用于氢电导率测量的连续去除水中阳离子的装置的制作方法

1.本实用新型属于锅炉水脱氨领域，尤其涉及一种用于氢电导率测量的连续去除水中阳离子的装置。


背景技术：

2.目前，300mw及以上的燃煤发电机组主蒸汽压力已达到超临界、超超临界，为防止设备及管路腐蚀，对系统内的水汽品质要求非常严苛。
3.锅炉水汽取样水中含有氨时,其水质ph发生变化,由于氨水的特性,在水中以分子,离子共存的形式形成一定的化学平衡,见如下化学平衡式:
4.nh3+h20＝＝＝nh3·
h2o(可逆反应)
5.nh3·
h2o＝＝＝nh
4+
+oh
ˉ
(可逆反应)
6.有部分氨分子与水反应而成nh
4+
铵离子和oh
ˉ
氢氧根离子,水容易呈弱碱性。在锅炉纯水中含氨1-5mg/l，氨含量低，不宜去除，难度大。
7.电脱离子法(electrodeionization,简称edi)是一种将离子交换技术、离子交换膜技术和离子电迁移技术相结合的纯水制造技术。通过阴阳离子交换膜对阴阳离子的选择透过作用和阴阳离子交换树脂对水中离子的交换作用，在直流电场的作用下水中阴阳离子作定向迁移，从而实现水的深度除盐。同时通过水电解产生的氢离子h
+
和氢氧根离子oh
ˉ
对阴阳离子交换树脂进行连续再生。电脱离子法的原理示意图如图1所示。
8.各发电厂在水汽品质监测过程中，通常将各系统样水通过阳离子树脂交换柱，去除样水中的阳离子后测量其电导率，从而反应水中的有害阴离子含量变化，测量的电导率值称之为氢电导率，该样水电导率一般在3～10μs/cm,含氨1～5mg/l,ph值9～10左右。而阳离子树脂交换柱存在的不足在于，氢离子交换柱内的树脂会经常失效(阳离子穿透树脂层)，失效的树脂需更换和再生重复利用，不仅造成人工成本和经济成本的损耗，而且在更换失效树脂时和树脂更换后的冲洗期间，氢电导数据显示不准确，无法准确监测水质，树脂再生的水平同样会影响数据的准确性，间接影响运行安全。因此开发一种便捷有效的去除水中氨的技术非常必要。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于氢电导率测量的连续去除水中阳离子的装置。
10.这种用于氢电导率测量的连续去除水中阳离子的装置，包括：电导率仪、ph计、纯水箱、含氨水箱、电脱氨装置、电源、动力水泵和流量计；
11.其中电脱氨装置包括除氨隔室、正极室和负极室；正极室和负极室分别位于电脱氨装置左右两侧，正极室和除氨隔室之间设有正极室配水板，负极室和除氨隔室之间设有负极室配水板；正极室内设有正极材质，负极室内设有负极材质；正极室配水板和负极室配水板均通过螺丝固定装置(不锈钢螺栓)固定夹紧除氨隔室；除氨隔室内填充有强酸型离子
交换树脂，除氨隔室内部两侧由阳离子交换膜与正极室配水板、负极室配水板密封隔离，阳离子交换膜可以阻止阴离子进入除氨隔室，避免阴离子污染；正极室、负极室提供直流电场，能够使氨根离子在电场的作用下迁移至负极室，排出除氨隔室；除氨隔室内的强酸型离子交换树脂和两侧的阳离子交换膜提高了氨水的化学平衡式向氨根离子转移，提高脱除效率；
12.两台动力水泵分别连接纯水箱和含氨水箱；连接纯水箱的动力水泵接入电脱氨装置的正极进水口和负极进水口；连接含氨水箱的动力水泵接入电脱氨装置的除氨隔室进水口；两台动力水泵和电脱氨装置的连接管路上均设有流量计，该连接管路的流量可通过管路上的流量计进行调整；电脱氨装置的电极接线连接电源的正负极端子；电脱氨装置中除氨隔室出口连接的管路配备有电导率仪和ph计，电导率仪和ph计用于检测产水水质变动情况；电脱氨装置上还设有正极出水口和负极出水口，用于排放极水。
13.作为优选，电脱氨装置通过正极室、负极室分别引出的正极接线柱和负极接线柱连接电源的正负极端子。
14.作为优选，正极材质及正极室配水板、负极材质及负极室配水板为钛涂釕铱的电极材质。
15.本实用新型的有益效果是：本实用新型在电脱离子法的结构上开展优化，设计用于氢电导率测量的连续去除水中阳离子的装置，能高效去除氨水。本实用新型选用阳离子交换膜，可以阻止阴离子进入除氨隔室，避免阴离子污染；设有用于提供直流电场的正极室、负极室，除氨隔室内设有强酸型离子交换树脂，提高了氨水的化学平衡式向氨根离子转移效率，提高脱除效率。
附图说明
16.图1为电脱离子法(edi)的原理示意图；
17.图2为本实用新型的电除氨原理示意图；
