膜元件、水处理装置及水处理方法

膜元件、水处理装置及水处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种膜元件、水处理装置及水处理方法。其中，在所述膜元件进水和纯水端分别加入了电极，所述电极分别位于膜片两侧。
【专利说明】膜元件、水处理装置及水处理方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种膜元件、水处理装置及水处理方法，特别是一种新型的可以缓解 无机盐结垢的反渗透或纳滤膜元件、包含该膜元件的水处理装置和使用该膜元件的水处理 方法。

【背景技术】
[0002] 反渗透膜元件是膜法水处理技术的核心部件，能够去除水源中的微生物、离子等， 得到纯水。目前已有的反渗透膜元件主要是在一定压力下通过反渗透膜达到纯水制备的目 的。在使用反渗透膜元件对自来水进行处理的实际过程中，发现产生的废水具有较高的碱 度和硬度，在此种情况中，废水的LSI值较高，易于结垢。由于其产生的废水具有较高浓度 和硬度，导致膜元件易于结垢，降低膜元件的使用寿命。现有的反渗透膜元件的分离层主要 为聚酰胺材料，由于其本身的结构特点，具有较高的脱盐率，但废水端的碱度和硬度比原水 端更高，可达1?4倍，导致废水LSI值较高，从而使得膜元件易于结垢，严重限制了膜元件 的使用寿命。在中小规模的反渗透处理系统中，通常采用投加阻垢剂、降低回收率的方式来 减少膜片表面的结垢。但投加阻垢剂在减少结垢的同时，又导致了废水的增加。


【发明内容】

[0003] 技术问题
[0004] 本发明所要解决的技术问题是降低反渗透膜或纳滤膜元件废水端结垢的倾向，延 长膜元件寿命，并在一定程度上提高膜元件回收率。
[0005] 技术方案
[0006] 本发明的反渗透/纳滤膜元件的开发是在现有反渗透/纳滤膜元件的基础上，采 用电化学的方法对其废水的LSI指数进行调节，以降低废水的结垢倾向，延长膜元件的使 用寿命。本发明的膜元件是在传统的反渗透膜元件/纳滤膜元件的进水和纯水端分别加入 了电极，所述电极分别位于反渗透/纳滤膜片两侧。在通电条件下，原水端的正极产生H+， 从而使的流出的废水LSI指数明显降低，大大降低结垢的可能性，提高膜元件使用寿命。同 时，可在一定程度上提高回收率，保持膜元件废水端具有较低的LSI值。另外通过对纯水端 电极和进水端电极的布置方式进行控制，以及对新型缓解无机盐结垢的膜元件的运行方式 的控制，可以降低膜片表面的结垢倾向，提高膜片运行寿命。
[0007] 根据本发明的第1方面，提供了一种膜元件，其特征在于，所述膜元件包含膜片、 进水流入所述膜片的进水端和纯水流出所述膜片的纯水端，所述膜元件还包括设于所述 进水中的进水端电极和设于所述纯水中的纯水端电极，所述纯水端电极与电源负极相连， 所述进水端电极与电源正极相连，在所述进水端电极与所述纯水端电极之间形成15mA? 200mA的抗垢电流，优选所述抗垢电流为20mA?150mA，更优选为30mA?100mA。
[0008] 在上述膜元件中，所述进水端电极位于所述膜片上的进水侧，和/或所述纯水端 电极位于所述膜片上的纯水侧。
[0009] 在上述膜元件中，在所述进水水流主体流动方向上的进水流过纯水端电极区域的 长度小于或等于在所述进水水流主体流动方向上的进水流道长度的1/2。
[0010] 在上述膜元件中，所述纯水端电极区域与所述进水流入所述膜片的进水端口的距 离小于所述纯水端电极区域与所述进水流出所述膜片的出水端口的距离。
[0011] 在上述膜元件中，所述膜元件还具有封胶区，所述进水端电极区域和所述纯水端 电极区域避开所述膜片的封胶区。
[0012] 在上述膜元件中，所述纯水端电极区域的面积占所述膜片总面积的2%?30%， 优选3%?15%。
