CN2567203Y - 一种浓水室隔板嵌入式膜对结构的一级多段型电去离子装置 - Google Patents

Abstract

一种浓水室隔板嵌入式膜对结构的一级多段型电去离子装置，主要由膜堆、电极装置、夹紧装置三部分组成，膜堆又由若干个膜对基本单元组成。在淡水室隔板的正、反两面上制有不对称的下凹平台，在其一侧的下凹平台中嵌入有浓水室隔板和阴(阳)离子交换膜，在另一侧则嵌入有阳(阴)离子交换膜。在淡水室隔板与电极隔板的四边边框上开设有和夹紧板上位置和大小相同的螺孔，装置以内夹紧的方式组装夹紧。本实用新型便于拆装、清洗，具备更可靠的密封效果，组装更便捷可靠，生产效率得到提高。此外，装置重量与成本显著降低，处理水量得到提高，故便于产品的推广使用。

Description

一种浓水室隔板嵌入式膜对结构的一级多段型电去离子装置

                          技术领域

本实用新型涉及一种超纯水的生产装置，尤其涉及一种电去离子技术及装置。

                          背景技术

传统的水的脱盐制备纯水技术，主要包括电渗析、反渗透、离子交换等技术。电渗析和反渗透因浓差极化所限，不能直接制取高纯水；离子交换虽然可近乎彻底地去除水中的各种杂质离子，但是它所使用的离子交换树脂在饱和后必须使用酸碱进行化学再生，酸碱的用量很大，而且产生大量的废酸液和废碱液，容易导致环境污染。

电去离子(英文名称Electrodeionization，简称EDI)，又称连续去离子(Continuous deionization，简称CDI)，是近年来迅速成熟并得到很快推广应用的一种深度脱盐新技术。EDI通过在电渗析器的淡水室中填充按一定比例混合的阴阳离子交换树脂，从而将电渗析和离子交换技术有机结合，既通过电能和离子交换膜及树脂的作用实现深度脱盐，又通过电能实现离子交换树脂的连续再生，因而同时避免了电渗析不能直接制取高纯水和对离子交换树脂使用酸碱频繁再生的缺点。在适当的技术条件配置下，EDI可直接制取电阻率16-18MΩ·cm的超纯水，从而在电子、医药、能源、石化等众多工业领域中具有极其重大的使用价值。

专利US4632745公开了第一台实用化EDI装置的结构设计，其后不久，专利US4747929又公开了EDI的关键部件——淡水室隔板的结构设计。该隔板的主要特点是在淡水室中设计了数根平行的肋板，将淡水室分成几个亚室，使淡水室中的水流分布均匀，避免了树脂的冲击和抱团，改善了水流和树脂的接触效果。此外，通过特殊设计的进出水口避免了树脂颗粒的流失与堵塞问题。该专利及其他的专利如US4804451、US4925541、US4931160中，淡水室隔板的厚度均为3mm。最近几年，国内也开始出现了EDI专利技术的实际应用，如ZL96244874.5，ZL00200207.8等。

EDI装置的主体由膜堆、电极装置和夹紧装置三部分组成，以机械力压紧，其中膜堆又由若干个基本单元——膜对组成，每个膜对含有浓水室隔板、阴离子交换膜、淡水室隔板、阳离子交换膜各一张，其中淡水室隔板的结构设计是EDI装置的技术核心。

