CN214654190U

CN214654190U - 一种高倍偶合浓缩装置

Info

Publication number: CN214654190U
Application number: CN202022853070.5U
Authority: CN
Inventors: 俞海英; 金水玉; 胡鉴耿; 付晓靖; 金可勇
Original assignee: Hangzhou Water Treatment Technology Development Center Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Water Treatment Technology Development Center Co Ltd
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2030-12-01

Abstract

本实用新型属于水处理技术领域，具体涉及一种高倍偶合浓缩装置。本实用新型包括正渗透部件、均相膜电渗析部件、反渗透部件，其特征在于：正渗透部件的进口与原液输出口连接，经正渗透部件后分成两路出口，第一路浓缩液排出系统，第二路稀盐水出口与均相膜电渗析部件进口连接；均相膜电渗析部件的出口分成两路，第一路浓盐水出口与正渗透部件的进口连接，第二路淡盐水的出口与反渗透部件的进口连接；反渗透的出口分成两路，第一路浓缩液出口与均相膜电渗析部件的进口连接，第二路淡水的出口则排出系统、回用。本实用新型的优点是解决了在浓缩过程中由于高温、高压、电场等原因造成的结垢、变质等风险，可以长期稳定、经济可靠的运行。

Description

一种高倍偶合浓缩装置

技术领域

本实用新型属于水处理技术领域，具体涉及一种正渗透+电渗析+反渗透的高倍偶合浓缩装置。

背景技术

在正渗透中，用于分离的驱动力主要为FO膜两侧的汲取液和原料液之间的渗透压差，使水从原料液(较低渗透压)一侧自发传递到汲取液(较高渗透压)。不同于传统的靠压力驱动的膜分离技术，比如微滤、超滤、纳滤与反渗透等，正渗透由于运行的原理不同，因此有着独有的优势，例如施加较低或不施加压力，导致更低的能耗，降低运行成本；正渗透的分离能力强，对污染物有着较高的截留率；正渗透污染几乎为可逆污染，因而清洗效率高；正渗透的膜装置组成简单，操作容易等。在众多领域内，正渗透近几十年来均有着广泛的应用，特别的，在一些重要领域如海水淡化、水处理，食品加工和利用渗透发电等方面表现出良好的应用前景，是目前世界膜分离领域研究的热点之一。

在正渗透中，汲取液是不可缺少的关键组成部分，用作汲取液的溶质叫做汲取溶质。当为正渗透应用选择理想的汲取液时，有以下三个主要的选择标准：

(1)汲取液应该具有相对较高的渗透压，保证FS和DS之间有足够的渗透压差，使正渗透顺利进行；

(2)被稀释的汲取液应该能方便且经济地与渗透水进行分离并且能够重复使用，易于回收利用；

(3)汲取溶质在正渗透过程中应产生尽量低的内部浓差极化。有研究表明，汲取液的扩散系数、粘度和粒子尺寸远远影响着正渗透的内部浓差极化。

正渗透浓差极化

浓差极化现象是压力驱动和渗透压驱动过程一个非常正常也是不可避免的现象，在渗透压驱动膜过滤过程中，浓差极化是由于不对称膜两侧驱动液和污水的浓度不同造成的，在正渗透过程中，外部浓差极化(ECP)和内部浓差极化(ICP) 均会发生，正常情况下，ECP发生在密实的活性层表面，而ICP则发生在支撑层里面。其中起主要作用的是内浓差极化。

自20世纪60年代起，膜分离技术开始从实验室研究进入到了工业界的实际应用，到目前为止，它已应用到水处理，食品加工，制药工程，医学以及能源等领域。据估计，在2010年，整个商品膜及其应用市场将达到100亿美元。在所有膜分离技术中，目前应用最多的主要是依靠外加压力驱动的膜分离过程，如反渗透、纳滤、超滤和微滤。这种外加压力驱动膜分离过程，虽然有其自身优点，但是需要外加压力，既提高了运行成本，同时运行中常常伴随着严重的膜污染，降低了其运行效率。

电渗析的原理是在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜而迁移，从而使电解质离子自溶液中部分分离出来的过程。

