無電壓雙膜滲析脫除水中鹽分的方法和反應器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及去除水中鹽分的去除方法，屬于水處理技術的應用領域。本發明提出了一種無電壓條件下雙膜滲析去除水中陰陽離子的方法和反應器，通過構造適配反應器，利用陰陽離子交換膜的交換作用，以酸和堿作為驅動物質，在無電壓條件下通過膜滲析作用將水中陰陽離子富集至指定區域內，使得進水中陰陽離子濃度降低從而脫除進水中的鹽分。
技術背景
[0002]天然水和工業廢水中通常含有多種離子，各種陰陽離子即鹽分的去除是水處理工藝的重要方面。在工業用水處理中，除鹽主要用于制取軟水或純水；在工業廢水處理中，主要用以回收貴金屬離子，也用于放射性廢水和有機廢水中某些有害離子的去除。在天然水的處理中，鑒于目前日益短缺的淡水資源，海水淡化即利用海水脫鹽制取淡水是實現水資源高效利用、開源增量的重要舉措。
[0003]目前，用于水體脫鹽的方法主要包括離子交換法、反滲透、蒸餾、電滲析等。離子交換法需要借助離子交換樹脂與溶液中的離子進行交換，達到去除溶液中某些離子的目的，樹脂交換飽和后，需采用化學方法再生。反滲透以壓力差為驅動力，借助膜的過濾特性，截留水中各種無機離子、大分子物質和膠體，實現鹽組分的高效去除，具有高效率、易于工業化等優點，但能耗較高，膜組件需定期更換。電滲析法利用離子交換膜的選擇透過性，在電場的作用下，使各離子選擇性地透過膜，各離子富集至濃水室，從而達到去除鹽分的目的，電滲析是膜分離過程中較為成熟的一項技術，已廣泛地應用于工業水脫鹽，但還存在著陽極易腐蝕，陰極易結垢，能耗較高等缺點。蒸餾法消耗大量能源并容易在設備中產生大量鍋垢，限制了該工藝的使用。
【發明內容】
[0004]本發明基于以上技術背景，提出一種無電壓條件下雙膜滲析去除水中陰陽離子的方法和反應器，具體是采用陰離子交換膜、陽離子交換膜將反應器隔為陰離子交換室、陽離子交換室和進出水室，以酸和堿為驅動物質，原水中的陽離子發生滲析作用透過陽離子交換膜富集至陽離子交換室，陰離子透過陰離子交換膜富集至陰離子交換室，從而實現對水中鹽類組分的分離去除。
[0005]本發明的技術原理是:基于膜滲析原理，在陰陽離子交換室內分別施加高于原水鹽濃度的堿性及酸性溶液做為驅動溶液，在濃度差的驅動下，堿溶液中的OH和酸溶液中的H+分別透過陰離子和陽離子交換膜進入至進出水室中，原水中的陰陽離子則分別滲透至陰陽離子交換室從而去除水中鹽分。由于堿性及酸性溶液濃度均高于原水鹽溶液，堿溶液中的OH向進出水室的滲析對原水陰離子向陰離子交換室的滲析有促進作用，即道南滲析效應，同樣，酸溶液中H+向進出水室的滲析也能促進原水的陽離子向陽離子交換室的滲析，從而促進鹽類組分的脫除。
[0006]為實現上述目的，本發明采取如下技術方案:
[0007]建立雙膜電滲析反應器，其具體特征是(I)反應器設置進出水室、陽離子交換室及陰離子交換室；進出水室與陽離子交換室由陽離子交換膜隔開，進出水室與陰離子交換室由陰離子交換膜隔開；(2)三室可同建于一個反應器內，也可以分為兩組串聯(一組包括進出水室、陰離子交換室，另一組包括進出水室、陽離子交換室，兩組通過進出水室串聯，串聯順序不分先后)；(3)陰離子交換室中加入一定濃度的堿性溶液，陽離子交換室中加入一定濃度的酸性溶液；(4)進出水室中連續流入原水和連續流出處理后的水，原水進入進出水室后，由于進出水室兩側陰陽離子交換膜滲析作用，原水中的陽離子透過陽離子交換膜進入陽離子交換室，陰離子透過陰離子交換膜進入陰離子交換室，與此同時，堿溶液中的OH和酸溶液中的H+分別透過陰離子和陽離子交換膜進入至進出水室中，進而發生中和反應，從而實現水中鹽類組分的分離去除。
[0008]為了減少陽離子交換室、進出水室及陰離子交換室中濃差極化現象的產生，三室內部均需實施連續機械攪拌或水力攪拌，保證各室內溶液均處于完全混合狀態。堿性溶液及酸性溶液濃度應為原水中鹽濃度的2-40倍(摩爾濃度之比)，以20-25倍為宜；堿性溶液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化1丐中的任意一種或多種混合，pH > 10 ;酸性溶液包括硫酸、鹽酸、硝酸中的任意一種或多種混合，PH < 4。