现有的EDI装置中，浓淡水隔板的面积等同，一般均使用纯质聚丙烯材质，前者的厚度为0.8mm，后者的厚度为3mm。夹紧方式为外夹紧，夹紧板的面积稍大于浓水室隔板和淡水室隔板，并只在夹紧板的四周边缘开设螺孔，从而在膜堆组装之后，整个膜堆均处于螺栓的范围之内，螺栓只穿过夹紧板而处于膜堆四周外侧。此外，国外的EDI装置大多通过特殊的粘接工艺将阴阳离子交换膜与淡水室隔板的正反两面粘为一体而达到密封的目的。上述的设计存在着如下的一些缺陷。(1)离子交换膜与隔板的粘接密封，使膜堆成为一次性装置，不能进行拆卸清洗和膜的更换。此外，离子交换膜在湿润状态下的膨胀容易导致在干态下进行的粘接因局部的变形而失败，从而导致膜堆内部浓、淡水之间的内漏窜水。(2)离子交换膜的四周边缘外露，在长期运行、储存、运输过程容易失水干裂，也容易导致膜局部的溶胀不均而变形，导致膜堆的漏水或内部窜水。对于以超纯水为生产目的的EDI装置，即使极其少量的内漏窜水，都会对过程带来极大影响。(3)薄型浓水室隔板采用与淡水室隔板相同的纯质聚丙烯材质，其弹性与较薄的厚度容易使之在储存中即产生变形，在与等面积的淡水室隔板重叠叠放、组装过程中导致安装位置发生偏差、不能在淡水室中顺利填充离子交换树脂等不便。(4)夹紧板的面积大于浓、淡水隔板的外夹紧方式容易使得膜堆两侧的夹紧板承受过大的拉力而弯曲变形，从而导致膜堆因四周受力不均而变形漏水与内部窜水，这迫使EDI装置都只能采用沉重昂贵的金属夹紧装置并尽可能使用增大厚度的夹紧板，甚至很多装置不仅在膜堆的左右两侧设置有很大厚度的不锈钢夹紧板，同时在前后两侧还设有铸铁连接板，这使得装置成本显著增加，同时不利于搬运安装。

专利ZL00200207.8在淡水室隔板的正反两面同时设置了等高的下凹平台，分别将阴阳离子交换膜嵌入隔板的边框内，在设计尺寸合理的情况下，依靠压紧力即使阴阳膜的外表面分别与淡水室隔板正反两面的边框相平，从而实现了膜与隔板的免粘接良好密封，并使装置具有可拆卸性；此外，膜完全被置于膜堆内部而不外露，在装置整体性能得到改进的同时，避免了膜四周边缘可能的失水干裂、变形，改善了装置的密封效果。

                        发明内容

本实用新型的目的在于提供一种含有改进的膜对结构的电去离子装置，进一步提高EDI膜堆的密封性能与运行可靠性，更好地为离子交换膜提供支撑作用，防止膜塌陷；同时，彻底避免夹紧板和膜堆的夹紧变形问题，有效提高夹紧密封效果与可承受操作压力，并减低夹紧装置的原材料成本。

本实用新型是通过如下的技术方案实现的：

设计一种新型的一体化膜对结构，在淡水室隔板的正反两面分别设置不对称的下凹平台，在一侧的下凹平台中嵌入浓水室隔板和阴(阳)离子交换膜，在另一侧的下凹平台中嵌入阳(阴)离子交换膜；淡水室隔板的宽度和夹紧板的宽度相同，其四周几何尺寸与电极隔板则完全相同，在淡水室隔板的四周边缘设置与夹紧板上位置、大小相同的螺孔，夹紧螺栓采用内夹紧的方式，穿越膜堆中全部的淡水室隔板和夹紧板。这种设计的优点在于可使膜堆的有效受力面积增大，受力均匀，同时嵌入于淡水室隔板中的刚性浓水室隔板可为其两侧的阴阳离子交换膜提供最充分的有效支撑，防止膜塌陷与膜堆的隔板变形与漏水，并使装置可使用低强度材质的夹紧板，减低装置的制造成本和装置重量，有利于推广应用。

