一种净水方法及分离装置与流程

1.本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种宽幅度通量调节的净水方法及采用该方法的双极膜电去离子装置。


背景技术：

2.传统电化学去离子装置，例如电渗析或者是电容去离子装置，膜堆处理水流通量和脱盐总量呈线性相关。脱盐效率对通量变化十分敏感。比如在电渗析中，膜堆通量提升一倍，单位时间进入到膜堆的总盐量提升一倍，脱盐率从90％下降到60％左右；当通量再继续提升一倍时，脱盐率会下降到30％以下。所以，在设计传统电去离子装置时，通量会有一个最佳范围，在此范围内，脱盐率会达到预设值，超出这个范围，脱盐率会线性下降。这就导致了为实现高通量膜堆膜面积需要线性增加，体积变大，成本增加。因此，现有技术中的电化学去离子装置，其脱盐时通量是基本保持固定在一个定量值的，不能进行通量调节。如果提升通量脱盐率往往快速下降或者需要通过增加体积实现通量增加。
3.因此，针对现有技术不足，提供一种宽幅度通量调节的净水方法及采用该方法的双极膜电去离子装置以克服现有技术不足甚为必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种宽幅度通量调节的净水方法，能够在较宽的范围内调节脱盐时进水的通量，能够调节进水通量且不增加膜堆体积，且不会增加成本。
5.本发明的目的通过以下技术手段实现。
6.提供一种宽幅度通量调节的净水方法，通过双极膜电去离子装置进行；
7.在脱盐工序中，选择进入双极膜膜堆的水流通量x，获得满足脱盐率的纯水，其中，x∈【p，q】，p、q均为正数，p为满足脱盐率要求对应的水流通量的下限值，q为满足脱盐率要求对应的水流通量的上限值，且q与p的比值范围为1至15；
8.所述双极膜电去离子装置在脱盐工序中，双极膜膜堆在水流通量x的范围内，脱盐率均满足要求。
9.优选的，上述的宽幅度通量调节的净水方法，脱盐率大于50％。
10.优选的，上述的宽幅度通量调节的净水方法，脱盐率大于60％。
11.优选的，上述的宽幅度通量调节的净水方法，x∈【p，4p】。
12.优选的，上述的宽幅度通量调节的净水方法，双极膜膜堆的水流通量通过水龙头机械调节或者通过流量调节阀调节或者通过电磁阀以频率变化的方式调节。
13.优选的，上述的宽幅度通量调节的净水方法，在纯水管路处，通过水质传感器检测纯水的tds值。
14.优选的，上述的宽幅度通量调节的净水方法，在脱盐工序中，根据纯水水质情况，对进入双极膜膜堆的水流通量进行反馈调节。
15.优选的，上述的宽幅度通量调节的净水方法，通过交互软件或者通过水龙头的交互界面设定出水的tds值，根据出水的tds值设置进入双极膜膜堆的水流通量x。
16.本发明宽幅度通量调节的净水方法，通过双极膜电去离子装置进行；在脱盐工序中，选择进入双极膜膜堆的水流通量x，获得满足脱盐率的纯水，其中，x∈【p，q】，p、q均为正数，p为满足脱盐率要求对应的水流通量的下限值，q为满足脱盐率要求对应的水流通量的上限值，且q与p的比值范围为1至15；双极膜电去离子装置在脱盐工序中，双极膜膜堆在水流通量x的范围内，脱盐率均满足要求。本发明的方法，通过双极膜电去离子装置进行脱盐，双极膜电去离子装置膜堆水流通量可以在1至15倍的范围内调整，均能满足脱盐率的要求。因此，可以根据需要调节水流通量，而又不会造成脱盐率下降。本发明的方法在增加水流通量的情况下，双极膜电去离子装置的体积不会增加，成本也不会增加。
17.本发明的另一目的是提供一种采用上述方法调节通量的双极膜水处理装置，设置有双极膜膜堆，双极膜膜堆包括至少一对电极组以及位于两个电极之间的一张以上的双极膜，每张双极膜由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，构成同一张双极膜的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间无流道。
