专利名称：分体组合式电去离子装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水处理装置，特别涉及分体组合式电去离子装置。
1986年，专利US4632745公开了第一台实用化EDI装置的结构设计。专利US4747929稍后首次公开了一种EDI的关键部件——淡水室隔板的结构设计。该隔板的主要特点是在淡水室中设计了数根平行的肋条，将淡水室分成几个亚室，使淡水室中的水流分布均匀，避免了树脂的冲击和抱团，改善了水流和树脂的接触效果。此外，通过特殊的进出水口设计避免了树脂颗粒的流失与堵塞问题。在上述专利技术的基础上，其后又产生了一些改进的EDI专利技术，如US4804451、US4925541、US4931160等。在这些专利应用中都采取了平行亚室式的淡水室隔板设计，淡水室隔板的厚度均为3mm。
目前出现的各种膜堆式EDI技术，其装置都由膜堆、电极装置和夹紧装置三部分组成，以机械力压紧。膜堆又由若干个基本单元——膜对组成，每个膜对含有交替排列的阴离子交换膜、浓水室隔板、阳离子交换膜、淡水室隔板各一张，其中淡水室隔板的结构设计是EDI装置的技术核心。
良好可靠的密封性能对于EDI的正常运行至关重要，装置的设计既要防止内部的淡化水与浓缩水之间的互窜，又要防止整个膜堆的漏水。现有的EDI装置针对上述问题采取了以下的一些措施，同时仍然存在着相应的缺陷。
(1)膜堆以外夹紧的方式夹紧。
夹紧板的面积大于浓水室隔板、淡水室隔板和电极隔板，并只在夹紧板的四周边缘开设螺孔，从而在膜堆组装之后，螺栓只穿过夹紧板而处于膜堆四周外侧。这种外夹紧方式容易使得膜堆两侧的夹紧板承受过大的拉力而弯曲变形，导致膜堆因四周受力不均而变形漏水与内部窜水。因此，装置被迫采用沉重昂贵的金属夹紧装置并尽可能使用较大厚度的夹紧板。不仅如此，甚至很多装置除了在膜堆的左右两侧设置有很大厚度的不锈钢夹紧板之外，同时在前后两侧还设有钢质连接板，这使得装置成本显著增加，重量也极大增大，不利于装置的搬运安装。外夹紧的另一缺陷在于在膜堆的组装过程中，由于缺乏有效的定位方法，隔板与膜的重叠垒放容易发生位置偏差，使膜堆总体上产生组装偏斜，对于膜对数较大的装置尤其如此。
(2)离子交换膜与隔板的粘接密封这种方法将淡水室隔板两侧的阴阳离子交换膜分别与隔板的正反两面进行粘接以防止淡化水和浓缩水的互窜。但是这种设计使膜对成为一次性装置，不能进行拆卸清洗和膜的更换。此外，这种粘接设计并不完全可靠，运行过程中离子交换膜在湿润状态下的膨胀容易导致在干态下进行的粘接因局部的变形而失败，从而仍然导致膜堆内部浓、淡水之间的内漏窜水以及膜堆的外部漏水。
(3)隔板与隔板之间的超声热溶粘接这种设计旨在防止隔板与隔板之间的密封不良而导致的漏水，但同样使得膜堆成为一次性的装置，无法进行拆卸清洗与膜的更换，也不能对旧的装置进行隔板的回收利用，因此生产和使用成本较高。
此外，现有的EDI装置中离子交换膜的四周边缘一般都是外露的，在长期运行、储存、运输过程容易失水干裂，也可能导致膜局部的溶胀不均而变形，使膜堆产生漏水或内部窜水的危险。
最近几年，国内也开始出现了EDI专利技术的实际应用，如ZL96244874.5，ZL99241918.2、ZL00200207.8等。
ZL99241918.2的设计中，同样采取了多肋条平行亚室式的淡水室隔板设计，膜堆的夹紧方式为外夹紧。
