專利名稱：一種純凈水的生產(chǎn)裝置與過程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種純凈水的生產(chǎn)裝置與過程，特別是一種低壓膜與電去離子膜分離技術(shù)相結(jié)合的純凈水的生產(chǎn)裝置與過程。
背景技術(shù)：
根據(jù)中國(guó)瓶裝飲用純凈水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB17323-1998，“瓶裝飲用純凈水”的定義為“以符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的水為原料，通過電滲析法、離子交換法、反向滲透法、蒸餾法及其他適當(dāng)?shù)募庸し椒ㄖ频玫?，密封于容器中且不含任何添加物可直接飲用的水?！睂?duì)于桶裝純凈水的制備，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)同樣規(guī)定了電滲析、離子交換、反滲透、蒸餾以及其他適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)方法。在純凈水的水質(zhì)指標(biāo)中最重要的是理化指標(biāo)“電導(dǎo)率”和微生物指標(biāo)，其中規(guī)定純凈水的電導(dǎo)率應(yīng)不大于10μs/cm，菌落總數(shù)應(yīng)不大于20cfu/mL。
在蒸餾、離子交換、電滲析、反滲透等水處理技術(shù)中，蒸餾由于高能耗、低水質(zhì)、系統(tǒng)龐大、操作不便、易污染環(huán)境等缺點(diǎn)已逐漸被淘汰，目前已不再作為純水技術(shù)的核心工藝，而是多與其他純水技術(shù)搭配使用以實(shí)現(xiàn)一些特定的目的。電滲析是在直流電場(chǎng)的作用下，利用陰陽(yáng)離子交換膜對(duì)水中陰陽(yáng)離子的不同選擇透過性而將鹽離子去除獲得脫鹽水的一種膜分離過程。然而，用電滲析脫鹽一般只能達(dá)到60-95％的脫鹽率，下業(yè)規(guī)模的電滲析器的典型脫鹽率在70-90％，對(duì)于最普遍的以電導(dǎo)率為數(shù)百μs/cm的城市自來水為原水的情況而言，用電滲析脫鹽的產(chǎn)品水電導(dǎo)率則無法達(dá)到10μs/cm以下，因此必須與離子交換相結(jié)合才可使產(chǎn)品水質(zhì)符合要求，即采取“電滲析+離子交換”的工藝制備純凈水。
對(duì)于單獨(dú)的“離子交換”或者“電滲析+離子交換”技術(shù)制備純凈水，一個(gè)不可避免的問題就是飽和、失效的離子交換樹脂的化學(xué)再生。用化學(xué)酸堿對(duì)離子交換樹脂進(jìn)行再生存在以下的明顯缺點(diǎn)1、用于再生的化學(xué)藥劑利用率很低，所用的酸或堿中占很大重量百分比的離子沒有得到利用。
2、再生消耗大量的清洗水，產(chǎn)生大量廢酸廢堿液排放，污染水體和周邊環(huán)境，破壞生態(tài)平衡。
3、再生系統(tǒng)復(fù)雜，操作不便。
4、制水系統(tǒng)不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的飲用純凈水的生產(chǎn)中，得到最普遍運(yùn)用的是反滲透技術(shù)。反滲透是以壓力為驅(qū)動(dòng)力，通過反滲透膜將溶液中的溶劑(水)分離出來而獲得純水的膜分離過程。它的主要分離對(duì)象是溶液中的離子，同時(shí)也能去除分子量在300以上的有機(jī)物。目前的商業(yè)化純凈水的生產(chǎn)中，超過90％的部分都是使用反滲透技術(shù)，其中一般采取超濾或微濾作為反滲透的預(yù)處理。