电渗析技术是开发较早并取得重大工业成就的膜分离技术之一。初期的研究可以追溯到两个世纪以前。大多数历史性的报道，都是从1748年法国学者A. Noller首次发现水能通过膀胱膜自然地扩散到乙醇溶液的实验开始的。这项实验发现和证实了水能透过动物膜的渗透现象。1854年Graham发现了渗析现象。 1863年Dubrunfaut制成了第一个膜渗析器，成功地进行了糖与盐类的分离。1903 年Morse和Pierce把两根电极分别置于透析袋内部与外部的溶液中，发现带电的杂质能更迅速地从凝胶中除去。1924年Pauli采用化工设计的原理，改进Morse 的试验装置，力图减轻极化，增加传质速率。虽然他们都是采用非选择性透过膜，但这些开拓性的工作，为以后实用电渗析的开发产生了启迪性的作用。1940年Meyer和Strauss提出了具有实用意义的多隔室电渗析装置的概念。特别是1950 年Juda和McRae研制成功了具有高选择透过性的阳、阴离子交换膜以后，便奠定了电渗析技术的实用基础。

世界上第一台电渗析装置于1952年由美国Ionics公司制成，用于苦咸水淡化，接着便投入商品化生产。随后美、英均制造并应用电渗析装置淡化苦咸水，制取饮用水与工业用水，并陆续输送到其他国家。日本在上世纪50年代末就注重这一技术的开发，研究方向主要在于海水浓缩制盐。由于性能优良的单价离子选择性透过膜的研究成功与工艺技术的精湛，使日本在电渗析海水浓缩制盐技术方面至今保持领先地位，目前年产食盐160万t。1970年后，日本亦将电渗析用于苦咸水淡化。1974年在野岛建造了日产饮用水120t的海水淡化装置。1972 年美国Ionics公司推出了频繁倒极电渗析装置，每10-15min电极极性调换一次，提高了装置的运行稳定性。近年来美国IonpureTechnology公司又生产了连续去离子电渗析装置，即在电渗析淡化隔室中填充离子交换树脂或离子交换纤维，直接连续地制取高纯水，而树脂不用再生。现在世界上研究电渗析的国家有美国、日本、俄罗斯、英国、法国、意大利、德国、加拿大、以色列、荷兰、中国和印度等。在技术上，美国和日本领先。日本年产离子交换膜大约3.5×10⁵m²。上世纪70年代以后，俄罗斯发展也很快，年产离子交换膜大约2.5×10⁵m²，其中85％为异相离子交换膜。

我国电渗析技术的研究始于1958年。在60年代初，以国产聚乙烯醇异相膜装配的小型电渗析装置便投入海上试验。1965年，在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置。1967年聚苯乙烯异相离子交换膜投入生产，为电渗析技术的推广应用创造了条件。上世纪70年代以后，电渗析技术发展较快，在离子交换膜、隔板、电极等主要装置部件与本体结构的研究方面都有所创新，装置在向定型化、标准化发展，在系统工程设计和装置的运行管理方面也积累了比较丰富的经验。1976年在上海金山石化建成了日产初级纯水6600t的电渗析制水车间， 1980年在西沙群岛建成了日产淡水200t的电渗析海水淡化站。我国离子交换膜的年产量稳定在4.0×10⁵m²，约占世界脱盐用离子交换膜的1/3。

在电渗析过程中同时发生的几种伴随过程，以膜的传质特性参数定量描述各个过程的强度。以水合离子形式迁移形成的电渗失水，不同膜相差不大。由浓差引起的电解质扩散系数和水的渗透系数相差很大。这些伴随过程降低了浓缩倍数和电流效率，且随着操作电流密度和膜两侧浓差的升高而加剧。与中、低浓度料液脱盐相比，浓缩对膜的传质特性参数要求更高，特别是酸的浓缩对膜的要求比普通盐浓缩的要求还要高，一般异相离子交换膜难以达到要求。

我们针对以上现状，在前人研究的基础上，针对正渗透+电渗析+反渗透的偶合浓缩装置的特殊要求，进行了系列研究与开发，经过多方面试验研究，终于开发出了具有高倍浓缩的电渗析装置，用于偶合中空式正渗透与普通反渗析装置，充分解决了许多外在因素的干扰影响，保证运行数据的准确性与重复性；由于采用了正渗透技术浓缩物料，解决了在浓缩过程中由于高温、高压、电场等原因造成的结垢、变质等风险，可以长期稳定、经济可靠的运行。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是开发一种正渗透+电渗析+反渗透的高倍偶合浓缩装置。

本实用新型通过下述技术方案得以实现的：

一种高倍偶合浓缩装置，包括正渗透部件、均相膜电渗析部件、反渗透部件，其特征在于：正渗透部件的进口与原液输出口连接，经正渗透部件后分成两路出口，第一路浓缩液排出系统，第二路稀盐水出口与均相膜电渗析部件进口连接；