                     附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为组装中的一体化膜对结构示意图；

图3为一体化膜对结构的分解示意图；

图4为一级两段的EDI装置实施例的内部流程与结构示意图。

图中：

1-夹紧板；2-螺栓；3-螺母；4-正极隔板；5-正电极；6-正极室；7-阳离子交换膜；8-浓水室隔板；9-浓缩室；10-阴离子交换膜；11-淡水室隔板；12-淡化室；13-离子交换树脂；14-负极室；15-负电极；16-负极隔板；17-夹紧板；18-筛网；19-淡化水进水孔；20-极水孔；21-浓缩水进水孔；22-淡水室隔板边框；23-下凹台阶；24-肋条；25-正面下凹平台；26-淡化水出水孔；27-浓缩水出水孔；28-配液槽；29-集液槽；30-配液槽覆盖板；31-集液槽覆盖板；32-螺孔；33-换向离子交换膜；34-膜对；35-淡化水进水；36-极水进水；37-浓缩水进水；38-产品水；39-极水出水；40-浓缩水出水；

                     具体实施方式

由附图可知，本实用新型结构包括膜堆、电极装置和夹紧装置三部分。电极装置包括正极隔板4、正电极5、正极室6、负极室14、负电极15和负极隔板16，其中在正负极室中填有筛网18。夹紧装置包括左右夹紧板1和17以及紧固螺栓2和螺母3。膜堆由若干个膜对34重叠叠放而成，每个膜对34包括浓水室隔板8、阴离子交换膜10、淡水室隔板11和阳离子交换膜7各一张，以固定的顺序交替排列，其中浓水室隔板和阴(阳)离子交换膜嵌于淡水室隔板11的背面下凹平台中，阳(阴)离子交换膜嵌入淡水室隔板的正面下凹平台25中。浓水室隔板采用刚性ABS(丙烯腈—丁乙烯—苯乙烯共聚物)材质，淡水室隔板采用弹性聚丙烯PP材质。并联排列的膜对数越多，单台EDI装置的处理水量就越大。

在淡水室隔板的淡化室12中填充有离子交换树脂13，一般为强酸、强碱性混床树脂，阴阳树脂的体积比为1∶1-2∶1。在浓缩室9中填有与正负极室中同样的尼龙筛网18，其作用是构造流道、促进湍流并为离子交换膜提供支撑。

淡水室隔板的厚度等于淡水室厚度、浓水室隔板的厚度与夹紧状态下的阴离子交换膜和阳离子交换膜厚度的总和。浓水室隔板的厚度为0.6-1.2mm，以0.8-1.0mm尤佳；淡水室隔板的厚度为4.0-6.0mm，以4.5-5.0mm尤佳。

淡水室隔板11上开设有淡化水进水孔19、淡化水出水孔26以及浓缩水进、出水孔21与27，以及极水孔20。在进水孔19与淡水室12之间设计有溢流式配液槽28，其作用是对水流在进入淡化室之前进行均匀分配；在出水孔与淡水室之间设计有与之对称的溢流式集液槽29，其作用是收集淡化水，从出水孔26处流出。在配液槽与集液槽的上方分别设有刚性的覆盖板30和31，其材质不透水不导电，不同于覆盖板外侧的离子交换膜。组装后覆盖板的表面与正面下凹平台25处于同一平面上。覆盖板在淡水室宽度方向上的密封长度大于淡水室的宽度，其密封效果一直延伸到下凹台阶23处。覆盖板不仅起到密封树脂，防止树脂流失或堵塞的作用，而且可防止在配液槽与集液槽内发生单方向的电渗析过程而降低装置性能。

在淡水室12中设有数根相互平行，分布均匀的肋条24，将淡化室分成若干个相互平行的小流道，这些小流道和填充在流道中的离子交换树脂以及淡水室两侧的阴阳离子交换膜便构成相应的若干个亚室。这一设计既能避免树脂在运行中的冲击抱团，又使水流与树脂间的接触更充分、均匀，避免了淡水室中的沟流，同时也对离子交换膜提供了有效支撑。

