一种使用纯电容去离子技术淡化苦咸水的系统及其淡化苦咸水的方法

本发明属于水处理领域，尤其涉及非常规水资源的利用，具体涉及使用电容去离子技术淡化苦咸水的系统和使用该系统淡化苦咸水的方法。

背景技术：

目前，全球约有十分之一的人口无法获得洁净的饮用水，且新世纪以来，水资源问题愈演愈烈。全面转变水资源的利用方式，积极开发利用再生水、矿井水、海水等非常规水源已经迫在眉睫。传统的咸水淡化技术，如反渗透、电渗析和离子交换等技术，由于其本身不可忽视的高能耗、高成本以及二次污染等的问题，使得咸水淡化利用一直难以实现。电容脱盐技术，即电容去离子技术(cdi)，又称电吸附，它通过在多孔电极材料间形成电场的方式电吸附去除溶液中的离子，具有脱盐效率高、低能耗、环境友好等优点，是近几十年随着碳材料科学的发展而日益广受重视的新型咸水淡化技术。电容脱盐技术的出现弥补了传统海水淡化技术的缺陷，使低能耗，高效率的脱盐技术有了现实的可能性。

cn111875007a中公开了一种适用于高硬度废水的耐结垢电吸附系统，该系统包括第一吸附模块、第二吸附模块、原水箱、第一再生水箱、第二再生水箱、淡水箱、水泵、阀门。原水箱用于储存原始废水，第一吸附模块和第二吸附模块用于对原始废水进行吸附得到初始处理水；第一再生水箱和第二再生水箱用于吸附模块的循环脱吸附再生与浓缩液的排出。该系统相比于其他膜浓缩减量技术，进水硬度指标耐受更好。处理实际废水前无需软化，只进行简单澄清即可，可避免电极表面的硬度结垢、流道污堵等问题。但是该系统吸附和脱附不能同时进行，在进行脱吸附时无法继续生产淡水，系统工作效率不够高。

cn111718052a中公开了一种苦咸水淡化方法，包括以下步骤：将苦咸水引入集水井；将集水井中的苦咸水通过水泵引入过滤罐，进行过滤；过滤后的苦咸水进入第一电容去离子装置，接通第一电容去离子装置的电源，将苦咸水溶液中的正、负离子吸附到第一电容去离子装置电极上，实现脱盐，降低苦咸水溶液中的离子浓度；将脱盐后的苦咸水在高压泵的的作用下通过反渗透装置，得到淡水；使用第一电容去离子装置、第二电容去离子装置并联，在第一电容去离子装置进行反接脱附离子时，第二电容去离子装置继续进行淡化工作，提高淡化的效率。该方法虽然在电极再生的同时还可以继续进行脱盐处理，但是需要将电容去离子技术与反渗透技术联用才能制备出合格的淡水，而苦咸水淡化脱盐需要较高的操作压力，因此反渗透膜面无机结垢较快，需要频繁清洗和更换膜元件；并且利用太阳能集热装置对回收的苦咸水进行蒸发，受气候的影响较大，且转化效率较低；装置太多，在工业化连续生产中所需的设备占地面积较大。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种使用纯电容去离子技术淡化苦咸水的系统及其淡化苦咸水的方法。

该系统包括沉淀池、过滤池、第一脱盐模块、第二脱盐模块、交直流电源、废液池；

所述第一脱盐模块包括第一粗脱盐装置、第一精脱盐装置；所述沉淀池、过滤池、第一粗脱盐装置、第一精脱盐装置依次通过第一管道连接；所述过滤池、第一粗脱盐装置之间设有第一阀门；所述第一粗脱盐装置、第一精脱盐装置之间设有第一水泵；所述第一精脱盐装置的出水口依次设有第二阀门、第一电导率仪和第三阀门；

所述第二脱盐模块包括第二粗脱盐装置、第二精脱盐装置；所述沉淀池、过滤池、第二粗脱盐装置、第二精脱盐装置依次通过第二管道连接；所述过滤池、第二粗脱盐装置之间设有第六阀门；所述第二粗脱盐装置、第二精脱盐装置之间设有第二水泵；所述第二精脱盐装置的出水口依次设有第七阀门、第二电导率仪和第八阀门；

