TWI541200B - 利用雙極性透膜之水處理法 - Google Patents
利用雙極性透膜之水處理法 Download PDFInfo
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Description
本發明係關於用於水處理之電解裝置之用途。
美國專利申請案12/123,521，於2008年5月20日申請且讓與美國通用電器公司(General Electric Company)，該申請案在此以引用的方式併入本文中。
水溶液系統中生垢物質(諸如淡鹽水及冷卻塔補給物或排放物)的存在會導致系統維護增加及系統產率降低。因此，需要減少水溶液系統中生垢物質的存在。
本發明之一個實施例係關於一種水處理方法，其包含：提供包含電解容器之電解裝置；向該容器之第一鹽水腔室、該容器之第二鹽水腔室、該容器之酸性腔室及該容器之鹼性腔室提供進料流，該酸性腔室產生酸性溶液且該鹼性腔室產生鹼性溶液；引導該第一及該第二鹽水腔室之至少一部分內容物至沈澱槽中；引導該鹼性溶液之至少一部分至該沈澱槽中，因此增加該沈澱槽之pH值以產生沈澱物；及自該沈澱槽移除該沈澱物。
本發明之另一實施例係關於一種電解裝置，其包含一對排列於電解容器中之電極，分別充當正極與負極；及排列於正負極之間的池單元(cell unit)，該池單元包含雙極性透膜元件及至少一個陽離子交換透膜，該雙極性透膜元件具有陽離子交換側及陰離子交換側，陽離子交換側比陰離子
交換側更接近於負極，該至少一個陽離子交換透膜排列在雙極性透膜元件之陰離子交換側與正極之間，以便在雙極性透膜元件與陽離子交換透膜之間界定鹼性腔室；其中該陽離子交換透膜為選擇性的。
本發明之此等及其它態樣將與顯示結構詳情之圖式及說明性實施例一起自本文之描述與申請專利範圍得以瞭解。
可應用如本文中貫穿本說明書及申請專利範圍所使用之近似語言來修飾任何數量表示，該數量表示可在許可情況下變化而不會導致與其有關之基本函數改變。因此，由諸如「約」之一或多個術語修飾之值並不限於所規定之精確值。在至少一些情況下，近似語言可對應於用於量測該值之儀器的精度。範圍限制可經合併及/或互換，且該等範圍係經鑑別，且除非上下文或措辭另外指明，否則該等範圍包括本文陳述之所有子區間。除了操作實例或另外指出之情況中以外，本說明書與申請專利範圍中所使用之關於成分之量、反應條件及其類似因素的所有數字或表述應理解為在所有情形下由術語「約」修飾。
「可選」或「視情況」意謂隨後描述之事件或情況可能發生或可能不發生，或意謂隨後鑑別出之物質可能存在或可能不存在，且意謂該描述包括事件或情況發生或物質存在之實例，及事件或情況不發生或物質不存在之實例。
如本文中所使用之術語，「包含」、「包括」、「具有」或其任何其他變化形式意欲涵蓋非排他性之包括。舉例而
言，包含一列元件之製程、方法、物品或設備未必僅限於彼等元件，而可包括未明確列出或該製程、方法、物品或設備所固有之其它元件。
除非本文另外明確指出，否則單數形式「一」及「該」包括複數個指示物。
工業中廣泛使用冷卻塔在諸如煉油廠、化學製程及發電廠之製程中散熱。冷卻塔亦用於商業、公共及醫院建築物常見之暖通空調系統(HVAC system)中。在許多國家，冷卻塔操作中之耗水量構成天然水源中最大之取水量。缺水已在全世界變得越來越受關注。根據全球環境展望(Global environment outlook)公佈之數據，2000年，5%之人口面臨缺水問題，主要在中東地區。然而，至2030年，幾乎一半世界人口將用水緊張。