专利US5681438则在淡水室隔板的一侧设置了下凹式的平台，同时将膜与隔板再进行粘接处理。专利ZL00200207.8在淡水室隔板的正反两面同时设置了等高的下凹平台，分别将阴阳离子交换膜嵌入隔板的边框内，从而依靠压紧力使阴阳膜的外表面分别与淡水室隔板正反两面的边框相平，实现了膜与隔板的免粘接良好密封，并使装置具有可拆卸性；此外，膜完全被置于膜堆内部而不外露，在装置整体性能得到改进的同时，避免了膜四周边缘可能的失水干裂、变形。这些措施使EDI的密封性能和运行可靠性得到了改进，但也产生了以下的新的问题。
(1)隔板加工难度大。
目前已有的各种EDI装置的浓、淡水室隔板都采用聚丙烯材质，其中淡水室隔板一般采用模具注塑加工而得。由于聚丙烯材质具有收缩率较高，易变形的特点，在隔板的正反面设置下凹平台，使得隔板结构不均匀性增大，结构复杂，在加工过程中容易发生不均匀收缩，产生变形，难以加工。
(2)下凹平台的高度难以确定下凹平台的设计要求膜的厚度和下凹平台的高度之间达到合理的搭配。对于一定厚度的离子交换膜，若下凹平台的高度过小，则不能将膜完全压进下凹平台之中，从而导致隔板之间产生缝隙；若高度过大，则又导致膜不能完全被压紧，也将导致窜水和膜堆漏水。事实上，商品离子交换膜的厚度因生产工艺的原因难以保持稳定，另外，不同厂家不同品牌的离子交换膜一般厚度也有所不同，这就给膜的厚度和下凹平台的高度搭配带来了一定困难。
(3)膜堆组装难度增大由于在组装过程中离子交换膜处于非压紧的自由状态，并且膜因嵌于下凹平台中而不是覆盖全部的隔板表面，因此在填充树脂、组装膜堆时，树脂层的厚度不易掌握，并且在膜与隔板的缝隙间容易产生树脂颗粒的泄露，进一步使得压紧膜堆时膜与隔板下凹平台的接触面不能完全、均匀地压实。此外，因自由状态下隔板之间存在缝隙，所以容易发生个别隔板因碰动发生位置偏移。组装难度的增大使得装置的组装成功率下降，生产效率降低，对于工业规模的大型EDI装置而言，尤其如此。
现有的各种膜堆式EDI技术与装置中，另一个缺陷是浓缩室的水流分布不够均匀。一般都只在浓水室隔板的两端各设计一个浓缩水孔(如附图6所示)。当EDI装置的处理水量较高，隔板规格较大时，隔板的宽度也较大，这种设计就使得水流在隔板的宽度方向上难以达到均匀分布，容易产生水流不充分的流动死区，在长时间运行中就将进一步诱发浓差极化和结垢。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是分体组合式电去离子装置，包括夹紧装置、电极装置、膜堆，夹紧装置由两块夹紧板和拉紧螺栓与螺母组成；在两张夹紧板内侧分别是正、负电极室与电极隔板组成的正、负电极装置；膜堆的基本单元为膜对，膜堆由多个膜对重叠叠放而成，每个膜对依次由阳离子交换膜、浓水室隔板、阴离子交换膜、淡水室隔板各一张组成，并在淡水室隔板中填充有离子交换树脂，还包括由一定数目的中空支撑边框板构成的膜堆支撑装置，矩形的中空支撑边框板的四边几何尺寸与正电极隔板、负电极隔板、夹紧板相同，在夹紧板、正电极隔板、负电极隔板、中空支撑边框板的边框相同的位置上开设大小位置相同的螺栓孔，螺栓孔(29)中有螺栓(2)，螺栓两端有紧固螺母(3)，整个EDI装置以内夹紧的方式夹紧；中空支撑边框板中间为矩形中空腔室，中空支撑边框板的中空腔室的长度与宽度分别比膜堆的长度和宽度稍大0.5-2mm；膜堆在安装时被置于中空支撑边框板构成的中空腔体内，夹紧状态下，膜堆的总厚度等于全部的中空支撑边框板的厚度之和。
