專利名稱：脫鹽系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水回收(Water Recovery)的脫鹽(Desalination)系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種利用離子交換膜(Ion Exchange Membranes)來(lái)移除流體中的二氧化娃 (Silica)以進(jìn)行水回收的脫鹽系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在工業(yè)領(lǐng)域中，大量的廢水，如含鹽的水溶液被生產(chǎn)出來(lái)。通常,這樣的廢水并不適合直接在家庭或工業(yè)中使用。鑒于可使用的水資源的有限性，從流體，如廢水、苦咸水、海水或其他含鹽溶液中回收合格的可使用的水就顯得尤為重要。
二氧化硅是自然水體中含有的一種常見(jiàn)物質(zhì)。由于在通常條件下，其在水中的溶解度較低，因而許多工業(yè)過(guò)程用水，例如鍋爐進(jìn)水、循環(huán)冷卻塔補(bǔ)水等都對(duì)水中含有的二氧化硅含量的上限有一定要求，以避免對(duì)用水裝置造成結(jié)垢等不利影響。因此，在許多情況下需要對(duì)水中的二氧化硅進(jìn)行一定程度的移除，以滿足特定的用途要求。
已經(jīng)有多種嘗試來(lái)從含有二氧化硅的廢水或其他水源中移除二氧化硅。比如， 含有二氧化硅的流體被輸入進(jìn)脫鹽裝置，如在較高的pH值條件下操作的反滲透(Reverse Osmosis)膜裝置來(lái)進(jìn)行二氧化硅的移除。其間，由于流體具有較高的pH值可促進(jìn)其內(nèi)含有的二氧化硅離子化，因此，該流體的PH值被提高來(lái)促使二氧化硅的移除。然而，在現(xiàn)有應(yīng)用中，此種二氧化硅的移除方式需要復(fù)雜而嚴(yán)格的預(yù)處理程序且效率較低，導(dǎo)致成本增加，因而在一些情況下喪失經(jīng)濟(jì)性。此外，有時(shí)也會(huì)由于預(yù)處理系統(tǒng)不可預(yù)見(jiàn)的波動(dòng)導(dǎo)致流體中含有的難溶或部分可溶鹽，如硫酸鈣或碳酸鈣等在脫鹽裝置中結(jié)垢或沉積。這對(duì)于二氧化硅的移除及脫鹽裝置本身來(lái)說(shuō)都是不利的。
所以，需要提供一種新的進(jìn)行二氧化硅移除的脫鹽系統(tǒng)和方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種脫鹽系統(tǒng)。該脫鹽系統(tǒng)包括可接收第一輸入流體來(lái)移除該流體內(nèi)二氧化硅的二氧化硅移除裝置。該二氧化硅移除裝置包括第一和第二電極、復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜及復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置。復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜設(shè)置在所述第一和第二電極間并形成復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的第一和第二通道。復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置設(shè)置在相鄰的每一對(duì)離子交換膜之間及第一和第二電極與相鄰的離子交換膜之間。其中，每一對(duì)離子交換膜中的第一元件均為陰離子交換膜，每一對(duì)離子交換膜中與其第一元件成對(duì)的第二元件可為陰離子交換膜、單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜和雙極性離子交換膜中之一，其中第一元件和第二元件在所述復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜中交替設(shè)置。
本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提供了一種脫鹽系統(tǒng)。該脫鹽系統(tǒng)包括二氧化硅移除裝置。 該二氧化硅移除裝置包括第一和第二電極、復(fù)數(shù)片可成對(duì)的陰離子交換膜及復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置。復(fù)數(shù)片可成對(duì)的陰離子交換膜設(shè)置在所述第一和第二電極間并形成復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的第一和第二通道。復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置設(shè)置在相鄰的每一對(duì)陰離子交換膜之間及第一和第二電極與相鄰的陰離子交換膜之間。