由于反滲透膜的脫鹽率一般為98％左右，因此對(duì)于原水水質(zhì)較好的情況，如電導(dǎo)率低于400μs/cm，則采用一級(jí)反滲透便可以獲得合格的純凈水；而當(dāng)原水水質(zhì)更普遍地高于400μs/cm時(shí)，則必須采取兩級(jí)反滲透才可獲得安全、合格的產(chǎn)品水。采取反滲透技術(shù)制備純凈水，也存在以下的兩點(diǎn)缺陷1、成本高采用的反滲透膜和高壓泵、不銹鋼或玻璃鋼膜殼價(jià)格昂貴。對(duì)于噸級(jí)規(guī)模的產(chǎn)水量，若采用一級(jí)反滲透，則生產(chǎn)線僅設(shè)備成本就需要數(shù)萬元，若采用兩級(jí)反滲透，則高達(dá)十多萬元。
2、水利用率過低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重一般的純凈水生產(chǎn)的規(guī)模都為數(shù)百升一數(shù)噸/小時(shí)，較低。由于單支反滲透膜組件的水收率(利用率)僅為8％左右，因此對(duì)于數(shù)百升/小時(shí)的反滲透而言，其水利用率低于20％，即超過80％的原水將被排放；對(duì)于數(shù)噸/小時(shí)的反滲透系統(tǒng)而言，通過多支膜組件串聯(lián)的方法，其典型的水利用率也僅在50％左右，而若系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)反滲透，則水利用率將大大減小。這種極低的水資源利用率對(duì)于當(dāng)前淡水資源日益緊張的狀況而言是非常不利的。
電去離子(英文簡(jiǎn)稱EDI)技術(shù)，是為了克服離子交換過程中必須使用化學(xué)酸堿來再生樹脂的缺陷而開發(fā)出的一項(xiàng)新型膜分離技術(shù)，其主要特征是在電滲析器的淡水室中填充混床離子交換樹脂，在合理搭配的操作條件下，便可將電滲析和離子交換技術(shù)有機(jī)結(jié)合，既通過電能和離子交換膜及樹脂的作用實(shí)現(xiàn)水的脫鹽，同時(shí)又通過電能實(shí)現(xiàn)鹽離子通過樹脂相的連續(xù)遷移與排出，以及離子交換樹脂的連續(xù)再生，因此同時(shí)避免了電滲析不能直接制取純水和離子交換樹脂需要使用酸堿頻繁再生的缺點(diǎn)。與反滲透相比，EDI不能去除有機(jī)物雜質(zhì)，但在脫鹽率、水利用率、設(shè)備成本、系統(tǒng)復(fù)雜程度等方面都有顯著優(yōu)越性。專利US4632745是第一個(gè)實(shí)用化EDI技術(shù)的專利應(yīng)用，ZL99241918.2、ZL00200207.8等則是中國(guó)的EDI技術(shù)的專利應(yīng)用。
專利EP916620A2、US6017433采取了“pH調(diào)節(jié)一EDI”的工藝進(jìn)行脫鹽。該專利設(shè)計(jì)為了防止EDI裝置中的結(jié)垢，將EDI原水進(jìn)行了酸化預(yù)處理，即在原水進(jìn)入EDI淡水室之前，將其pH值調(diào)節(jié)為0-3，濃縮水則單獨(dú)進(jìn)水。由于這種設(shè)計(jì)將原水的pH值調(diào)節(jié)得過低，因此EDI產(chǎn)品水和濃縮水均仍為明顯的酸性，故不能作為飲用水的生產(chǎn)工藝。當(dāng)以EDI作為純凈水生產(chǎn)的核心除鹽工藝時(shí)，則需要進(jìn)行更合理的工藝流程設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述純凈水生產(chǎn)技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種性能可靠、操作簡(jiǎn)便、裝置成本極大降低、水利用率則顯著提高的純凈水生產(chǎn)新工藝和裝置。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的采取低壓液體分離膜作預(yù)處理，電去離子純水器為除鹽核心，微濾膜終端過濾三個(gè)串聯(lián)工藝而制得合格的純凈水。
