專利名稱：連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種純水的制備方法及設(shè)備，尤指用連續(xù)電去離子技術(shù)制取純水的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
醫(yī)藥、化工和半導(dǎo)體行業(yè)需要大量的純水，在過(guò)去幾十年中，純水的制備主要有多級(jí)蒸餾法和離子交換法。多級(jí)蒸餾法能耗高，成本也高；離子交換法由于需要大量的酸堿對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。
近幾年，一種將電滲析與離子交換劑有機(jī)地結(jié)合在一起的綠色環(huán)保制純水技術(shù)—連續(xù)電去離子技術(shù)(Electrodeionization，簡(jiǎn)稱EDI)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家迅速發(fā)展起來(lái)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。我國(guó)目前對(duì)EDI的應(yīng)用也呈現(xiàn)出迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，然而我國(guó)目前還沒(méi)有生產(chǎn)EDI設(shè)備的能力，所用的EDI裝置全部依賴進(jìn)口；這是因?yàn)槲覈?guó)不能生產(chǎn)EDI所需的具有高選擇透過(guò)性的均相離子交換膜，只能生產(chǎn)選擇透過(guò)性能一般的異相離子交換膜。異相離子交換膜不能用于EDI的原因是由于其選擇透過(guò)性比均相離子交換膜差，在高電勢(shì)差或濃度差情況下會(huì)出現(xiàn)同名離子遷移或濃差擴(kuò)散現(xiàn)象，從而造成脫鹽率下降，無(wú)法制取純水。但均相離子交換膜的價(jià)格要比異相離子交換高許多倍。
所謂EDI，就是在電滲析器的淡水室填裝了陰、陽(yáng)離子交換劑。由于純水中離子交換劑的導(dǎo)電能力比水要高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，因而水溶液中的離子不斷與離子交換劑發(fā)生交換并通過(guò)交換劑構(gòu)成的“離子通道”進(jìn)入濃室，結(jié)果使淡水室體系(溶液、交換劑和膜)的電導(dǎo)率大大增加，提高了電滲析的極限電流，達(dá)到高度淡化。EDI在運(yùn)行電流超過(guò)極限電流時(shí)，膜和交換劑附近的界面層會(huì)發(fā)生極化和水解離，產(chǎn)生OH-和H+離子，除一部分被遷移至濃水室外，大部分將使淡水室中的離子交換劑再生，保持其交換能力。EDI去除溶液中離子的過(guò)程主要包括如下三方面(1)離子交換吸附過(guò)程此過(guò)程靠離子交換劑對(duì)水中電解質(zhì)離子的交換作用，以去除水中的離子。(2)離子定向遷移過(guò)程在外加電場(chǎng)作用下，水中電解質(zhì)通過(guò)離子交換劑和離子交換膜進(jìn)行選擇性遷移，從而達(dá)到去除離子的作用。(3)電化學(xué)再生過(guò)程利用電滲析的極化和水解離產(chǎn)生的H+和OH-離子，對(duì)吸附飽和后的離子交換劑進(jìn)行電化學(xué)再生。
其中前兩個(gè)過(guò)程都直接提高出水水質(zhì)，而再生過(guò)程中由于離子交換會(huì)使水質(zhì)變壞。在理論上，離子交換和電化學(xué)再生是兩個(gè)相互矛盾的過(guò)程，因此必須選擇適宜的工作條件，最好能使這三個(gè)過(guò)程分別進(jìn)行，這樣就能既滿足出水水質(zhì)要求，又能達(dá)到再生的目的。
但是目前的EDI在設(shè)計(jì)時(shí)將離子交換吸附、離子定向遷移、電化學(xué)再生這3個(gè)過(guò)程同時(shí)集中于一臺(tái)裝置中，在整個(gè)去除離子的過(guò)程中，淡室從進(jìn)水端到出水端始終處于相同的直流電場(chǎng)作用下。這就使得EDI在運(yùn)行時(shí)，不可能使這3個(gè)過(guò)程同時(shí)都處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，常見(jiàn)的情況可能是在淡室進(jìn)水端需要高電壓進(jìn)行離子遷移時(shí)電壓不高，或是在淡室出水端需要低電壓進(jìn)行離子交換吸附時(shí)電壓不低；在淡室進(jìn)水端需要高電壓進(jìn)行水解離和電再生時(shí)電壓不高，或是在淡室出水端無(wú)需再生的區(qū)域卻發(fā)生強(qiáng)烈的水解離。
