CN213803051U - 基于pH控制的防结垢电渗析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于pH控制的防结垢电渗析系统，包括电渗析反应器、淡水箱、浓水箱、pH控制系统和酸吸收系统；电渗析反应器依次由阳极板、膜堆和阴极板组装而成；膜堆由阳离子选择性交换膜和阴离子选择性交换膜间隔排列组成，形成间隔排列的淡水通道与浓水通道，并且靠近极板的两侧分别为极水通道；pH控制系统主要由储酸罐、加酸泵、管道混合器和在线pH计组成，极水箱的极水出口连接至管道混合器入口，在线pH计安装于管道混合器入口端。本实用新型的有益效果是：利用本实用新型基于pH控制的防结垢电渗析系统能够避免系统运行过程中的极板结垢，实现电渗析系统的无结垢运行，优化了运行工况，提高水处理效率。

Description

基于pH控制的防结垢电渗析系统

技术领域

本实用新型属于环保水处理技术领域，具体涉及一种通过极水pH控制实现防止电渗析极板结垢的电渗析系统。

背景技术

电渗析技术作为一种20世纪50年代发展起来的水处理技术，具有能耗较低、环境污染小、适应性强、设备耐用、易于实现机械化和利用率高等特点，被广泛地用于电子、医药、食品、化工、环保、工业等领域。利用电渗析技术进行废水浓缩、纯水制备、酸碱回收、废液中有用物质的资源化回用等应用屡见报道。

电渗析技术在应用过程中，其阴极极板表面不可避免地产生大量OH^-，使得阴极极水pH始终保持在较高水平。而待处理液(通常是废水)中往往含有较高浓度的钙、镁离子，会在电场作用下通过渗透过程进入极水循环中，导致阴极极板表面形成大量钙镁垢沉淀。附着于电极的结垢将引起电极腐蚀、电极电阻增大、电极表面结构破坏、电渗析效率下降、额外能耗增加等问题，成为电渗析工艺应用过程中亟需解决的难题。

针对上述结垢问题，目前主流技术采用前处理除硬度和定期酸洗的方法来减轻结垢带来的危害。前处理除硬度技术有较多选择，主要包括膜分离法、煮沸法、化学软化法、离子交换法等，具有步骤繁琐、成本较高、产生二次污染等问题，尤其不利于大体量的废水处理。定期酸洗法指的是通过定期酸洗(通常为盐酸)除去已生成的钙镁垢，酸洗过程需要使用大量药剂，酸洗过程中将中断电渗析系统的连续运行，酸洗结束后还会产生酸性废水难以处理。不仅如此，定期酸洗无法从根本上防止钙镁垢的持续生成，仅能够作为一种应急手段处理已产生的钙镁垢。

因此，有必要开发一种新型电渗析系统，无需对来水进行软化预处理，即能够避免电渗析系统运行过程中极板结垢，从而使系统始终维持在最优水平下连续运行。

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的结垢问题，提供一种基于极水通道pH控制技术的防结垢电渗析系统。

这种基于pH控制的防结垢电渗析系统，包括电渗析反应器、淡水箱、浓水箱、pH控制系统和酸吸收系统；电渗析反应器依次由阳极板、膜堆和阴极板组装而成；膜堆由阳离子选择性交换膜和阴离子选择性交换膜间隔排列组成，形成间隔排列的淡水通道与浓水通道，并且靠近极板的两侧分别为极水通道；pH控制系统主要由储酸罐、加酸泵、管道混合器和在线pH计组成，极水箱的极水出口连接至管道混合器入口，在线pH计安装于管道混合器入口端，储酸罐出口通过加酸泵连接至管道混合器入口，管道混合器出口连接至电渗析反应器的阴极极水进口；酸吸收系统主要由排气阀和酸吸收箱组成，极水箱排气口连接至排气阀进口，排气阀出口连接至酸吸收箱。

