一种双极膜连续电除盐系统的制作方法

1.本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种双极膜连续电除盐系统。


背景技术：

2.随着工业制造快速提升，对除盐水、纯水用量越来越大，由于连续电除盐工艺系统无需工业酸碱再生，经济环保，因此，除盐水、纯水工艺基本都采用了连续电除盐系统。该系统是电渗析技术、离子交换技术和电化学再生技术完美结合，连续电除盐淡水室、浓水室和极水室一般都填充有不同功能的离子交换树脂，利用直流电场的作用下水中的离子定向迁移和离子交换膜的选择性透过的特性，迁移走水中的离子，从而制备出除盐水和纯水。目前，市场上的连续电除盐设备均是采用传统的离子交换膜，离子的透过率在90％以上，在电流的驱动下，水中的阴阳离子分别透过阴离子交换膜和阳离子交换膜再迁移到不同的浓水室中，同时，由于离子在离子交换树脂间的迁移速度远大于在水中的迁移速度，因此在离子交换树脂表面和离子交换膜表面会形成离子的“空穴”现象，在电势差的作用下，水进行部分解离，解离出来的氢离子和氢氧根离子来弥补这个“空穴”，同时，解离出来的氢离子和氢氧根离子不断对离子交换树脂进行再生，这就是连续电除盐再生的原理。连续电除盐关键技术之一就是水解离。经过检测，水解离后有相当部分的氢离子和氢氧根离子又结合形成水，只有部分的氢离子和氢氧根离子进行再生反应，造成离子交换树脂再生程度不高，致使弱酸电解质无法进一步去除，影响了产品水水质。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中电除盐系统存在电再生程度低的问题，本发明的目的在于提供一种双极膜连续电除盐系统，该系统能够增强水解离，可以增加离子交换树脂所需的氢离子和氢氧根离子，进而提高离子交换树脂再生程度。
4.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
5.一种双极膜连续电除盐系统，包括双极膜、第一淡水室、第二淡水室、第三淡水室、第一浓水室、第二浓水室、阳极室、阴极室、阳极板以及阴极板；
6.阳极板与阴极板之间依次设置阴极室、第三淡水室、第二浓水室、第一淡水室、第二淡水室、第一浓水室以及阳极室；
7.第一淡水室与第二淡水室之间设置双极膜；
8.第一淡水室内填充有强酸型阳离子交换树脂，第二淡水室内填装有强碱性阴离子交换树脂，第三淡水室内填装有混合离子交换树脂。
9.进一步的，阴极室与第三淡水室之间以及第一浓水室与阳极室之间设置有阳离子交换膜。
10.进一步的，第三淡水室与第二浓水室之间以及第二淡水室与第一浓水室之间设置有阴离子交换膜。
11.进一步的，阳极室内填装有大孔径离子交换树脂。
12.进一步的，阴极室内填装有大孔径混合离子树脂。
13.进一步的，大孔径离子交换树脂和大孔径混合离子树脂的孔径为0.6-0.7mm。
14.进一步的，第一浓水室与第二浓水室均填装有混合离子交换树脂。
15.进一步的，第一淡水室、第一浓水室、第二浓水室和阳极室入口均与进水管相连。
16.与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明将分离床连续电除盐技术和混床连续电除盐技术的结合，与传统的连续电除盐相比，设置阳床和阴床，即在第一淡水室内填充有强酸型阳离子交换树脂，第二淡水室内填装有强碱性阴离子交换树脂，第三淡水室内填装有混合离子交换树脂，进行有利于水中弱电解质的去除，可以制备电阻率更高的纯水。本发明利用双极膜的特性，可以增强离子交换树脂的再生程度。由于水处理效果较好，可以减少树脂装填量或提高产水量，具有重要的经济效益。
17.进一步的，由于水中的阳离子在强酸型阳离子交换树脂内以及在强酸型阳离子交换树脂与阳离子交换膜之间的迁移速度较水中快2-3数量级，势必造成迁移后水中的阴阳离子电荷不平衡，形成离子“空穴”现象，这些“空穴”大部分由双极膜水解离出来的氢离子补充，从而重新形成了新的阴阳离子平衡。顺着水流方向，水中的阳离子浓度越来越少，形成的“空穴”越来越多，水解离程度会越来越强，由水解离的离子来快速补充，形成电流的负载。第一淡水室的出水，进入到第二淡水室中，同样，在电流的驱动下，水中的阴离子快速通过强碱型阴离子交换树脂和阴离子交换膜，迁移到第二浓水室，形成的“空穴”由双极膜水解离的氢氧根离子快速补充，形成新的阴阳离子平衡。由于有双极膜水解离出来的氢氧根离子不断进入第二淡水室，对失效的强碱型阴离子树脂进行再生。在第二淡水室顺着水流方向，水中的阴离子浓度越来越低，水的解离同时发生在双极膜和强碱性阴离子交换树脂表面，水解离出来的部分氢氧根离子的快速迁移第二浓水室。
