專利名稱：節省酸用量的電透析裝置及方法
技術領域：
本發明是關于一種節省酸用量的電透析裝置及方法，是將陽極的極室產生的酸性極水回流注入各濃室的入口端，借此降低濃水端的pH值，防止發生沉淀或結垢現象，節省額外添加的酸用量。
背景技術：
特殊分離系統的技術著重于薄膜分離技術的開發與應用，薄膜分離應用具有一個共同的特性，就是所有的分離流程皆需在薄膜存在的狀態下來完成，薄膜是兩種物質間具有選擇性的障礙，視分離物種的粒徑而有適用的應用技術。
目前薄膜分離技術包括有利用電位差當成驅動力來進行分離的電透析分離技術，利用溶液濃度差進行分離的擴散透析與壓力差進行分離的逆滲透、壓力透析等技術，這些技術的原理均是利用薄膜透析設備在電位差、濃度差、壓力差或溫度差的驅動力驅使下，經由不同薄膜孔徑大小與離子選擇性，進行透析作用，而達成分離目的。
使用離子交換膜于透析的應用領域有1、擴散透析其是應用于非鐵電解液精制、金屬鹽類回收、鋁陽極處理浴、鋼鐵酸洗浴、鋁箔電解蝕刻金屬表面安定化等；2、壓力透析應用于鋁陽極處理、金屬鹽類濃縮回收、有機物純化及酸性廢水回收等；3、電透析應用于食鹽制造、放射性廢液處理、電鍍廢液中回收有價金屬、鍋爐用水前處理、藥品、食品脫鹽及果汁去酸等。
在技術層次上擴散透析應用到離子交換膜的選擇性及濃度差等兩項因子，電透析則除了原有的質傳與流力兩項理論外，更增加了電化學的原理，使得電透析的技術應用上引用了相當多的經驗式；加上特殊的離子交換膜與多重模塊的開發，使得擴散透析與隔膜電解的應用也越來受到重視，設計分離系統、測試分離效率與個別技術的整合運用能力，可以針對各個不同的應用現況做最適當的設計與生產流程規劃。
電透析(electrodialysis，ED)處理技術是利用不同特性的薄膜對水中的離子做一分離選擇，水中離子的移動則是靠正負直流電來當吸引的驅動力，而倒極式電透析(electrodialysis reversal，EDR)是將電透析處理技術作進一步修正，乃利用直流電正負極和內部導流的切換來延長薄膜使用裝置。
圖1所示為一般電透析操作原理的示意圖，電透析設備通電操作時，兩端的電極表面上還有電化學反應發生，在陽極會反應產生氧氣和H+，極水呈酸性；而在陰極產生氫氣與OH-，極水呈堿性。靠近電極的隔室(極室)需要通入極水，極水可為原水或淡水，以便不斷排出電透析過程在極室產生的電解反應產物，其中陰極室和陽極室的流出液中，分別含有堿或酸和氣體。電透析用于脫鹽原理則是利用陽離子只能穿透陽離子交換膜，而陰離子只穿透陰離子交換膜的特性，在外加直流電場的作用下，水中的陰離子移向陽極，陽離子移向陰極，最后得到淡水及濃水，達到淡化除鹽的目的。
電透析(ED)及倒極式電透析(EDR)的設計視處理需求及原水的水質而定，主要構成為膜組(membrane stacks)、薄膜(membrane)、電極(electrodes)及隔間(spacers)，于膜的二端設置陽極與陰極，在框的上緣、下緣開設溶液流通的通路孔，通路孔在透析槽裝配、重疊時彼此形成液路，這些通路孔交替以細流路連通液室。進流經由此設計，分為淡水(dilute)與濃水(concentrate)經不同室離開，各室以陽離子和陰離子交換膜隔開，室間設間隔物，使液室保持一定間隙，并有助于液流的混合。
而隨設備通電操作過程，在濃水區域因為濃縮的效果，常常會發生碳酸鈣(CaCO3)或硫酸鈣(CaSO4)沉淀造成堵塞，在一般操作控制常利用額外添加酸，以降低pH值，其主要缺陷在于利用額外添加酸的方法，對電透析裝置應用于大量的廢水回收、硬水軟化、飲用水或地下水脫鹽或海水淡化，無疑是筆額外的支出。
發明內容
本發明的牡丹是提供一種的節省酸用量的電透析裝置及方法，是利用電透析設備通電操作時，陽極極室內反應產生氧氣和H+使極水呈酸性，將陽極極水以接管方式導至濃水入口，可降低濃水的pH值，防止碳酸鈣(CaCO3)或硫酸鈣(CaSO4)沉淀造成堵塞，節省額外添加酸的用量。
本發明的目的是提供一種節省酸用量的電透析裝置及電透析方法，達到降低成本及節省酸用量的目的。
本發明的另一目的是提供一種節省電透析裝置酸用量的方法，通過將陽極極室產生的酸性極水直接或間接導至濃室的濃水中，通過電透析過程中，陽極產生氧氣和氫離子使極水呈酸性，將此酸性陽極極水導至濃室的濃水中，借此降低濃水的pH值，避免濃室產生沉淀及/或結垢現象，達到節省額外添加酸的量的目的。