[0013] 在上述膜元件中，所述纯水端电极区域与所述进水端电极区域的重叠部分为所述 纯水端电极区域面积25%以上。
[0014] 在上述膜元件中，所述进水端电极区域与所述纯水端电极区域的面积之比为0. 5 以上，优选为1以上。
[0015] 在上述膜元件中，所述膜元件还包括纯水导布和进水格网，所述纯水端电极排布 在所述纯水导布上，所述进水端电极排布在所述进水格网上。
[0016] 在上述膜元件中，所述膜元件还包括集水管，所述膜片的纯水端与集水管连通，所 述纯水从所述膜片的纯水端流入所述集水管，所述纯水端电极设置在所述集水管上。
[0017] 在上述膜元件中，构成所述集水管的导电材料作为所述纯水端电极。
[0018] 在上述膜元件中，所述电源电压为12V?36V，优选为24V?36V。
[0019] 在上述膜元件中，所述进水端电极和/或纯水端电极独立地为丝状、片状、板状或 网状电极。
[0020] 在上述膜元件中，所述膜片为反渗透膜或纳滤膜。
[0021] 在上述膜元件中，所述膜元件为卷式膜元件、折叠式膜元件、中空纤维膜元件或板 框式膜元件。
[0022] 根据本发明的第2方面，提供了一种水处理装置，所述装置包含上述的膜元件。
[0023] -种水处理方法，其特征在于，使用上述的膜元件对水进行处理，其中，所述电极 以间隔通断电的方式运行。
[0024] 在上述方法中，令t = A/v，A为在所述进水水流主体流动方向上进水流过纯水 端电极区域的长度，单位为m，v为进水平均流速，单位为m/s，所述电源断电时间1^ 4为 0. 8t ?2t。
[0025] 在上述方法中，所述电源通电时间与断电时间的比0. 5? 10,优选为1?10,更优选为1. 5?8。
[0026] 技术效果
[0027] 本发明的新型缓解无机盐结垢的反渗透/纳滤膜元件保持了原膜元件高脱盐率 的优点，并可以通过施加一定的电流，能够在不投加任何化学试剂的情况下，降低膜元件的 废水端的结垢倾向，增加膜元件使用寿命；同时，可以在一定程度上提高回收率。另外通过 对纯水端电极和进水端电极的布置方式进行控制以及对通断电时间的控制，可以进一步降 低膜片表面的结垢。

【专利附图】

【附图说明】
[0028] 图1是本发明的一个实施方式的卷式膜元件的示意图，其中进水端开口方向与进 水水流主体流动方向不一致；
[0029] 图2是本发明的另一个实施方式的卷式膜元件的示意图，其中进水端开口方向与 进水水流主体流动方向一致。
[0030] 在上述附图中，①表示膜片；②表示进水格网；③表示纯水导布；④表示集水管； ⑤表示纯水端电极；⑥表示进水端电极；⑦表示边胶和封口胶；⑧表示防水胶区。A表示电 极丝或电极片（板）布置区域在进水水流主体流动方向上的距离；B表示电极丝或电极片 (板）距离纯水出水端最近的距离；B'表示电极丝或电极片（板）距离原水进水端的最近 距离；C和C'均表示进水流道在进水水流主体流动方向上的有效长度。

【具体实施方式】
[0031] 在本发明中，LSI指数是指水质稳定指数，它是衡量水质结垢倾向的参数。LSI>0 时，其值越大，水质越容易结垢；LSK0时，其绝对值越大，越容易产生腐蚀；LSI = 0,不结垢 也不腐蚀。
[0032] 碱度是指水中能与强酸发生中和作用的物质的总量，这类物质包括强碱、弱碱、强 碱弱酸盐等。
[0033] 硬度是指水中钙镁离子的浓度。
[0034] 回收率=纯水流量/进水流量。
[0035] 不同形式的膜元件，水流方向不同。如图1中所示，水流沿箭头方向进入膜元件， 在膜元件中汇合后，沿与进水方向（即箭头方向）基本垂直的方向（即膜元件的长度方向） 流动。在此情况下，进水水流主体方向就是指膜元件的长度方向，进水流道在进水水流主体 流动方向上的有效长度在图1中用C表示。同时，B表示电极丝或电极片（板）距离纯水 出水端最近的距离。