所述的中空支撑边框板的厚度为3.0-8.0mm。
所述的分体组合式电去离子装置在浓水室隔板长度方向的两端的中部各设置一个淡化水孔，在每个淡化水孔的左右两侧设置两个对称的浓缩水孔，两个浓缩水孔与浓缩室的主体流道之间则分别通过两个敞开式的喇叭型流道相连。
本实用新型的有益效果是在隔板免粘接的条件下使密封效果得到提高，可承受操作压力，彻底避免夹紧板和膜堆的夹紧变形，膜堆组装更便捷可靠，生产效率得到提高，装置成本降低，搬运安装方便；淡水室隔板结构简单，易于加工，浓缩室水流分布更均匀，装置运行更可靠；同时，装置适用于任何厚度的离子交换膜，膜堆的可拆卸性也便于装置的清洗和膜的更换，故便于EDI技术与装置的推广应用。
在图中1.夹紧板 2.螺栓 3.螺母4.正电极隔板 5.正电极 6.正电极室；7.阳离子交换膜8.浓水室隔板 9.浓缩室10.阴离子交换膜 11.淡水室隔板 12.淡水室13.离子交换树脂 14.中空支撑边框板 15.负电极室16.负电极 17.负电极隔板 18.夹紧板19.筛网 20.淡化水进水孔21.浓缩水进水孔22.肋条 23.淡化水出水孔24.浓缩水出水孔25.配液槽 26.配液槽覆盖板27.集液槽28.集液槽覆盖板 29.螺栓孔 30.膜对
31.淡化水原水32.浓缩水原水33.极水进水34.产品水35.浓缩排放水36.极水出水由附图可知，分体组合式电去离子装置包括夹紧装置、电极装置、膜堆。膜堆的基本单元为膜对30，膜堆由多个膜对30重叠叠放而成，每个膜对30依次由阳离子交换膜7、浓水室隔板8、阴离子交换膜10、淡水室隔板11各一张组成，以固定的顺序交替排列(见图3)，在淡水室隔板11的淡化室12中填充有混床离子交换树脂13，一般为强酸、强碱性混床树脂，阴、阳树脂的体积比为1∶1-2∶1。在浓缩室9中填有与正、负电极室中同样的尼龙筛网19，其作用是使浓缩室两侧的阴、阳离子交换膜保持一定的间距，构造流道、促进湍流并为离子交换膜提供支撑。浓水室隔板8可采用刚性ABS(丙烯腈-丁乙烯-苯乙烯共聚物)材质或硬质聚丙烯材质，厚度为0.6-1.2mm；淡水室隔板11采用硬质聚丙烯PP材质，厚度为2.5-6mm。在夹紧组装状态下，全部的膜堆被置于由中空支撑边框板14构成的中空腔室内。并联排列的膜对30数越多，单台EDI装置的处理水量就越大。
分体组合式电去离子装置还包括膜堆支撑装置，膜堆支撑装置由一定数目的中空支撑边框板14构成，中空支撑边框板14的四边几何尺寸与正电极隔板4、负电极隔板17、夹紧板(1、18)相同，在夹紧板(1、18)、正电极隔板4、负电极隔板17、中空支撑边框板14的边框相同的位置上开设大小位置相同的螺栓孔29，螺栓孔29中有螺栓2，螺栓两端有紧固螺母3，整个EDI装置以内夹紧的方式夹紧，夹紧时螺栓穿过中空支撑边框板14的螺孔29而不影响膜堆(见图3-5)。中空支撑边框板14中间为矩形中空腔室，中空支撑边框板14中空腔室的长度与宽度分别比膜堆的长度和宽度稍大0.5-2mm；膜堆在安装时被置于中空支撑边框板构成的中空腔体内，在夹紧状态下，膜堆的总厚度等于全部的中空支撑边框板的厚度之和。一定数目的中空支撑边框板构成用以放置膜堆的中空腔体，对膜堆起到保护作用。中空支撑边框板的厚度为3.0-8.0mm。膜堆在自由状态下的厚度大于中空腔体的总厚度，在夹紧时由于离子交换膜的压缩弹性，膜堆受压厚度减少。对于膜对数一定的膜堆，可以根据膜的安全压缩弹性事先确定压紧状态下膜堆的总厚度，该厚度与中空支撑边框板14厚度的比值即为所需的中空支撑边框板14的数量。因此，EDI装置在组装夹紧之后，膜堆的总厚度即等于全部的中空支撑边框板14的厚度之和。