1、低壓膜預(yù)處理所述的低壓膜，可以為超濾膜或超微濾膜(Ultramicrofiltration Membrane)，一般以超濾膜和超微濾膜為佳。超濾(英文簡(jiǎn)稱UF)膜的孔徑則為0.001-0.1微米，截留分子量為103-106；超微濾膜則是一種特殊的超濾膜，分離性能介于超濾和微濾之間，其膜孔徑為0.07-0.08微米，孔徑分布極小且分布均勻，膜通量則遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的UF。
對(duì)于通常的以城市自來水為原水的情況，采用的UF膜，可為有機(jī)高分子材料或無機(jī)材料的UF膜。有機(jī)材料UF膜主要有聚砜類和聚烯烴膜，如聚砜(PS)、磺化聚砜(SPS)、聚醚砜(PES)、聚丙烯(PP)、聚丙烯腈(PAN)等；無機(jī)材料UF膜主要是無機(jī)陶瓷膜。對(duì)于本發(fā)明，上述各種的UF膜均可以被使用，其截留分子量控制為2-5萬道爾頓。
UF是以壓力為驅(qū)動(dòng)力，利用物理篩分作用對(duì)液體進(jìn)行分離的膜分離過程，其操作壓力遠(yuǎn)低于納濾和反滲透，通常為0.2-0.3MPa。利用上述低壓膜為下游的電去離子組件作預(yù)處理，可有效去除原水中的微粒、膠體、色素、細(xì)菌、病毒和大分子有機(jī)物，防止下游電去離子組件內(nèi)的有機(jī)物結(jié)垢。利用超微濾膜組件更可以在進(jìn)行有效分離的同時(shí)獲得更高的通量。當(dāng)原水水質(zhì)相對(duì)較差，濁度過高時(shí)，采取在低壓膜之前增加石英砂濾器的方法，減輕低壓膜的壓力，減緩其通量衰減情況，延長(zhǎng)低壓膜的使用和清洗周期。砂濾器的過濾介質(zhì)采用0.4-1.0mm的石英砂。
2、電去離子除鹽通過低壓膜作預(yù)處理的水進(jìn)入電去離子組件，控制合理的操作條件可使其脫鹽率達(dá)到99％以上，同時(shí)水利用率可達(dá)60-80％。對(duì)于電導(dǎo)率低于1000μs/cm的原水，可直接獲得合格的純凈水。當(dāng)原水水質(zhì)較差，電導(dǎo)率過高時(shí)，可以采取單臺(tái)多級(jí)電去離子組件，或者兩臺(tái)電去離子組件串聯(lián)的方法獲得合格的產(chǎn)品水。
若原水中的有機(jī)物雜質(zhì)指標(biāo)過高，可在電去離子組件之前增加活性炭吸附手段以減低有機(jī)物含量，減輕EDI組件中的有機(jī)物污染水平，延長(zhǎng)其使用和清洗周期。
若原水的pH值偏高，則為了防止在EDI組件中的結(jié)垢，保證EDI的安全運(yùn)行，可在低壓膜之前或活性炭吸附與EDI之間設(shè)置pH調(diào)節(jié)裝置，將原水的pH調(diào)節(jié)至5-7，一般以5.5-6.5為佳，略偏酸性。pH調(diào)節(jié)可以使用稀鹽酸或稀硫酸等化學(xué)藥劑。
3、微濾膜終端過濾微濾(英文簡(jiǎn)稱MF)屬于精密過濾技術(shù)，過濾孔徑為0.1-75微米，常用的為0.1-20微米。本發(fā)明中，作為終端過濾用的MF膜，其材質(zhì)也可以是醋酸纖維素(CA)、聚酰胺、聚砜類、聚烯烴類和無機(jī)陶瓷MF膜。
對(duì)于本發(fā)明，所使用的終端微濾膜，其過濾孔徑小于0.45微米，一般為0.22微米，用以完全截留細(xì)菌和微粒，獲得安全、可靠的產(chǎn)品水。