另设有第三管道和第四管道，所述第三管道的一端连接在所述第一阀门和所述第一粗脱盐装置之间，所述第三管道上设有第五阀门；所述第四管道的一端连接在所述第六阀门和所述第二粗脱盐装置之间，所述第四管道上设有第十阀门；

另设有第五管道和第六管道，所述第五管道的一端连接在所述第一电导率仪和所述第三阀门之间，另一端与所述废液池连接，所述第五管道上设有第四阀门；所述第六管道的一端连接在所述第二电导率仪和所述第八阀门之间，另一端与所述废液池连接，所述第六管道上设有第九阀门；

所述交直流电源设有第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；所述第一粗脱盐装置、第一精脱盐装置、第二粗脱盐装置、第二精脱盐装置都设置有两个电极板；所述第一粗脱盐装置与所述第一接口连接，所述第一精脱盐装置与所述第二接口连接，所述第二粗脱盐装置与所述第三接口连接，所述第二精脱盐装置与所述第四接口连接。

优选地，所述第一粗脱盐装置的电极板和所述第二粗脱盐装置的电极板使用纳米碳管、活性炭或石墨烯制成。

优选地，所述第一精脱盐装置的电极板和所述第二精脱盐装置的电极板使用金属-有机框架碳纳米管杂化材料或金属-有机框架聚吡咯杂化材料制成。

优选地，步骤s1中所述沉淀池为平流式或辐流式或竖流式沉淀池；所述过滤池为平铺式过滤池或滤罐或滤袋。

优选地，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门均为止回阀。使用止回阀可以防止管路中液体倒流。

上述任一项所述的一种使用纯电容去离子技术淡化苦咸水的系统淡化苦咸水的方法，包括以下步骤：

s1、将苦咸水原液引入沉淀池沉淀；再将上清液引入过滤池过滤，得到无杂质苦咸水；

s2、开启第一阀门、第二阀门和第三阀门，将步骤s1得到的无杂质苦咸水以0.5～2cm/s的流速引入第一粗脱盐装置，同时使第一粗脱盐装置和第一精脱盐装置分别与交直流电源的第一接口和第二接口相连通，给交直流电源通入直流电；第一水泵每分钟启动一次，并使液体流速保持在0.5～2cm/s；经第一粗脱盐装置吸附脱盐后的苦咸水由第一水泵输入第一精脱盐装置继续吸附脱盐；流出第一精脱盐装置的水经过第一电导率仪检测，若电导率小于预设的阈值a，则水经第三阀门流出，得到淡水；

s3、若步骤s2中电导率≥a，则关闭第三阀门，同时打开第四阀门，将电导率≥a的水排入废液池；关闭第一阀门，打开第五阀门，以流速为6-12cm/s的脉冲入流向第一粗脱盐装置引入冲洗液；将交直流电源的输出电流切换为交流电；第一水泵的启动频率与冲洗液脉冲入流的频率保持一致，并增大第一水泵流速至6-12cm/s，将第一脱盐模块中的废液排至废液池；当第一电导率仪检测的电导率小于预设的阈值b时，关闭第五阀门，第一脱盐模块处于备用状态；关闭第一阀门和打开第五阀门的同时，开启第六阀门、第七阀门和第八阀门，将步骤s1得到的无杂质苦咸水以0.5～2cm/s的流速引入第二粗脱盐装置，并使第二粗脱盐装置和第二精脱盐装置分别与交直流电源的第三接口和第四接口相连通，给交直流电源通入直流电；第二水泵每分钟启动一次，并使液体流速保持在0.5～2cm/s；经第二粗脱盐装置吸附脱盐后的苦咸水由第二水泵输入第二精脱盐装置继续吸附脱盐；流出第二精脱盐装置的水经过第二电导率仪检测，若电导率＜a，则水经第八阀门流出，得到淡水；

s4、若步骤s3中流出第二精脱盐装置的水的电导率≥a，则关闭第八阀门，打开第九阀门，将电导率≥a的水排入废液池，并使第一脱盐模块重复步骤s2；同时关闭第六阀门，打开第十阀门，以流速为6～12cm/s的脉冲入流向第二粗脱盐装置引入冲洗液；将交直流电源的输出电流切换为0.1～1.0hz交流电；第二水泵的启动频率与冲洗液脉冲入流的频率保持一致，并增大第二水泵流速至6-12cm/s，将第二脱盐模块中的废液排至废液池；当第二电导率仪检测的电导率＜b时，关闭第十阀门，第二脱盐模块处于备用状态。