附图说明
18.图1为本发明的电除盐系统结示意图。
19.图2为双极膜原理图。
20.图中，1-进水管，2-双极膜，3-第一淡水室，4-强酸型阳离子交换树脂，5-第二淡水室，6-强碱性阴离子交换树脂，7-第三淡水室，8-第一浓水室，9-第二浓水室，10-阳极室，11-大孔径离子交换树脂，12-阴极室，13-大孔径混合离子树脂，14-阳离子交换膜，15-阴离子交换膜，16-阳极板，17-阴极板，18-催化层。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
22.参见图1，本发明所述的一种双极膜连续电除盐系统，主要包括进水管1、双极膜2、第一淡水室3、强酸型阳离子交换树脂4、第二淡水室5、强碱型阴离子交换树脂6、第三淡水室7、第一浓水室8、第二浓水室9、阳极室10、大孔径离子交换树脂11、阴极室12、大孔径混合离子树脂13、阳离子交换膜14、阴离子交换膜15、阳极板16以及阴极板17。
23.阳极板16与阴极板17之间依次设置阴极室12、第三淡水室7、第二浓水室9、第一淡水室3、第二淡水室5、第一浓水室8以及阳极室10。
24.阴极室12与第三淡水室7之间设置阳离子交换膜14，第三淡水室7与第二浓水室9
之间设置阴离子交换膜15，第二淡水室5与第一浓水室8之间设置阴离子交换膜15，第一浓水室8与阳极室10之间设置阳离子交换膜14。
25.第一淡水室3与第二淡水室5之间设置双极膜2。
26.第一淡水室3内填充有强酸型阳离子交换树脂4，第二淡水室5内填装有强碱性阴离子交换树脂6，阳极室10内填装有大孔径(0.65
±
0.05mm)离子交换树脂11，以增强阳离子的迁移速度。阴极室12内填装有大孔径(0.65
±
0.05mm)混合离子树脂13。
27.第一浓水室8与第二浓水室9均填装有混合离子交换树脂。
28.第一淡水室3、第一浓水室8、第二浓水室9和阳极室10入口均与进水管1相连，进水均由进水管1统一分配进水。
29.本发明的系统的工作过程为：原水通过进水管1分配到第一淡水室3、第一浓水室8、第二浓水室9和阳极室10。第一淡水室3内填充的强酸型阳离子交换树脂4，与进水中的阳离子发生离子交换反应，又由于第一淡水室3填装密实的强酸型阳离子交换树脂4，强酸型阳离子交换树脂4之间及与左侧的阳离子交换膜14完全接触，形成离子迁移通道，在电流的驱动下，水中的阳离子快速迁移到第一浓水室8。在第一淡水室3内，由双极膜水解离出来的氢离子不断迁入，对失效的强酸型阳离子交换树脂进行再生，这样离子交换树脂4交换反应后，立刻得到再生，多余的氢离子形成电流的负载。
30.由于水中的阳离子在强酸型阳离子交换树脂4内以及在强酸型阳离子交换树脂4与阳离子交换膜14之间的迁移速度较水中快2-3数量级，势必造成迁移后水中的阴阳离子电荷不平衡，形成离子“空穴”现象，这些“空穴”大部分由双极膜2水解离出来的氢离子补充，从而重新形成了新的阴阳离子平衡。顺着水流方向，水中的阳离子浓度越来越少，形成的“空穴”越来越多，水解离程度会越来越强，由水解离的离子来快速补充，形成电流的负载。第一淡水室3的出水，进入到第二淡水室5中，同样，在电流的驱动下，水中的阴离子快速通过强碱型阴离子交换树脂6和阴离子交换膜15，迁移到第二浓水室9，形成的“空穴”由双极膜水解离的氢氧根离子快速补充，形成新的阴阳离子平衡。由于有双极膜2水解离出来的氢氧根离子不断进入第二淡水室5，对失效的强碱型阴离子树脂6进行再生。在第二淡水室5顺着水流方向，水中的阴离子浓度越来越低，水的解离同时发生在双极膜和强碱性阴离子交换树脂6表面，水解离出来的部分氢氧根离子的快速迁移第二浓水室9，此时的电流负载主要由此完成。
31.经过第一淡水室3与第二淡水室5后，水中的大部分阳离子和阴离子被迁移到第一和第二浓水室。但由于目前双极膜2还存在一定的离子透过率，对离子还存在一定的泄露，还需要利用常规的连续电除盐工艺进一步处理。因此，本发明对第二淡水室5的出水，再进入到第三淡水室7内进行处理，通过第三淡水室7内的混合离子交换树脂，残留的离子再次进行离子交换反应和离子迁移，最终形成合格的产品水。该工艺实际是传统的阳床-阴床-混床除盐原理的完美再现，可以使产品水的电阻率能达到10-15mω