本發(fā)明的各個(gè)水處理單元集成為一個(gè)整體，可產(chǎn)生如下效果低壓膜(超濾或超微濾)預(yù)處理可去除原水中的微粒、膠體、色素、微生物和大分子有機(jī)物；電去離子組件可在不消耗任何酸堿的條件下連續(xù)高效除鹽，使得產(chǎn)品水電導(dǎo)率達(dá)到10μs/cm以下；終端微濾膜過濾可去除細(xì)菌和微粒，從而制得合格的純凈水。


圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖。
圖中
1-增壓泵；2-砂濾器；3-pH調(diào)控器；4-低壓膜組件；5-活性炭吸附濾器；6-EDI組件；7-在線電導(dǎo)率儀；8-微濾膜過濾具體實(shí)施方式
通常情況下，生產(chǎn)飲用純凈水的產(chǎn)量規(guī)模均較小，為數(shù)百升-數(shù)噸/小時(shí)。當(dāng)產(chǎn)水量不超過1-2噸/小時(shí)，且原水為正常的城市自來水，水壓為0.2-0.3MPa，水質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可不使用原水增壓泵和石英砂濾器，從而使設(shè)備成本顯著降低。此外，對(duì)于產(chǎn)水量為噸級(jí)規(guī)模的EDI裝置而言，與使用高壓泵的反滲透相比，其成本尚不足后者的25％，同時(shí)60-80％的水利用率則比后者的15-50％顯著提高。產(chǎn)水量越小，水利用率相差就越大，使用EDI脫鹽的優(yōu)勢(shì)就越明顯。此外，使用低壓膜—電去離子工藝生產(chǎn)純凈水，系統(tǒng)中免除了較高能耗和高噪音的動(dòng)力泵，甚至在產(chǎn)水量較低的條件下還可以實(shí)現(xiàn)無泵靜音運(yùn)行，因此與反滲透生產(chǎn)工藝相比，還具有節(jié)能、低噪音的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明中使用的EDI組件，其主要技術(shù)特點(diǎn)是在電滲析器的淡水室中填充有陰陽(yáng)混合離子交換樹脂。EDI組件的左右兩側(cè)為正負(fù)端電極，中間為交替排列的陰陽(yáng)離子交換膜和淡化室與濃縮室。EDI過程去離子的基本原理主要包括離子交換、直流電場(chǎng)下離子的選擇性遷移及樹脂的電再生三個(gè)方面。原水中的離子首先因交換作用吸附于樹脂顆粒上，再在電場(chǎng)作用下經(jīng)由樹脂顆粒構(gòu)成的“離子傳輸通道”遷移到膜表面并透過離子交換膜進(jìn)入濃縮室。在樹脂、膜與水相接觸的界面擴(kuò)散層中的極化發(fā)展到一定程度時(shí)(取決于操作條件)，就建立起高的電勢(shì)梯度，迫使水解離為H+和OH-。它們除部分參與負(fù)載電流外，另一部分又對(duì)樹脂起到就地再生作用，從而使離子交換、離子選擇性遷移、電再生三個(gè)過程相伴發(fā)生，相互促進(jìn)，達(dá)到了連續(xù)的去離子過程。與離子交換相比，EDI的主要優(yōu)點(diǎn)在于可在免化學(xué)酸堿再生的前提下實(shí)現(xiàn)連續(xù)除鹽制備純水，高效、節(jié)能、無污染。
圖1所示是本發(fā)明的工藝流程示意圖。原水經(jīng)增壓泵1加壓，進(jìn)入石英砂濾器2，去除大的微粒、膠體和濁度，經(jīng)pH調(diào)控器3調(diào)節(jié)pH值后，再經(jīng)低壓膜組件4-1、4-2凈化，去除大分子的有機(jī)物、微粒、膠體、色素和微生物，其濃縮水直接排放，低壓膜凈化水經(jīng)活性炭吸附濾器5后進(jìn)入EDI組件6除鹽，EDI的濃縮水和極水排放，除鹽淡化水經(jīng)微濾膜過濾8終端處理，最后得到產(chǎn)品水。其中，在微濾膜8和EDI之間設(shè)置有在線電導(dǎo)率儀7用以監(jiān)測(cè)產(chǎn)品水質(zhì)。