本发明的技术方案只使用了电容去离子技术淡化苦咸水，不用与其他脱盐技术如反渗透技术、电渗析技术、多效蒸发或离子交换技术等联用，就能达到处理苦咸水使其电导率符合规定。从第一精脱盐装置中流出的水经第一电导率仪检测后，如果电导率小于预设的阈值a，则认为第一脱盐模块制备的淡水符合要求；根据所需淡水水质不同，阈值a可以设定为不同值，a≤2000μs/cm；如果电导率≥a，说明第一脱盐模块中电极板吸附达到饱和，需要对电极进行脱附再生，此时关闭第三阀门，打开第四阀门，使电导率不合格的水排入废液池；然后打开第五阀门，使冲洗液进入第一脱盐模块，并使交直流电源向第一粗脱盐装置和第一精脱盐装置输出超低频交流电，使电极板上的离子进行脱附；从吸附到脱附的过程中不需要将电源反接。第一脱盐模块脱附后产生的废水通过第一电导率仪检测电导率，若电导率小于预设的阈值b，则说明电极板脱附达到要求，可以用于后续吸附脱盐。阈值b远小于阈值a。在第一脱盐模块进行脱附时，第二脱盐模块同时开始吸附工作，工作流程与第一脱盐模块相同。同样根据第二电导率仪的检测结果判断第二脱盐模块中电极板是否需要进行脱附，当第二脱盐模块需要进行脱附时，按照第一脱盐模块的脱附方式进行，同时使第一脱盐模块进行吸附工作；两个模块交替使用，可以连续不间断地产出淡水，提高工作效率。第一脱盐模块和第二脱盐模块中的脱附过程通过使用超低频交流电反复变化电极板间电场方向防止脱附的离子再次附着在电极板上，提高水泵的泵水速度，将脱附的离子及时冲出的同时防止了脱附的离子被再次吸附到另一极板上。废液池中液体接近满容状态时，将废液排出交由专业部门进行处理。

优选地，所述交直流电源能提供电压在1.0～2.0v之间的直流电和频率在0.1～1.0hz的交流电。

优选地，第一脱盐模块进行脱附时、第二脱盐模块进行脱附时交直流电源的输出电流均为0.1hz交流电。

优选地，步骤s2中第一脱盐模块进行吸附时，无杂质苦咸水的流速为1cm/s，第一水泵泵水的速度为1cm/s；步骤s3中第二脱盐模块进行吸附时，无杂质苦咸水的流速为1cm/s，第二水泵泵水的速度为1cm/s。

优选地，步骤s3中第一脱盐模块进行脱附时，冲洗液的流速为10cm/s，第一水泵泵水的速度为10cm/s；步骤s4中对第二脱盐模块进行脱附时，冲洗液的流速为10cm/s，第二水泵泵水的速度为10cm/s。

优选地，第一脱盐模块、第二脱盐模块进行脱附时使用的冲洗液为自来水、蒸馏水或纯净水。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的苦咸水淡化系统不需要使用反渗透装置、电渗析装置、离子交换装置等其他设备，整个脱盐过程纯粹使用电容去离子技术实现，使用1.0～2.0v的低压交直流电源供电，能源消耗极低、水利用率高、无二次污染；(2)整个脱附过程不需要反接电源；在脱附离子时，通过使用0.1～1.0hz超低频交流电反复变化电极板间电场方向防止脱附离子再次附着在电极板上，提高水泵的泵水速度，将脱附的离子及时冲出的同时防止了脱附的离子被再次吸附到另一极板上；(3)两个脱盐模块交替使用，提高了工作效率；装置简单，不需要太多体积庞大和操作条件要求高的设备；盐电极的作用，同时降低了整个设备的成本。

