本发明涉及水处理领域，且特别涉及一种离子镀膜及其形成方法和水过滤装置。
背景技术：
通常降低水中硬度常用的方法有离子交换、电渗析、反渗透和药剂软化法。而离子交换、电渗析及反渗透法均存在造价昂贵、运行费用高、产水率低等缺点。而石灰是药剂软化法中最常用的药剂，其特点是操作简单、造价较低。地下水中的硬度主要是碳酸氢盐硬度，即“暂时硬度”，石灰法对去除地下水中“暂时硬度”有着较好的效果。
在常规的水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等颗粒状滤料层截留水中悬浮杂质，使小于空隙的物质通过的一种最简单、最常用的分离方法，使水获得澄清的工艺过程。目前，国内水厂一般应用滤池作为去除水体中浊度的最后一步工艺。而常规的过滤，比如砂滤，是比较粗糙的过滤方法，颗粒空隙从零点几毫米到几毫米不等，基本上只能过滤肉眼可见的大颗粒。而像0.02微米左右的污染物，如悬浮物、细菌、藻类、两虫等物质以外，还有相对分子量在1000-300000以上的溶解性有机物，例如部分高分子有机物如蛋白质等均不能去除。另外，使用滤池过滤时，偶尔会有滤池会被突然穿透现象(压力瞬时增大，早晨滤池中滤料孔径中的浑浊物被水体压出，造成水体突然浑浊的现象)发生，以致出水浊度瞬时增大，造成严重后果。
现有的滤池中所用的微滤或超滤膜在运行过程中仍要面临膜污染问题，膜污染导致膜运行压力的增加或产水量的降低。因此微滤或者超滤系统需要定期冲洗或用药剂清洗才可维持超滤系统的产水能力，故膜除要定期清理外还需要进行定期更换。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种离子镀膜，该离子镀膜成分简单，来源广。
本发明的第二目的在于提供一种离子镀膜的形成方法，该方法简单，成本低，可用于不同的水处理。
本发明的第三目的在于提供一种包括离子镀膜的水过滤装置，该水过滤装置能够降低水处理过程中的跨膜压差和泵能耗。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种离子镀膜，包括膜系统和镀层，膜系统包括微滤离子膜、超滤离子膜和纳滤离子膜中的任意一种膜，镀层设置于膜系统的表面，镀层主要由CaCO3和Mg(OH)2制成。
本发明还提出一种离子镀膜的形成方法：将膜系统设置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，向水过滤装置内注入含有钙、镁离子的水体，从进水口加入碱性物质直至膜系统的表面形成离子镀膜。
本发明提出的离子镀膜可应用在水过滤领域，如用于包括浸没式膜系统或压力式膜的过滤工艺系统内。同时，本发明还提出一种包括上述离子镀膜的水过滤装置，该离子镀膜可拆卸设置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道。
本发明实施例的离子镀膜及其形成方法和水过滤装置的有益效果是：通过将膜系统设置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，原水和碱性物质通过进水口进入水过滤装置，原水中的Ca2+和Mg2+与碱性物质反应生成的CaCO3和Mg(OH)2沉积于膜系统表面形成镀层并最终形成离子镀膜。传统观点认为，这种由CaCO3和Mg(OH)2形成的镀膜会阻碍水分子通过，影响过滤效率。但经过发明人长期总结发现，随CaCO3和Mg(OH)2的不断沉积，这种镀膜在一定厚度范围内不会降低过滤效率，反而可以合理利用原水中的Ca2+和Mg2+，节约碱性物质的消耗量；并且通过在水过滤装置中设置该离子镀膜，除降低了水处理过程中的耗电量及运行费，还降低了跨膜压差和泵能耗，延长了膜的使用寿命。上述的离子镀膜的形成方法简单，成本低，经济适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例9提供的水过滤装置的结构示意图。
图标：100-水过滤装置；110-进水口；120-出水口；130-离子镀膜；140-抽水泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的离子镀膜、水过滤装置及水过滤装置中离子镀膜的形成方法进行具体说明。
本发明实施例提供的水过滤装置例如可以主要应用于地下水处理，也可以用于其他任何含有钙、镁离子的水体。因含有钙、镁离子的水体的水质特征之一是水中硬度较高，故水处理过程中通常会对该类水体进行软化处理。软化方法一般包括离子交换法、电磁法、膜分离法和加药法。其中离子交换法采用特定的阳离子交换树脂，以钠离子将水中的钙镁离子置换出来，由于钠盐的溶解度很高，所以避免了随温度的升高而造成水垢生成的情况；电磁法即采用在水中加上一定的电场或磁场来改变离子的特性，从而改变碳酸钙或碳酸镁沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止硬水垢的形成，该方法效果不够稳定性，没有统一的衡量标准，而且由于主要功能仅是影响一定范围内的水垢的物理性能，所以处理后的水的使用时间、距离都有一定局限；膜分离法纳滤膜(NF)及反渗透膜(RO)均可以拦截水中的钙镁离子，从而从根本上降低水的硬度，但该方法只能将硬度降到一定的范围且对进水压力有较高要求，设备投资、运行成本都较高；加药法即向水中加入碱性物质，使水中的钙镁离子沉淀，适合适用范围大流量的高硬水。综合成本和效率考虑，本发明实施例中优选采用加药法进行水处理。其中，所加的药物为碱性物质，碱性物质与含有钙、镁离子的水体结合生成CaCO3和Mg(OH)2。为了避免在水处理过程所加的碱性物质引入新的金属离子，优选的，该碱性物质例如可以包括熟石灰和火碱中的至少一种。
