CN212356664U

CN212356664U - 防止阴极板结垢的电渗析反应器

Info

Publication number: CN212356664U
Application number: CN202021846738.7U
Authority: CN
Inventors: 冯向东; 秦刚华; 童小忠; 徐浩然; 张贺; 陈彪; 高强生
Original assignee: Zhejiang Energy Group Research Institute Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Energy Group Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2030-08-28

Abstract

本实用新型涉及防止阴极板结垢的电渗析反应器，包括电渗析反应器、淡水箱、浓水箱和极水箱；电渗析反应器依次由阳极板、膜堆和阴极板组装而成；膜堆排列方式依次为A2‑(C‑A)_n‑C‑A2，淡水通道与浓水通道间隔排列；其中：A2指代单价选择性阴离子交换膜，C指代选择性阳离子交换膜，A指代选择性阴离子交换膜；浓水箱、浓水泵、浓水过滤器和膜堆浓水通道依次连接组成浓水循环通路；淡水箱、淡水泵、淡水过滤器和膜堆淡水通道依次连接组成淡水循环通路。本实用新型的有益效果是：利用防止阴极板结垢的电渗析反应器处理含盐废水，能够大幅降低极水中二价阳离子(主要是钙离子和镁离子)和二价阴离子(主要是硫酸根离子)的浓度，从而降低阴极板结垢倾向。

Description

防止阴极板结垢的电渗析反应器

技术领域

本实用新型属于环保水处理技术领域，具体涉及一种能够防止阴极板结垢的电渗析反应器。

背景技术

随着当代社会经济的快速发展，工业生产水平飞速提高，水污染问题也日益严重。近年来，随着《节约能源法》、《环境保护法》等法规相继颁布实施，国家对企业的用水量、排水量和排水水质的要求日益严格，使得减少废水排放量、实现废水资源化利用已成为水处理领域的重要课题。

电渗析是一种在电场作用下利用离子交换膜的选择透过性来分离不同溶质粒子的方法。淡水室的阳离子和阴离子穿过选择性膜后于浓水室内富集，从而得到低离子浓度的可回用淡水和高离子浓度的浓水，实现废水的浓缩减量。电渗析技术具有高效、清洁、节能、低成本等优点，被广泛地用于化工冶金、轻工、造纸、医药工业等行业。

将电渗析用于废水浓缩过程中，电渗析装置阴极处会不可避免地产生大量OH^-，若极水通道含有钙离子和镁离子，则容易形成CaCO₃、Mg(OH)₂、Ca(OH)₂等沉淀。此外，若极水中硫酸根离子浓度较高，也可能形成难处理的CaSO₄沉淀。这些极水通道中产生的沉淀会附着于阴极板形成阴极板结垢，引起电极腐蚀、电极电阻增大、电极表面结构破坏，从而降低系统的脱盐效率，并增大整体能耗。因此，有必要开发一种新型电渗析反应器，能够避免钙离子、镁离子和硫酸根离子在极水通道的大量富集，从而降低阴极板表面二价离子的结垢倾向，保证废水浓缩过程中电渗析系统的长期可靠运行。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有电渗析技术中阴极板在输电过程中容易结垢的问题，提供一种防止阴极结垢的电渗析反应器。

这种防止阴极板结垢的电渗析反应器，包括电渗析反应器、淡水箱、浓水箱和极水箱；电渗析反应器依次由阳极板、膜堆和阴极板组装而成；膜堆排列方式依次为A2-(C-A)_n-C-A2，其中：n为1-2000的自然数，形成n+1个淡水通道、n+1个浓水通道及2个极水通道，淡水通道与浓水通道间隔排列；其中：A2指代单价选择性阴离子交换膜，C指代选择性阳离子交换膜，A指代选择性阴离子交换膜；浓水箱、浓水泵、浓水过滤器和膜堆浓水通道依次连接组成浓水循环通路；淡水箱、淡水泵、淡水过滤器和膜堆淡水通道依次连接组成淡水循环通路；极水箱、极水泵、极水过滤器、膜堆极水通道依次连接组成极水循环通路。

作为优选：C指代的选择性阳离子交换膜为普通选择性阳离子交换膜、单价选择性阳离子交换膜或其他类型的阳离子交换膜中的一种。

作为优选：A指代的选择性阴离子交换膜为普通选择性阴离子交换膜、单价选择性阴离子交换膜或其他类型的阴离子交换膜中的一种。

作为优选：每个膜的两侧均设置有支撑隔板，隔板上端和下端分别设有水流孔和连通孔。

本实用新型的有益效果是：

1、利用本实用新型中的防止阴极板结垢的电渗析反应器处理含盐废水，能够大幅降低极水中二价阳离子(主要是钙离子和镁离子)和二价阴离子(主要是硫酸根离子)的浓度，从而降低阴极板结垢倾向，减缓阴极板中钙镁垢的结垢速率，降低酸洗频率。