除有限的水資源外，對於工業廢水之處理，環境法規愈加具有限制性。近年來，廢水在排放至環境前的處理成本持續增加。
全世界缺水及嚴格的環境法規已使得所有工業中不斷加強水保持工作。不可避免地，其已對工業水使用，特別是耗水量巨大之工業造成重大影響。冷卻水系統保持工作已集中在用經處理之城市污水、再利用之工廠廢水替代新鮮水，且藉由在諸如大於約7倍之高濃縮倍數下操作以減少排水量。
隨濃縮倍數漸增，沈積之趨勢因Ca、鹼度、SiO2、淤泥、Fe、Al等之高濃度而增加。同樣地，腐蝕之趨勢因Cl-
及SO4 2-之高導電性及高濃度，隨增加之倍數而增加。
處理在高倍數下操作之冷卻塔的一般方法為添加酸以降低鹼度，在較低pH值下操作冷卻塔，因此降低冷卻系統中之沈積或沈澱趨勢。此通常需要添加高劑量之諸如陰離子聚合物及腐蝕抑制劑之化學品至冷卻塔。然而，強酸之處理與儲存會對工作者及環境造成危險，尤其在商業及公共建築物中。化學品用量增多亦會引起總處理成本增加。
在一個實施例中，本發明係針對一種使用電解裝置(諸如雙極性透膜或其與奈米過濾單元之組合)處理來自高濃縮倍數操作下的冷卻塔之水的方法。將冷卻塔水提供給該電解裝置。將產生自該電解裝置之酸性溶液添加至冷卻塔以降低鹼度及pH值。將產生自該電解裝置之鹼性溶液添加至分離設備中一部分冷卻塔排放流中以沈澱鈣、二氧化矽及其它生垢物質。沈澱物移除後，將分離設備中之水軟化且使其返回至冷卻塔。此方法容許冷卻塔在高濃縮倍數下操作及/或實現零液體排放(liquid discharge)，因此顯著降低耗水量及水處理化學品用量。
參考圖1，用於產生酸性溶液及鹼性溶液之電解裝置2的第一實施例包括一對分別充當正極21及負極22之電極，至少一個介於正極21與負極22之間的池單元23，及用於其中安置電極21、電極22及池單元23之容器24。正極21與負極22分別與直流電源(DC power supply)25之陽極與陰極連接。容器24包括至少一個第一入口243、第二入口244、第三入口245及第四入口246用以誘導進料流流經電解裝置
2。池單元23包括界定於離子交換透膜之間的至少一個鹼性腔室236及至少一個酸性腔室235，其將如下詳細討論。
圖1顯示，根據第一實施例之電解裝置2之容器24的池單元23包含雙極性透膜元件230、陽離子交換透膜231及陰離子交換透膜232。雙極性透膜元件230具有陽離子交換側233及陰離子交換側234且用作水分解器(water splitter)。雙極性透膜元件230之陽離子交換側233比陰離子交換透膜232更接近正極21。陽離子交換透膜231排列於陰離子交換側234與正極21之間。陰離子交換透膜232排列於陽離子交換側233與負極22之間。
來自電源25之直流流經雙極性透膜元件230，引起水分解，其中OH-離子產生於雙極性透膜元件230之陰離子交換側234上且相應數目之H+離子產生於陽離子交換側233上。陽離子交換透膜231與陰離子交換透膜232分別阻止所產生之OH-與H+離子進一步移動。
陽離子交換透膜231為選擇性的且僅傳遞單價陽離子。陰離子交換透膜232為選擇性的且僅傳遞單價陰離子。因此，由第二入口244接受之來自鹽水的Na+離子穿過陽離子交換透膜231朝負極22方向移動，而Ca2+、Mg2+、Ba2+、Fe2+、Fe3+及Al3+不能穿過陽離子交換透膜231。此外，由第一入口243接受之來自鹽水的Cl-離子穿過陰離子交換透膜232朝正極21方向移動，而CO3 2-、SO4 2-及PO4 3-不能穿過陰離子交換透膜232。
因此鹼性腔室236界定於雙極性透膜元件230與陽離子交
換透膜231之間，且酸性腔室235界定於雙極性透膜元件230與陰離子交換透膜232之間。
