CN212309615U - 用于液流处理的离子交换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种离子交换系统，用于从待处理液流中提取或去除离子，包括至少一个离子交换单元，所述离子交换单元包括：依次排列的阴极、阳离子交换膜、阴离子交换膜和阳极；阴极室，位于所述阴极与所述阳离子交换膜之间，包括两个开口；离子交换室，位于所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜之间，包括两个开口，所述离子交换室包括至少一个阳离子交换区和至少一个阴离子交换区，分别填充有阳离子交换树脂和阴离子交换树脂；以及阳极室，位于所述阴离子交换膜与所述阳极之间，包括两个开口。

Description

用于液流处理的离子交换系统

技术领域

本实用新型涉及离子交换技术领域，主要涉及一种从液流中提取或去除离子的离子交换系统。

背景技术

离子交换是采用离子交换剂(最常见的是离子交换树脂)从液流中提取或去除液流中离子的方法之一。目前，离子交换已广泛应用于水的纯化与软化；海水、苦咸水淡化；溶液(如糖液)的精制和脱色；从矿物浸出液中提取铀和稀有金属；从发酵液中提取抗生素，以及从工业废水中回收贵金属等。

离子交换树脂是一类带有功能基团的、具有三维网状结构的高分子化合物，大部分以颗粒状存在，也有一些制成纤维状或粉状，不溶于水和一般溶剂。离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类，可分别与液流中的阳离子和阴离子进行离子交换。在离子交换过程中，液流中的阳离子(如Na⁺,Ca²⁺,K⁺,Mg²⁺,Fe³⁺等)与阳离子交换树脂上的H⁺进行交换，液流中的阳离子转移到树脂上，而树脂上的H⁺被交换到水中；液流中的阴离子(如Cl^-，HCO₃ ^-等)与阴离子交换树脂上的OH^-进行交换，水中的阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH^-交换到液流中，而H⁺与OH^-相结合生成水，达到从液流中提取或去除离子的目的。

离子交换法的优点之一是离子交换树脂可以再生后重复利用，通常的再生方法是酸碱化学再生法，使用酸液清洗阳离子交换树脂，使用碱液清洗阴离子交换树脂，采用顺流或逆流的方式。酸碱化学再生法存在着诸多缺陷，如再生用酸碱利用率低，废酸碱液排放污染环境，再生操作复杂，酸碱被作为危险化学品，要注意安全贮运，劳动条件也不好。已有研究者提出了离子交换树脂的电再生方法，但目前的电再生方法大多需要将离子交换树脂从离子交换系统导出至专门的再生系统中，停机时间长，操作较为复杂。

目前，仍然有需要开发一种用于液流处理的、具有简便的树脂再生功能的新型离子交换系统。

实用新型内容

本实用新型针对离子交换技术领域中，对于离子交换树脂再生操作简便的需求，设计了一种新型的用于液流处理的离子交换系统，可有效提取或去除待处理液流中的离子，且能不使用酸碱化学药剂实现离子交换树脂的原位再生，操作简便。

本实用新型实施例涉及一种离子交换系统，用于从待处理液流中提取或去除离子，其特征在于，所述系统包括至少一个离子交换单元，所述离子交换单元包括：依次排列的阴极、阳离子交换膜、阴离子交换膜和阳极；阴极室，位于所述阴极与所述阳离子交换膜之间，包括两个开口；离子交换室，位于所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜之间，包括两个开口，所述离子交换室包括至少一个阳离子交换区和至少一个阴离子交换区，分别填充有阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，所述阳离子交换区和所述阴离子交换区间隔排列，所述阳离子交换区和所述阴离子交换区的分界面与所述阳离子交换膜或所述阴离子交换膜大致上垂直；以及阳极室，位于所述阴离子交换膜与所述阳极之间，包括两个开口。