18.优选的，上述双极膜水处理装置，脱盐进水管路与双极膜膜堆的进水口连通，脱盐进水管路设置有水流通量调控机构，水流通量调控机构控制进入双极膜膜堆内的水流通量。
19.优选的，上述双极膜水处理装置，水流通量调控机构设置为水龙头或者流量调节阀或者电磁阀。
20.优选的，上述双极膜水处理装置，纯水管路与双极膜膜堆的出水口连通，纯水管路设置有水质传感器。
21.优选的，上述双极膜水处理装置，设置有主控单元、水流通量调控机构和水质传感器，水流通量调控机构设置于脱盐进水管路，水质传感器设置于纯水管路；
22.主控单元的的第一输入端与水流通量调控机构连接，获取水流调控机构调控的水流通量；
23.主控单元的第二输入端与水质传感器连接，获取纯水的tds值；
24.主控单元的输出端与水流调控机构连接，输出对水流通量调控机构的反馈信号，水流通量调控机构根据主控单元的反馈信号对水流通量进行调节。
25.优选的，上述双极膜水处理装置，与远端设备互联，通过互联的远端设备获得并调控水流通量x。
26.另一优选的，上述双极膜水处理装置，设置有交互界面，通过交互界面获得需要调控的水流通量x。
27.本发明的发明双极膜水处理装置，采用上述宽幅度通量调节的净水方法进行水流通量调节。该双极膜水处理装置，设置有双极膜膜堆，双极膜膜堆包括至少一对电极组以及位于两个电极之间的一张以上的双极膜，每张双极膜由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，构成同一张双极膜的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间无流道。本发明的双极膜电去离子装置进行脱盐时，双极膜电去离子装置膜堆水流通量可以在1至15倍的范围内调整，均能满足脱盐率的要求。因此，可以根据需要调节水流通量，而又不会造成脱盐率下降。本发明的双极膜电去离子装置可在增加水流通量的情况下，不会增加体积，成本也
不会增加。
28.说明书附图
29.利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
30.图1是本发明实施例6的一种双极膜电去离子装置脱盐状态的示意图。
31.图2是本发明实施例6的一种双极膜电去离子装置再生状态的示意图。
32.图3是本发明实施例9的一种双极膜电去离子装置脱盐状态的示意图。
33.图4是本发明实施例9的一种双极膜电去离子装置再生状态的示意图。
34.图5是本发明实施例10的一种双极膜电去离子装置脱盐状态的示意图。
35.图6是本发明实施例10的一种双极膜电去离子装置再生状态的示意图。
36.在图1、图2中，包括：
37.电极100、电极200、
38.双极膜300、阳离子交换膜310、阴离子交换膜320；
39.在图3至图6中，包括：
40.多孔电极100、
41.集电体130、多孔材料110、阴离子交换膜120、
42.多孔电极200、
43.集电体230、多孔材料210、阳离子交换膜220、
44.双极膜300、阳离子交换膜310、阴离子交换膜320。
具体实施方式
45.结合以下实施例对本发明作进一步说明。
46.本说明书提及的“去离子”即从待处理液体中除去离子，包括各种价态的阴离子和阳离子。在大部分情况下，“去离子”与“脱盐”具有同样的含义。在某些情况下，去离子也被称之为脱除矿物质。
47.实施例1。
48.一种宽幅度通量调节的净水方法，通过双极膜电去离子装置进行。
49.在脱盐工序中，选择进入双极膜膜堆的水流通量x，获得满足脱盐率的纯水，其中，x∈【p，q】，p、q均为正数，p为满足脱盐率要求对应的水流通量的下限值，q为满足脱盐率要求对应的水流通量的上限值，且q与p的比值范围为1至15。本发明的方法，基于双极膜电去离子装置进行，双极膜电去离子装置在脱盐工序中，双极膜膜堆在水流通量x的范围内，脱盐率均满足要求。