第一鹽水腔室237界定於負極22與陰離子交換透膜232之間。第二鹽水腔室238界定於正極21與陽離子交換透膜231之間。
第一入口243向第一鹽水腔室237提供進料流，第二入口244向第二鹽水腔室238提供進料流，第三入口245向酸性腔室235提供進料流，且第四入口246向鹼性腔室236提供進料流。提供給第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238之進料流可包含冷卻塔補給水、冷卻塔排放水或低品質水中之至少一者。
容器24進一步包括分別用於鹼性腔室236之鹼性溶液及酸性腔室235之酸性溶液流出之酸性出口241及鹼性出口242。容器24亦包括分別用於第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238之鹽水流出之第一鹽水出口247及第二鹽水出口248。
通過入口245進入酸性腔室235之進料流可為純水或自容器24之酸性出口241流出之酸性溶液中的一或兩種。通過入口246進入鹼性腔室236之進料流可為純水或自容器24之鹼性出口242流出之鹼性溶液中的一或兩種。
產生於鹼性出口242之鹼性溶液可用來形成高pH值環境以沈澱水溶液系統中之硬質及其它物質，諸如CaCO3、CaMg(CO3)2、Ca3(PO4)2、Ca5(PO4)3OH、CaSO4、Fe(OH)3、Al(OH)3、MgSiO3等。產生於酸性腔室235之酸性溶液可用
於調節冷卻塔水之pH值及將硬質自容器24中之透膜或電極清除掉。
雙極性透膜元件230具有水分解特性以將水直接分解為H+及OH-。
雙極性透膜元件230之應用可極大改良用於自水產生鹼性溶液及酸性溶液的電解裝置2之效率。雙極性透膜元件230可為包括陽離子交換層與陰離子交換層之雙極性透膜，或由陰離子與陽離子交換透膜之組合所形成起雙極性透膜作用之雙極性模組。
在一個實施例中，正極21與負極22係由選自活性碳、碳黑、奈米碳管、石墨、碳纖維、碳纖布、碳氣凝膠之任一者或其組合的高孔隙度碳物質製成。藉由氮吸附BET法量測，碳材料之表面積在約每克500平方公尺至2000平方公尺之範圍內。高孔隙度之正極21與負極22各自具有板狀、塊狀、圓柱狀或薄片狀之形狀、尺寸或組態。亦預測正極21與負極22可由一般技術者認為適合之任何金屬或多孔材料製得，諸如活性碳。
圖2揭示一個實施例，其中電解裝置2用來產生用於調節冷卻塔水pH值或清潔電解裝置2之酸性溶液且用來產生用於沈澱硬質之鹼。在此組態中，將鹽水槽301之輸出物作為進料流提供給容器24之該第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238。鹽水槽301可含有冷卻塔補給水、冷卻塔排放水或低品質水中之一或多者。低品質水為需要處理以軟化及/或移除不希望有之離子物質的任何水，諸如淡鹽水。將水
作為進料流提供至酸性腔室235及鹼性腔室236。將酸性腔室235之輸出物提供給冷卻塔。將鹼性腔室236之輸出物提供給沈澱槽304，且亦將第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238之輸出物提供給沈澱槽304。因此，自鹼性腔室236將鹼性溶液添加至沈澱槽304中可增加沈澱槽304之pH值至所需值，以便沈澱諸如CaCO3、MgCO3、CaSO4、Mg(OH)2等金屬鹽及金屬氫氧化物。沈澱物自沈澱槽304移除後，將來自沈澱槽304之處理過的水提供給儲水槽或冷卻塔。在一個實施例中，添加來自電解裝置2之鹼性溶液後，沈澱槽304中所需之pH值在約7至14之間，較佳在約8至13之間且更佳在約9至12之間。