本实用新型实施例的离子交换系统具有液流处理和树脂再生两种运行工况：在液流处理工况下，待处理液流流经所述离子交换室中的阳离子树脂和阴离子树脂，得到去离子液流；在树脂再生工况下，对所述阴极和所述阳极施加电压形成直流电场，所述阴离子交换膜与阳离子交换树脂界面处的水解离生成H⁺与OH^-，H⁺在直流电场作用下迁移至所述阳离子交换区对所述阳离子交换树脂进行再生，OH^-在直流电场作用下迁移到所述阳极室，所述阳离子交换膜与阴离子交换树脂界面处的水解离生成H⁺与OH^-，H⁺在直流电场作用下迁移至所述阴离子交换区对所述阴离子交换树脂进行再生，OH^-在直流电场作用下迁移到所述阴极室，同时，将所述待处理流体流经所述阳极室和所述阴极室，得到树脂再生浓液。

在使用离子交换方法处理液流时，离子交换树脂的再生通常需要使用酸碱化学药剂，存在不安全性，而且需要将离子交换树脂从处理系统中导出至专门的再生系统进行再生，操作复杂。本实用新型的离子交换系统能够实现离子交换树脂的原位再生，且不使用酸碱化学药剂，是一种新型具有实用性的离子交换系统，可广泛应用于各种需要使用离子交换树脂进行离子交换的场合。

附图说明

附图以及下面的详细描述用于帮助理解本实用新型的特征和优点，其中：

图1示意性地显示了根据本实用新型一个实施例的离子交换单元100的液流处理工况示意图；

图2示意性地显示了根据本实用新型一个实施例的离子交换单元100的树脂再生工况示意图；

图3示意性地显示了根据本实用新型一个实施例的离子交换单元200的液流处理工况示意图；

图4示意性地显示了根据本实用新型一个实施例的离子交换单元200的树脂再生工况示意图；

图5示意性地显示了根据本实用新型一个实施例的串联的两个离子交换单元100的液流处理工况示意图；

图6示意性地显示了根据本实用新型一个实施例的串联的两个离子交换单元100的树脂再生工况示意图；

图7示意性地显示了根据本实用新型另一个实施例的串联的两个离子交换单元100的液流处理工况示意图；

图8示意性地显示了根据本实用新型另一个实施例的串联的两个离子交换单元100的树脂再生工况示意图。

具体实施方式

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。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能存在的情况。本申请中提及“一些实施例”等，表示所述与本实用新型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，可能或可能不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。

本申请提及的“提取或去除离子”是指从待处理液流中除去至少一部分离子，因目的不同存在不同的表述，提取是以回收液流中的离子为目的，去除是以得到去除离子的纯净液流为目的。在某些情况下，“去除离子”或“去离子”也被称之为“脱盐”或“脱除矿物质”。

本申请提及的“液流”包括各种呈液体状态的流体，例如：包含以离子状态存在的盐分(包括各种价态的阴离子和阳离子)的水溶液，或包含非水溶剂的液体。作为示例，本申请实施例的待处理液流包括自来水、海水、苦咸水、工业废水、糖液、矿物浸出液、发酵液中的一种或多种。

本申请提及的“第一级”“前一级”“后一级”是指在离子交换单元串联的体系中，每个离子交换单元为一级，液流处理工况下，按照待处理液流流经的方向，第一个流经的离子交换单元记为“第一级离子交换单元”，先流经的记为“前一级”，后流经的记为“后一级”。

图1和图2所示为根据本实用新型一个实施例的离子交换单元100的示意图。离子交换单元100包括依次排列的阴极101、阳离子交换膜103、阴离子交换膜104和阳极102。离子交换单元100还包括：阴极室111，离子交换室110和阳极室112，其中，阴极室111位于阴极101与阳离子交换膜103之间，包括两个开口；阳极室112位于阴离子交换膜104与阳极102之间，包括两个开口；离子交换室110位于阳离子交换膜103和阴离子交换膜104之间，包括两个开口，离子交换室110包括一个阳离子交换区113和一个阴离子交换区114，分别填充有阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的填充量可根据，例如待处理液流中阴阳离子的含量，进行调整。其中，阳离子交换区113和阴离子交换区114的分界面与阳离子交换膜103或阴离子交换膜104大致上垂直。此处，“大致上”是指不要求阳离子交换区113和阴离子交换区114的分界面与阳离子交换膜103或阴离子交换膜104所形成的夹角一定为90度，该夹角可以在一定范围内，例如80度至100度范围内。优选地，阴极101、阳离子交换膜103、阴离子交换膜104以及阳极102平行排列，阳离子交换区113和阴离子交换区114的分界面与上述平行的平面相垂直。