具体的，本发明实施例的水过滤装置包括离子镀膜，该离子镀膜设置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道。进水口中注入的原水通过离子镀膜的过滤作用后生成产水并从出水口流出，从而起到净化水的作用。
作为优选的，上述离子镀膜包括膜系统和镀层，其中膜系统包括微滤离子膜、超滤离子膜和纳滤离子膜，该膜系统可用于含有浸没式膜或压力式膜的过滤工艺系统内。其中，浸没式膜过滤工艺是一种新型膜技术，其是超低压中空纤维膜技术与连续膜过滤技术相结合而派生出来的一种新型的膜过滤处理工艺。它使用开放式中空纤维膜组件，将膜直接置于充满待处理水的膜池中，通过泵的负压抽吸和大气压力，使水透过膜表面，从中空纤维膜内侧抽出，从而达到过滤净化的目的。本发明实施例中的离子镀膜中的膜系统的孔径优选为0.001-0.01μm，该孔径只允许水分子及少数水中的有益矿物质和微量元素通过，又因最小细菌的体积都在0.02μm以上，故细菌及比细菌体积大的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙和大分子有机物均能被该膜系统截留下来，从而实现净化过程。其中，当膜系统的孔径为0.001μm时，该膜为纳滤离子膜，此条件下，形成该镀膜需要一定压力，优选的，本发明实施例中可以将水过滤装置密封，采用提升泵或增压泵在进水口处对水体进行增压，将水提升至水过滤装置中。此外，该膜系统例如可以有多个空纤维膜组件，该多个空纤维膜组件设置于水过滤装置中，镀层设置于膜系统的表面，例如可以只设置于膜系统的一个侧表面，也可以同时设置于膜系统的两个侧表面，但后者较前者对水的过滤效果更佳。镀层形成的过程如下：向水过滤装置的进水口注入含有钙、镁离子的水体，并加入碱性物质。较佳的，水体与碱性物质同时加入至进水口，碱性物质的投料量与水体的比值例如可以为1-2000mg:1L，以使两者的混合效果最佳，从而使水体中的部分金属离子，如Ca2+和Mg2+完全沉淀。此外，也可在进入进水口之前使水体和碱性物质混合，但此情况下两者的混合时间优选为4-6min，以防止两者混合不充分。
碱性物质与含有钙、镁离子的水体水结合生成CaCO3和Mg(OH)2的原理如下：
以投加熟石灰Ca(OH)2为例进行说明：向水中投加碱性物质，碱性物质中所含有的OH-与水中产生硬度的物质如Ca2+和Mg2+进行结合。首先，去除含有钙、镁离子的水体中硬度的关键步骤主要是通过投加Ca(OH)2促使HCO3-与OH-结合生成CO32-，或是水中游离的CO2与OH-反应生成CO32-，反应方程式如下：
HCO3-+OH-→CO32-+H2O，
CO2+2OH-→CO32-+H2O，
进而水中的Ca2+与CO32-反应生成CaCO3沉淀；水中的Mg2+的沉淀主要是通过以下反应进行：
Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→CaCO3↓+MgCO3↓+2H2O，
MgCO3↓+Ca(OH)2→CaCO3↓+Mg(OH)2↓，
其中第一步反应生成的MgCO3溶解度较高，还需再与Ca(OH)2进行第二步反应，生成溶解度很小的Mg(OH)2，总反应为：
Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2→2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+2H2O，
此外，向水中投加熟石灰还能将水中非碳酸盐的含镁物质转化成氢氧化镁：
MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4，
MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCl2。
此时，水处理装置中在膜系统靠近进水口一侧的水则形成絮体浊液。进一步的，在水体处理装置的出水口连接抽水泵，当启动抽水泵时，膜系统靠近出水口一侧则形成负压，再结合进水口一侧水体所受的重力和大气压使该侧的水体通过膜系统，而絮体浊液中的部分CaCO3和Mg(OH)2沉淀随水体的流向沉积于膜系统的表面形成镀层，絮体浊液中体积大于膜系统孔径的物质则被截留在进水口一侧。该镀层与其所镀的膜系统共同形成本发明实施例中的离子镀膜。作为优选的，镀层中CaCO3和Mg(OH)2的重量比例如可以为1-3:1，镀层的厚度例如可以为0.001-2mm，镀膜的厚度例如可以为0.06-4mm，该重量比和该厚度范围可以保证镀层和镀膜可以起到较好的过滤效果。
此外，本发明所涉及的离子镀膜也可以不通过水体中Ca2+、Mg2+的沉积形成，而是直接对膜系统进行加工，在其表面镀上含有CaCO3和Mg(OH)2的镀层。且根据不同的水处理情况，如水体的待处理量，加工过程中还可在膜系统上镀上多层镀层。实际应用中，将该膜系统可拆卸设置于水处理装置中，如设置在水过滤装置的进水口和出水口之间的水流通道，并使镀层朝向进水口一侧即可。