电极装置设置在膜堆的外侧两端，包括正极隔板4、正电极5、正极室6、负极室15、负电极16和负极隔板17，其中在正负极室中填有筛网19，(见
图1)。
夹紧装置设置在电极装置的外侧两端，包括左右夹紧板(1、18)以及紧固螺栓2和螺母3(见
图1)。
淡水室隔板11上开设有淡化水进水孔20、淡化水出水孔23以及浓缩水进水孔21与、浓缩水出水孔24。在进水孔20与淡化室12之间设计有溢流式配液槽25，其作用是对水流在进入淡化室12之前进行均匀分配；在出水孔23与淡化室12之间设计有与之对称的溢流式集液槽27，其作用是收集淡化水，从出水孔23处流出。在配液槽25与集液槽27的上方分别设有刚性的配液槽覆盖板26和集液槽覆盖板28，其材质不透水不导电，不同于覆盖板外侧的离子交换膜。组装后覆盖板的表面与淡水室隔板11的一侧表面处于同一平面上，水流由进水孔20进入，通过配液槽覆盖板26与暗道式溢流配液槽25之间的缝隙进入淡化室12。覆盖板不仅可起到密封树脂，防止树脂流失或堵塞的作用，而且可防止在配液槽25与集液槽27内发生单方向的电渗析过程而影响装置性能。
在淡化室12中设有数根相互平行，分布均匀的肋条22，将淡化室分成若干个相互平行的小流道，这些小流道和填充在流道中的离子交换树脂13以及淡化室12两侧的阴、阳离子交换膜便构成相应的若干个亚室。这一设计既能避免树脂在运行中的冲击抱团，又使水流与树脂间的接触更充分、均匀，避免了淡化室12中的沟流，同时也对离子交换膜提供了有效支撑。
在浓水室隔板8的一端中部开设有淡化水流通孔20，在其左右两侧则开设有两个对称的浓缩水进水孔21，两个进水孔与浓缩室的主体流道之间则通过两个敞开式的喇叭型流道相连，在隔板的另一端则开设有相应的淡化水出水孔23和两个对称的浓缩水出水孔24，见图7。这种设计避免了在隔板一端只设置一个浓缩水孔时，在浓水室的两个边侧地区产生的流动不充分和水流死区。当中产生水流死区时，从淡水室迁移过来的盐离子不能及时地扩散到主体溶液中而在流动死区发生累积，溶液更新速度慢，盐浓度逐步提高，最终就将诱发浓差极化与结垢等严重后果。采取在浓水室隔板的端侧同时设置对称的进水孔与出水孔，使两股水流通过敞开式的喇叭型流道同时对称地进入和流出浓水室，可以在浓水室中产生充分的搅拌作用，促进湍流，消除水流死区。同时，这种在隔板一端适当数目水孔的设计，可以保证浓水孔和淡水孔之间的合理间距，防止浓缩水和淡化水之间的互窜。
本实用新型的作用有以下几点(1)密封效果得到提高装置夹紧时，膜堆与中空支撑边框板同时承受夹紧力，中空支撑边框板的面积和四周边长均与电极隔板的相同，其宽度与夹紧板的宽度相同，这种内夹紧的方式为两侧的夹紧板提供了有效支撑，使夹紧受力面最大，受力均匀，因此避免了夹紧中的变形和局部夹紧不良，防止了膜堆外部漏水；阴、阳离子交换膜的面积与浓淡室隔板面积相同，全部的隔板四周边缘都被膜所覆盖，因此膜和隔板之间的密封面积达到最大；将膜堆整体置于中空支撑边框板构成的中空腔体内，则中空支撑边框板实际上可对膜堆起到二次密封作用。