[0036] 在图2中，水流沿箭头方向进入膜元件，然后沿箭头方向流出膜元件。在此情况 下，进水水流主体方向就是指膜元件的宽度方向，进水流道在进水水流主体流动方向上的 有效长度在图2中用C'表示。确定了进水水流主体流动方向之后，A表示电极丝或电极片 (板）布置区域在进水水流主体流动方向上的距离。B'表示电极丝或电极片（板）距离原 水进水端的最近距离。
[0037] 针对不同形式的膜元件，电极的安置方式为：纯水端电极布置在每一页纯水导布 上，电极区域在进水水流主体流动方向上的距离小于或等于进水水流主体方向上的进水流 道长度的1/2。如果电极区域在进水水流主体流动方向上的距离大于进水水流主体方向上 的进水流道长度的1/2,则进水流过纯水电极区域过长，会导致离子积聚，增加结垢倾向。进 水端电极布置在每一页进水格网上，纯水端电极区域与进水端电极区域的重叠部分为所述 纯水端电极区域面积25%以上，以保证一定的电流强度。重叠部分过小，会导致两电极间电 阻变大，影响除垢电流。该重叠部分优选为50%以上，更优选为80%以上，更优选为90%以 上，也可以完全重叠。
[0038] 在本发明中，在进水端电极与纯水端电极之间需要形成15mA?200mA的抗垢电 流，当电流小于15mA时，不能确保足够的除垢效果。当电流大于200mA时，会导致离子积聚， 从而增加结垢倾向。电流优选为20mA?150mA，更优选为30mA?100mA。
[0039] 在本发明中，纯水端电极区域与进水流入膜片的进水端口的距离小于纯水端电极 区域与进水流出所述膜片的出水端口的距离。这是因为，纯水端电极区域若靠近进水流出 所述膜片的出水端（出浓水端口），则因出浓水端口离子浓度较大，会增加结垢倾向。
[0040] 本发明的膜元件还可以具有封胶区，所述进水端电极区域和所述纯水端电极区域 应当避开所述膜片的封胶区，因为封胶区是不导电的。
[0041] 在本发明中，纯水端电极区域的面积占所述膜片总面积的2%?30%。如果，纯水 端电极区域的面积过小，则不能确保除垢效果；如果过大，会导致离子积聚，增加结垢倾向。 优选纯水端电极区域的面积占所述膜片总面积的3%?15%。
[0042] 在本发明中，进水端电极区域与纯水端电极区域的面积之比为0. 5以上。如果进 水端电极区域与纯水端电极区域的面积之比小于0.5,则无法保证足够的抗垢电流。优选进 水端电极区域与纯水端电极区域的面积之比为1以上。即优选进水端电极区域大于纯水端 电极区域。这是因为比例为1时，保证纯水端与进水端电极之间的电阻最小，从而保证足够 的电流强度，大于1的部分区域虽然对电流的作用较小，但可以保证进水端更多膜片区域 接触到进水端释放出的H+从而在更大区域范围内抑制结垢。
[0043] 电极可以位于膜片两侧，并且电极可以直接安装膜片上，也可以未直接安装在膜 片上，而是安装在膜片两侧的进水格网和纯水导布上。纯水端电极排布在纯水导布上，进水 端电极则排布在进水格网上。对进水端的电极材料，必须为惰性电极材料，如金、钼、银、铱 涂层钛丝、钼涂层钛丝、高分子导电材料等，纯水端电极材料为可导电材料即可，优选使用 惰性材料。进水和纯水端的电极形式可以是丝状、片状、板状或网状等。纯水端电极应与电 源负极相连，进水端电极与电源正极相连。
[0044] 在本发明中，所述膜元件还可以包括集水管。纯水端的电极可以集中在一起由集 水管穿出与膜壳纯水端相连。构成所述集水管的导电材料也作为所述纯水端电极。进水端 电极可以与膜壳进水端相连。纯水端和进水端电极分别与直流电源的负极和正极相连。
[0045] 在本发明中，电源电压为12V?36V。电压过小，无法保证足够的抗垢电流强度。电 压过大，可能会导致离子积聚，增加结垢倾向，同时在安全上也有问题。电压优选为24V? 36V。