通过在水处理装置中设置本发明涉及的离子镀膜，能够有效的去除含有钙、镁离子的水体中的暂时硬度以及水体中的颗粒物、藻类、病毒和细菌等，不仅避免了频繁的定期更换过滤膜，还可以降低水处理过程中的跨膜压差，降低泵的能耗。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
选择孔径为0.01μm的仅包含1个空纤维膜组件的微滤离子膜置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，从水过滤装置的进水口注入含有钙、镁离子的水体并同时向该水体中加入重量比为1L：1mg的熟石灰，水体中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉淀的絮体浊液。启动连接于出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2则通过出水口一侧形成的负压与水体一同向出水口运动，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例1:3沉积于微滤离子膜的表面形成0.001mm的镀层，并与微滤离子膜一起构成厚度为0.06mm的镀膜，水体经该镀膜的过滤作用从出水口抽出。
实施例2
选择孔径为0.006μm的包含2个空纤维膜组件的纳滤离子膜置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，从水过滤装置的进水口注入含有、镁离子的水体并同时向该水体中加入重量比为1L：2000mg的火碱，水体中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉淀的絮体浊液。启动连接于出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2则通过出水口一侧形成的负压与水体一同向出水口运动，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例1:1沉积于超滤离子膜中每个空纤维膜组件的表面形成2mm的镀层，并与超滤离子膜一起构成厚度为4mm的镀膜，水体经该镀膜的过滤作用从出水口抽出。
实施例3
选择孔径为0.005μm的包含3个空纤维膜组件的超滤离子膜置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，从水过滤装置的进水口注入含有钙、镁离子的水体并同时向该水体中加入重量比为1L：1000mg的火碱和熟石灰混合物，水体中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉淀的絮体浊液。启动连接于出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2则通过出水口一侧形成的负压与水体一同向出水口运动，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例2:1沉积于纳滤离子膜中每个空纤维膜组件的表面形成1mm的镀层，并与纳滤离子膜一起构成厚度为4mm的镀膜，水体经该镀膜的过滤作用从出水口抽出。
实施例4
选择孔径为0.005μm的包含3个空纤维膜组件的微滤离子膜置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，于进水前向待进水的含有钙、镁离子的水体中加入重量比为1L：1000mg的火碱和熟石灰混合物，两者混合4min后从进水口注入水过滤装置中，水体中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉淀的絮体浊液。启动连接于出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2则通过出水口一侧形成的负压与水体一同向出水口运动，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例2:1沉积于微滤离子膜中每个空纤维膜组件的表面形成0.5mm的镀层，并与微滤离子膜一起构成厚度为2.03mm的镀膜，水体经该镀膜的过滤作用从出水口抽出。
实施例5
选择孔径为0.01μm的包含2个空纤维膜组件的超滤离子膜置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，于进水前向待进水的含有钙、镁离子的水体中加入重量比为1L：1000mg的火碱和熟石灰混合物，两者混合6min后从进水口注入水过滤装置中，水体中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉淀的絮体浊液。启动连接于出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2则通过出水口一侧形成的负压与水体一同向出水口运动，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例2:1沉积于超滤离子膜中每个空纤维膜组件的表面形成1.5mm的镀层，并与超滤离子膜一起构成厚度为4mm的镀膜，水体经该镀膜的过滤作用从出水口抽出。