[0009]隨著裝置的運行，原水中陽離子富集至陽離子交換室，陰離子富集至陰離子交換室，堿溶液中的OH和酸溶液中的H+分別進入進出水室中，導致膜兩側離子滲透壓差不斷減小，會引起脫鹽效率的下降，此時需監測陰陽離子交換室PH值的變化情況。若發現陰離子交換室內溶液pH值下降至9以下，或陽離子交換室內溶液pH值上升至5以上，或原水除鹽效果不理想時，需更換陰陽離子交換室內溶液。
[0010]本發明突出的優點是:滲析在無電壓條件下自發進行，能耗較低；使用酸和堿做為驅動物質，運行成本低；僅需定期更換陰陽離子交換室內溶液，運行維護方便；反應速度快，處理單元簡化，易于操作，占地面積小。此外，本發明反應器可以多組并聯使用以擴大其處理能力。
【附圖說明】
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[0011]圖1本發明反應器原理圖(三室共建于一個反應器中)
[0012]圖2本發明反應器示意圖(兩組串聯)
[0013]附圖標記:
[0014]I陽離子交換室；2進出水室；3陰離子交換室；4陽離子交換膜；5陰離子交換膜；6攪拌器
【具體實施方式】
[0015]實施例1對于500mg/L(3.125mmol/L)含CuS04&的廢水，采用三室共建反應器(如圖1)所示，三室有效體積均為1L，陽離子交換室施加濃度為0.lmol/L的HCl溶液，陰離子交換室施加濃度為0.lmol/L的NaOH溶液，停留時間為3h，反應器連續運行72h，出水脫鹽率大于90%。
[0016]實施例2進水含NaC1300mg/L(5.12mmol/L)，采用二組串聯反應器(如圖2)所示，每室有效體積均為1L，陽離子交換室施加濃度為0.lmol/L的H2SO4溶液，陰離子交換室施加濃度為0.2mol/L的NaOH溶液，每組反應器停留時間為3h，反應器連續運行48h，出水脫鹽率大于95%。
【主權項】
1.無電壓雙膜滲析脫除水中鹽分的方法和反應器，其特征在于:(1)反應器設置進出水室、陽離子交換室及陰離子交換室；進出水室與陽離子交換室由陽離子交換膜隔開，進出水室與陰離子交換室由陰離子交換膜隔開；(2)三室可同建于一個反應器內，也可以分為兩組串聯(一組包括進出水室、陰離子交換室，另一組包括進出水室、陽離子交換室，兩組通過進出水室串聯，串聯順序不分先后)；(3)陰離子交換室中加入一定濃度的堿性溶液，陽離子交換室中加入一定濃度的酸性溶液；(4)進出水室中連續流入原水和連續流出處理后的水，原水進入進出水室后，在兩側酸堿溶液的驅動下，原水中陰陽離子滲析富集至離子交換室，從而實現水中鹽類組分的分離去除。2.根據權利要求1所述的方法，其特征是，為了減少陽離子交換室、進出水室及陰離子交換室中濃差極化現象的產生，三室內部均需實施連續機械攪拌或水力攪拌，保證各室內溶液均處于完全混合狀態。3.根據權利要求1所述的方法，其特征是，堿性溶液及酸性溶液濃度應為原水中鹽濃度的2-40倍(摩爾濃度之比)，以20-25倍為宜；堿性溶液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣中的任意一種或多種混合，pH > 10 ;酸性溶液包括硫酸、鹽酸、硝酸中的任意一種或多種混合，pH < 4。4.根據權利要求1所述的方法，其特征是，隨著裝置的運行，脫鹽效率逐漸下降，需監測陰陽離子交換室PH值的變化情況；若發現陰離子交換室內溶液pH值下降至9以下；或陽離子交換室內溶液PH值上升至5以上；或原水除鹽效果不理想時，需更換陰陽離子交換室內溶液。
【專利摘要】本發明提出了一種無電壓條件下雙膜滲析去除水中鹽分的方法和反應器，通過構造適配反應器，利用陰陽離子交換膜的交換作用，以酸和堿作為驅動物質，在無電壓條件下通過膜滲析作用將水中陰陽離子富集至指定區域內，使得進水中陰陽離子濃度降低從而脫除進水中的鹽分。本發明突出的優點是：滲析在無電壓條件下自發進行，能耗較低；使用酸和堿做為驅動物質，運行成本低；僅需定期更換陰陽離子交換室內溶液，運行維護方便；反應速度快，處理單元簡化，易于操作，占地面積小。此外，本發明反應器可以多組并聯使用以擴大其處理能力。
【IPC分類】B01D61/28, C02F1/44, C02F1/42
【公開號】CN105056763
【申請號】CN201510553107
【發明人】萬東錦, 張健, 劉永德, 牛振華, 王依依, 張良波
【申請人】河南工業大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年9月2日