作为优选：浓水箱和膜堆的浓水通道连接组成浓水循环。

作为优选：淡水箱和膜堆的淡水通道连接组成淡水循环。

作为优选：极水箱和膜堆的极水通道连接组成极水循环。

作为优选：加酸泵为变频泵。

作为优选：酸吸收箱中设有酸吸收液。

作为优选：还包括排氢风机，排氢风机出口连接至极水箱的空气进口。

作为优选：酸吸收箱内设置pH计。

本实用新型的有益效果是：

1、利用本实用新型基于pH控制的防结垢电渗析系统能够避免系统运行过程中的极板结垢，实现电渗析系统的无结垢运行，优化了运行工况，提高水处理效率。

2、本实用新型增加了pH控制系统和酸吸收系统，大幅降低了电渗析膜堆的酸洗频率，能够保持系统长期连续稳定运行，也减少了酸洗废水的排放量。

3、本实用新型可以作为新系统成套生产，也可在老系统基础上进行升级改造。

附图说明

图1为防结垢电渗析膜堆工作原理图；

图2为基于pH控制的防结垢电渗析系统示意图。

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。

实施例一

结垢控制因素多种多样，主要包括水质、水温、流速、换热温差、缓蚀阻垢剂等，其中pH值是水质的重要指标，降低处理液pH值能够大幅低钙镁垢的结垢倾向。如图1所示，电渗析膜堆工作过程中，临近通道中的二价阳离子(主要是钙离子和镁离子)会通过扩散作用和离子交换作用进入极水通道，与阴极极板表面不断生成的OH^-结合后将生成钙镁垢沉淀，并附着于阴极极板表面。此时阴极极水二价离子迁入速率远超阳极极水二价离子迁出速率，二价离子以非正常途径快速大量流失。极水通道加酸能够降低循环极水的pH值，即使循环极水中的钙镁浓度较高，其结垢速率也十分缓慢。阳极极水中的二价离子迁出速率和阴极极水中的二价离子迁入速率将维持平衡，大多数的钙镁离子都将通过正常浓缩途径排出电渗析系统。

将极水pH控制在较低水平时，阳极极水通道的HClO、HCl、Cl₂等酸性气体将大量由液相转移至气相中，在排氢风机的作用下随着氢气一起溢出极水箱。这些溢出气体具有较强的酸性、刺激性、氧化性和腐蚀性，直接排空将污染周边环境，因此需要使用碱性吸收剂将其完全吸收，以实现电渗析系统的绿色环保运行。

本实用新型中的防结垢电渗析系统在常规电渗析系统基础上增加了pH控制系统和酸吸收系统。其中，pH控制系统由储酸罐、加酸泵、管道混合器、在线pH计及配套的控制系统组成。浓酸存储于储酸罐中，通过加酸泵和管道混合器使之与极水均匀混合，调节循环极水的pH值。加酸泵为变频泵，受控制系统远程控制。在线pH计安装于管道混合器之前，能够实时反馈阴极极水进水的pH值。pH控制系统能够根据在线pH计反馈值控制加酸量，从而调控循环极水的pH值。酸吸收系统由排气阀和酸吸收箱组成，酸吸收液置于酸吸收箱中，根据吸收效果定期更换酸吸收液。基于pH控制的防结垢电渗析系统如图2所示。

pH控制系统作为电渗析控制系统的一部分，在电渗析系统运行过程中保持常开状态。设置极水pH触发值(例如pH＝5.0)，即保持极水pH始终在触发值以下连续运行。

电渗析系统运行过程中，极水不断循环且pH值逐渐上升。当阴极极水进水pH值大于触发值时，系统将自动通过加酸泵加入设定体积(例如0.1L)的浓酸，并于设定时长(例如10分钟)后再次读取pH计的数值，监测极水pH调节是否到位。若极水pH值在加酸后仍大于触发值，则再次重复上述加酸和监测步骤，直至pH值小于触发值。三次加酸后，pH值仍未达标，系统将发出警报并停止加酸，此时需要人工判断故障来源。储酸罐设置高液位警报和低液位警报。酸吸收箱内设置pH计以监测酸吸收液的pH值，当该值低于设定值(例如pH＝9.0)则系统报警提示更换酸吸收液。酸吸收液可以是碱溶液(例如30％氢氧化钠溶液)也可以是水。以此法调节极水pH，可保持极水pH值在较低范围内，保持阴极极板无结垢运行，保证电渗析系统的整体效率。

