压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备和应用方法
【专利摘要】本发明公开了一种压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备和应用方法，设备包括反渗透膜、阴阳离子膜、电极等，由电极通电和加压进水使设备在运行时同时处在电场和压力场中。设备内反渗透膜与阴阳离子膜互相垂直排列，相互构成若干个反应格室，阴阳离子膜作用出水由连接于反应格室的出水管直接排出。相邻的两个反渗透膜作为一组反渗透系统，膜与膜之间间隔构成反渗透系统出水廊道。该设备的应用实现了反渗透过程与电渗析过程同时进行，且压力场与电场互相影响，通过压力场作用增强电渗析效果，加快离子迁移速率，提高除盐率，降低能耗；通过电场作用促进废水中离子迁移，减少反渗透过程中溶剂迁移阻力，提高水回收率，且改善反渗透膜污染的问题。
【专利说明】压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备和应用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环保与节能【技术领域】，涉及一种高盐水脱盐处理设备，具体涉及一种压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备和应用方法。
【背景技术】
[0002]当前，随着城市化和工业化的急速扩展，经济发展迅速。针对各大企业排放的高含盐量水，对环境造成了极大的危害，水中的高盐造成了水生生物生存环境改变，水质恶化甚至生物死亡。此外，随着用水需求的增大，淡水资源短缺，不得不花费大成本、高投入进行海水或苦咸水淡化，以满足生活和工业用水的需求。无论是废水中高盐水除盐还是海水或苦咸水淡化，均需相应处理工艺或设施来除去水中盐分，达到用水需求目的。
[0003]目前，除盐技术主要有蒸发、电渗析、反渗透等。蒸发多用于高于10%的含盐水除盐，但能耗高仍是瓶颈；电渗析和反渗透可应用于中低浓度(低于5%)含盐水的除盐。电渗析除盐技术主要涉及两个过程，一是离子的迁移率，二是膜的选择透过率，两种过程均受到电场强度的影响，同时膜之间的水力状态也是影响因素之一。电渗析除盐技术在运行过程中易产生浓差极化现象，水的回收率低，除盐效率也需要提高。反渗透的特征是能在较低操作压力下发挥功能，受pH值、温度等因素影响较小,脱盐效率可达到98、9%以上,但存在着浓水资源难处理，膜污染严重，设施运行维护费用高等问题。
[0004]电渗析与反渗透尽管能耗比过去若干年降低了，但由于问题仍存在较多，对于高盐水除盐问题，目前仍没有较完美的工艺与方法。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:由于反渗透或离子选择性膜单独使用时，仅仅靠的式单一的压力场或电场作用，水的回收率低，能耗高，膜污染严重，且实际中设备复杂。
[0006]本发明的技术方案，一种压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备，该设备包括壳体、反渗透膜、阴离子膜、阳离子膜、阴阳极性可转换的电极板、淡水室出水管、浓水室出水管、反渗透出水管、淡水室、浓水室、反渗透出水廊道、壳体
内上端的进水缓冲区、壳体内中部的反应区和壳体内的反渗透出水集水区；所述壳体呈长方体形状，上端封闭，留有进水口 ；所述阴阳级电极板置于壳体内在平行于长方体的宽边的两侧，所述渗透出水廊道为相邻的两反渗透膜片之间的间隔；所述壳体内中部的反应区为相邻的两组反渗透膜之间和反渗透膜与壳体内壁之间的间隔；所述反应区内，在平行于壳体长方体长边，间隔放置反渗透膜；两相邻的反渗透膜构成一组，所述阴离子膜、阳离子膜与反渗透膜垂直交错镶嵌入在两组反渗透膜之间和反渗透膜与壳体内壁之间；由阴离子膜、阳离子膜、反渗透膜和壳体构成多个反应格室；通过阴阳极性可转换的电极板形成电场的作用，阴阳离子分别向阳极和阴极移动，使得设备内交错形成浓水室和淡水室；浓水室下方设置浓水室出水管，淡水室下方设置淡水室出水管，所述反渗透出水廊道直接通入反渗透出水集水区，反渗透出水集水区下方设置反渗透出水管。[0007]所述阴离子膜、阳离子膜的高度与反应区高度相同，膜宽与相邻两组反渗透膜之间的间距相等。