在本实用新型一些实施例中，阴极101可以采用金属板(例如铁板)或导电的石墨板，阳极102可以采用钌钛板或石墨板。

为使阳离子交换树脂和阴离子交换树脂分层填充在离子交换室110中，离子交换单元100还包括位于离子交换室内部的至少一个隔网，所述隔网允许液流及液流中的离子透过，用于固定离子交换树脂，和/或，分隔所述阳离子交换区和所述阳离子交换区。所述隔网可以选用孔径小于离子交换树脂颗粒尺寸的塑料网，也可以选用无纺布材料。当阳离子交换区113和阴离子交换区114中间以隔网分隔时，优选地，该分隔隔网大致上垂直于阳离子交换膜103或阴离子交换膜104。

按照以上描述，离子交换单元100的阴极室111，离子交换室110，和阳极室112各有两个开口，根据各种操作工况需要，这些开口中的一个或多个可以作为液流入口或出口，其中的两个或多个可以互相连通。

本实用新型实施例包含离子交换单元100的离子交换系统，具有液流处理和树脂再生两种工况。如图1所示，在液流处理工况下，待处理液流(箭头所示)依次流经离子交换室110中的阳离子交换区113和阴离子交换区114，得到去离子液流，在液流处理工况下，阴极101和阳极102未施加电压。如图2所示，在树脂再生工况下，对阴极101和阳极102施加电压形成直流电场，阴离子交换膜104与阳离子交换树脂界面处的水解离生成H⁺与OH^-，H⁺在直流电场作用下迁移至阳离子交换区113对其中的阳离子交换树脂进行再生，OH^-在直流电场作用下迁移到阳极室112，阳离子交换膜103与阴离子交换树脂界面处的水解离生成H⁺与OH^-，H⁺在直流电场作用下迁移至阴离子交换区114对其中的阴离子交换树脂进行再生，OH^-在直流电场作用下迁移到阴极室111，同时，待处理液流(箭头所示)流经阳极室112和阴极室111，汇合后得到树脂再生浓液。另外，在某些实施例中，树脂再生工况下，可向所述待处理液流中加入阻垢剂，然后再将所述待处理液流流经所述阳极室和所述阴极室。含有阻垢剂的待处理流体流经极室时，能够降低极室中的难溶性无机盐的含量，降低极室的结垢风险。本实用新型提到的阻垢剂包括所有能够起到分散液体中的难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐在基材表面的沉淀、结垢功能的药剂，例如包括各种有机、无机及聚合物阻垢剂。

在某些实施例中，离子交换单元100的阴极室111的一个开口与阳极室112的一个开口相连通。在这种情况下，再生工况时，待处理液流仅有一条流道，从阴极室111进入、阳极室112流出，或者从阳极室112进入、阴极室111流出。再生工况中，液流流经阳极室和阴极室的顺序在本申请中并不做限定，适用于本申请所有实施例。

如图1和图2所示的两种工况交替运行，可使用离子交换单元100长期处理待处理液流。

图3和图4所示为根据本实用新型另一个实施例的离子交换单元200的示意图。离子交换单元200包括依次排列的阴极201、阳离子交换膜203、阴离子交换膜204和阳极202，阴极室211，离子交换室210，阳极室212，其中，阳极室212和阴极室211可以相连通，也可以不连通。与离子交换单元100的不同之处在于，离子交换单元200的离子交换室中具有两个阳离子交换区213、215和两个阴离子交换区214、216，如图3、图4所示，阳离子交换区与阴离子交换区间隔排列。在本实用新型某些实施例中，离子交换单元可以包括两个以上的阳离子交换区与两个以上的阴离子交换区，多个阳离子交换区与阴离子交换区能够使液流去离子更加充分，通常地，阳离子交换区与阴离子交换区间隔排列，一般地，阳离子交换区与阴离子交换区成对出现。