小型EDI裝置實(shí)施例EDI膜堆共含8個(gè)膜對(duì)，按一級(jí)兩段組裝，隔板規(guī)格為100×300mm，膜堆工作電壓20-25V，工作電流150-200mA，淡水產(chǎn)水量10升/小時(shí)，EDI水利用率60％。不同時(shí)間采得的原水和產(chǎn)品水的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，以及淡化水中的陰陽(yáng)離子含量檢測(cè)數(shù)據(jù)分別如下表所示表一、EDI除鹽過程的原水和淡化水的電導(dǎo)率(μs/cm)

表二、EDI淡化水的水質(zhì)組成分析(ppm)

可見，對(duì)于電導(dǎo)率低于800-1000μs/cm的原水，若使用反滲透技術(shù)制備純凈水，則必須采用兩級(jí)反滲透的工藝；而大多數(shù)情況下，使用EDI進(jìn)行除鹽，則僅需一級(jí)EDI裝置就可以獲得電導(dǎo)率在10μs/cm以下的純凈水，其設(shè)備成本極大降低。
本發(fā)明所提供的純凈水生產(chǎn)工藝，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備成本極大降低，水利用率顯著提高，同時(shí)設(shè)備簡(jiǎn)易、便于操作與維護(hù)、運(yùn)行可靠、節(jié)能低噪音，故便于推廣應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種純凈水的生產(chǎn)裝置與過程，它是以城市自來水為原水，依次經(jīng)過砂濾、低壓膜預(yù)處理、活性炭吸附、電去離子除鹽及微濾膜終端過濾過程制得純凈水，其特征在于砂濾是通過采用過濾介質(zhì)為0.4-1.0mm的石英砂的砂濾器完成的；低壓膜是通過采用截留分子量為2-5萬道爾頓的超濾膜，或者膜孔徑為0.07-0.08μm的超微濾膜的膜組件完成的；除鹽是通過采用脫鹽率大于99％的電去離子組件完成的；終端過濾是通過采用過濾孔徑為0.22-0.45μm的微濾膜組件完成的，并且在低壓膜組件之前，或者是在電去離子組件之前，設(shè)置水的pH調(diào)控器，用稀鹽酸或稀硫酸調(diào)節(jié)水的pH值為5.5-6.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種純凈水的生產(chǎn)裝置與過程，其特征在于，所使用的超濾膜，其膜材質(zhì)為聚砜，或者磺化聚砜、聚醚砜、聚丙烯、聚丙烯腈以及無機(jī)陶瓷材質(zhì)中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種純凈水的生產(chǎn)裝置與過程，其特征在于，所使用的微濾膜，其膜材質(zhì)為醋酸纖維素、聚酰胺、聚砜或者無機(jī)陶瓷材質(zhì)中的一種。
全文摘要
一種純凈水的生產(chǎn)裝置與過程，原水先后經(jīng)低壓膜分離、活性炭吸附、電去離子除鹽、微濾膜過濾等水處理工藝，有效去除水中的各種微粒、膠體、色素、大分子有機(jī)物、無機(jī)離子等雜質(zhì)和細(xì)菌病毒等微生物，得到飲用純凈水。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的生產(chǎn)工藝與裝置具有高效、節(jié)能、低噪音等顯著優(yōu)點(diǎn)，水資源利用率顯著提高，制水成本則極大降低。
文檔編號(hào)C02F9/02GK1396124SQ0212904
公開日2003年2月12日 申請(qǐng)日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月29日
發(fā)明者王世昌, 王建友 申請(qǐng)人:王世昌, 王建友