附图说明

图1为本发明使用纯电容去离子技术淡化苦咸水的系统；

图2为本发明淡化苦咸水的系统的电极板吸附离子的示意图。

图中：1、沉淀池；2、过滤池；3、第一脱盐模块；31、第一粗脱盐装置；311、第一电极板；312、第二电极板；32、第一精脱盐装置；33、第一水泵；4、第二脱盐模块；41、第二粗脱盐装置；42、第二精脱盐装置；43、第二水泵；5、交直流电源；51、第一接口；52、第二接口；53、第三接口；54、第四接口；6、废液池；34、第一阀门；35、第二阀门；36、第三阀门；37、第四阀门；38、第五阀门；44、第六阀门；45、第七阀门；46、第八阀门；47、第九阀门；48、第十阀门；y1、第一电导率仪；y2、第二电导率仪；k1、第一开关；k2、第二开关；k3、第三开关；k4、第四开关。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。本领域技术人员依据以下实施方式所作的任何等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

实施例1

如图1所示，本实施例的使用纯电容去离子技术淡化苦咸水的系统，包括沉淀池1、过滤池2、第一脱盐模块3、第二脱盐模块4、交直流电源5、废液池6；所述第一脱盐模块3包括第一粗脱盐装置31、第一精脱盐装置32、第一水泵33、第一电导率仪y1、第一阀门34、第二阀门35、第三阀门36、第四阀门37和第五阀门38；所述第一阀门34和所述第五阀门38设置在所述第一粗脱盐装置31的入水口，所述第二阀门35设置在所述第一精脱盐装置32的出水口，所述第一电导率仪y1设置在所述第二阀门35和所述第三阀门36之间，所述第四阀门37设置在所述第一电导率仪y1和所述废液池6之间；所述第二脱盐模块4包括第二粗脱盐装置41、第二精脱盐装置42、第二水泵43、第二电导率仪y2、第六阀门44、第七阀门45、第八阀门46、第九阀门47和第十阀门48；所述第六阀门44和所述第十阀门48设置在所述第二粗脱盐装置41的入水口，所述第七阀门45设置在所述第二精脱盐装置42的出水口，所述第二电导率仪y2设置在所述第七阀门45和所述第八阀门46之间，所述第九阀门47设置在所述第二电导率仪y2和所述废液池6之间；所述交直流电源5设有第一接口51、第二接口52、第三接口53和第四接口54；所述第一粗脱盐装置31、所述第一精脱盐装置32、所述第二粗脱盐装置41、所述第二精脱盐装置42都设置有两个电极板；所述第一粗脱盐装置31与所述第一接口51相连接，所述第一精脱盐装置32与所述第二接口52相连接，所述第二粗脱盐装置41与所述第三接口53相连接，所述第二精脱盐装置42与所述第四接口54相连接；所述第一水泵33设置在所述第一粗脱盐装置31和所述第一精脱盐装置32之间，所述第二水泵43设置在所述第二粗脱盐装置41和所述第二精脱盐装置42之间；所述沉淀池1和所述过滤池2均与所述第一粗脱盐装置31的入水口相连通，且所述沉淀池1和所述过滤池2均与所述第二粗脱盐装置41的入水口相连通。

上述系统淡化苦咸水的方法包括以下步骤：

s1、如图1所示，将盐湖水引入平流式沉淀池沉淀，使其完全沉淀；再将上清液引入过滤池过滤，得到无杂质苦咸水；

s2、打开第一阀门34、第二阀门35、第三阀门36，其余阀门处于关闭状态；第一粗脱盐装置31与交直流电源5的第一接口51通过第一开关k1连接，第一精脱盐装置32与交直流电源5的第二接口52通过第二开关k2连接；向第一接口51和第二接口52通入1.2v直流电；苦咸水以1cm/s速度经过第一阀门34流向第一脱盐模块3，经过第一粗脱盐装置31进行第一次离子吸附，吸附原理如图2所示，阴离子向第一电极板311移动，阳离子向第二电极板312移动；该第一粗脱盐装置31的电极板由碳纳米管制成；从第一粗脱盐装置31出来的水再经过第一水泵33加速使水流流速保持在1cm/s的速度流向第一精脱盐装置32进一步降低水中盐离子浓度；该第一精脱盐装置32的电极板由金属-有机框架碳纳米管制备；从第一精脱盐装置32流出的水经第一电导率仪y1检测，检测结果小于预设的阈值a时，打开第三阀门36排出得到淡水；《生活饮用水卫生标准gb5749-2006》中规定水的电导率小于2000μs/cm；阈值a根据所需淡水水质的要求设定，但是不能超过2000μs/cm；

