5。如图7所示，该双极膜的阴离子交换膜320由1张阴离子交换膜构成，阳离子交换膜310由2张阳离子交换膜构成。每张双极膜中设置有两张阳离子交换膜，能够进一步提升脱盐率。

通常的双极膜300在电解辅助离子交换应用中，为保持出水pH在中性，会尽量控制阴阳离子交换基团数量相当。但采用本实施例的双极膜，实验发现，尽管阳离子交换膜310中阳离子交换基团数量远大于阴离子交换膜，产水pH仍然可控在中性范围，双极膜300的长期性能优良，膜堆的脱盐率在1700分钟内一直维持在70％以上。由此可见，本发明所述双极膜特征可以达到最好的长期脱盐效果。

实验发现，当N_阳：N_阴为2-4，特别是2-3.5时，由此双极膜构成的双极膜电去离子装置的长期脱盐性能更稳定。

实施例4。

一种双极膜电去离子装置，具有如实施例1至3中的任意一例所述的双极膜。

如图1、图2所示，该双极膜电去离子装置设置有电极100、电极200以及位于电极100、电极200之间的两张双极膜300，每张双极膜300由复合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成。

本实施例中，电极为常规的金属电极如钌钇电极、碳电极、石墨电极等，双极膜为市售的双极膜。

双极膜电去离子装置的脱盐过程如图8所示。当脱盐进行一段时间后，需要进行倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中的离子，如图9所示。

本发明双极膜电去离子装置，所使用的双极膜中的阳离子交换基团数量与阴离子交换基团数量之间的比值为1.5-5，双极膜的长期性能良好。双极膜电去离子装置的水处理总量高、使用寿命长，确保脱盐率在长时间内保持稳定的脱盐状态，延缓膜堆的衰减速度，提高了脱盐性能，延长了膜堆的使用寿命。

实施例5。

本发明中的电去离子装置，至少一对电极组包括一个多孔电极以及一张以上的双极膜。一对电极组可以由两个多孔电极构成。一对电极组可以是由一个多孔电极和一个普通电极构成。普通电极如金属电极、具有钌钇涂层的钛电极、钌钇电极、碳电极、石墨电极等。

其中，多孔电极可由多孔材料构成，或者由多孔材料和集电体层叠构成，或者由集电体、多孔材料和离子交换膜依次层叠形成。离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜，当含有离子交换膜的时，多孔电极中的离子交换膜靠近双极膜。多孔电极中的阳离子交换膜或者阴离子交换膜可以根据实际需要灵活选择。

多孔材料可以是具有大比表面的任意导电材料，比如，比表面大于100m²/g的导电材料。在一些实施例中，多孔材料为疏水的导电材料。多孔材料具有孔径在0.5至50纳米之间的多孔结构。多孔材料可为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、碳气凝胶、金属粉末(如镍)、金属氧化物(如氧化钌)和导电聚合物中的一种或多种制备而成的导电体。在某一实施例中，所述多孔材料是由活性炭制成的厚度在100至5000微米范围内的片状或板状结构，优选厚度在200至2,500微米范围内，另外，所述活性炭片状结构的孔径介于0.5至20纳米之间，优选介于1至10纳米之间。

采用多孔电极能够减轻双极膜电去离子装置的结垢风险。由于离子交换膜中含有或者吸附有离子带电单位，因此，当多孔电极处离子的量不足以完成解吸附过程时，通过在离子交换膜中的离子被释放出来以帮助完成解吸附过程，使电极上的过量电荷得到缓冲。这样，电化学去离子装置的结垢风险会大大降低。

集电体用于与导线或电源相连接，也称作“集流体”。集电体由选自金属、金属合金、石墨、石墨烯、碳纳米管和导电塑料中的一种或多种材料形成。集电体可以是板、网、箔或片等任何合适的形式。在一些实施例中，集电体可以是金属或金属合金制成，合适的金属包括钛、铂、铱或铑等，优选地包括钛，而合适的金属合金可以是不锈钢等。在另一些实施例中，集电体可以由导电碳材料制成，例如石墨、石墨烯、碳纳米管等。在另一些实施例中，集电体是由导电塑料材料，例如聚烯烃(如，聚乙烯)制成的，且其中可混合导电的炭黑或金属颗粒等。在一些实施例中，集电体为片状或板状结构，厚度可以在50微米至5毫米的范围内。在一些实施例中，集电体和多孔电极具有大致相同的形状和/或尺寸。