[0008]所述进水缓冲区处于壳体内上端，为壳体体积的1/10，所述反渗透出水集水区处于壳体内下端，为壳体体积的1/10，所述反应区处于壳体内中部，为壳体体积的2/5。
[0009]所述阴阳极性可转换的电极板采用钛钌电极板，可设置多对电极，每对电极之间可设置多组离子膜组件，数量依据设计的脱盐率和效率确定。
[0010]一种应用上述设备的方法，其特点是，该方法为:
高盐水由泵加大于反渗透膜的渗透压的高压进入上述设备，同时使阴阳极性可转换的电极板通电；高盐水在进水缓冲区均匀分配给各个反应格室，由上而下流入反应区，在每个反应格室，由于阴阳极性可转换的电极板形成电场的作用，阳离子透过阳离子膜向阴极迁移，阴离子透过阴离子膜向阳极迁移，使得设备内交错形成浓水室和淡水室，浓水室出水经过浓水室出水管汇集与原水混合循环进入设备，淡水室出水经过淡水室出水管直接收集利用，同时由于由泵形成压力场的作用，溶剂从溶液中分离经反渗透膜向反渗透出水廊道渗透，最终汇集在反渗透出水集水区，由反渗透出水管排出，反应2~8h后变换阴阳极性可转换的电极板极性，继续反应。
[0011]本发明的有益效果
1.该发明通过反渗透膜与阴阳离子膜垂直设置，构成反应格间，实现了反渗透过程与电渗析过程同时进行，并将整个反应同时处于压力场和电场中，提高了废水除盐效果，解决了实际中设备复杂的问题。
[0012]2.该发明通过压力场作用增强电渗析效果，可加快离子迁移速率，且反渗透过程分离溶剂后，使得溶液浓度增大，更加利于电渗析过程阴阳离子的迁移。相比于单一的电渗析，在相同的除盐效果下，该发明需要的反应的时间短，能耗低。
[0013]3.该发明通过电场作用促进了废水中离子迁移，减少了反渗透过程中溶剂迁移阻力，相比于单一反渗透过程，可提高水回收率，降低能耗。并且由于电场电极的转换作用，离子迁移变换，使得废水各组分存在一个移动动力，从而改善了反渗透膜污染的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明设备平面结构示意图；
图2为图1的1-1向剖切结构示意图；
图3为图1的2-2向剖切结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]实施例1
由图1-3所示，一种压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备，该设备包括壳体1，反渗透膜2、阴离子膜3、阳离子膜4、阴阳极性可转换的电极板5、淡水室出水管6、浓水室出水管7、反渗透出水管8、淡水室9、浓水室10、反渗透出水廊道11、壳体内上端的进水缓冲区
12、壳体内中部的反应区13和壳体内的反渗透出水集水区14、壳体15 ;所述壳体呈长方体形状，上端封闭，留有进水口 ；所述阴阳级电极板5置于壳体内在平行于长方体的宽边的两侦牝所述渗透出水廊道11为相邻的两反渗透膜片之间的间隔；所述壳体内中部的反应区13为相邻的两组反渗透膜之间和反渗透膜与壳体内壁之间的间隔；所述反应区13内，在平行于壳体长方体长边，间隔放置反渗透膜2 ;两相邻的反渗透膜构成一组，所述阴离子膜3、阳离子膜4与反渗透膜垂直交错镶嵌入在两组反渗透膜之间和反渗透膜与壳体内壁之间；由阴离子膜、阳离子膜、反渗透膜和壳体构成多个反
应格室；通过阴阳极性可转换的电极板5形成电场的作用，阴阳离子分别向阳极和阴极移动，使得设备内交错形成浓水室10和淡水室9 ;浓水室10下方设置浓水室出水管7，淡水室9下方设置淡水室出水管6，所述反渗透出水廊道11直接通入反渗透出水集水区14，反渗透出水集水区14下方设置反渗透出水管8。
[0016]所述进水缓冲区12处于壳体内上端，为壳体体积的1/10，所述反渗透出水集水区14处于壳体内下端，为壳体体积的1/10，所述反应区12处于壳体内中部，为壳体体积的2/5。