本实用新型减免了前处理除硬度步骤，能够直接处理高硬度废水；并且，节约了前处理药剂费，也简化了水处理步骤，扩大了电渗析系统的适用水质范围。

本实用新型的处理方法简单，控制易行，适用于不同类型的电渗析系统。

实施例二

某燃煤电厂利用电渗析系统浓缩减量脱硫废水，在进入系统前脱硫废水未经过软化处理，钙离子浓度和镁离子浓度较高。具体水质情况见下表：

电渗析系统采用3％氯化钠溶液作为极水。由于脱硫废水硬度高，钙离子和镁离子在电场作用和渗透作用下会穿过极膜，使得极水中的硬度快速上升。某次处理过程中新配置的极水钙离子浓度为9mg/L、镁离子浓度为3mg/L，经过5小时的处理后钙离子浓度增大至1377mg/L、镁离子浓度增大至259mg/L。运行7天后打开电渗析膜堆发现阴极极板上附着了一层约0.5cm的白色结垢，经分析结垢主要成分为Mg(OH)₂和Ca(OH)₂。连续运行期间，电渗析电流效率不断下降，由初始的0.72下降至0.45，脱硫废水浓缩效果持续变差，伴随着系统温升的不断提高。此外，该电厂的电渗析系统每隔7天进行酸洗，每次酸洗约消耗浓盐酸30L，产生酸洗废水约1t，存在较大的环保压力。

后对原有电渗析系统进行设备改造，增加了极水pH控制系统和末端酸吸收系统，工艺路线如图2所示。设置pH触发值为5.0，当阴极进水极水pH小于5.0时自动加入500mL浓盐酸。连续运行1个月，始终保持极水pH值在2.5-5.0范围内波动，监测得到电渗析电流效率在0.70-0.75范围内波动。运行过程中极水钙离子浓度和镁离子浓度与改造前差别不大，运行结束后检测极板未发现有明显结垢。酸吸收箱内放置了30％氢氧化钠溶液作为酸吸收液，运行过程中酸吸收液pH由14.8下降至14.6，未达酸吸收液更换标准。

该电厂新型电渗析系统正常投运6个月以来，电极极板未发生大面积结垢情况，也没有进行过酸洗，电流效率稳定维持在较高水平，脱硫废水浓缩减量效果显著。以上结果表明，这种基于pH控制的防结垢电渗析系统具有很好的应用性。

Claims (8)

1.一种基于pH控制的防结垢电渗析系统，其特征在于：包括电渗析反应器、淡水箱、浓水箱、pH控制系统和酸吸收系统；电渗析反应器依次由阳极板、膜堆和阴极板组装而成；膜堆由阳离子选择性交换膜和阴离子选择性交换膜间隔排列组成，形成间隔排列的淡水通道与浓水通道，并且靠近极板的两侧分别为极水通道；pH控制系统主要由储酸罐、加酸泵、管道混合器和在线pH计组成，极水箱的极水出口连接至管道混合器入口，在线pH计安装于管道混合器入口端，储酸罐出口通过加酸泵连接至管道混合器入口，管道混合器出口连接至电渗析反应器的阴极极水进口；酸吸收系统主要由排气阀和酸吸收箱组成，极水箱排气口连接至排气阀进口，排气阀出口连接至酸吸收箱。

2.根据权利要求1所述的基于pH控制的防结垢电渗析系统，其特征在于：浓水箱和膜堆的浓水通道连接组成浓水循环。

3.根据权利要求1所述的基于pH控制的防结垢电渗析系统，其特征在于：淡水箱和膜堆的淡水通道连接组成淡水循环。

4.根据权利要求1所述的基于pH控制的防结垢电渗析系统，其特征在于：极水箱和膜堆的极水通道连接组成极水循环。

5.根据权利要求1所述的基于pH控制的防结垢电渗析系统，其特征在于：加酸泵为变频泵。

6.根据权利要求1所述的基于pH控制的防结垢电渗析系统，其特征在于：酸吸收箱中设有酸吸收液。

7.根据权利要求1所述的基于pH控制的防结垢电渗析系统，其特征在于：还包括排氢风机，排氢风机出口连接至极水箱的空气进口。

8.根据权利要求1所述的基于pH控制的防结垢电渗析系统，其特征在于：酸吸收箱内设置pH计。

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