本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)一步提供了一種用于從流體中移除二氧化硅的方法。該方法包括輸入第一輸入流體到由二氧化硅移除裝置中成對(duì)的離子交換膜形成的第一通道中進(jìn)行二氧化硅移除；輸入第二輸入流體到由所述二氧化硅移除裝置中所述成對(duì)的離子交換膜形成的第二通道中以把從所述第一輸入流體中移除的二氧化硅帶出所述二氧化硅移除裝置。 其中，每一對(duì)離子交換膜中的第一元件均為陰離子交換膜，每一對(duì)離子交換膜中與其第一元件成對(duì)的第二元件可為陰離子交換膜、單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜和雙極性離子交換膜中之一，其中第一元件和第二元件在所述復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜中交替設(shè)置。


通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中
圖1為本發(fā)明脫鹽系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖2到圖4為本發(fā)明脫鹽裝置的多個(gè)實(shí)施例的示意圖5為本發(fā)明脫鹽系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；及
圖6為本發(fā)明脫鹽裝置的二氧化硅移除率的一個(gè)實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)圖表。
具體實(shí)施方式
圖1所示為本發(fā)明脫鹽系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。在本實(shí)施例中，脫鹽系統(tǒng) 10包括脫鹽裝置11。該脫鹽裝置11可用來(lái)接收來(lái)自于第一流體源(未圖示)且含有多種物質(zhì)及其他雜質(zhì)的第一輸入流體12以對(duì)其進(jìn)行脫鹽處理。另外，在對(duì)第一流體12進(jìn)行處理中或處理后，該脫鹽裝置11可接收來(lái)自于第二流體源(未圖示)的第二輸入流體13，從而把從第一輸入流體12中移除的帶電物質(zhì)移除出脫鹽裝置11。
這樣，由于脫鹽裝置11的脫鹽作用，與第一輸入流體12相比較，來(lái)自于該脫鹽裝置11的第一輸出流體(產(chǎn)品流體)14就含有較低濃度的帶電離子。與第二輸入流體13相比較，來(lái)自于該脫鹽裝置11的第二輸出流體(濃縮流體)15就含有較高濃度的帶電離子。 在非限定示例中，第一輸入流體12中包含的物質(zhì)及其他雜質(zhì)可包括帶電離子，比如鎂離子 (Mg2+)、鈣離子(Ca2+)、二氧化硅(Silica)、鈉離子(Na+)、氯離子(Cl_)和其他離子。在一個(gè)非限定示例中，第一輸入流體12中的帶電離子可至少包括一部分目標(biāo)物質(zhì)，如離子化的二氧化硅，這樣，脫鹽裝置11就可作為二氧化硅移除裝置使用。在一些示例中，第一輸出流體14也可被再次輸入進(jìn)脫鹽裝置11中或其他脫鹽裝置，如倒極電滲析(Electrodialysis Reversal)裝置中進(jìn)行進(jìn)一步的脫鹽處理。
二氧化硅常以難電離或部分電離的形式存在于第一輸入流體12中。通常，增加第一輸入流體12的pH值可提高二氧化硅在該第一輸入流體12內(nèi)的離子化以便于在電場(chǎng)作用下對(duì)二氧化硅進(jìn)行移除。這樣，如圖1所示，脫鹽系統(tǒng)10進(jìn)一步包括與脫鹽裝置11流體相通的pH調(diào)整單元16來(lái)對(duì)第一輸入流體12的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)從而來(lái)提高該第一流體12中二氧化硅的離子化程度。
在一些示例中，pH調(diào)整單元16可用來(lái)調(diào)整第一輸入流體12的pH值大于7，比如在從 8到11的范圍內(nèi)。在其他示例中，第一輸入流體12的pH值可被調(diào)整到處于9. 5到11的范圍內(nèi)。在對(duì)二氧化硅離子化后，第一輸入流體12中的二氧化硅的至少一部分可以 HSi03_及/或Si032_或其他離子形式存在。為了便于說(shuō)明，在本發(fā)明實(shí)施例中，以HSi03_為例進(jìn)行說(shuō)明。