[0017]本实施例中，壳体长260mm，宽190mm，高260mm，该尺寸可依据实际需要改变。进水缓冲区12、反应区13、反渗透出水集水区14的体积比为1:4:1。
[0018]反渗透膜2采用最大承受压力为70bar的反渗透膜，长260mm，高270mm。反渗透膜2顶端与反应区13顶端相连，反渗透膜2下端伸入反渗透出水集水区10mm，反渗透膜2左右两端与壳体紧密联接。相邻的两张膜之间间距10mm，相邻的反渗透膜构成一组，相邻的两组膜之间间距40mm，反渗透膜2与壳体I两侧间距也为40mm，壳内放置3组(6张)反渗透膜2。垂直于反渗透膜2，在两组反渗透膜之间和反渗透膜与壳体之间镶嵌入阴阳离子膜，即膜长40mm，高260mm，阴离子膜3与阳离子膜4间距40mm，交错放置，共放置阴离子膜3与阳离子膜4各12个，与反渗透膜2和壳体I构成20个反应格室。每排四个反应格室构成一组淡水室9或浓水室10，共五排，有三排淡水室和两排浓水室，淡水室下方设置淡水室出水管6，出水管的支管与淡水室的每个反应格室连接。浓水室下方设置浓水室出水管7，出水管的支管与浓水室的每个反应格室连接。反渗透出水集水区14下方设置反渗透出水管8。阴阳极性可转换的电极板5采用钛钌电极板。
[0019]一种应用上述设备的方法是高盐水由泵加大于反渗透膜的渗透压的高压进入上述设备，同时使阴阳极性可转换的电极板5通电；高盐水在进水缓冲区12均匀分配给各个反应格室，由上而下流入反应区13，在每个反应格室，由于阴阳极性可转换的电极板5形成电场的作用，阳离子透过阳离子膜4向阴极迁移，阴离子透过阴离子膜3向阳极迁移，使得设备内交错形成浓水室10和淡水室9，浓水室10出水经过浓水室出水管7汇集与原水混合循环进入设备，淡水室9出
水经过淡水室出水管7直接收集利用，同时由于由泵形成压力场的作用，溶剂从溶液中分离经反渗透膜2向反渗透出水廊道11渗透，最终汇集在反渗透出水集水区14，由反渗透出水管8排出，反应2~8h后变换阴阳极性可转换的电极板(5)极性，继续反应。
[0020]为了提高除盐效率，将反渗透膜2、阴离子膜3和阳离子膜4构成反应格室，使得反渗透过程与电渗析过程同时进行，并因为整个反应同时处于压力场和电场中，通过压力场作用可增强电渗析效果，加快离子迁移速率，且反渗透过程分离溶剂后，使得溶液浓度增大，更加利于电渗析过程阴阳离子的迁移，所以该设备运行过程中，较单一电渗析设备，可缩短通电时间。
[0021]设备电场作用促进了废水中离子迁移，减少了反渗透过程中溶剂迁移阻力，相比于单一反渗透过程，可降低操作压力。并且由于电场电极的转换作用，离子迁移变换，使得废水各组分存在一个移动动力，改善了反渗透膜污染的问题，所以该设备膜的反冲洗次数可减少。
[0022]应用实施例1
将实施例1中的一种压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备应用于处理某煤化工园区的各个化工企业产生的高盐水。在室温下进行，原水PH为8~9，含盐量为3500mg/L。设备操作进水压力为15bar，电流密度在l(T20mA/Cm2，反应格室内停留时间lOmin，出水的浓水浓度为1400(Tl5000mg/L，淡水系统的脱盐率在30%~40%，反渗透系统回收率在90%，脱盐率达到98%。设备不通电，单一压力场下进行处理，反应相同的时间，反渗透系统的回收率为79%，脱盐率达到96%，经过I个月的使用后，用电子扫描显微镜观察反渗透膜表面，膜污染层比单一反渗透薄；设备不加压，单一电场下进行处理，反应相同时间，出水的浓水浓度为700(T8000mg/L，淡水系统的脱盐率在20%左右。比较可知，压力场作用增强了电渗析效果，加快了离子迁移速率，相比于单一的电渗析，在相同的除盐效果下，该发明需要的反应的时间短，能耗低。同时，电场作用促进了废水中离子迁移，减少了反渗透过程中溶剂迁移阻力，相比于单一反渗透过程，提高了水回收率，降低能耗。并且由于电场电极的转换作用，离子迁移变换，使得废水各组分存在一个移动动力，改善了反渗透膜污染的问题。