目前國(guó)外生產(chǎn)的EDI設(shè)備均采用均相離子交換膜，制造成本高，價(jià)格昂貴。另外，EDI設(shè)備易于結(jié)垢，對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求極為嚴(yán)格，在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)能耗升高，出水水質(zhì)不穩(wěn)等現(xiàn)象。所有這些，都限制了EDI在我國(guó)的推廣和使用。若能使離子交換吸附、離子定向遷移、電化學(xué)再生這3個(gè)過(guò)程分別在不同的EDI裝置中進(jìn)行，則不但能夠獲得連續(xù)穩(wěn)定的純水，而且還能降低能耗，同時(shí)對(duì)離子交換膜性能的要求也會(huì)大大降低(可以用異相離子交換膜代替均相離子交換膜制造EDI裝置)，降低制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于目前EDI設(shè)備所存在的制造成本高、能耗高、容易結(jié)垢和出水水質(zhì)不穩(wěn)等缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種既能使用均相離子交換膜，也能使用異相離子交換膜，同時(shí)還能保證連續(xù)制取穩(wěn)定的純水，能耗低且不易結(jié)垢的連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備。
本發(fā)明的技術(shù)方案是整個(gè)連續(xù)電去離子制純水設(shè)備包括4臺(tái)相同的EDI裝置(分別標(biāo)記為EDI1、EDI2、EDI3、EDI4)，其中3臺(tái)EDI裝置串聯(lián)以制備純水，即原水→EDI1→EDI2→EDI3→純水(或原水→EDI1→EDI2→EDI4→純水)，另1臺(tái)EDI裝置(EDI3或EDI4)作為離子交換劑的再生設(shè)備。
原水首先進(jìn)入EDI1，在EDI1的電極兩端加上中等強(qiáng)度的電壓(膜對(duì)電壓為1～2V)，對(duì)原水進(jìn)行初級(jí)脫鹽，去除水中大部分電解質(zhì)離子；EDI1的淡室出水進(jìn)入EDI2，在EDI2的電極兩端加上高強(qiáng)度電壓(膜對(duì)電壓大于2V)，對(duì)原水進(jìn)行深度脫鹽，水中的電解質(zhì)離子濃度已降至很低；EDI2的淡室出水進(jìn)入EDI3，在EDI3的電極兩端不加電壓，EDI3的淡室作離子交換混床使用，通過(guò)離子交換劑對(duì)水中殘余電解質(zhì)離子的交換吸附，使EDI3的淡室出水達(dá)到純水品質(zhì)。EDI3淡室出水的大部分即為最終的純水產(chǎn)品，另外一小部分進(jìn)入EDI4。進(jìn)入EDI4的純水在高電場(chǎng)強(qiáng)度下(膜對(duì)電壓大于2V)發(fā)生強(qiáng)烈水解離，產(chǎn)生大量的H+和OH-離子，對(duì)EDI4中吸附飽和的離子交換劑進(jìn)行再生。
當(dāng)EDI3中的離子交換劑吸附飽和后，被再生好的EDI4所替代，而EDI3則被進(jìn)行電再生。當(dāng)EDI4中的離子交換劑吸附飽和后，則被再生好的EDI3所替代，對(duì)EDI4進(jìn)行電再生，如此循環(huán)，保證了整個(gè)設(shè)備能夠連續(xù)穩(wěn)定地制取純水。EDI3和EDI4的相互替換主要通過(guò)三通、閥門(mén)和流量計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制。
本發(fā)明的原理可以通過(guò)圖2和圖3加以說(shuō)明如下如圖2所示，EDI淡室按水流方向可分為3個(gè)部分，進(jìn)水部分稱為I區(qū)，出水部分稱為III區(qū)，在進(jìn)水與出水的過(guò)渡部分稱為II區(qū)。
在I區(qū)，溶液中含有大量的電解質(zhì)離子，電導(dǎo)率較高。由于離子與交換劑(9)之間的交換反應(yīng)速度極快，淡室中的交換劑(9)迅速吸附溶液中的離子并趨于飽和，并在電場(chǎng)作用下，離子逐漸經(jīng)交換劑(9)和膜遷移至濃室；溶液中未被吸附的離子，則分別向陰膜(8)和陽(yáng)膜(10)移動(dòng)，并經(jīng)膜遷移至濃室。在I區(qū)，因溶液和交換劑(9)中均含有大量可遷移的離子，不存在極化和水解離條件，交換劑(9)的作用主要是吸附和傳導(dǎo)。在該區(qū)只需中等強(qiáng)度的電壓(膜對(duì)電壓為1～2V)即可獲得較高的脫鹽率。