[0046] 在对该新型膜元件运行过程中，由于电场的存在，会对进水和废水中的离子迁移 造成影响，导致膜片正面靠近负极区域的离子浓度升高，其中包括钙镁等二价离子浓度升 高，从而易在这一区域的膜正面结垢，针对该种情况，在施加电场过程中，可以采用间隔通 断电的方式运行，防止膜片表面的结垢情况。断电时间可以如下进行设定。令A为在所述进 水水流主体流动方向上进水流过纯水端电极区域的长度，单位为m，v为进水平均流速，单 位为m/s,则进水水流流过长度A所需要的时间t = A/v。电源断电时间可以为0. 8t? 2t。断电时间过短，则防止结垢的效果不足。断电时间过长，则对已有的结垢的去除效果不 足。所述电极的通电时间：断电时间的比为〇. 5?10,优选为1?5。通电时间：断电时间 的比低于0. 5,则对已有的结垢的去除效果不足。通电时间：断电时间的比高于10,则会产 生电场引起的离子聚集结垢问题。同时，如果通电时间：断电时间的比过高或过低，会导致 无法得到具有所需pH值的纯水。
[0047] 本发明由此提供了一种水处理方法，所述方法使用上述膜元件对水进行处理，其 中，所述电极以上述间隔通断电的方式运行。
[0048] 本发明还提供一种水处理装置，所述水处理装置包含一个以上上述的膜元件。所 述水处理装置的具体例子包括卷式膜元件、板框式膜元件和中空纤维膜元件等。膜元件是 一种将膜片以某种形式组装在一个基本的单元设备内，通过外加驱动力的作用下实现分离 的器件。如图1和图2所示即为卷式膜元件示意图，其是将由膜片①、纯水导布③、膜片① 和进水格网②形成的一个或多个膜袋通过卷制的方式缠绕在集水管④上形成的膜元件。板 框式膜元件是将膜片以平行的方式堆叠到一起得到的膜元件；中空纤维膜元件是将多根中 空纤维膜丝堆积到一起制备的膜元件。
[0049] 实施例
[0050] 实施例1
[0051] 在1810-75G-ss侧流式（进水方向发生变化的）反渗透膜元件的进水格网中加 入7根10cm长的0.5mm直径氧化铱涂层钛丝作为电极，纯水导布中加入7根5cm长的 0. 5mm直径的氧化铱涂层钛丝作为电极，纯水端电极总表面积S为5. 5cm2,每一个膜片长度 为72. 5cm，电极总间距为15cm，此例中纯水端电极布置区域的长边长15cm，长边与进水水 流方向垂直，短边长5cm，短边平行于进水水流方向；其中A为纯水电极布置区域短边的长 度，即为5cm，B为离进水端最近的电极丝距离集水管的距离，为5cm，C为72. 5cm，制备新型 控制膜结垢的卷式膜元件，将纯水端电极丝与直流电源负极相连，进水端电极丝与直流电 源正极相连，在通电情况下，利用该新型控制膜结垢的卷式膜元件对自来水进行分离。回收 率50%，未通电时，废水端的LSI值为0. 78 ;通电后（电流140mA)，废水端的LSI值降低至 0.38。提高回收率至75%，未通电时，废水端的LSI值为1.52,结垢倾向较为严重；通电后， 电流达到100mA左右时，废水端的LSI值降低至1左右，大大降低了废水端结垢倾向。且同 时纯水端的pH值从未通电的6. 5升高到通电后的8. 40。
[0052] 实施例2
[0053] 在TW-1812-75G普通（进水方向不变）反渗透膜元件的进水格网中加入7根10cm 长的0. 5mm直径氧化铱涂层钛丝作为电极，纯水导布中加入3根15cm长的0. 25mm直径的铜 丝作为电极，进水流道长度为30cm，电极之间总间距为2. 5cm，此例中纯水端电极布置区域 的长边长15cm，垂直于进水水流方向，短边为2. 5cm，平行于进水水流方向，其中A为2. 5cm， B为lcm，C'为30cm，制备新型控制膜结垢的卷式膜元件，将纯水端电极丝与直流电源负极 相连，进水端电极丝与直流电源正极相连，在通电情况下，利用该新型控制膜结垢的卷式膜 元件对自来水进行分离。回收率33%，未通电时，废水端的LSI值为0.58;通电后（电流 140mA)，废水端的LSI值降低至0. 28,纯水pH值从6. 5提高至8. 3.