2、本实用新型减少系统运行过程中阴极板结垢，能够降低电极电阻，减少电能的热转化，提高电渗析离子迁移效率(即电流效率)，提升含盐废水离子分离效果。

3、本实用新型系统成本低廉，设置合理，几乎没有不利影响，并且适用性强，能够用于处理未经软化的工业废水，以及各行业中不同水质的复杂含盐废水。

附图说明

图1为防止阴极板结垢的电渗析反应器(ACA型)结构及原理图；

图2为防结垢电渗析废水处理系统工艺流程图；

图3为普通电渗析反应器(CAC型)结构及原理图；

图4为实施例中用于脱硫废水浓缩处理的防结垢电渗析反应器结构及原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。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，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

所述防止阴极板结垢的电渗析反应器，包括电渗析反应器、淡水箱、浓水箱和极水箱。电渗析反应器依次由阳极板、膜堆、阴极板组装而成，其中膜堆排列方式依次为A2-(C-A)_n-C-A2，n为1-2000的自然数，形成n+1个淡水通道、n+1个浓水通道及2个极水通道，淡水通道与浓水通道间隔排列。其中：A2指代单价选择性阴离子交换膜，只允许单价阴离子通过；C泛指选择性阳离子交换膜，可以是普通选择性阳离子交换膜、单价选择性阳离子交换膜或其他类型的阳离子交换膜；A泛指选择性阴离子交换膜，可以是普通选择性阴离子交换膜、单价选择性阴离子交换膜或其他类型的阴离子交换膜。图1显示了n＝2、A为普通选择性阴离子交换膜、C为普通选择性阳离子交换膜时，电渗析反应器的结构以及离子分离效果。

每个膜的两侧，都设置有支撑隔板，主要起到支撑保护和分流的效果。隔板上端和下端分别设有水流孔和连通孔，能够固定水流方向，使所有淡水通道与外接的淡水箱形成循环，使所有浓水通道与外接的浓水箱形成循环，使两个极水通道与外接的极水箱形成循环。

该电渗析反应器用于处理含盐废水时，极水通道内的极水为2％-2.5％质量分数的氯化钠溶液，其中配置极水所用的氯化钠应使用分析纯药剂，保证配置得到的极水硬度不超过30mg/L。含盐废水同时进入浓水通道和淡水通道后运行电极，调整电压和电流至合适大小，在电场的电驱动作用和离子交换膜的选择性分离的作用下，淡水通道中的离子往浓水通道迁移，在淡水通道形成了低离子浓度的淡水，在浓水通道形成了高离子浓度的浓水，实现了电渗析反应器对含盐废水的离子分离效果。

特别地，由于极水通道单价选择性阴离子交换膜的存在：阴极邻近浓水通道的二价阳离子(主要是钙离子和镁离子)不会大量迁移至阴极极水通道，二价阳离子截留率超过99％；阳极邻近淡水通道的二价阴离子(主要是硫酸根离子)不会大量迁移至阳极极水通道，二价阴离子截留率超过98％。阴极极水与阳极极水从电渗析反应器极水出口流出后混合，再循环回流至电渗析反应器极水进口。阴极极水中的OH^-和阳极极水中的H⁺在极水混合后发生中和反应，使极水pH基本保持稳定。阴极极水中的一价阴离子(主要是Cl^-)会通过离子交换膜进入邻近浓水通道，阳极邻近淡水通道中的部分一价阴离子(主要是Cl^-)会进入阳极极水。阳极极水与阴极极水混合后，极水中的离子类型和浓度基本保持不变，二价阴离子和二价阳离子的浓度保持在极低水平。

利用该防止阴极板结垢的电渗析反应器，配套形成新型电渗析废水处理系统，能够用于含盐废水的浓缩处理。如图2所示，该系统由电渗析反应器、浓水箱、淡水箱、极水箱、循环泵、过滤器、换热器及配套的管路阀门表计组成。浓水箱、浓水泵、浓水过滤器、膜堆浓水通道共同组成了浓水循环。淡水箱、淡水泵、淡水过滤器、膜堆淡水通道共同组成了淡水循环。极水箱、极水泵、极水过滤器、膜堆极水通道共同组成了极水循环。

利用该防结垢电渗析废水处理系统处理含盐废水的方式如下：将含盐废水分别置于浓水箱和淡水箱，配置质量分数为2.0％-2.5％的氯化钠溶液作为极水。同时开启浓水泵、淡水泵和极水泵，开始浓水循环、淡水循环和极水循环。待系统运行稳定后，给电渗析反应器的电极送电，调整电压和电流至合适大小，进行废水的电渗析法浓缩。一段时间后，淡水侧的离子浓度大幅下降，浓水侧的离子浓度大幅升高，可以对处理得到的淡水进行回收利用，对处理得到的浓水进行后续的深度处理。

对于普通电渗析系统(CAC型，如图3所示)，电渗析处理过程中极水与废水发生阳离子交换，废水中的二价阳离子迁移至极水中，运行一段时间后阴极板将发生结垢，从而导致电流效率下降，影响废水浓缩效果。常用防极板结垢策略包括：酸洗、定期排极水、加酸提升极水pH等。采用本实用新型中防止阴极结垢电渗析系统(ACA型，如图1所示)，电渗析处理过程中极水与废水仅发生一价阴离子交换(主要是Cl^-)，相同工况下运行后，阴极板结垢量减少至原先的10-15％，系统长时间运行时电流效率下降程度较轻。