【权利要求】
1.一种压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备，其特征在于，该设备包括壳体(1)、反渗透膜(2)、阴离子膜(3)、阳离子膜(4)、阴阳极性可转换的电极板(5)、淡水室出水管(6)、浓水室出水管(7 )、反渗透出水管(8 )、淡水室(9 )、浓水室(10 )、反渗透出水廊道(11)、壳体内上端的进水缓冲区(12)、壳体内中部的反应区(13)和壳体内的反渗透出水集水区(14);所述壳体呈长方体形状，上端封闭，留有进水口 ；所述阴阳级电极板(5)置于壳体内在平行于长方体的宽边的两侧，所述渗透出水廊道(11)为相邻的两反渗透膜片之间的间隔；所述壳体内中部的反应区(13)为相邻的两组反渗透膜之间和反渗透膜与壳体内壁之间的间隔；所述反应区(13)内，在平行于壳体长方体长边，间隔放置反渗透膜(2);两相邻的反渗透膜构成一组，所述阴离子膜(3)、阳离子膜(4)与阴阳极性可转换的电极板(5)平行，与反渗透膜垂直交错镶嵌入在两组反渗透膜之间和反渗透膜与壳体内壁之间；由阴离子膜、阳离子膜、反渗透膜和壳体构成多个反应格室；通过阴阳极性可转换的电极板(5)形成电场的作用，阴阳离子分别向阳极和阴极移动，使得设备内交错形成浓水室(10)和淡水室(9);浓水室(10 )下方设置浓水室出水管(7 ),淡水室(9 )下方设置淡水室出水管(6 ),所述反渗透出水廊道(11)直接通入反渗透出水集水区(14)，反渗透出水集水区(14)下方设置反渗透出水管(8)。
2.根据权利要求1所述的压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备，其特征在于，所述反渗透膜片(2)制作成长方形，反渗透膜片(2)宽与壳体的长度相等，与壳体紧密联接，反渗透膜片(2)的高度上端到达反应区(13)顶端，该膜片下端进入反渗透出水集水区(14)，所述反渗透出水廊道(11)直接通入反渗透出水集水区(14)。
3.根据权利要求1所述的压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备，其特征在于，所述阴离子膜(3)、阳离子膜(4)的高度与反应区(13)高度相同，膜宽与相邻两组反渗透膜之间的间距相等。
4.根据权利要求1所述的压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备，其特征在于，所述进水缓冲区(12)处于壳体内上端，为壳体体积的1/10，所述反渗透出水集水区(14)处于壳体内下端，为壳体体积的1/10，所述反应区(13)处于壳体内中部，为壳体体积的2/5。
5.根据权利要求1所述的压力场与电场协同作用双膜脱盐的设备，其特征在于，所述阴阳极性可转换的电极板(5 )采用钛钌电极板。
6.一种应用权利要求1所述设备的方法，其特征在于，该方法为: 高盐水由泵加大于反渗透膜的渗透压的高压进入权利要求1所述的设备，同时使阴阳极性转换的电极板(5)通电；高盐水在进水缓冲区(12)均匀分配给各个反应格室，由上而下流入反应区(13)，在每个反应格室，由于阴阳极性转换的电极板(5)形成电场的作用，阳离子透过阳离子膜(4)向阴极迁移，阴离子透过阴离子膜(3)向阳极迁移，使得设备内交错形成浓水室(10)和淡水室(9)，浓水室(10)出水经过浓水室出水管(7)汇集与原水混合循环进入设备，淡水室(9)出水经过淡水室出水管(7)直接收集利用，同时由于由泵形成压力场的作用，溶剂从溶液中分离经反渗透膜(2)向反渗透出水廊道(11)渗透，最终汇集在反渗透出水集水区(14)，由反渗透出水管(8)排出，反应2~8h后变换阴阳极性可转换的电极板(5)极性 ，继续反应。
【文档编号】C02F1/44GK104016451SQ201410285095
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】伊学农, 王玉琳, 周伟博, 王瑞英, 王俊超, 施柳 申请人:上海理工大学