[0054] 实施例3
[0055] 新型控制膜结垢的卷式膜元件的制备方法如实施例1，其中纯水导布中加入6 根15cm长的铱涂层钛丝，通电条件下对TDS为160ppm的自来水进行分离，回收率控制在 50 %，电流为60-100mA时，纯水pH从未通电的6. 5增加至8. 5,废水端LSI降低至0. 5以 下。
[0056] 实施例4
[0057] 如实施案例1所述，制备新型控制膜结垢的卷式膜元件，将纯水端电极丝与直流 电源负极相连，进水端电极丝与直流电源正极相连，控制电流为100mA±40mA，在通电情况 下，利用该新型控制膜结垢的卷式膜元件对自来水进行分离，回收率50%。全通电时，纯水 pH为9.5,连续24h运行，570h后纯水流率衰减了 50%，采用10s :3s的通电：断电运行方 式，纯水pH为9. 0,连续24h运行，570h后纯水流率衰减了 30%。
[0058] 实施例5
[0059] 如实施案例3所述制备膜元件，纯水导布上布置的是长12cm，宽2cm，厚度为0. 5mm 的钛片为电极，采用6s :2s的通电：断电运行方式，回收率维持在50%时，纯水pH值由未 通电的6. 56增加至8. 10,运行累积纯水流量为lit纯水，纯水流率衰减了 45%，脱盐率在 95%以上。
[0060] 实施例6
[0061] 如实施案例3所述制备膜元件，纯水导布上布置的是长12cm，宽10cm，厚度为 0. 5mm的钛片为电极，采用6s :2s的通电：断电运行方式，回收率维持在50%时，纯水pH值 由未通电的6. 56增加至8. 60,运行累积纯水流量为3t纯水，纯水流率衰减了 45%，脱盐率 在95%以上。
[0062] 实施例7
[0063] 如实施案例3所述制备膜元件，纯水导布上布置的是长12cm，宽2cm，厚度为0. 5mm 的钛片为电极，采用20s :2s的通电：断电运行方式，回收率维持在50%时，纯水pH值由未 通电的6. 56增加至8. 90,运行累积纯水流量为8t纯水，纯水流率衰减了 48%，脱盐率在 95%以上。
[0064] 实施例8
[0065] 如实施案例1所述的电极布置方式，制备成板框式膜元件，采用4s :2. 5s的通电： 断电运行方式，回收率维持在50%时，纯水pH值由未通电的6. 56增加至8. 50,运行累积纯 水流量为6t纯水，纯水流率衰减了 38%，脱盐率在95 %以上。
[0066] 实施例9
[0067] 如实施案例1所述制备膜元件，其进水端电极与纯水端电极面积重叠部分为0时， 通电电流为〇,纯水pH值无变化；进水端电极与纯水端电极重叠面积为50%时，通电，电流 控制在100mA±40Ma，回收率维持在50%时，纯水pH值由未通电的6. 56增加至8. 50。 [0068] 实施例10
[〇〇69] 如案例1所述膜元件，进水格网中加入氧化铱涂层钛丝作为电极，纯水导布中加 入铜丝作为电极，制备新型控制膜结垢的卷式膜元件，将纯水端电极丝与直流电源负极相 连，进水端电极丝与直流电源正极相连，控制电流为100mA±40mA，在通电情况下，利用该新 型控制膜结垢的卷式膜元件对自来水进行分离，回收率50%。采用6s :2s的通电：断电时 间比例运行，连续24h不间断运行，纯水pH为8. 3,运行了 1012. 5h，纯水流率衰减了 49%， 累积纯水过水量为8. 92t。
【权利要求】