18.图3为本实用新型的电除氨装置结构示意图；
19.图4为本实用新型的工艺流程图；
20.图5为操作电压对出水电导率与ph值的影响图；
21.图6为不通电条件下出水电导率与ph值随时间的变化图；
22.图7为本实用新型的循环操作工艺流程图；
23.图8为在通电10v与0v条件下运行1h，出水电导率与ph值的变化比较图；
24.图9为极水与出水电导率和ph值的变化图；
25.图10为在树脂交换饱和后不同操作电压下的出水电导率与ph值变化图；
26.图11为在10v电压下不同流量对产水电导率与ph值的影响图。
27.附图标记说明：正极出水口1、正极进水口2、正极接线柱3、负极接线柱4、正极室5、负极室6、除氨隔室7、电导率仪8、ph计9、纯水箱10、含氨水箱11、电脱氨装置12、电源13、正极室配水板14、负极室配水板15、动力水泵16、流量计17、负极出水口18、负极进水口19、除氨隔室进水口20、螺丝固定装置21。
具体实施方式
28.下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
29.如图2所示，本实用新型所采用的电除氨技术的原理与edi相仿，也是电渗析技术和离子交换技术相结合的技术，但针对氨水特性，选用强酸性阳离子交换树脂(氢型离子交换树脂)，阳离子交换膜，正负电极。含氨纯水进入在阳膜与阳膜间含有氢型离子交换树脂的腔体中，氨水中的nh
4+
根离子与氢离子交换树脂可发生交换，h
+
离子可与oh
ˉ
结合生成水，促使氨水的化学平衡式反应向nh
4+
根离子转换，nh3·
h2o与nh3含量降低，
30.nh
4+
+oh
ˉ
+r
ˉ
h＝r
ˉ
nh4+h2o
31.在直流电场的作用下，nh
4+
根离子向负极迁移，透过阳膜到达负极水侧，和负极产生的oh
ˉ
可结合形成新的化学平衡体系，同时正极水电解产生的氢离子h
+
在电场的作用下，透过阳膜与吸附氨根离子交换树脂的交换再生树脂，可以连续使用。
32.r
ˉ
nh4+h
+
＝r
ˉ
h+nh
4+
33.在水解电压满足量的条件下，可以将正极腔体内的出水作为负极腔体的进水。
34.比较电除氨单元结构与edi结构，可以发现以下几点：
35.1、在离子交换树脂使用上，edi使用了阴阳离子交换树脂，但本实用新型的电除氨技术针对除氨目的，选用强酸性离子交换树脂；
36.2、在离子交换膜使用上，edi需要两种阴阳离子交换膜使用，但本实用新型的电除氨技术选用阳离子交换膜，只为脱出氨根离子，氢离子选择透过，避免其他阴离子的进入；
37.3、如图1所示，在腔体上edi所用设备含有淡水和浓水两路，电除氨装置包括正负极两侧的电解水路和含离子交换树脂的除氨腔体，比较edi所用设备和电除氨装置，edi所用设备的淡水路与电除氨装置中含离子交换树脂的水路功能类似，电除氨装置的正极负极的水路类似于edi的浓水水路。
38.综上所述电除氨装置是针对氨水的特性采取的一种特殊的edi除氨设备。
39.实施例1：
40.如图3所示，一种用于氢电导率测量的连续去除水中阳离子的装置，包括：电导率仪8、ph计9、纯水箱10、含氨水箱11、电脱氨装置12、电源13、动力水泵16和流量计17；
41.其中电脱氨装置12包括除氨隔室7、正极室5和负极室6；正极室5和负极室6分别位于电脱氨装置12左右两侧，正极室5和除氨隔室7之间设有正极室配水板14，负极室6和除氨隔室7之间设有负极室配水板15；正极室5内设有正极材质，负极室6内设有负极材质；正极室配水板14和负极室配水板15均通过螺丝固定装置21(不锈钢螺栓)固定夹紧除氨隔室7；除氨隔室7内填充有强酸型离子交换树脂，除氨隔室7内部两侧由阳离子交换膜与正极室配水板14、负极室配水板15密封隔离，阳离子交换膜可以阻止阴离子进入除氨隔室，避免阴离子污染；正极室、负极室提供直流电场，能够使氨根离子在电场的作用下迁移至负极室，排出除氨隔室；除氨隔室内的强酸型离子交换树脂和两侧的阳离子交换膜提高了氨水的化学平衡式向氨根离子转移，提高脱除效率；两台动力水泵16分别连接纯水箱10和含氨水箱11；连接纯水箱10的动力水泵16接入电脱氨装置12的正极进水口2和负极进水口19；连接含氨