·
cm。
32.为了进一步去除双极膜2泄露的离子，设置了第三淡水室7，进一步脱除水中残留离子。
33.在双极膜2的左右侧分别设置了第一淡水室8和第二淡水室9，在电流的作用下，可以实现水解离出来的氢离子单向往左迁移，氢氧根单向往右迁移，可以单向对强酸型阳离子交换树脂4和强碱型阴离子交换树脂6分别再生，避免相遇而又形成水分子，提高再生效
率，具有节能效果。
34.由于双极膜2还在快速发展阶段，目前的商业膜使用中发现由于某些制造原因造成水中的离子会通过双极膜进行反向迁移，从而造成第二淡水室产品水电阻率偏低，因此，本发明在第二淡水室5的出水串联了第三淡水室7，对水中残留的离子及反向迁移的离子再次进行去除，提高产品水水质。在第二淡水室的5出口利用装置内部通道或者外部管路连接到第三淡水室7，第三淡水室7填装有强酸型阳离子交换树脂和强碱型阴离子交换树脂。在第三淡水室7内，存在强酸型阳离子交换树脂与强碱型阴离子交换树脂、强酸型阳离子交换树脂与水接触面、强碱型阴离子交换树脂与水接触面，在电流的作用下，这些接触面进行水解离，解离出来的氢离子和氢氧根离子对失效的离子交换水质再生，从而实现深度脱盐，保证产品水的水质。在第三淡水室7的左侧，依次设置有阳离子交换膜14和阴极室12，在电流作用下，水中的阳离子通过第三淡水室7的树脂迁移到阴极室12，而水中的阴离子迁移到右侧的第一浓水室8。第三淡水室7用分别用阴离子交换膜15和阳离子交换膜14进行隔离，能很好的阻挡离子的反向迁移。
35.为了加强阳极室10的离子迁移速度，在阳极室10填充有大孔径离子交换树脂11，由于阳极发生氧化反应，产生氧气和氯气，致使水成酸性，因此阳极室10的进水流量较传统连续电除盐提高到3％。阳极室10的出水串联接入到阴极室12，由于阴极室12主要发生还原反应，致使水呈碱性，与阳极室10的来水进行中和，减少结垢倾向等，同时，为了加强阴极室12的离子迁移速度，在阴极室12内填充有大孔径混合离子树脂13。
36.本发明利用分离床连续电除盐技术和混床连续电除盐技术原理，可以提高产品水水质。
37.优选的，第一淡水室3、第二淡水室8和第三淡水室9分别模拟了阳床、阴床和混床，并进行了串联设计，同时，利用水解离提供再生。
38.优选的，在第一淡水室3与第二淡水室5之间设置了双极膜2，利用双极膜2对水解离成氢离子和氢氧根离子并分别从两侧迁移出来的特性，使第一淡水室和第二淡水室能得到较好的再生，能提高离子交换树脂的工作交换容量，从而提高第一淡水室3和第二淡水室5的离子交换树脂的再生度。
39.优选的，第一淡水室3的进水流量占总进水流量的90％。
40.优选的，第一浓水室8和第二浓水室9的总的进水流量占总进水流量的7％。
41.优选的，阳极室10的进水占总进水量的3％。
42.优选的，第三淡水室9填装的阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的体积比例为2：1。
43.优选的，阴极室12填装的阴离子交换树脂与阳离子交换体积比例为1：1。
44.参见图2，双极膜(bpm)是一种阳离子交换膜14、阴离子交换膜15及中间的催化层18组合而成，在反向直流电场作用下，一开始水中的正负离子在催化层18中分别通过阳、阴膜层向膜外溶液迁移，从而在催化层18中出现狭窄的离子耗尽区，形成较高电势查，继而将水分子直接解离成氢离子和氢氧根离子，并分别迁入膜两侧的腔室中，消耗的水分子通过膜外溶液向膜内扩散、渗透而补充。
45.双极膜水解速度是常规连续电除盐水解速度的数千倍，并随外电流密度的升高而升高，且水解离后分别进入膜两侧腔室内，不会重新结合为水分子，相比传统的连续电除盐
系统有效的氢离子和氢氧根离子较多。氢离子和氢氧根离子分别进入两侧的溶液中，由于氢离子和氢氧根离子的在各种的溶液中浓度较高，可以提高离子交换再生程度，因此，可以提高离子交换树脂的工作交换容量，从而可以脱除更多的离子，提高出水水质。
46.本发明的系统产品水水中稳定性，相比传统的混床型连续电除盐系统，可以大幅度去除水中的弱电解质离子，提高产品水水质。
47.以上所述仅是本发明的实施步骤的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。