50.因此，使用时，可以根据需要调整水流通量x，均可得到需要的满足脱盐率要求的纯水。如果用户需要缓慢少量制水，可以选择小的水流通量值；如果用户需要大量制水，可以选择大的水流通量值。
51.水流通量的调节，可以通过不同的档位调节，也可以通过旋钮在一定范围内调节，可以根据需要灵活设置。双极膜膜堆的水流通量可通过水龙头机械调节或者通过流量调节阀调节或者通过电磁阀以频率变化的方式调节，或者通过其它方式调节。
52.具体的，满足要求的脱盐率为盐率大于50％，对于绝大多数净水处理，脱盐率要满
足大于50％以符合纯水的要求。优选，脱盐率大于60％。
53.本发明的方法，通过双极膜电去离子装置进行脱盐，双极膜电去离子装置膜堆水流通量可以在1至15倍的范围内调整，均能满足脱盐率的要求。因此，可以根据需要调节水流通量，而又不会造成脱盐率下降。本发明的方法在增加水流通量的情况下，双极膜电去离子装置的体积不会增加，成本也不会增加。
54.实施例2。
55.一种宽幅度通量调节的净水方法，其它特征与实施例1相同，不同之处在于，在脱盐工序中，选择进入双极膜膜堆的水流通量x，获得满足脱盐率的纯水，其中，x∈【p，4p】。在此范围内，净水效果稳定良好。
56.实施例3。
57.一种宽幅度通量调节的净水方法，其它特征与实施例1或2相同，不同之处在于，在纯水管路处，还通过水质传感器检测纯水的tds值。通过检测所制备的纯水的水质情况，可以在通量调节后监控制备的纯水是否满足脱盐率的要求。使得通量调节后的制水准确有效。
58.实施例4。
59.一种宽幅度通量调节的净水方法，其它特征与实施例1或2或3相同，不同之处在于，在脱盐工序中，还根据纯水水质情况，对进入双极膜膜堆的水流通量进行反馈调节。当纯水水质情况不符合脱盐率要求时，根据纯水水质情况输出反馈信息调整进入双极膜膜膜堆的水流通量，能够针对制出的纯水情况及时对进水端的水流通量，具有及时准确的特点。
60.实施例5。
61.一种宽幅度通量调节的净水方法，其它特征与实施例1或2或3相同，不同之处在于，通过交互软件或者通过水龙头的交互界面设定出水的tds值，根据出水的tds值设置进入双极膜膜堆的水流通量x。该方法通交互界面对出水情况进行设置，并进行水流通量的设置，便于用户操作使用。
62.实施例6。
63.一种双极膜电去离子装置，按照实施例1至5任意一个实施例中的宽幅度通量调节的净水方法在脱盐时对进入双极膜膜堆的水流通量x进行调节。
64.实验发现，双极膜电去离子装置，在脱盐率不低于50％时，进入双极膜膜堆的水流通量的范围非常宽，满足脱盐率要求对应的水流通量的上限制与下限值之间的比值最大可以达到15。因此，可以根据需要，在满足脱盐率要求的前提下，调整水流通量。
65.此处列出一实验例的结果：双极膜片组装成双极膜膜堆，膜面积为0.2m2。膜堆通入自来水，一次性流过，记录脱盐率随时间变化，如下表所示，制水电压36v，再生电压36v。实验发现，在通量从280ml/min提升至1701ml/min(提升了6倍)，脱盐率从98％缓慢下降至66％(下降了1.5倍)，依然保持在60％。且这个趋势在不同的进水tds下，一样适用。说明双极膜电去离子装置在较宽的水流通量情况下，能够满足脱盐率要求。
[0066][0067]
下面以一个实例对双极膜电去离子装置的结构进行说明。如图1、图2所示，双极膜电去离子装置设置有双极膜膜堆，双极膜膜堆设置有电极100、电极200以及位于电极100、电极200之间的两张双极膜300，每张双极膜300由复合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成。
[0068]
该双极膜电去离子装置，脱盐进水管路与双极膜膜堆的进水口连通，脱盐进水管路设置有水流通量调控机构，水流通量调控机构控制进入双极膜膜堆内的水流通量。
[0069]