水箱11的动力水泵16接入电脱氨装置12的除氨隔室进水口20；两台动力水泵16和电脱氨装置12的连接管路上均设有流量计17，该连接管路的流量可通过管路上的流量计进行调整；电脱氨装置12的电极接线连接电源13的正负极端子；电脱氨装置12中除氨隔室7出口连接的管路配备有电导率仪8和ph计9，电导率仪和ph计用于检测产水水质变动情况；电脱氨装置12上还设有正极出水口1和负极出水口18，用于排放极水。
42.实施例2：
43.在实施例1的基础上，判断如图4所示用于氢电导率测量的连续去除水中阳离子的装置工作后氨水的除去效果：
44.1、本试验的除氨设备规格为杭州水处理技术研究开发中心有限公司开发的cedi-200型号,其强酸离子树脂选用争光公司001
×
7强酸型阳树脂，该设备装填密度为1.25g/m。设备初始化，其初始化过程如下：
45.步骤1.配置1％左右naoh溶液，流入除氨隔室，浸泡12小时后；
46.步骤2.使用纯水将设备内1％naoh溶液冲洗至电导率小于0.3μs/cm；
47.步骤3.配置1％左右的hcl溶液，流入除氨隔室，浸泡12小时；
48.步骤4.使用纯水将设备内1％hcl溶液冲洗至电导率小于0.3μs/cm；
49.步骤5.除氨设备，除氨隔室和极水隔室通入纯水，加直流电压15～20v，运行设备45至60分钟，当直流电流显示为0.00～0.05a时结束，设备初始化完成。
50.氨水检测的方法本实验采用直接中和滴定法，同时采用间接法证明氨水的去除效果，即在线通过ph仪器检测ph值变化(ph值变小)，电导率仪器的电导率值变化(电导率下降)，判断氨水的除去效果。
51.开展了在不同电压条件下，不同流量的试验比较，测试除氨性能，根据除氨设备的效果，考察在不通电条件下设备随时间的脱氨变化，探究其除氨机理。本试验纯水电导率为1～5un/cm，含氨锅炉水电导率约50un/cm，ph值约为10.4。
52.2.结果与讨论
53.2.1、不同操作电压下对出水电导率与ph值的影响
54.本试验装置cedi-200，在完成初始化后，在实验操作条件为：极水流量3l/h，含氨锅炉水进水流量为4l/h，一次通过设备出水操作。开展在不同电压下的试验，通过稳定运行30min后，检测产水水ph值与电导率值，如图5所示。如图5所示，在操作电压分别为0v，6v，10v，15v，20v，25v，30v，40v，产水电导率基本在3-4un/cm，ph值约为5.2。与进设备水样的电导率50un/cm，ph＝10.4比较，发现ph值由碱性变为酸性，电导率下降至ro纯水级别。氨水为碱性溶液，出水显示酸性，说明氨水已经不纯在，其除盐率大于92％。通过中和滴定法检测出溶液中氨水，结果显示为未检测出。除氨效果明显。从图5中操作电压为0v的电导率值与ph值所示，与除氨原水比较，其除氨效果明显，其强酸性离子交换树脂可实现氨根离子的交换。同时与操作电压为6v，10v，15v，20v，25v，30v，40v的比较，效果基本一致，无明显变化。
55.本试验装置cedi-200在不通电压的情况下进水，其除氨隔室内的强酸性离子交换树脂的交换容量有限，与nh
4+
根离子交换饱和后，则本试验装置cedi-200将失去设备除氨效果，如图6所示开展了设备长期连续运行时ph计与电导率仪器跟踪监测数据的变化。如图6所示,在运行650min后，ph值与电导率数值明显升高，预示强酸性离子交换树脂的交换容量达到饱和，失去交换功能。
56.2.2、树脂再生除氨机理试验探讨
57.本试验装置cedi-200，进水样在不通电条件下运行后当强酸性离子交换树脂与氨水交换饱和后，改变操作条件，开展以下条件试验：
58.取500ml含氨水电导率约50un/cm，ph值约为10.4，电除氨管路出口在ph计和电导率以后回接至含氨水箱，形成循环管路，极水管路仍然直排。循环流量为4l/h，极水流量为3l/h，稳流直流电压设置为10v。其流程示意图如图7所示。
59.开展以下两组试验，即在通电10v运行1h和不加电运行1h比较除氨水管路的电导率值与ph值变化。如图8所示，在不通电条件下，强酸性离子交换树脂与氨水交换饱和后，设备除氨效果基本失去功能，ph值变化不明显，电导率有所下降，归因于极水室纯水与除氨室含氨水的浓差扩散。在给予一个10v的直流电场条件下，ph值随时间的增加而由10下降至5以下，电导率降至5un/cm，接近ro纯水电导率。设备cedi-200中的强酸性离子交换树脂与氨水交换饱和了无法实现脱氨，但在一定直流电场下，能够使强酸性离子交换树脂表面水分子水解，交换氨根离子，使氨根离子在电场的作用下迁移至负极极室，排除体系。