此外，如圖3所顯示，亦預期在某些實施例中產生於酸性腔室235中之所有或部分酸性溶液可返回酸性腔室235作為進料流。此外，產生於鹼性腔室236中之所有或部分鹼性溶液返回鹼性腔室236作為進料流。此將容許酸性腔室235及鹼性腔室236內之酸溶液及鹼溶液的濃度隨時間而增加。此外，此將容許沈澱槽304內之pH值增加以促進沈澱。
圖4揭示另一實施例，其中電解裝置2用來產生用於調節冷卻塔水pH值或清潔電解裝置之酸性溶液且用來產生用於沈澱硬質之鹼溶液。在此實施例中，將冷卻塔排放物傳遞至選擇性透膜501，其輸出提供給沈澱槽502之二價離子流。選擇性透膜501可為奈米過濾單元。該二價離子流含有一或多種二價離子，諸如Ca2+、Mg2+、Ba2+、Fe2+、
Fe3+、Al3+、CO3 2-、SO4 2-及PO4 3-等。選擇性透膜501輸出提供給容器24之第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238的單價離子流。該單價離子流含有一或多種單價離子，諸如Na+、Cl-等。此外，將水進料流提供給容器24之酸性腔室235及鹼性腔室236。
將鹼性腔室236之鹼性溶液輸出物提供給沈澱槽502，此可增加沈澱槽502中之pH值至所需值以沈澱諸如CaCO3、MgCO3、CaSO4、Mg(OH)2等金屬鹽及金屬氫氧化物。在一個實施例中，添加來自容器24之鹼性溶液後，沈澱槽304中所需之pH值在約7至14之間，較佳在約8至13之間且更佳在約9至12之間。
接著將沈澱物自沈澱槽502移除且將含於沈澱槽502中之剩餘處理過的水用作冷卻塔補給水或用於其它工業製程。將第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238之輸出物與來自沈澱槽302之剩餘處理過的水合併作為冷卻塔補給水或用於其它工業製程。酸性腔室235之酸性溶液輸出物可用於調節冷卻塔水之pH值及/或調節自沈澱槽502流出之處理過之水流的pH值及用於清潔容器24之透膜。使來自沈澱槽502之剩餘水返回至冷卻塔可降低耗水量且減少或消除排放至下水道或河流之廢水。此外，在冷卻塔中使用高品質水可減少用於處理冷卻塔中水所需之化學品的量，因此降低處理成本及對環境的影響。
此外，如圖5所顯示，亦預期在某些實施例中，酸性腔室235之所有或部分酸性溶液輸出物可返回酸性腔室235作
為進料流。此外，鹼性腔室236之所有或部分鹼性溶液輸出物可返回鹼性腔室236作為進料流。此將容許酸性腔室235及鹼性腔室236內之酸溶液及鹼溶液的濃度隨時間而增加。此外，沈澱物移除後，將鹽腔室237及鹽腔室238之輸出物與來自沈澱槽之剩餘處理過的水合併作為冷卻塔補給水或用於其它工業製程。
圖6揭示另一實施例，其中電解裝置2用來產生用於調節冷卻塔水pH值、清潔電解裝置2之酸性溶液及/或用來產生用於沈澱硬質之鹼。在此實施例中，將諸如淡鹽水之低品質水進料流傳遞至選擇性透膜601，其可輸出提供給沈澱槽602之二價離子流。然而，預期進料流可包含冷卻塔補給水、冷卻塔排放物或低品質水中之至少一者。該二價離子流含有一或多種二價離子，諸如Ca2+、Mg2+、Ba2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、CO3 2-、SO4 2-、PO4 3-等。選擇性透膜601輸出提供給電解裝置2之第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238的單價離子流。選擇性透膜601可為奈米過濾單元。該單價離子流含一或多種單價離子，諸如Na+、Cl-等。此外，將水進料流提供給容器24之酸性腔室235及鹼性腔室236。