需要说明的是，当多孔材料的多孔性和导电性足够时，多孔材料本身可以起到集电体的作用时，也可不设置集电体。

本实施例的双极膜电去离子装置，可由多个电极组构成，当包括多个电极组时，电极组之间可以通过串联或者并联或者同时具有串联和并联的混联方式进行流道连接。需要说明的是，本说明书提及的“串联”和“并联”是指考虑到流道液流产出液的流向而决定的。例如，若两个电极组串联，则从前一个电极组流道的产出液进入后一个电极组的流道。又例如，若两个电极组并联，则是指这两个电极组的流道接收同一股进液。串联的电极组用于进一步除去液体中的离子，而并联的电极组组用于增大装置的处理量。

下面以附图5的双极膜电去离子装置为例，对本发明的技术方案进行说明。

该双极膜电去离子装置，含有，

由一对多孔电极100、200构成的电极对；

设置于电极对之间的两张双极膜300，每个双极膜300由贴合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成，两张双极膜300之间的排列方式相同。

本实施例中，多孔电极100由集电体130和多孔材料110层叠形成，多孔电极100为阴膜电极。多孔电极200由集电体230和多孔材料210依次层叠形成，多孔电极200为阳膜电极。

本实施例中，多孔电极100、200电极之间的双极膜300为两个，两个双极膜300的排列方向相同，排列方向相同指每张双极膜300的阳离子交换膜310的朝向相同，当然对应的每张双极膜300的阴离子交换膜320的朝向也必然相同。需要说明的是，双极膜300的数量不限于本实施例中的两个，可以根据实际需要灵活设置，一般电极对之间的双极膜300为1-50个，甚至更多。

双极膜电去离子装置的脱盐过程，如图10所示。当脱盐进行一段时间后，需要进行倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中离子。

本实施例的双极膜电去离子装置，多孔材料直接接触到流道，多孔电极间的双极膜按照相同的方式设置。本实施例的方式下，能实现脱盐和再生。在脱盐状况下，多孔材料会吸附原水中的阴离子和阳离子，没有选择性，吸附效率约50％。在再生状况下，多孔材料中的阴离子和阳离子会脱附到流道中去实现再生。本发明的双极膜电去离子装置，水路结构简单，能够避免现有技术中极水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。

此外，实验发现，采用多孔电极不仅解决了金属电极生成气体的问题，而且可以实现极室流道单独出水的设计。而且采用多孔电极较普通电极，采用多孔电极的电去离子装置整体脱盐效率可以提高10％以上。这是因为多孔电极可以吸附原水的离子，这种吸附效率比双极膜片的离子交换效率要高。

实施例6。

一种水处理设备，具有如实施例1至3中任意一例的双极膜。该电去离子装置可用于工业或者家用水处理。本文提及的工业用水处理设备的用途的示例包括但不限于工业污水处理、市政污水处理、海水淡化、盐水处理、河湖水处理、乳酪乳清脱矿物质等。工业用水处理设备包括，除了本发明实施例的双极膜电去离子装置以外，其还可包括例如絮凝和/或混凝单元、高级氧化单元、吸附单元、电解单元、膜分离单元(包括微滤、超滤、纳滤和反渗透中的一种或多种)中的一种或多种。

本发明实施例的水处理设备，除了电去离子装置以外，一般还包括例如超滤、纳滤、活性炭吸附单元、紫外杀菌单元中的一种或多种。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种双极膜，其特征在于：由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，每平方厘米阳离子交换膜中阳离子交换基团数量为N_阳，每平方厘米阴离子交换膜中阴离子交换基团数量为N_阴，N_阳：N_阴为1.05-10。

2.根据权利要求1所述的双极膜，其特征在于：N_阳：N_阴为1.5-5。

3.根据权利要求2所述的双极膜，其特征在于：N_阳：N_阴为2-4。

4.根据权利要求1所述的双极膜，其特征在于：所述阴离子交换膜由一张或者由多张阴离子交换膜叠层构成。

5.根据权利要求1所述的双极膜，其特征在于：所述阳离子交换膜由一张或者由多张阳离子交换膜叠层构成。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的双极膜，其特征在于：所述阳离子交换膜和阴离子交换膜之间还设置有界面催化层。

7.一种双极膜电去离子装置，其特征在于：至少有一对电极对以及位于构成电极对的两个电极之间的至少一张如权利要求1-6中任一项所述的双极膜。

8.根据权利要求7所述的双极膜电去离子装置，其特征在于：所述电极为多孔电极。

9.根据权利要求8所述的双极膜电去离子装置，其特征在于：所述多孔电极设置有多孔材料。

10.一种水处理设备，其特征在于：具有如权利要求7-9中任一项所述的双极膜电去离子装置。