1. 一种膜元件，其特征在于，所述膜元件包含膜片、进水流入所述膜片的进水端和纯水 流出所述膜片的纯水端，所述膜元件还包括设于所述进水中的进水端电极和设于所述纯水 中的纯水端电极，所述纯水端电极与电源负极相连，所述进水端电极与电源正极相连，在所 述进水端电极与所述纯水端电极之间形成15mA?200mA的抗垢电流，优选所述抗垢电流为 20mA ?150mA，更优选为 30mA ?100mA。
2. 如权利要求1所述的膜元件，其中，所述进水端电极位于所述膜片上的进水侧，和/ 或所述纯水端电极位于所述膜片上的纯水侧。
3. 如权利要求1或2所述的膜元件，其中，在所述进水水流主体流动方向上的进水流 过纯水端电极区域的长度小于或等于在所述进水水流主体流动方向上的进水流道长度的 1/2。
4. 如权利要求1或2所述的膜元件，其中，所述纯水端电极区域与所述进水流入所述膜 片的进水端口的距离小于所述纯水端电极区域与所述进水流出所述膜片的出水端口的距 离。
5. 如权利要求2所述的膜元件，其中，所述膜元件还具有封胶区，所述进水端电极区域 和所述纯水端电极区域避开所述膜片的封胶区。
6. 如权利要求1或2所述的膜元件，其中，所述纯水端电极区域的面积占所述膜片总面 积的2%?30%，优选3%?15%。
7. 如权利要求1或2所述的膜元件，其中，所述纯水端电极区域与所述进水端电极区域 的重叠部分为所述纯水端电极区域面积25 %以上，优选为50 %以上，更优选为80 %以上， 更优选为90%以上。
8. 如权利要求1或2所述的膜元件，其中，所述进水端电极区域与所述纯水端电极区域 的面积之比为〇. 5以上，优选为1以上。
9. 如权利要求1或2所述的膜元件，其中，所述膜元件还包括纯水导布和进水格网，所 述纯水端电极排布在所述纯水导布上，所述进水端电极排布在所述进水格网上。
10. 如权利要求1或2所述的膜元件，其中，所述膜元件还包括集水管，所述膜片的纯水 端与集水管连通，所述纯水从所述膜片的纯水端流入所述集水管，所述纯水端电极设置在 所述集水管上。
11. 如权利要求10所述的膜元件，其中，构成所述集水管的导电材料作为所述纯水端 电极。
12. 如权利要求1所述的膜元件，其中，所述电源电压为12V?36V，优选为24V?36V。
13. 如权利要求1所述的膜元件，其中，所述进水端电极和/或纯水端电极独立地为丝 状、片状、板状或网状电极。
14. 如权利要求1所述的膜元件，其中，所述膜片为反渗透膜或纳滤膜。
15. 如权利要求1所述的膜元件，其中，所述膜元件为卷式膜元件、折叠式膜元件、中空 纤维膜元件或板框式膜元件。
16. -种水处理装置，所述装置包含权利要求1?15任一项所述的膜元件。
17. -种水处理方法，其特征在于，使用如权利要求1?15任一项所述的膜兀件对水进 行处理，其中，所述电极以间隔通断电的方式运行。
18. 如权利要求17所述的方法，其中t = A/v，A为在所述进水水流主体流动方向上进 水流过纯水端电极区域的长度，单位为m，v为进水平均流速，单位为m/s，所述电源断电时 间丁断电为0· 8t?2t。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述电源通电时间1^%与断电时间的比 /1^%为0.5?10,优选为1?10,更优选为1.5?8。
【文档编号】C02F1/469GK104084048SQ201410300666
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】侯贻直, 黄燕, 王强 申请人:艾欧史密斯（上海）水处理产品有限公司