图3和图4分别示意性显示了含离子交换单元200的离子交换系统的液流处理和树脂再生两种工况。如图3所示，在液流处理工况下，待处理液流(箭头所示)依次流经离子交换室210中的阳离子交换区213、阴离子交换区214、阳离子交换区215、阴离子交换区216，得到去离子液流；如图4所示，在树脂再生工况下，对阴极201和阳极202施加电压形成直流电场，阴离子交换膜104与阳离子交换树脂界面处的水解离生成H⁺与OH^-，H⁺在直流电场作用下迁移至阳离子交换区213、215对其中的阳离子交换树脂进行再生，OH^-在直流电场作用下迁移到阳极室212，阳离子交换膜203与阴离子交换树脂界面处的水解离生成H⁺与OH^-，H⁺在直流电场作用下迁移至阴离子交换区214对其中的阴离子交换树脂进行再生，OH^-在直流电场作用下迁移到阴极室211，同时，在阳极室212和阴极室211连通的情况下，待处理液流(箭头所示)依次流经阳极室212和阴极室211，得到树脂再生浓液。在某些实施例中，再生工况下，阳极室212和阴极室211互不连通，那么，可以将两股待处理液流分别通入阳极室212和阴极室211，两股流出液汇合后作为树脂再生浓液。

本实用新型实施例的离子交换系统还包括多个离子交换单元串联的情况。图5和图6示意性地显示了根据本实用新型一个实施例的含有串联的两个离子交换单元100的离子交换系统。如图5、图6所示，两个结构相同的离子交换单元100串联，串联的方式是：将第一级离子交换单元100的离子交换室110下开口与第二级离子交换单元100的离子交换室110上开口相连通，将第一级离子交换单元100的阳极室112下开口与第二级离子交换单元100的阳极室112上开口相连通，将第一级离子交换单元100的阴极室111下开口与第二级离子交换单元100的阴极室111上开口相连通。此处提及的“上开口”“下开口”仅是参照图示而言，并不代表实物系统的方位。

如图5所示，对于串联的两个离子交换单元100，在液流处理工况下，一股待处理液流(如箭头所示)依次流经第一级离子交换单元100的离子交换室和第二级离子交换单元100的离子交换室，得到去离子液流。

如图6所示，对于串联的两个离子交换单元100，在树脂再生工况下，如果第二级离子交换单元100的阳极室112和阴极室111相连通，则一股待处理液流(如箭头所示)依次流经第一级离子交换单元100的阳极室、第二级离子交换单元100的阳极室、第二级离子交换单元100的阴极室和第一级离子交换单元100的阴极室，得到树脂再生浓液。在另外一种实施例中，第二级离子交换单元100的阳极室112和阴极室111互不连通，则采用两股待处理液流分别流经两个阳极室和两个阴极室，再汇合后，成为树脂再生浓液。

图7和图8示意性地显示了根据本实用新型另一个实施例的含有串联的两个离子交换单元100的离子交换系统，在串联方式上不同于图5、图6所示的串联方式。在图7、图8中，将第一级离子交换单元100的离子交换室110下开口与第二级离子交换单元100的离子交换室110上开口相连通，将第一级离子交换单元100的阳极室112下开口与第二级离子交换单元100的阴极室111上开口相连通，将第一级离子交换单元100的阴极室111下开口与第二级离子交换单元100的阳极室112上开口相连通。此处提及的“上开口”“下开口”仅是参照图示而言，并不代表实物系统的方位。

如图7所示，对于串联的两个离子交换单元100，在液流处理工况下，一股待处理液流(如箭头所示)依次流经第一级离子交换单元100的离子交换室和第二级离子交换单元100的离子交换室，得到去离子液流。

如图8所示，对于串联的两个离子交换单元100，在树脂再生工况下，两股待处理液流(如箭头所示)分别流入第一级离子交换单元100的阳极室112和阴极室111，再分别从第二级离子交换单元100的阴极室111和阳极室112出口流出，这两股流出液可以混合后排放，也可以不混合。