由于这种夹紧方式使得EDI膜堆可以承受更强的夹紧力，不仅使密封更可靠，也使EDI的允许操作压力和水流量得到提高。
(2)装置成本降低，搬运安装方便由于采用更可靠的内夹紧方式避免了夹紧板的变形，从而允许夹紧板可使用轻质金属材料(如铝合金板)，甚至使用刚性聚氯乙烯PVC塑料材质。相对于价格偏高、重量更大的不锈钢等金属材质而言，装置成本显著下降，同时重量明显减轻，便于工程施工中的搬运安装。
(3)更便捷、可靠的膜堆组装由于全部的浓、淡水隔板和阴、阳离子交换膜的大小、面积都相同，因此在EDI装置组装中，只须简便地将膜和隔板进行重叠叠放；在淡水室隔板正反两面免除下凹平台的设计，可以防止在组装过程中因膜的不完全平整而在膜与隔板之间产生缝隙，导致个别树脂颗粒的泄露；同时，填充的树脂床层的厚度即等于淡水室隔板的厚度，因而便于控制；将膜堆置于中空支撑边框板的中空腔体内，还可以为膜堆进行有效的定位，防止组装中的位置偏差或倾斜；因此EDI装置的生产效率、组装成功率和可靠性都得到提高。
此外，由于避免了将离子交换膜嵌入淡水室隔板的下凹平台中，使得膜的厚度与装置的组装无关，因此根据本实用新型的设计，各种不同厚度的离子交换膜均可使用。
(4)膜堆具有可拆卸性，便于清洗和膜的更换由于免除了膜与隔板以及浓淡水室隔板之间的粘接，因此膜堆具有可拆卸性，便于清洗和膜的更换，浓、淡水室隔板可回收利用，避免了装置使用的一次性，降低了生产和使用成本。
(5)淡水室隔板结构简单，易于加工。
(6)浓缩室水流分布更均匀，装置运行更可靠下面再结合实施例对本实用新型的工作原理进行说明。
图8所示为内部流程设计为一级两段的EDI装置的内部水路系统示意图。在膜堆的中间膜对中设置有换向离子交换膜或换向隔板，其特点是在相对应于其他隔板与膜的淡化水和浓缩水的进水孔处没有开设同样的水孔，从而使得膜堆分成前后两段。在第一段的每张淡水室隔板和浓缩水隔板中，淡化水和浓缩水的水流方向是由上至下，而在第二段中则相反。
对于整个EDI装置，淡化水原水31由正极隔板4的淡水进水孔进入，横向分配至第一段的每张淡水室隔板11中，通过隔板的溢流配液槽25进入淡水室12，经由溢流集液槽27收集，由出水孔23流出，通过换向进入第二段；在第二段的每张淡水室隔板中，水流由原出水孔23向原进水孔20，以相反的方向流动，最后由负极隔板17的产品水出水孔流出，得到高纯产品水34。浓缩水原水32由浓水进水孔进入，横向分配至第一段的每张浓水室隔板8中，通过换向进入第二段，最终由负极隔板的浓缩水出水孔流出，得到浓缩排放水35。极水原水33由正极隔板的极水进水孔进入，通过出水孔，并膜堆外部的管路进入负极隔板，由极水出水孔排出。淡化水、浓缩水水流在EDI装置内部各自按其设定的流道流动，互不相窜。
在淡水室中，原水中的盐离子首先由离子交换作用交换吸附到离子交换树脂颗粒上，在与水流方向垂直的外直流电场的作用下，盐离子通过相互接触的树脂颗粒被输送到离子交换膜的淡水室一侧表面，阳离子向负极方向迁移并透过阳离子交换膜进入浓缩室，阴离子向正极方向移动并透过阴离子交换膜进入浓缩室。浓缩水原水在流经浓水室后富集到由淡水室迁移进来的盐离子，由浓缩水出口排出，淡化水流经淡水室后盐离子被去除，从而得到高纯产品水。在EDI装置运行过程中，只要控制一定的操作条件，淡水室内侧的离子交换膜与离子交换树脂的表面滞流层中就会在电场作用下发生浓差极化和水的解离。水解离产生的H+和OH-离子即对所填充的混床树脂起到自动连续的再生作用，从而保证了在水的流程的下游始终保持有一定长度的再生状态的混床树脂，达到连续深度脱盐、制取高纯水的目的。