水流通量调控机构可以设置为水龙头或者流量调节阀或者电磁阀。双极膜膜堆的水流通量可通过水龙头机械调节或者通过流量调节阀调节或者通过电磁阀以频率变化的方式调节，或者通过其它方式调节。水流通量的调节方式，可以通过不同的档位调节，也可以通过旋钮在一定范围内调节，可以根据需要灵活设置。
[0070]
为了进一步监测出水口处纯水的情况，纯水管路与双极膜膜堆的出水口连通，纯水管路设置有水质传感器。通过水质传感器可以实时监测该双极膜电去离子装置的脱盐率情况，以便及时对脱盐状况进行调节。
[0071]
双极膜电去离子装置的脱盐过程如图1所示。当脱盐进行一段时间后，需要进行倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中的离子，如图2所示。
[0072]
本发明的双极膜电去离子装置进行脱盐时，双极膜电去离子装置膜堆水流通量可以在1至15倍的范围内调整，均能满足脱盐率的要求。因此，可以根据需要调节水流通量，而又不会造成脱盐率下降。本发明的双极膜电去离子装置可在增加水流通量的情况下，不会增加体积，成本也不会增加。
[0073]
实施例7。
[0074]
一种双极膜电去离子装置，其它特征与实施例6相同，不同之处在于，还设置有主控单元、水流通量调控机构和水质传感器，水流通量调控机构设置于脱盐进水管路，水质传感器设置于纯水管路。
[0075]
主控单元的的第一输入端与水流通量调控机构连接，获取水流调控机构调控的水
流通量；
[0076]
主控单元的第二输入端与水质传感器连接，获取纯水的tds值；
[0077]
主控单元的输出端与水流调控机构连接，输出对水流通量调控机构的反馈信号，水流通量调控机构根据主控单元的反馈信号对水流通量进行调节。
[0078]
通过水质传感器反馈的脱盐后的纯水的tds值，对脱盐情况进行反馈，主控单元根据脱盐情况及时对水流通量进行调节。由于根据纯水进行反馈调整，本实施例的双极膜电去离子装置，水流通量调节更准确，避免因为水流通量调节造成的脱盐率不满足要求的情况出现。
[0079]
实施例8。
[0080]
本发明的一种双极膜电去离子装置，其它特征与实施例6、7相同，不同之处在于，还具有如下特征：该双极膜电去离子装置与远端设备互联，通过互联的远端设备获得并调控水流通量x。
[0081]
远端设备可以是手机app，或者互联的家电如冰箱、洗衣机、魔镜等。用户通过互联的远端设备对水流通量进行设置，方便用户使用。
[0082]
需要说明的是，双极膜电去离子装置也可以设置交互界面，通过交互界面获得需要调控的水流通量x。
[0083]
实施例9。
[0084]
本发明的一种双极膜电去离子装置，其它特征与实施例6、7或8相同，不同之处在于，双极膜电去离子装置包括至少一对电极组，至少一对电极组包括一个多孔电极以及一张以上的双极膜，每张双极膜由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，构成同一张双极膜的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间无流道。
[0085]
一对电极组可以由两个多孔电极构成。一对电极组可以是由一个多孔电极和一个普通电极构成。普通电极如金属电极、具有钌钇涂层的钛电极、钌钇电极、碳电极、石墨电极等。
[0086]
其中，多孔电极可由多孔材料构成，或者由多孔材料和集电体层叠构成，或者由集电体、多孔材料和离子交换膜依次层叠形成。离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜，当含有离子交换膜的时，多孔电极中的离子交换膜靠近双极膜。多孔电极中的阳离子交换膜或者阴离子交换膜可以根据实际需要灵活选择。
[0087]