本实用新型的主要改进之处有三点：(1)更可靠的密封效果

浓水室隔板和淡水室隔板一为刚性，一为弹性，避免了夹紧中的变形和局部的夹紧不良，使全部的夹紧受力面受力均匀；浓水室隔板与离子交换膜面积相同，并嵌入淡水室隔板中，其厚度与湿润溶胀状态下的离子交换膜的厚度之和稍大于淡水室隔板背面下凹平台的高度，在设计尺寸合理的情况下，依靠夹紧力即可使浓水室隔板的外表面与淡水室隔板的边框相平，同时嵌入于淡水室隔板正面下凹平台中的离子交换膜的外表面也与隔板的正面边框相平。这一设计，使得浓水室隔板可为其左右两侧的阴阳离子交换膜提供最充分的支撑，从而有效防止因浓淡水室中的压力差造成的膜塌陷、膜变形和内漏窜水，使得EDI装置可以允许在更高的浓、淡水室压力差的状态下运行，从而可使装置获得更高的水收率，并且对于同样规模的EDI装置可以实现更高的淡水处理量。

淡水室隔板的宽度与电极隔板和夹紧板的等同而采用内夹紧的方式，使得整个膜堆直接受力，置于左右夹紧板中间的膜堆为夹紧板提供了有效支撑，从而彻底避免了夹紧板和膜堆的夹紧变形与可能导致的外部漏水。进一步地，该设计使得EDI膜堆可以承受更强的夹紧力，不仅使密封更可靠，也使EDI的允许操作压力和水流量得到提高。(2)更便捷可靠的膜堆组装

由于淡水室隔板的边长与面积和电极隔板的完全相同，其宽度则与夹紧板的宽度相同，因此在EDI装置组装中，只须利用少量的螺栓固定每一张淡水室隔板，使其与前一张隔板完全重叠即可保证其正确的定位，避免整个膜堆在安装过程中在长度和宽度方向上的偏移，以及这种偏移所必然导致的膜堆夹紧变形，从而提高EDI装置的生产效率和可靠性。(3)更低的装置成本与更方便的搬运安装

由于采用更可靠的内夹紧方式避免了夹紧板的变形，从而允许夹紧板可使用轻质金属材料(如铝合金板)，甚至使用刚性聚氯乙烯PVC塑料材质。相对于价格偏高、重量更大的铸铁、不锈钢等金属材质而言，装置成本显著下降，同时重量明显减轻，便于工程施工中的搬运安装。

下面再结合实施例对本实用新型的工作原理进行说明。

图4所示为内部流程设计为一级两段的EDI装置的内部结构示意图。在膜堆的中间膜对中设置有换向离子交换膜33，其特点是在相对应于其他隔板与膜的淡化水和浓缩水的进水孔处没有开设同样的水孔，从而使得膜堆分成前后两段。在第一段的每张淡水室隔板和浓缩水隔板中，淡化水和浓缩水的水流方向是由上至下，而在第二段中是由下至上。

对于整个EDI装置，淡化水进水35由正极隔板4的淡水进水孔进入，横向分配至第一段的每张淡水室隔板11中，通过隔板的溢流配液槽22进入淡水室12，经由溢流集液槽29收集，由出水孔26流出通过换向膜进入第二段；在第二段的每张淡水室隔板中，水流由原出水孔26向原进水孔19，以相反的方向流动，最后由负极隔板16的产品水出水孔38流出。浓缩水进水37由浓水进水孔进入，横向分配至第一段的每张浓水室隔板8中，通过换向膜进入第二段，最终由负极隔板的浓缩水出水40流出。极水进水36由正极隔板的极水进水孔进入，通过出水孔，并直接穿过每张浓淡水隔板和阴阳离子交换膜上的极水孔进入负极隔板，由极水出水孔39流出。淡化水、浓缩水、极水三股水流在EDI装置内部各自按其设定的流道流动，互不相窜。