均相膜电渗析部件的出口分成两路，第一路浓盐水出口与正渗透部件的进口连接，第二路淡盐水的出口与反渗透部件的进口连接；

反渗透的出口分成两路，第一路浓缩液出口与均相膜电渗析部件的进口连接，第二路淡水的出口则排出系统、回用。

作为优选，上述一种高倍偶合浓缩装置中所述正渗透部件是由聚醋酸纤维素制备的中空纤维正渗透膜，正渗透中空纤维的直径为0.1-2毫米，截留率为 98-99.5％，膜通量为0.5-10升/平方米.小时。

作为优选，上述一种高倍偶合浓缩装置中所述均相膜电渗析部件采用的阴阳离子交换膜的离子选择性98.5-99.5％，膜电阻为3-5欧/平方厘米，可以浓缩氯化钠溶液到18-23％，电流效率可达80-95％。

作为优选，上述一种高倍偶合浓缩装置中所述反渗透部件所采用的膜元件，其截留率为99-99.6％，膜通量为20-40升/平方米.小时。

一种高倍偶合浓缩装置的运行过程为：浓度为1-10％待浓缩料液与浓度为 18-23％高浓度氯化钠溶液进入正渗透部件，待浓缩料液经正渗透部件浓缩达到预期浓度15-20％后排出，而高浓度氯化钠溶液经正渗透过滤后变成浓度为3-8％的稀盐液进入高倍浓缩均相膜电渗析部件。稀盐液进入高倍浓缩均相膜电渗析部件浓缩后分成浓度为18-23％的高浓度氯化钠溶液与浓度为0.2-1％的低浓度氯化钠溶液，浓度为18-23％的高浓度氯化钠溶液返回到正渗透部件，而浓度为0.2-1％的低浓度氯化钠溶液进入苦咸水反渗透部件。低浓度氯化钠溶液进入反渗透部件后，形成纯水与浓度为0.6-3％的反渗透浓水，产出的纯水用于其他工艺的生产，浓度为0.6-3％的反渗透浓水返回到电渗析浓缩部件。

经以上处理过程后，可使备浓缩料液浓缩到15-20％，并产出纯水。

有益效果：可以充分解决了许多外在因素的干扰影响，保证运行数据的准确性与重复性；由于采用了正渗透技术浓缩物料，解决了在浓缩过程中由于高温、高压、电场等原因造成的结垢、变质等风险，可以长期稳定、经济可靠的运行。

附图说明

图1本实用新型的装置示意图

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的实施作具体说明：

实施例1

如附图1所示结构，一种高倍偶合浓缩装置，包括正渗透部件、均相膜电渗析部件、反渗透部件，其中正渗透部件的进口与原液输出口连接，经正渗透部件后分成两路出口，第一路浓缩液排出系统，第二路稀盐水出口与均相膜电渗析部件进口连接；均相膜电渗析部件的出口分成两路，第一路浓盐水出口与正渗透部件的进口连接，第二路淡盐水的出口与反渗透部件的进口连接；反渗透的出口分成两路，第一路浓缩液出口与均相膜电渗析部件的进口连接，第二路淡水的出口则排出系统、回用。

正渗透部件采用聚醋酸纤维素制备的中空纤维正渗透膜，正渗透中空纤维的直径为0.5毫米，截留率为99.2％，膜通量为2升/平方米.小时。进入正渗透的待浓缩料液浓度为5％，高溶液氯化钠溶液溶液浓度为18％。

均相膜电渗析部件用于高倍浓缩，所采用的阴阳离子交换膜的离子选择性99.2％，膜电阻为4欧/平方厘米，可以浓缩氯化钠溶液到18％，电流效率可达85％。

反渗透部件的截留率为99.2％，膜通量为30升/平方米.小时。

浓度为5％待浓缩料液与浓度为18％高浓度氯化钠溶液进入正渗透部件，待浓缩料液经正渗透部件浓缩达到预期浓度16％后排出，而高浓度氯化钠溶液经正渗透过滤后变成浓度为6％的稀盐液进入高倍浓缩均相膜电渗析部件。稀盐液进入高倍浓缩均相膜电渗析部件浓缩后分成浓度为18％的高浓度氯化钠溶液与浓度为0.8％的低浓度氯化钠溶液，浓度为18％的高浓度氯化钠溶液返回到正渗透部件，而浓度为0.8％的低浓度氯化钠溶液进入苦咸水反渗透部件。低浓度氯化钠溶液进入反渗透部件后，形成纯水与浓度为2.4％的反渗透浓水，产出的纯水用于其他工艺的生产，浓度为2.4％的反渗透浓水返回到电渗析浓缩部件。