实施例6
选择孔径为0.008μm的包含3个空纤维膜组件的纳滤离子膜置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，于进水前向待进水的含有钙、镁离子的水体中加入重量比为1L：1000mg的火碱和熟石灰混合物，两者混合5min后从进水口注入水过滤装置中，水体中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉淀的絮体浊液。启动连接于出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2则通过出水口一侧形成的负压与水体一同向出水口运动，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例2:1沉积于纳滤离子膜中每个空纤维膜组件的表面形成1mm的镀层，并与纳滤离子膜一起构成厚度为3.5mm的镀膜，水体经该镀膜的过滤作用从出水口抽出。
实施例7
选择孔径为0.005μm的包含3个空纤维膜组件的微滤离子膜，于每个空纤维膜组件的一个表面镀上2层厚度为2mm的镀层形成镀膜，每层镀层含有重量比为1:1的CaCO3和Mg(OH)2。将上述镀膜置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，并使镀层面朝向进水口一侧。从水过滤装置的进水口注入含有钙、镁离子的水体并同时向该水体中加入重量比为1L：1000mg的火碱和熟石灰混合物，水体中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉淀的絮体浊液。启动连接于出水口的抽水泵，待处理水体通过出水口一侧形成的负压向出水口运动，水体经该镀膜的过滤作用从出水口抽出。
实施例8
选择孔径为0.001μm的包含2个空纤维膜组件的纳滤离子膜，于每个空纤维膜组件的2个表面均镀上1层厚度为1.5mm的镀层形成镀膜，每层镀层含有重量比为2:1的CaCO3和Mg(OH)2。将上述镀膜置于水过滤装置的进水口与出水口之间的水流通道，并使两个镀层面分别朝向进水口和出水口一侧。从水过滤装置的进水口注入的含有钙、镁离子的水体并同时向该水体中加入重量比为1L：1000mg的火碱和熟石灰混合物，水体中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉淀的絮体浊液。在进水口处用提升泵或增压泵增加进水压力，CaCO3和Mg(OH)2则在该压力下与水体一同抽入至水过滤装置中，水体经该镀膜的过滤作用从出水口抽出。
实施例9
请参照图1，本实施例提供一种水过滤装置100，其包括进水口110、出水口120、离子镀膜130和抽水泵140，其中，从进水口110至出水口120的流径即为水流通道。该离子镀膜130例如可以是实施例1-7任一实施例中的离子镀膜。具体的，该离子镀膜130置于进水口110与出水口120之间，原水从进水口110注入水过滤装置100，经离子镀膜130过滤后生成产水，在抽水泵140的抽压作用下从出水口120抽出。
实施例10
本实施例提供一种水过滤装置(图未示)，其包括进水口、出水口、离子镀膜、增压泵和抽水泵，其中，从进水口至出水口的流径即为水流通道。离子镀膜例如可以是实施例8中的离子镀膜。具体的，该离子镀膜置于进水口与出水口之间，原水在增压泵的作用下从进水口注入水过滤装置，经离子镀膜过滤后生成产水，在抽水泵的抽压作用下从出水口抽出。
经本方法处理后的的含有钙、镁离子的水体，其水质指标均符合国家生活饮用水卫生标准。其中以总硬度(以CaCO3计)600mg/L、总碱度(以CaCO3计)350mg/L的地下水为例，具体水质指标如表1所示：
表1水质指标
由表1可以看出，本发明实施例中通过离子镀膜过滤后的产水符合国家生活饮用水卫生标准。
此外，以现有过滤技术与本发明实施例的离子镀膜技术分别作为对照组和试验组，对比其在处理地下水过程中的耗电量、碱性物质消耗量和运行费，结果如表2所示：
表2耗电量、碱性物质消耗量和运行费
通过表2可以看出，本发明实施例中通过离子镀膜过滤原水，能使整个水处理过程中的耗电量、碱性物质消耗量及运行费均较现有过滤技术中的上述参数更低，因此，该方法在运行成本上更具优势，更加节约成本。
此外，现有技术中的膜的更换周期一般为2-4个月，本发明实施例中的离子镀膜更换周期可长达6-8个月，从而延长了膜的使用寿命。根据本发明实施例中不同的离子镀膜厚度，其在水处理过程中还能使跨膜压差较现有技术降低5％-50％，且能提高泵效能并使泵能耗较现有技术降低5％-50％。
综上所述，通过本发明实施例中的离子镀膜的形成方法简单，成本低，可用于不同的水处理。经该离子镀膜过滤后的产水符合国家生活饮用水卫生标准；该水处理方法耗电量、碱性物质消耗量及运行费均较低；且通过设置上述离子镀膜，降低了水处理过程中的跨膜压差和泵能耗，故本方法经济适用。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。