本發明的目的是這樣實現的一種節省酸用量的電透析裝置，其包含有一工作槽、至少一組離子交換膜、一陽極極室及一陰極極室；陰極是設于前述陰極極室內用以與負電連接；陽極是設于前述陽極極室內用以與正電連接，前述介于陰極極室與陽極極室間，由離子交換膜區隔依序形成淡室及濃室；其特征是前述陽極極室是通過一輸送管線與濃室連接，以將陽極極室產生的酸性極水導至濃室，用以降低濃室中濃水的pH值，避免濃室產生沉淀及/或結垢現象。
前述電透析裝置是固定電極電性的電透析裝置或正負極與內部導流可切換的倒極式電透析裝置。前述至少一組離子交換膜是由相同數目的陰離子交換膜及陽離子交換膜于前述工作槽中間隔排列。
前述陰極極室是由陽離子交換膜與工作槽槽壁構成；前述陽極極室是由陰離子交換膜與工作槽槽壁構成，且前述陰極極室及陽極極室是分別位于工作槽的兩端。前述陽極極室與濃室的連接方式是通過一輸送管線將陽極極室的極水出口端與濃室的濃水注入口端相連接。前述濃室是連接一組濃水輸送管線進行濃水注入與輸出。前述淡室是連接一原水輸送管線進行原水注入。前述淡室是連接一淡水輸送管線進行淡水輸出。前述陰極極室是連接一組陰極極水輸送管線進行陰極極水的注入與輸出。前述陽極極室是連接一組陽極極水注入管線及輸出管線進行陽極極水的注入與輸出。
本發明的另提供一種節省電透析裝置酸用量的方法，其特征是將陽極極室產生的酸性極水直接或間接導至濃室的濃水中，通過電透析過程中，陽極產生氧氣和氫離子使極水呈酸性，將此酸性陽極極水導至濃室的濃水中，借此降低濃水的pH值，避免濃室產生沉淀及/或結垢現象，通過上述方法可節省額外添加酸的量。
利用本發明的節省酸用量的電透析裝置及方法，仍可視情況進一步添加適量的酸，以增加其降低濃水pH值的效果，并不受限制。前述原水是可為廢水、硬水、飲用水、地下水、半鹽水或海水。前述極水是可為原水或淡水。
本發明再提供一種節省電透析裝置酸用量的方法，是通過本發明的電透析裝置達成。
本發明提供的節省酸用量的電透析裝置及方法，是將陽極極室內反應生成酸性極水，以接管方式將陽極極水導至濃水注入各濃室的入口端，可降低濃水的pH值，防止碳酸鈣(CaCO3)或硫酸鈣(CaSO4)沉淀造成堵塞，節省額外添加酸的用量。
下面結合較佳實施例和附圖進一步說明。
圖1是一般電透析作用的原理示意圖。
圖2是本發明的節省酸用量的電透析裝置示意圖。
具體實施例方式
參閱圖2所示，本發明的節省酸用量的電透析裝置1，其組成組件包含工作槽2、堆棧置于工作槽2中的陽離子交換膜3及陰離子交換膜4，其中堆棧的離子交換膜一側的陽離子交換膜3與工作槽壁形成陰極極室5，堆棧的離子交換膜另一側的陰離子交換膜4與工作槽壁形成陽極極室6，陰極極室5中具有一陰極7與負電相接，陽極極室6中具有一陽極8與正電相接，而介于陰極極室5與陽極極室6間，由離子交換膜區隔形成的區域則由工作槽2兩側向中央依序形成多數個淡室9及濃室10。
濃室10是連接一組濃水輸送管線13進行濃水的注入與輸出，淡室9是連接一原水輸送管線11進行原水注入及一淡水輸送管線12進行淡水輸出。陰極極室5是利用一組陰極極水輸送管線14進行陰極極水的注入與輸出，而陽極極室6是連接一組陽極極水注入管線15及陽極極水輸出管線16進行陽極極水的注入與輸出。
陽極極室6與濃室10的濃水注入口是接管連接，借此利用此輸送管線16將陽極極室6產生的酸性極水導至各濃室10的入口端，注入濃水中。
利用前述電透析裝置1節省酸用量的方法，是將陽極極室6產生的酸性極水直接接管至濃室10的濃水注入口，當電透析裝置1通電操作時，淡室9中原水的陽離子及陰離子分別通過陽離子交換膜3及陰離子交換膜4進入濃室10，陽極8則會產生氧氣和氫離子使極水呈酸性，將此酸性陽極極水導至各濃室10入口端，分別注入濃水中，可降低濃水的酸堿值，避免沉淀及/或結垢現象產生，進而達到節省額外添加酸的用量。
前述原水可為廢水、硬水、飲用水、地下水、半鹽水或海水。前述極水可為原水或淡水。
以下實施例是用于進一步了解本發明的優點，并非用于限制本發明的保護范圍。
實施例1利用節省酸用量的電透析裝置進行自來水去離子反應的方法。
本實施例1是使用本發明的節省酸用量的電透析裝置，該電透析裝置中的陰離子交換膜及陽離子交換膜共有二十對膜，并以自來水為原水進行電透析實驗。當實驗組通電操作時，于淡水室中定量注入300ml/min自來水，操作電壓設定在20V，電流約0.1A。為進行原水、淡水及濃水的輸送，濃室是連接一組濃水輸送管線進行濃水的注入與輸出，淡室是連接一原水輸送管線進行原水注入及一淡水輸送管線進行淡水輸出。