实施例：

某燃煤电厂用本专利的防止阴极板结垢的电渗析反应器处理脱硫废水，该脱硫废水经过三联箱系统预处理，已去除大部分重金属离子，但钙离子、镁离子、硫酸根离子、氯离子浓度较高。具体水质情况见下表。

表1脱硫废水水质情况表

配置的系统额定处理流量为10吨/小时，由电渗析反应器、浓水箱、淡水箱、极水箱、循环泵、过滤器、冷却系统及相应的管路和阀门组成。浓水、淡水、极水分别通过膜堆的不同通道形成三个内循环。系统浓水泵出口连接旁路烟气干燥塔，浓缩减量后的脱硫废水浓水由原有旁路烟气蒸发系统进行蒸发处理。淡水泵出口连接脱硫吸收塔区域浆液池，高硫酸根浓度、低氯离子浓度的淡水出水返回至脱硫系统进行资源化利用。

电渗析反应器由阳极板、膜堆、阴极板组成。膜堆排列方式依次为单价选择性阴离子交换膜-(普通选择性阳离子交换膜-单价选择性阴离子交换膜)_n，即A2-(C-A2)_n，其中n＝80，共形成80个淡水通道和80个浓水通道以及位于最外侧的2个极水通道，淡水通道与浓水通道间隔排列。离子交换膜之间都装有支撑隔板，以保证浓水、淡水、极水通道的独立流畅工作。本实例中的电渗析反应器结构及原理如图4所示。

电厂三联箱系统出口澄清池中的脱硫废水分别进入浓水箱和淡水箱作为初始浓水和初始淡水。使用99.5％分析纯氯化钠配置成2.0％质量分数的氯化钠溶液，作为初始极水。设置电渗析反应器电压为最大额定电压，连续运行该系统168小时后，得到氯离子浓度为3089mg/L、硫酸根离子浓度为1456mg/L的淡水，氯离子浓度为55267mg/L、硫酸根离子浓度为784mg/L的浓水。浓水和淡水水质均符合系统设计值，达到了脱硫废水浓缩减量的目的。其中系统氯离子排出比例达到了77％，该数值与之前的普通电渗析(CAC型)系统的72％相比有不少提升。证明该新型防结垢电渗析反应器能够正常高效地进行脱硫废水处理，且能够一定程度提升电流效率。

值得注意的是，经过168小时连续运行后，本专利采用的新型电渗析系统极水箱内极水钙离子浓度为83mg/L、镁离子浓度为62mg/L、硫酸根离子浓度为104mg/L，阴极极板表面平整，未见明显结垢，无需进行酸洗。与之形成对比的是，之前所采用的普通电渗析系统(CAC型电渗析反应器)连续运行168小时后，极水箱内极水钙离子浓度为2069mg/L、镁离子浓度为899mg/L、硫酸根离子浓度为58mg/L，阴极极板表面覆盖一层约0.5cm的白色结垢，经分析垢样主要成分为Mg(OH)₂和CaCO₃，需要立刻开展电极酸洗。试验证明，该新型防结垢电渗析反应器能够有效防止阴极板结垢，降低酸洗频率。

该防结垢的电渗析系统正常投运3个月以来，平均每天处理脱硫废水200吨，脱硫废水浓缩减量效果显著。运行期间极水水质合格，极板未发现结垢现象。以上结果表明，这种防止阴极板结垢的电渗析反应器具有很好的应用性。

Claims

1.一种防止阴极板结垢的电渗析反应器，其特征在于：包括电渗析反应器、淡水箱、浓水箱和极水箱；电渗析反应器依次由阳极板、膜堆和阴极板组装而成；膜堆排列方式依次为A2-(C-A)_n-C-A2，其中：n为1-2000的自然数，形成n+1个淡水通道、n+1个浓水通道及2个极水通道，淡水通道与浓水通道间隔排列；其中：A2指代单价选择性阴离子交换膜，C指代选择性阳离子交换膜，A指代选择性阴离子交换膜；浓水箱、浓水泵、浓水过滤器和膜堆浓水通道依次连接组成浓水循环通路；淡水箱、淡水泵、淡水过滤器和膜堆淡水通道依次连接组成淡水循环通路；极水箱、极水泵、极水过滤器、膜堆极水通道依次连接组成极水循环通路。

2.根据权利要求1所述的防止阴极板结垢的电渗析反应器，其特征在于：C指代的选择性阳离子交换膜为普通选择性阳离子交换膜、单价选择性阳离子交换膜或其他类型的阳离子交换膜中的一种。

3.根据权利要求1所述的防止阴极板结垢的电渗析反应器，其特征在于：A指代的选择性阴离子交换膜为普通选择性阴离子交换膜、单价选择性阴离子交换膜或其他类型的阴离子交换膜中的一种。

4.根据权利要求1所述的防止阴极板结垢的电渗析反应器，其特征在于：每个膜的两侧均设置有支撑隔板，隔板上端和下端分别设有水流孔和连通孔。