经以上处理过程后，可使备浓缩料液浓缩到16％，并产出纯水，吨水能耗为 12度电，并能长期稳定运行。

实施例2

与实施例1相似结构，正渗透部件采用聚醋酸纤维素制备的中空纤维正渗透膜，正渗透中空纤维的直径为0.8毫米，截留率为99.5％，膜通量为1升/平方米.小时。进入正渗透的待浓缩料液浓度为2％，高溶液氯化钠溶液溶液浓度为 20％。

高倍浓缩均相膜电渗析部件采用高倍浓缩均相电渗析膜的电渗析装置。所采用的阴阳离子交换膜的离子选择性99.3％，膜电阻为5欧/平方厘米，可以浓缩氯化钠溶液到20％，电流效率可达90％。

反渗透部件的截留率为99.5％，膜通量为25升/平方米.小时。

浓度为2％待浓缩料液与浓度为20％高浓度氯化钠溶液进入正渗透部件，待浓缩料液经正渗透部件浓缩达到预期浓度15％后排出，而高浓度氯化钠溶液经正渗透过滤后变成浓度为3％的稀盐液进入高倍浓缩均相膜电渗析部件。稀盐液进入高倍浓缩均相膜电渗析部件浓缩后分成浓度为20％的高浓度氯化钠溶液与浓度为1％的低浓度氯化钠溶液，浓度为20％的高浓度氯化钠溶液返回到正渗透部件，而浓度为1％的低浓度氯化钠溶液进入苦咸水反渗透部件。低浓度氯化钠溶液进入反渗透部件后，形成纯水与浓度为3％的反渗透浓水，产出的纯水用于其他工艺的生产，浓度为3％的反渗透浓水返回到电渗析浓缩部件。

经以上处理过程后，可使备浓缩料液浓缩到15％，并产出纯水，吨水能耗为9 度电，并能长期稳定运行。

实施例3

与实施例1相似结构，正渗透部件采用聚醋酸纤维素制备的中空纤维正渗透膜，正渗透中空纤维的直径为1.5毫米，截留率为99.5％，膜通量为3升/平方米.小时。进入正渗透的待浓缩料液浓度为5％，高溶液氯化钠溶液溶液浓度为 20％。

高倍浓缩均相膜电渗析部件采用高倍浓缩均相电渗析膜的电渗析装置。所采用的阴阳离子交换膜的离子选择性99.5％，膜电阻为5欧/平方厘米，可以浓缩氯化钠溶液到20％，电流效率可达95％。

反渗透部件的截留率为99.6％，膜通量为20升/平方米.小时。

浓度为5％待浓缩料液与浓度为20％高浓度氯化钠溶液进入正渗透部件，待浓缩料液经正渗透部件浓缩达到预期浓度15％后排出，而高浓度化钠溶液经正渗透过滤后变成浓度为4％的稀盐液进入高倍浓缩均相膜电渗析部件。稀盐液进入高倍浓缩均相膜电渗析部件浓缩后分成浓度为20％的高浓度氯化钠溶液与浓度为 1％的低浓度氯化钠溶液，浓度为20％的高浓度氯化钠溶液返回到正渗透部件，而浓度为1％的低浓度氯化钠溶液进入苦咸水反渗透部件。低浓度氯化钠溶液进入反渗透部件后，形成纯水与浓度为3％的反渗透浓水，产出的纯水用于其他工艺的生产，浓度为3％的反渗透浓水返回到电渗析浓缩部件。

经以上处理过程后，可使备浓缩料液浓缩到15％，并产出纯水，吨水能耗为 12度电，并能长期稳定运行。

Claims

1.一种高倍偶合浓缩装置，包括正渗透部件、均相膜电渗析部件、反渗透部件，其特征在于：正渗透部件的进口与原液输出口连接，经正渗透部件后分成两路出口，第一路浓缩液排出系统，第二路稀盐水出口与均相膜电渗析部件进口连接；

2.根据权利要求1所述的一种高倍偶合浓缩装置，其特征在于，所述正渗透部件是由聚醋酸纤维素制备的中空纤维正渗透膜，正渗透中空纤维的直径为0.1-2毫米，截留率为98-99.5％，膜通量为0.5-10升/平方米.小时。

3.根据权利要求1所述的一种高倍偶合浓缩装置，其特征在于，所述均相膜电渗析部件采用的阴阳离子交换膜的离子选择性98.5-99.5％，膜电阻为3-5欧/平方厘米。

4.根据权利要求1所述的一种高倍偶合浓缩装置，其特征在于，所述反渗透部件所采用的膜元件，其截留率为99-99.6％，膜通量为20-40升/平方米.小时。