將鹼性腔室236之輸出物提供給沈澱槽602，此可增加沈澱槽602之pH值至所需值以沈澱Ca及Mg鹽及金屬氫氧化物。在一個實施例中，添加來自容器24之鹼性溶液後，沈澱槽602中所需之pH值在約7至14之間，較佳在約8至13之間且更佳在約9至12之間。接著將沈澱物自沈澱槽602移除
且將含於沈澱槽602中之剩餘處理過的水用作冷卻塔補給水或用於其它工業製程。將第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238之輸出物與來自沈澱槽之剩餘處理過的水合併且用作冷卻塔補給水或用於其它工業製程。酸性腔室235之酸性溶液輸出物可用於調節冷卻塔水之pH值、調節自沈澱槽602流出之處理過之水流的pH值及清潔容器24之透膜。
此外，如圖7所顯示，亦預期在某些實施例中酸性腔室235之所有或部分輸出物可返回酸性腔室235作為進料流。此外，鹼性腔室236之所有或部分輸出物可返回鹼性腔室236作為進料流。此將容許酸性腔室235及鹼性腔室236內之酸溶液及鹼溶液的濃度隨時間而增加。將第一鹽水腔室237及第二鹽水腔室238之輸出物與來自沈澱槽之剩餘處理過的水合併且用作冷卻塔補給水或用於其它工業製程。
來看圖8，在本發明之一個實施例中，將來自冷卻塔(在大於約7倍之高濃縮倍數下操作)之第一部分排放物及純水提供給電解單元。該電解單元使用第一部分排放物及純水在酸性腔室235中產生酸性溶液，在鹼性腔室236中產生鹼性溶液，且在第一腔室237及第二腔室238中產生鹽水溶液。將該酸性溶液提供給冷卻塔以減少在冷卻塔中循環之水的鹼度及pH值。將鹼性溶液與第二部分排放物在沈澱槽702中混合以沈澱來自第二部分排放物之鈣及其它成垢物質並使之移除，因此軟化第二部分排放物。接著使經軟化之第二部分排放物返回至冷卻塔作為補給水。
在一個實施例中，排放物離開冷卻塔後係藉由奈米過濾
單元701過濾。奈米過濾後，第一部分排放物包含一或多種單價離子且第二部分排放物包含一或多種二價離子。在某些實施例中，將鹽水溶液添加至經軟化之第二部分排放物中且使其返回至冷卻塔中作為補給水。
雖然已結合上述特定實施例描述本發明，但很明顯熟習此項技術者對於許多替代方案、組合、修改及改變顯而易知。因此，以上闡述之本發明之較佳實施例意欲僅為說明性的而非限制性的意義。可在不偏離本發明之精神及範疇的情況下對其作出許多改變。因此，本發明之技術範疇不僅涵蓋上述之彼等實施例，並且涵蓋所有屬於隨附申請專利範圍範疇內的實施例。
此書面描述使用實例揭示本發明，包括最佳模式，且亦使得任何熟習此項技術者能夠實踐本發明，包括製造且使用任何裝置或系統且執行任何併入之方法。本發明可以取得專利的範疇係由申請專利範圍所定義，且可能包括熟習此項技術者想到之其它實例。若此等其它實例具有並未不同於申請專利範圍之文字措辭的結構元件，或若其包括與申請專利範圍之文字措辭無實質差異的等效結構元件，則其屬於申請專利範圍之範疇內。
2‧‧‧電解裝置
21‧‧‧正極
22‧‧‧負極
23‧‧‧池單元
24‧‧‧容器
25‧‧‧直流電源
230‧‧‧雙極性透膜元件
231‧‧‧陽離子交換透膜
232‧‧‧陰離子交換透膜
233‧‧‧陽離子交換側
234‧‧‧陰離子交換側
235‧‧‧酸性腔室
236‧‧‧鹼性腔室
237‧‧‧第一鹽水腔室/第一腔室
238‧‧‧第二鹽水腔室/第二腔室