在淡水室中，原水中的盐离子首先由离子交换作用交换吸附到离子交换树脂颗粒上，在与水流方向垂直的外直流电场的作用下，盐离子通过相互接触的树脂颗粒被输送到离子交换膜的淡水室一侧表面，阳离子向负极方向迁移并透过阳离子交换膜进入浓缩室，阴离子向正极方向移动并透过阴离子交换膜进入浓缩室。浓缩水原水在流经浓水室后富集到由淡水室迁移进来的盐离子，由浓缩水出口40排出，淡化水流经淡水室后盐离子被去除，从而得到高纯产品水。在EDI装置运行过程中，只要控制一定的操作条件，淡水室内侧的离子交换膜与离子交换树脂的表面滞流层中就会在电场作用下发生浓差极化和水的解离。水解离产生的H⁺和OH^-离子即对所填充的混床树脂起到自动连续的再生作用，从而保证了在水的流程的下游始终保持有一定长度的再生状态的混床树脂，达到连续深度脱盐、制取高纯水的目的。

当只需要从原水中去除单一的阳(阴)离子时，相应地在淡水室中只填充单一的阳(阴)离子交换树脂。当填充阳树脂时，通过适当的操作条件的控制，EDI装置即具备软化水的特殊功能，即主要只去除原水中的钙、镁硬度离子，成为电去离子软水器。对于去除水中相对较大的钙、镁硬度离子的生产目的，要求所填充的离子交换树脂具备足够多，孔径足够大的微孔供离子迁移。由于大孔树脂与凝胶树脂相比，其内部孔径更大，同时不受树脂干缩状态的影响而永久具有空间网络状的微孔，不因吸附饱和或再生而发生溶胀或收缩变形，故可优先选用以提高装置分离性能与可靠性。

本实用新型可以根据制水要求灵活地组装成一级两段、一级多段或多级多段的形式。本实用新型的优点，是在具有可拆卸性和膜堆运行的良好可靠性的同时，使装置具有更可靠的密封效果，膜堆组装更为便捷可靠，生产效率得到提高。对夹紧装置与方式的改进不仅使装置成本显著降低，同时极大减轻装置重量，便于工程施工中的搬运安装，故便于产品的推广使用。

Claims (2)

1、一种浓水室隔板嵌入式膜对结构的一级多段型电去离子装置，它的结构主要包括膜堆、电极装置、夹紧装置三部分。夹紧装置由两块夹紧板和拉紧螺栓组成，在两夹紧板内侧分别是由电极室与电极隔板组成的正、负电极装置，在正负电极之间是膜堆；膜堆的基本单元为膜对，每个膜对依次由浓水室隔板、阴离子交换膜、淡水室隔板、阳离子交换膜各一张组成，或依次由浓水室隔板、阳离子交换膜、淡水室隔板、阴离子交换膜各一张组成，并在淡水室隔板中填充有离子交换树脂，其特征在于：淡水室隔板四边几何尺寸与电极隔板的完全相同，其宽度与夹紧板的宽度相同，在淡水室隔板、电极隔板、夹紧板的边框相同的位置上开设大小相同的拉紧螺栓孔；淡水室隔板沿轴向的两侧制有非对称的下凹平台，一侧下凹平台内嵌入浓水室隔板与阴离子交换膜，夹紧后它们的厚度之和与该侧下凹平台的深度相同，同时另一侧下凹平台内嵌入阳离子交换膜，夹紧后的阳膜厚度与该侧的下凹平台的深度相同；或者，在一侧下凹平台内嵌入浓水室隔板与阳离子交换膜，夹紧后它们的厚度之和与该侧下凹平台的深度相同，同时另一侧下凹平台内嵌入阴离子交换膜，夹紧后的阴膜厚度与该侧的下凹平台的深度相同；在淡水室隔板内填充比例为1∶1-2∶1的阴阳混合离子交换树脂，或者单一的大孔阳离子交换树脂；在膜堆中每间隔2-30个膜对的膜对中的阳离子交换膜或阴离子交换膜，只在其上端或下端的单端开设或进或出的浓缩水孔、淡化水孔和极水水孔。

2、根据权利要求1所述的电去离子装置，其特征在于，浓水室隔板的厚度为0.8-1.0mm，淡水室隔板的厚度为4.5-5.0mm。

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