多孔材料可以是具有大比表面的任意导电材料，比如，比表面大于100m2/g的导电材料。在一些实施例中，多孔材料为疏水的导电材料。多孔材料具有孔径在0.5至50纳米之间的多孔结构。多孔材料可为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、碳气凝胶、金属粉末(如镍)、金属氧化物(如氧化钌)和导电聚合物中的一种或多种制备而成的导电体。在某一实施例中，所述多孔材料是由活性炭制成的厚度在100至5000微米范围内的片状或板状结构，优选厚度在200至2,500微米范围内，另外，所述活性炭片状结构的孔径介于0.5至20纳米之间，优选介于1至10纳米之间。
[0088]
采用多孔电极能够减轻双极膜电去离子装置的结垢风险。由于离子交换膜中含有或者吸附有离子带电单位，因此，当多孔电极处离子的量不足以完成解吸附过程时，通过在离子交换膜中的离子被释放出来以帮助完成解吸附过程，使电极上的过量电荷得到缓冲。这样，电化学去离子装置的结垢风险会大大降低。
[0089]
集电体用于与导线或电源相连接，也称作“集流体”。集电体由选自金属、金属合金、石墨、石墨烯、碳纳米管和导电塑料中的一种或多种材料形成。集电体可以是板、网、箔或片等任何合适的形式。在一些实施例中，集电体可以是金属或金属合金制成，合适的金属包括钛、铂、铱或铑等，优选地包括钛，而合适的金属合金可以是不锈钢等。在另一些实施例中，集电体可以由导电碳材料制成，例如石墨、石墨烯、碳纳米管等。在另一些实施例中，集电体是由导电塑料材料，例如聚烯烃(如，聚乙烯)制成的，且其中可混合导电的炭黑或金属颗粒等。在一些实施例中，集电体为片状或板状结构，厚度可以在50微米至5毫米的范围内。在一些实施例中，集电体和多孔电极具有大致相同的形状和/或尺寸。
[0090]
需要说明的是，当多孔材料的多孔性和导电性足够时，多孔材料本身可以起到集电体的作用时，也可不设置集电体。
[0091]
本实施例的双极膜电去离子装置，可由多个电极组构成，当包括多个电极组时，电极组之间可以通过串联或者并联或者同时具有串联和并联的混联方式进行流道连接。需要说明的是，本说明书提及的“串联”和“并联”是指考虑到流道液流产出液的流向而决定的。例如，若两个电极组串联，则从前一个电极组流道的产出液进入后一个电极组的流道。又例如，若两个电极组并联，则是指这两个电极组的流道接收同一股进液。串联的电极组用于进一步除去液体中的离子，而并联的电极组组用于增大装置的处理量。
[0092]
下面以附图3、4的双极膜电去离子装置为例，对本发明的技术方案进行说明。
[0093]
该双极膜电去离子装置，含有，
[0094]
由一对多孔电极100、200构成的电极对；
[0095]
设置于电极对之间的两张双极膜300，每个双极膜300由贴合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成，构成同一个双极膜300的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320之间无流道，两张双极膜300之间的排列方式相同；
[0096]
以及由电极与膜堆或者膜堆与膜堆之间形成的流道。
[0097]
本实施例中，多孔电极100由集电体130和多孔材料110层叠形成，多孔电极100为阴膜电极。多孔电极200由集电体230和多孔材料210依次层叠形成，多孔电极200为阳膜电极。多孔电极可由集电体、多孔材料层叠在一起夹紧即可，不需要使用粘结剂；或者也可以通过热贴合固定或者通过粘结剂粘结。多孔电极中的阳离子交换膜或者阴离子交换膜可以根据实际需要灵活选择。
[0098]
双极膜300由贴合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成，构成同一个双极膜的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320夹紧即可，不需粘结剂；也可以将阳离子交换膜310和阴离子交换膜320热贴合构成。阳离子交换膜310和阴离子交换膜320之间无流道，双极膜与双极膜之间形成流道或者双极膜与电极之间形成流道。市面上销售的双极膜均可作为本方案中的双极膜，在此不再赘述。