241‧‧‧酸性出口
242‧‧‧鹼性出口
243‧‧‧第一入口
244‧‧‧第二入口
245‧‧‧第三入口
246‧‧‧第四入口
247‧‧‧第一鹽水出口
248‧‧‧第二鹽水出口
301‧‧‧鹽水槽
304‧‧‧沈澱槽
501‧‧‧選擇性透膜
502‧‧‧沈澱槽
601‧‧‧選擇性透膜
602‧‧‧沈澱槽
702‧‧‧沈澱槽
圖1示意性說明雙極性透膜之一個實施例；圖2示意性地說明一種操作圖1之雙極性透膜的方法；圖3示意性地說明一種操作圖1之雙極性透膜的方法；圖4示意性地說明一種操作圖1之雙極性透膜的方法；
圖5示意性地說明一種操作圖1之雙極性透膜的方法；圖6示意性地說明一種操作圖1之雙極性透膜的方法；圖7示意性地說明一種操作圖1之雙極性透膜的方法；及圖8示意性地說明一種操作圖1之雙極性透膜的方法。
2‧‧‧電解裝置
21‧‧‧正極
22‧‧‧負極
23‧‧‧池單元
24‧‧‧容器
25‧‧‧直流電源
230‧‧‧雙極性透膜元件
231‧‧‧陽離子交換透膜
232‧‧‧陰離子交換透膜
233‧‧‧陽離子交換側
234‧‧‧陰離子交換側
235‧‧‧酸性腔室
236‧‧‧鹼性腔室
237‧‧‧第一鹽水腔室/第一腔室
238‧‧‧第二鹽水腔室/第二腔室
241‧‧‧酸性出口
242‧‧‧鹼性出口
243‧‧‧第一入口
244‧‧‧第二入口
245‧‧‧第三入口
246‧‧‧第四入口
247‧‧‧第一鹽水出口
248‧‧‧第二鹽水出口
Claims (4)
- 一種冷卻水處理方法，其包含：提供電解裝置，其包含：電解容器；一對排列於該電解容器中之電極，該對電極分別充當正極與負極；及排列於該正極與該負極之間的池單元，該池單元包含雙極性透膜元件及至少一個陽離子交換透膜，該雙極性透膜元件具有陽離子交換側及陰離子交換側，該陽離子交換側比該陰離子交換側更接近於該負極，該至少一個陽離子交換透膜排列於該雙極性透膜元件之該陰離子交換側與該正極之間，以便在該雙極性透膜元件與該陽離子交換透膜之間界定鹼性腔室，該陽離子交換透膜為選擇性的；介於該負極與該雙極性透膜元件之該陽離子交換側之間的陰離子交換透膜，界定於該陰離子交換透膜與該雙極性透膜元件之間之酸性腔室，該陰離子交換透膜為選擇性的；界定於該負極與該陰離子交換透膜之間的第一鹽水腔室，界定於該正極與該陽離子交換透膜之間的第二鹽水腔室；及將進料流提供給該第一鹽水腔室之第一入口，將進料流提供給該第二鹽水腔室之第二入口，將進料流提供給該酸性腔室之第三入口，及將進料流提供給該鹼 性腔室之第四入口；提供選擇性透膜，該選擇性透膜接受包含冷卻塔補給水、冷卻塔排放物或低品質水中之至少一者的進料流；該選擇性透膜輸出二價流及單價流；其中，該二價流經提供給該沈澱槽；該單價流經提供給該第一鹽水腔室及該第二鹽水腔室；且提供H2O進料流給該酸性腔室及該鹼性腔室；該酸性腔室產生酸性溶液且該鹼性腔室產生鹼性溶液；引導該第一鹽水腔室及該第二鹽水腔室之至少一部分內容物至沈澱槽中；引導該鹼性溶液之至少一部分至該沈澱槽中，因此增加該沈澱槽中之pH值以產生沈澱物；自該沈澱槽移除該沈澱物；及自該沈澱槽移除處理過之水；其中該酸性溶液之至少一部分返回至該酸性腔室作為進料流。
- 如請求項1之方法，其中於該沈澱槽中之該處理過之水在該沈澱物自該沈澱槽移除後返回至該冷卻塔。
- 如請求項1之方法，其中該酸性溶液之一部份提供給該冷卻塔。
- 如請求項1之方法，其中該鹼性溶液之至少一部分返回至該鹼性腔室作為進料流。
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