s3、若第一电导率仪y1检测结果≥a，关闭第三阀门36，打开第四阀门37，将检测不合格的水排入废液池；同时，将第一阀门34关闭，打开第五阀门38，向第一粗脱盐装置中以10cm/s的速度、10秒每次的频率脉冲入流引入自来水；并将交直流电源5的第一接口51和第二接口52输出电流调整为频率为0.1hz的超低频交流电脱附电极板上的离子；提高第一水泵33泵水速度至10cm/s，第一水泵33开闭间隔时间调整为10秒，当第一电导率仪y1的检测结果小于预设的阈值b时即实现了电极的再生，关闭第五阀门38，第一脱盐模块3处于备用状态；关闭第一阀门34和打开第五阀门38的同时，开启第六阀门44、第七阀门45和第八阀门46，将步骤s1得到的无杂质苦咸水以1cm/s的流速引入第二粗脱盐装置41，并使第二粗脱盐装置41和第二精脱盐装置42分别与交直流电源5的第三接口53和第四接口54相连通，给交直流电源5通入直流电；第二水泵43每分钟启动一次，并使液体流速保持在1cm/s；经第二粗脱盐装置41吸附脱盐后的苦咸水由第二水泵43输入第二精脱盐装置42继续吸附脱盐；流出第二精脱盐装置42的水经过第二电导率仪y2检测，若电导率＜a，则水经第八阀门46流出得到淡水；

s4、若第二电导率仪y2检测结果≥a，关闭第八阀门46，打开第九阀门47，将检测不合格的水排入废液池，并使第一脱盐模块重复步骤s2；同时将第六阀门44关闭，打开第十阀门48，向第二粗脱盐装置41中以10cm/s的速度、10秒每次的频率脉冲入流引入自来水，并将交直流电源5的第三接口53和第四接口54输出电流调整为频率为0.1hz的超低频交流电脱附电极板上的离子；提高第二水泵43泵水速度至10cm/s，第二水泵43开闭间隔时间调整为10秒，第二电导率仪y2的检测结果小于b时即实现了电极的再生，关闭第十阀门48，第二脱盐模块处于备用状态。

第一脱盐模块3和第二脱盐模块4通过交替重复进行吸附和脱附，实现连续不间断地制备淡水。

实施例2

本实施例淡化苦咸水的系统和步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤s2中苦咸水流入第一粗脱盐装置31的速度为0.5cm/s，第一水泵33泵水的速度为0.5cm/s，向交直流电源5第一接口51和第二接口52通入1.0v直流电；步骤s3中第一脱盐模块3脱附时冲洗液的流速为6cm/s，交直流电源5输出的电流为0.5hz交流电，第一水泵33泵水的速度为6cm/s；步骤s3中苦咸水流入第二粗脱盐装置41的速度为0.5cm/s，第二水泵43泵水的速度为0.5cm/s，向交直流电源5第三接口53和第四接口54通入1.0v直流电；步骤s4中第二脱盐模块4脱附时冲洗液的流速为6cm/s，交直流电源5输出的电流为0.5hz交流电，第二水泵43泵水的速度为6cm/s。

实施例3

本实施例与实施例1步骤相同，不同之处在于：步骤s2中苦咸水流入第一粗脱盐装置31的速度为2cm/s，第一水泵33泵水的速度为2cm/s，向交直流电源5第一接口51和第二接口52通入2.0v直流电；步骤s3中第一脱盐模块3脱附时冲洗液的流速为12cm/s，交直流电源5输出的电流为1.0hz交流电，第一水泵33泵水的速度为12cm/s；步骤s3中苦咸水流入第二粗脱盐装置41的速度为2cm/s，第二水泵43泵水的速度为2cm/s，向交直流电源5第三接口53和第四接口54通入2.0v直流电；步骤s4中第二脱盐模块脱附时冲洗液的流速为12cm/s，交直流电源5输出的电流为1.0hz交流电，第二水泵43泵水的速度为12cm/s。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。对于任何熟悉本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。任何依据本发明申请保护范围及说明书内容所作的简单的等效变化和修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。