在III區(qū)，水中離子濃度很低，因此在電場(chǎng)力的作用下，離子交換劑(9)之間以及交換劑(9)與膜之間的接觸部分因極化而發(fā)生水解離，H+和OH-離子濃度在局部迅速升高，并與交換劑(9)中已吸附的Me+或A-離子(Me+表示電解質(zhì)陽(yáng)離子，A-表示電解質(zhì)陰離子)發(fā)生離子交換。因?yàn)殡x子交換反應(yīng)速度要遠(yuǎn)大于離子在交換劑(9)中的遷移速度，因此被交換出的Me+和A-離子，大部分重新回到淡室溶液中。由此可見(jiàn)，在III區(qū)，淡室溶液中電解質(zhì)離子一般不會(huì)減少，甚至可能因交換出的Me+和A-離子而導(dǎo)致出水離子濃度的升高；另外，離子交換膜的選擇透過(guò)性不可能達(dá)到100％，因此在III區(qū)，由于濃差擴(kuò)散而從濃室滲透到淡室的離子也有可能導(dǎo)致出水中離子總數(shù)的增加和電導(dǎo)率的升高。該區(qū)的水解離對(duì)提高出水水質(zhì)不利，應(yīng)在低電壓或無(wú)電壓下利用離子交換劑(9)對(duì)離子的吸附能力使出水達(dá)標(biāo)。
在II區(qū)，離子的遷移和水解離度也介于兩者之間，溶液中離子大部分經(jīng)離子交換劑(9)遷移至濃室，該區(qū)有水解離發(fā)生，但不如III區(qū)強(qiáng)烈。在該區(qū)可以適當(dāng)增加電壓來(lái)提高脫鹽率(膜對(duì)電壓大于2V)。
通過(guò)對(duì)I、II、III各區(qū)的分析發(fā)現(xiàn)，若想提高II區(qū)的脫鹽率，勢(shì)必要提高膜兩邊的電壓，這會(huì)使III區(qū)水解離增加，導(dǎo)致EDI的能耗增加，同時(shí)電壓的升高還將降低離子交換膜的選擇透過(guò)性，使出水水質(zhì)惡化。但如果為了滿足III區(qū)的要求，降低膜兩側(cè)電壓，則I、II區(qū)的脫鹽率下降，I、II區(qū)逐漸拉長(zhǎng)，III區(qū)逐漸縮短并最終消失，同樣會(huì)造成出水水質(zhì)惡化。因此，在一臺(tái)EDI裝置中，很難同時(shí)滿足離子交換吸附、離子定向遷移、電化學(xué)再生這3個(gè)過(guò)程，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)圖3所示的工藝流程。
在圖3所示的工藝流程中，EDI1(1)和EDI2(2)分別相當(dāng)于圖2中的I、II區(qū)，EDI2(2)電壓高于EDI1(1)；而EDI3(3)和EDI4(4)則在流程的不同階段分別相當(dāng)于混床和電再生器。
在初始階段3a，原水經(jīng)EDI1(1)的初次脫鹽以及EDI2(2)的再次脫鹽后，淡室出水中的離子含量已降至很低，EDI2(2)的淡室出水再經(jīng)EDI3(3)混床吸附后，出水完全可以達(dá)到純水的出水水質(zhì)要求。EDI3(3)的部分出水送至EDI4(4)，在較高電壓下對(duì)EDI4(4)的淡室離子交換劑進(jìn)行電再生。
當(dāng)EDI3(3)中的離子交換劑吸附飽和后，用再生好的EDI4(4)替換EDI3(3)，對(duì)EDI3(3)進(jìn)行電再生，如圖3b所示。當(dāng)EDI4(4)中的交換劑吸附飽和后，用再生好的EDI3(3)替換EDI4(4)，對(duì)EDI4(4)進(jìn)行電再生，如圖3a所示。如此循環(huán)往復(fù)，可以保證出水的質(zhì)量和連續(xù)性。
本發(fā)明的連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備，通過(guò)將離子交換吸附、離子定向遷移和電化學(xué)再生3個(gè)過(guò)程分別置于不同EDI裝置中，能夠使它們都處于最佳狀態(tài)下運(yùn)行。與目前的EDI設(shè)備相比，本發(fā)明的EDI裝置既能使用均相離子交換膜，也能使用國(guó)產(chǎn)的異相離子交換膜，使EDI制造成本顯著下降，不但能夠連續(xù)穩(wěn)定地制取純水，制水電耗也大大降低。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2是EDI淡室沿水流方向的分區(qū)圖。
圖3是本發(fā)明的工藝流程圖。