本实用新型实施例的离子交换系统还可以包括三个、四个以至于更多个离子交换单元串联的情况，串联的连接方式以及运行方式可参考上文中对于图5至图8的描述。

本实用新型所提出的离子交换系统采用了阳离子交换树脂、阴离子交换树脂分别填充的方式，可以有效地去除待处理流体中的阴阳离子，更重要地是，本实用新型的离子交换系统采用原位电再生的方法使离子交换树脂进行再生，无需使用酸碱化学药剂，也无需将离子交换树脂导出，操作简便，是一种新颖高效的用于液流处理的离子交换系统。

实验示例

按照图1图2所示的离子交换单元100装配离子交换系统，其中阳离子树脂的体积约为200ml，阴离子交换树脂的体积约为400ml左右。采用离子交换单元100对自来水进行脱盐处理。刚开始阳离子树脂为强酸钠型，阴离子树脂为强碱氯型，所以需要再生为氢型和氢氧根型的才能脱盐。再生过程中，将电导率200uS/cm氯化钠溶液作为极室的入水开始再生，再生的时候保持电流在3A，直到再生出水的电导率约等于进水电导率停止再生。再生完成后开始脱盐，脱盐过程中，进水为电导率2000uS/cm的氯化钠溶液，流速为350ml/min，系统的产水电导率均小于10uS/cm，在保证产水电导率小于10uS/cm的情况下，可产水16L。

以上的水处理方法和系统仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种离子交换系统，用于从待处理液流中提取或去除离子，其特征在于，所述系统包括至少一个离子交换单元，所述离子交换单元包括：

依次排列的阴极、阳离子交换膜、阴离子交换膜和阳极；

阴极室，位于所述阴极与所述阳离子交换膜之间，包括两个开口；

离子交换室，位于所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜之间，包括两个开口，所述离子交换室包括至少一个阳离子交换区和至少一个阴离子交换区，分别填充有阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，所述阳离子交换区和所述阴离子交换区间隔排列，所述阳离子交换区和所述阴离子交换区的分界面与所述阳离子交换膜或所述阴离子交换膜大致上垂直；以及

阳极室，位于所述阴离子交换膜与所述阳极之间，包括两个开口；

所述离子交换系统具有液流处理和树脂再生两种运行工况。

2.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述离子交换单元还包括至少一个隔网，位于离子交换室内部，允许液流及液流中的离子透过，用于固定离子交换树脂或分隔所述阳离子交换区和所述阳离子交换区。

3.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述阴极、阳离子交换膜、阴离子交换膜和阳极平行排列。

4.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述离子交换单元中，所述阴极室的一个开口与所述阳极室的一个开口相连通。

5.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述离子交换系统包括两个或两个以上串联的所述离子交换单元，

前一级离子交换单元的离子交换室连接后一级离子交换单元的离子交换室，形成一条离子交换流道；

前一级离子交换单元的阴极室连接后一级离子交换单元的阴极室，前一级离子交换单元的阳极室连接后一级离子交换单元的阳极室，最后一级离子交换单元的阴极室与阳极室连通，形成一条极室流道；

在所述液流处理工况下，一股待处理液流流经每个离子交换单元的离子交换室，得到去离子液流，在树脂再生工况下，一股待处理液流流经每个离子交换单元的阳极室和阴极室，得到树脂再生浓液。

6.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述离子交换系统包括两个或两个以上串联的所述离子交换单元，

前一级离子交换单元的离子交换室连接后一级离子交换单元的离子交换室，形成一条离子交换流道；

前一级离子交换单元的阴极室连接后一级离子交换单元的阳极室，前一级离子交换单元的阳极室连接后一级离子交换单元的阴极室，形成两条极室流道；

在所述液流处理工况下，一股待处理液流流经每个离子交换单元的离子交换室，得到去离子液流，在树脂再生工况下，两股待处理液流分别由第一级离子交换单元的阳极室和阴极室进入，在最后一级离子交换单元的阳极室和阴极室出口，得到两股树脂再生浓液。

7.如权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述待处理液流包括自来水、海水、苦咸水、工业废水、糖液、矿物浸出液或发酵液。

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