本实用新型可以根据制水要求灵活地组装成一级两段、一级多段或多级多段的形式。本实用新型的优点，是在隔板免粘接的条件下使密封效果得到提高，膜堆组装更便捷可靠，生产效率得到提高，装置成本降低，搬运安装方便；淡水室隔板结构简单，易于加工，浓缩室水流分布更均匀，装置运行更可靠；同时，装置适用于任何厚度的离子交换膜，膜堆的可拆卸性也便于装置的清洗和膜的更换，故便于EDI技术与装置的推广应用。
权利要求1.一种分体组合式电去离子装置，包括夹紧装置、电极装置、膜堆，夹紧装置由两块夹紧板(1、18)和拉紧螺栓(2)与螺母(3)组成；在两张夹紧板内侧分别是正电极室(6)、负电极室(15)与正电极隔板(4)、负电极隔板(17)组成的正、负电极装置；膜堆的基本单元为膜对，膜堆由多个膜对重叠叠放而成，每个膜对依次由阳离子交换膜(7)、浓水室隔板(8)、阴离子交换膜(10)、淡水室隔板(11)各一张组成，并在淡水室隔板(11)中填充有离子交换树脂(13)，其特征在于还包括由一定数目的中空支撑边框板(14)构成的膜堆支撑装置，矩形的中空支撑边框板(14)的四边几何尺寸与正电极隔板(4)、负电极隔板(17)、夹紧板(1、18)相同，在夹紧板(1、18)、正电极隔板(4)、负电极隔板(17)、中空支撑边框板(14)的边框相同的位置上开设大小位置相同的螺栓孔(29)，螺栓孔(29)中有螺栓(2)，螺栓两端有紧固螺母(3)，整个EDI装置以内夹紧的方式夹紧；中空支撑边框板(14)中间为矩形中空腔室，中空支撑边框板(14)的中空腔室的长度与宽度分别比膜堆的长度和宽度稍大0.5-2mm；膜堆在安装时被置于中空支撑边框板(14)构成的中空腔体内，夹紧状态下，膜堆的总厚度等于全部的中空支撑边框板(14)的厚度之和。
2.根据权利要求1所述的分体组合式电去离子装置，其特征在于，中空支撑边框板(14)的厚度为3.0-8.0mm。
3.根据权利要求1所述的分体组合式电去离子装置，其特征在于，在浓水室隔板(8)长度方向的两端的中部各设置一个淡化水孔(20、23)，在每个淡化水孔的左右两侧设置两个对称的浓缩水孔(21、24)，两个浓缩水孔与浓缩室(9)的主体流道之间则分别通过两个敞开式的喇叭型流道相连。
专利摘要一种分体组合式电去离子装置，包括夹紧装置、电极装置、膜堆，还包括由一定数目的中空支撑边框板构成的膜堆支撑装置，矩形的中空支撑边框板的四边几何尺寸与正电极隔板、负电极隔板、夹紧板相同，整个EDI装置以内夹紧的方式夹紧；中空支撑边框板中间为矩形中空腔室，膜堆在安装时被置于中空支撑边框板构成的中空腔体内，夹紧状态下，膜堆的总厚度等于全部的中空支撑边框板的厚度之和。分体组合式电去离子装置使EDI装置的密封效果得到提高，膜堆组装更便捷可靠，生产与使用成本降低。此外，淡水室隔板结构简单，易于加工，浓缩室水流分布更均匀，装置运行更可靠。
文档编号C02F1/469GK2603076SQ0324041
公开日2004年2月11日 申请日期2003年3月11日 优先权日2003年3月11日
发明者王建友 申请人:王建友