陰極極室及陽極極室則利用一組陰極極水輸送管線進行陰極極水的注入與輸出，而與一組陽極極水注入管線及陽極極水輸出管線進行陽極極水的注入與輸出。濃水、陽極水、陰極水等皆循環操作。
為達到利用酸性的陽極極水降低濃水pH值的目的，本發明是抽取陽極水以50ml/min流量注入濃水，并且每半小時以自來水補充被抽取的陽極極水。實驗結果如表一所示。
表一、實驗組本發明的節省酸用量的電透析裝置通電操作時極水、濃水及淡水的pH值及導電度變化
由實驗結果可看出濃水pH值已被控制于8.5以下。pH值的變化與原水的成分有關，但不論原水的成分如何，利用酸性的陽極極水可降低濃水的pH值，使結垢現象不易發生。
為比較陽極極水注入濃水對降低濃水pH值的效益，另一對照組的操作條件都與實驗組相同，但是并不抽取陽極極水注入濃水中，觀察陰極極水與陽極極水的pH值，其結果如表二所示。
表二、對照組未抽取陽極極水注入濃水的電透析裝置通電操作時極水、濃水及淡水的pH值及導電度變化
隨著操作時間增加，陰極極水愈堿，而陽極極水愈酸，而濃水pH值也隨著時間而增加。
綜上所述，本發明的節省酸用量的電透析裝置，是利用陽極極室產生的酸性極水接管至濃水輸送管線，降低濃水pH值以防止結垢，除有利于電透析設備的維護與水回收率外，更重要的是可借此達到節省酸用量的目的，降低操作成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明的精神和范圍內，所作各種的更動與潤飾，都屬于本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種節省酸用量的電透析裝置，其包含有一工作槽、至少一組離子交換膜、一陽極極室、一陰極極室、一陰極是設于所述陰極極室內與負電連接及一陽極是設于所述陽極極室內與正電連接，所述介于陰極極室與陽極極室間，由離子交換膜區隔依序形成淡室及濃室，其特征是所述陽極極室是通過一輸送管線與濃室連接，將陽極極室產生的酸性極水導至濃室，用以降低濃室中的pH值，避免濃室產生沉淀及/或結垢現象。
2.根據權利要求1所述的節省酸用量的電透析裝置，其特征是所述電透析裝置是固定電極電性的電透析裝置或正負極與內部導流可切換的倒極式電透析裝置。
3.根據權利要求1所述的節省酸用量的電透析裝置，其特征是所述至少一組離子交換膜是由相同數目的陰離子交換膜及陽離子交換膜于前述工作槽中間隔排列。
4.根據權利要求1所述的節省酸用量的電透析裝置，其特征是所述陽極極室與濃室的連接方式是通過一輸送管線將陽極極室的極水出口端與濃室的濃水注入口端相連接。
5.根據權利要求1所述的節省酸用量的電透析裝置，其特征是所述濃室是連接一組濃水輸送管線進行濃水注入與輸出。
6.根據權利要求1所述的節省酸用量的電透析裝置，其特征是所述淡室是連接一原水輸送管線進行原水注入。
7.根據權利要求1所述的節省酸用量的電透析裝置，其特征是所述淡室是連接一淡水輸送管線進行淡水輸出。
8.根據權利要求1所述的節省酸用量的電透析裝置，其特征是所述陰極極室是連接一組陰極極水輸送管線進行陰極極水的注入與輸出。
9.根據權利要求1所述的節省酸用量的電透析裝置，其特征是所述陽極極室是連接一組陽極極水注入管線及陽極極水輸出管線進行陽極極水的注入與輸出。
10.一種節省酸用量的電透析方法，其特征是將陽極極室產生的酸性極水直接或間接導至濃室的濃水中，通過電透析過程中，陽極產生氧氣和氫離子使極水呈酸性，將此酸性陽極極水導至濃室的濃水中，借此降低濃水的pH值，避免濃室產生沉淀及/或結垢現象。
11.根據權利要求10所述的節省酸用量的電透析方法，其特征是它包括進一步添加適量的酸性溶液。
12.一種節省酸用量的電透析方法，其特征是它是通過權利要求1的電透析裝置達成。
全文摘要
一種節省酸用量的電透析裝置及方法，是將電透析裝置通電操作時，陽極極室所產生的酸性極水回流至各濃室，以降低濃水的pH值，防止發生沉淀或結垢現象，節省額外添加的酸用量。
文檔編號B01D61/42GK1628897SQ20031012184
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者梁德明, 廖啟鐘, 夏工杰, 周珊珊, 張盛欽, 彭淑惠 申請人:財團法人工業技術研究院