圖中1.EDI1，2.EDI2，3.EDI3，4.EDI4，5.三通，6.閥門(mén)，7.流量計(jì)，8.陰離子交換膜，9.離子交換劑，10.陽(yáng)離子交換膜。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，原水由自來(lái)水和蒸餾水按不同比例配制，所用的離子交換膜為國(guó)產(chǎn)的異相離子交換膜。原水首先進(jìn)入EDI1(1)，在EDI1(1)的電極兩端加上18V電壓，對(duì)原水進(jìn)行初級(jí)脫鹽EDI1(1)的淡室出水進(jìn)入EDI2(2)，在EDI2(2)的電極兩端加上25V電壓，對(duì)原水進(jìn)行深度脫鹽；EDI2(2)的淡室出水進(jìn)入EDI3(3)，在EDI3(3)的電極兩端不加電壓，EDI3(3)的淡室相當(dāng)于離子交換混床，通過(guò)離子交換劑對(duì)水中殘余電解質(zhì)離子的交換吸附，使EDI3(3)的淡室出水達(dá)到純水品質(zhì)。EDI3(3)淡室出水通過(guò)三通(5)、閥門(mén)(6)和流量計(jì)(7)分流出大部分作為最終的純水產(chǎn)品，另外一小部分進(jìn)入EDI4(4)。在EDI4(4)的電極兩端加上30V電壓，進(jìn)入EDI4(4)的純水在30V電壓下，發(fā)生強(qiáng)烈水解離，產(chǎn)生大量的H+和OH-離子，對(duì)EDI4(4)中吸附飽和的離子交換劑進(jìn)行再生。
表1顯示了在該工藝條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
表1 連續(xù)電去離子制純水工藝流程不同階段的水質(zhì)變化

權(quán)利要求
1.一種連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備，其特征是(1)整個(gè)過(guò)程包括EDI1(1)、EDI2(2)、EDI3(3)和EDI4(4)共4臺(tái)EDI裝置，其中3臺(tái)EDI裝置串聯(lián)以制備純水，另1臺(tái)EDI裝置作為離子交換劑的電再生設(shè)備。(2)3臺(tái)串聯(lián)EDI裝置所制得的純水，大部分作為最終制備的純水，其余一小部分作為第4臺(tái)EDI裝置的淡室進(jìn)水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI1(1)的膜對(duì)電壓小于2V，EDI2(2)的膜對(duì)電壓大于2V，EDI3(3)的膜對(duì)電壓為0，EDI4(4)的膜對(duì)電壓大于2V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI3(3)和EDI4(4)可以實(shí)現(xiàn)互換，即在EDI3(3)中的離子交換劑(9)吸附飽和后，就用電再生后EDI4(4)替代EDI3(3)，對(duì)EDI3(3)進(jìn)行電再生；當(dāng)EDI4(4)中的離子交換劑(9)吸附飽和后，則用電再生后的EDI3(3)替換EDI4(4)，對(duì)EDI4(4)進(jìn)行電再生，如此交替進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI3(3)和EDI4(4)的相互替換通過(guò)三通(5)、閥門(mén)(6)和流量計(jì)(7)來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI由電極、交替排列的陰陽(yáng)離子交換膜、濃淡室隔板和填充在淡室內(nèi)的離子交換劑構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的連續(xù)電去離子制純水方法及設(shè)備，其特征是EDI的離子交換膜可以是均相離子交換膜或異相離子交換膜；離子交換劑可以是離子交換樹(shù)脂或離子交換纖維。
全文摘要
本發(fā)明的連續(xù)電去離子制純水的方法及設(shè)備，采用4臺(tái)相同的EDI裝置，其中3臺(tái)EDI裝置串聯(lián)以制備純水，另1臺(tái)EDI裝置作為離子交換劑的再生設(shè)備，將離子交換吸附、離子定向遷移和電化學(xué)再生3個(gè)過(guò)程分別置于不同EDI裝置中，能夠使它們都處于最佳狀態(tài)下運(yùn)行。與目前的EDI設(shè)備相比，本發(fā)明的EDI裝置既能使用均相離子交換膜，也能使用國(guó)產(chǎn)的異相離子交換膜，使EDI制造成本顯著下降，不但能夠連續(xù)穩(wěn)定地制取純水，制水電耗也大大降低。
文檔編號(hào)C02F9/06GK1504428SQ0215384
公開(kāi)日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者孟洪, 彭昌盛, 盧壽慈, 孟 洪 申請(qǐng)人:彭昌盛, 孟洪, 盧壽慈