60.为验证树脂交换吸附的氨根离子可在直流电场的作用下，通过树脂界面可迁移至极水室，开展以下试验：试验装置cedi-200中强酸性离子交换树脂与氨水交换饱和后，使用纯水将设备除氨隔室中的氨水溶液冲洗干净，出水电导为纯水电导率时符合条件，取纯水500ml，装入含氨水箱，电除氨管路出口在ph计和电导率以后回接至含氨水箱，形成循环管路，极水管路仍然直排。循环流量为4l/h，极水流量为3l/h，稳流直流电压设置为20v。检测极水出水ph值与电导率。流程图如上图所示。其电导率与ph值变化如图9所示。图9中纯水通过除氨隔室后其电导率与ph值基本保持不变，与进水的初始值变化不大，电导率为3.4un/cm，ph＝5.6。极水进水为纯水，但进入除氨设备后，可以发现其电导率大于40un/cm，ph值大于10，检测该溶液出水的含氨成分，可检测为0.8mg/l。可以认为强酸性离子交换树脂在通电20v的条件下，其吸附的氨根离子没有溶解于纯水溶液排出设备外，而是通过树脂表面迁移至负极隔室排出设备之外。
61.装置cedi-200在强酸性离子交换树脂与氨水交换饱和后，除氨隔室通入含氨锅炉纯水，直接一次出水，开展不同操作电压的试验方法，出水30min后，检测其出水ph值与电导率值变化。如图10所示，强酸性离子交换树脂与氨水交换饱和后，仍然通电，其出水的电导率数值都明显下降，随着电压的升高，电导率与ph值区域一定的数值波动不大，但电导率数值不能降至纯水电导率5.0un/cm水平，同时ph降低不明显仍然显示碱性。表明装置cedi-200在强酸性离子交换树脂与氨水交换饱和后，开展除氨试验时，加电压后，仍然无法完全脱出氨水，只能有效的部分去除氨水。
62.以上试验验证了除氨装置cedi-200的除氨机理上是通过强酸性离子交换树脂与氨根离子交换作用，并通过直流电场的作用下迁移出系统外，两者有机结合，互为作用实现了设备的连续再生功能。单方面的一种作用不能完全实现除氨再生功能。
63.2.3、不同操作流量下对出水电导率与ph值的影响
64.由于装置cedi-200在工艺流程中是一次性进出水，不同的进水流量表明单位时间内设备将处理的含氨原水的量将发生变化，分析在不同流量下装置cedi-200的除氨效果，试验过程如下：操作电压为10v，分别选择进水操作流量为1l/h、2l/h、3l/h、4l/h、5l/h开展试验，极水流量为3l/h，运行60min后比较分析电导率与ph值。如图11所示，在操作电压为
10v，装置cedi-200的出水的ph显酸性，随着流量的变大，基本保持不变，通过检测出水的氨水含量其检测值为未检测。电导率值随着流量的增加而升高，但增加的值不大，电导率仍在普通ro纯水的电导值范围内，可作为ro纯水。因此通过实验装置cedi-200，在10v的操作电压下，在1l/h至5l/h的流量区间内可以有效去除含氨废水中的氨水(水质电导率在50un/cm，ph为10时)。设备可调控操作范围较理想。
65.3、小结
66.本实施例针对装置cedi-200开展试验，提出了一种锅炉含氨纯水的去除方法，探讨其除氨的原理。通过试验印证其设备关键组成的作用，即强酸性离子交换树脂与氨根离子交换吸附作用与在直流电场的作用下，氨根离子可通过树脂表面透过阳膜迁移至极室负极侧，实现连续可再生除氨作用。初步开展了不同电压条件，不同流量下的除氨效果试验。认为除氨装置cedi-200的除氨机理上是通过强酸性离子交换树脂与氨根离子交换作用，并通过直流电场的作用下迁移出系统外，两者有机结合，互为作用才能实现设备的连续再生功能，单方面的运行无法有效地实现连续可再生的功能。其设备cedi-200，操作流量可调控操作范围在1l/h到5l/h，操作电压在6v至40v，都能实现除氨的作用，检测值均为未检测出。
67.本实用新型采用电除氨技术，针对氨水的特性，借鉴电脱离子法(electrodeionization,简称edi)，在电脱离子法的结构上开展优化，高效去除氨水，选用阳离子交换膜，脱出氨根离子，氢离子选择透过，避免其他阴离子的进入；利用强酸性离子交换树脂与氨根离子交换吸附作用与在直流电场的作用下，氨根离子可通过树脂表面透过阳膜迁移至极室负极侧，实现连续可再生除氨作用。