在一些示例中，pH調(diào)整單元16可包括pH調(diào)整源，其可輸入添加劑到第一輸入流體12中以調(diào)整其pH值。在非限定示例中，pH調(diào)整單元16可輸入堿性添加劑到第一輸入流體12中。堿性添加劑可包括但不限于氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化銨。在一些應(yīng)用中， 該堿性添加劑可自動(dòng)或手動(dòng)的被輸入進(jìn)第一輸入流體12中。在一定的應(yīng)用中，pH調(diào)整單元16也可不設(shè)置，第一輸入流體12的pH值可預(yù)先調(diào)整好。
圖2所示為本發(fā)明脫鹽裝置11的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。如圖2所示，脫鹽裝置11 包括第一電極17、第二電極18、復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜19，20，21，22及復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置(Spacer)23。在本實(shí)施例中，第一和第二電極17，18分別與電源(未圖示)的正負(fù)極相連從而可分別作為正極和負(fù)極。在其他實(shí)施例中，第一和第二電極17，18的極性也可進(jìn)行改變。
在一些實(shí)施例中，第一和第二電極17，18可由片狀、網(wǎng)狀或其它形狀的金屬材料， 如鈦或涂敷有鉬等貴金屬的鈦等組成。在另一些實(shí)施例中，第一和第二電極17，18可包括其他可導(dǎo)熱或不導(dǎo)熱的導(dǎo)電材料，且其可包括具有較小尺寸和較大的表面積的顆粒。在一些示例中，導(dǎo)電材料可包括一種或多種碳材料。在非限定示例中，碳材料可包括活性碳顆粒(Activated Carbon Particles)、多孔碳顆粒(Porous Carbon Particles)、碳纖維 (Carbon Fibers)、碳?xì)馊苣z(Carbon Aerogels)、多孔中間相碳微球(Porous Mesocarbon Microbeads)或其組合。在其他示例子，導(dǎo)電材料可包括導(dǎo)電復(fù)合材料，如錳，鐵，錳和鐵的氧化物，鈦、鋯、釩、鎢的碳化物或其組合。
在本實(shí)施例中，第一和第二電極17，18可具有板狀的結(jié)構(gòu)，從而可彼此平行設(shè)置以形成堆疊(Stack)的結(jié)構(gòu)。在其他示例中，第一和第二電極17，18也可具有不同的形狀， 比如片狀、塊狀(Block)或柱狀(Cylinder)，且按照不同的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。例如，第一和第二電極17，18可同心設(shè)置，從而在其間定義了一個(gè)螺旋狀連續(xù)的空間。
成對(duì)的離子交換膜19-22可用來(lái)對(duì)離子進(jìn)行選擇性通過(guò)，其設(shè)置在第一和第二電極17，18間從而形成復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的第一通道24和第二通道25。在一些示例中，在操作時(shí)，第一通道24和第二通道25可分別作為淡室和濃室使用。在本實(shí)施例中，四個(gè)離子交換膜19-22形成了交替設(shè)置的一個(gè)第一通道24和兩個(gè)第二通道25。在其他示例中，至少三個(gè)離子交換膜可設(shè)置在第一和第二電極17，18間形成一個(gè)或多個(gè)第一通道和一個(gè)或多個(gè)第二通道。
在圖2所示的實(shí)施例中，每一對(duì)離子交換膜的第一元件20，22和相應(yīng)的第二元件 19，21均為陰離子交換膜。在一些示例中，每一個(gè)陰離子交換膜可包括單價(jià)選擇性陰離子交換膜或常規(guī)陰離子交換膜。單價(jià)選擇性陰離子交換膜可僅用于單價(jià)陰離子通過(guò)。常規(guī)陰離子交換膜不僅可通過(guò)多價(jià)陰離子而且可通過(guò)單價(jià)陰離子。
隔網(wǎng)裝置23設(shè)置在相鄰的每一對(duì)離子交換膜19-22間及第一和第二電極17，18 與各自相鄰的離子交換膜19，22間。在一些示例中，隔網(wǎng)裝置23可包括任何離子可通過(guò) (Ion-permeable)的、非電子導(dǎo)電(Electronically Nonconductive)的材料， 該材料可為膜及多孔或無(wú)孔的材料。