[0099]
本实施例中，多孔电极100、200电极之间的双极膜300为两个，两个双极膜300的排列方向相同，排列方向相同指每张双极膜300的阳离子交换膜310的朝向相同，当然对应的每张双极膜300的阴离子交换膜320的朝向也必然相同。需要说明的是，双极膜300的数量不限于本实施例中的两个，可以根据实际需要灵活设置，一般电极对之间的双极膜300为1-50个，甚至更多。
[0100]
如图3所示是双极膜电去离子装置在脱盐过程。当脱盐进行一段时间后，需要进行
倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中离子，如图4所示。
[0101]
本发明的双极膜电去离子装置，在制水时，所有单通道同时制备水，没有浓水产生。再生时，倒极即可实现再生，再生过程也是单通道进行。因此，本发明的双极膜电去离子装置水路结构简单。重复利用了双极膜的膜面积，电解离子交换的方式大大提高了离子交换的速度和效率。本发明的双极膜电去离子装置，极水中不会产生气体，也不会造成结垢现象。
[0102]
故该双极膜电去离子装置采用多孔电极及双极膜的结构，能够避免现有技术中极水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。
[0103]
此外，实验发现，采用多孔电极不仅解决了金属电极生成气体的问题，而且可以实现极室流道单独出水的设计。而且采用多孔电极较普通电极，采用多孔电极的电去离子装置整体脱盐效率可以提高8％以上。这是因为多孔电极可以吸附原水的离子，这种吸附效率比双极膜片的离子交换效率要高。
[0104]
需要说明的是，本实施例的双极膜电去离子装置可以为板框式或者螺旋卷式，外形可以为长方体、正方体、圆柱体状等。本实施例中图3、图4所示意的是一个截面示意图，本领域人员可以根据此形式得到各种形状的产品。
[0105]
本发明的双极膜电去离子装置进行脱盐时，双极膜电去离子装置膜堆水流通量可以在1至15倍的范围内调整，优选在1至4倍的范围内调整，均能满足脱盐率的要求。因此，可以根据需要调节水流通量，而又不会造成脱盐率下降。本发明的双极膜电去离子装置可在增加水流通量的情况下，不会增加体积，成本也不会增加。
[0106]
实施例10。
[0107]
一种双极膜电去离子装置，其它特征与实施例9相同，不同之处在于：如图5、图6所示，本实施例中：多孔电极100由集电体130、多孔材料110、阴离子交换膜120依次层叠形成，多孔电极100为阴膜电极。多孔电极200由集电体230、多孔材料210、阳离子交换膜220依次层叠形成，多孔电极200为阳膜电极。多孔电极可由集电体、多孔材料、离子交换膜层叠在一起夹紧即可，不需要使用粘结剂；或者也可以通过热贴合固定或者通过粘结剂粘结。
[0108]
本实施例的双极膜电去离子装置，其脱盐过程如图5所示。当脱盐进行一段时间后，需要进行倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中离子，如图6所示。
[0109]
该双极膜电去离子装置采用多孔电极及双极膜的结构，能够避免现有技术中极水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。
[0110]
本发明的双极膜电去离子装置进行脱盐时，双极膜电去离子装置膜堆水流通量可以在较宽的范围内调整均能满足脱盐率的要求。因此，可以根据需要调节水流通量，而又不会造成脱盐率下降。本发明的双极膜电去离子装置可在增加水流通量的情况下，不会增加体积，成本也不会增加。
[0111]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。