這樣，在操作時(shí)，當(dāng)脫鹽裝置11在正常極性狀態(tài)時(shí)，電流施加在其上，流體，如第一和第二輸入流體12，13被分別輸入進(jìn)第一通道24和第二通道25中。在一定的應(yīng)用中， 第一和第二輸入流體12，13可同時(shí)或不同時(shí)的輸入進(jìn)脫鹽裝置11中。
由于脫鹽裝置11中設(shè)置的離子交換膜19-22均為陰離子交換膜，在第一通道(淡室)24中，第一輸入流體12中的至少一部分離子化的二氧化硅，如HSiOf和其他離子，如 0!1_和Cl—通過(guò)陰離子交換膜20朝向陽(yáng)極17移動(dòng)從而進(jìn)入第二通道(濃室)25中。第一輸入流體12中的陽(yáng)離子，如Ca2+和Mg2+(未圖示)則不能通過(guò)陰離子交換膜20而仍處在淡室24中。
在濃室25中，即使電場(chǎng)可對(duì)陽(yáng)離子施加一定的牽引力，第二輸入流體13中的陽(yáng)離子，如Na+也不能通過(guò)陰離子交換膜19進(jìn)行遷移，從而保留在相應(yīng)的濃室25中。在脫鹽裝置11中，淡室24和濃室25交替設(shè)置，這樣，在濃室25中的第二輸入流體13中的陰離子， 如氫氧根離子(0H_)和氯離子(CD，通過(guò)相應(yīng)的陰離子交換膜19，21進(jìn)行遷移，比如進(jìn)入臨近相應(yīng)濃室25的淡室24中。
在非限定示例中，第二輸入流體13可包括可溶鹽，其內(nèi)含有具有較高濃度的活性或離子化程度較高的陰離子，如氯離子(CD，這樣，該流體也可稱為富含氯離子的流體。 在一些示例中，第二輸入流體13中的活性離子也可包括硫酸根離子(SO42-)和氫氧根離子 (or)。從而，當(dāng)目標(biāo)離子，比如二氧化硅離子(HSi03_)從淡室24進(jìn)入相應(yīng)的濃室25后，在操作過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)入濃室25中的陰離子繼續(xù)從濃室25向相應(yīng)的淡室24遷移時(shí)，相較于遷移進(jìn)濃室25中的目標(biāo)離子，在繼續(xù)遷移時(shí)，第二輸入流體13中的高濃度活性陰離子可占據(jù)至少一大部分離子電流，從而有效抑制目標(biāo)離子從濃室25向相應(yīng)的淡室24的遷移。
比如，可溶鹽包括氯化鈉(NaCl)。在繼續(xù)遷移過(guò)程中，至少一大部分離子電流可被氯離子或其他活性離子，如氫氧根離子占據(jù)，從而導(dǎo)致至少一大部分離子化二氧化硅不能攜帶離子電流。在非限定示例中，在相應(yīng)的濃室25中，活性離子的濃度可高于甚至遠(yuǎn)高于從淡室24遷移來(lái)的目標(biāo)離子的濃度。在其他示例中，當(dāng)從濃室25向相應(yīng)的淡室24遷移時(shí)，在相應(yīng)的濃室25中，活性離子的離子遷移率(Ionic Mobility)大于其內(nèi)的從淡室24 遷移來(lái)的目標(biāo)離子的離子遷移率。在一定的應(yīng)用中，當(dāng)從濃室25向相應(yīng)的淡室24遷移時(shí)， 第二輸入流體13中的活性離子的數(shù)量可大于從淡室24遷移進(jìn)濃室25中的目標(biāo)離子，如 HSiO3-的數(shù)量。、
這樣，在操作時(shí)，濃室25中的第二輸入流體13中的一部分活性離子可從相應(yīng)的陰離子交換膜遷移出而進(jìn)入臨近的淡室24中，在此過(guò)程中，由于第二輸入流體13中的活性離子占據(jù)了大部分離子電流，大部分目標(biāo)離子，如HSiO3-不能通過(guò)相應(yīng)的陰離子交換膜19，21 而進(jìn)入淡室，從而其在從相應(yīng)的淡室24進(jìn)入濃室25后繼續(xù)保留在濃室25中。
在一些示例中，當(dāng)陰離子從濃室25向淡室24遷移時(shí)，為了增加第二輸入流體13 中活性離子攜帶的離子電流的占比，如圖1所示，脫鹽系統(tǒng)10進(jìn)一步包括與第二輸入流體 13流體相通的離子調(diào)整單元26。該離子調(diào)整單元26可促使在操作中，當(dāng)陰離子繼續(xù)從濃室25向相應(yīng)的淡室24遷移時(shí)，濃室25中的第二輸入流體中的活性離子可占據(jù)大部分離子電流。在非限定示例中，離子調(diào)整單元26通過(guò)向第二輸入流體13中注入氯化鈉溶液的方法來(lái)增加第二輸入流體13中活性離子的濃度。在一定的應(yīng)用中，離子調(diào)整單元26可設(shè)置或不設(shè)置。
這樣，如圖2所示，當(dāng)?shù)诙斎肓黧w13通過(guò)濃室25時(shí)，其把從淡室24遷移來(lái)的目標(biāo)離子，如HSiO3-帶出脫鹽裝置11，從而相較于第一和第二輸入流體12，13，第一輸出流體 14和第二輸出流體15分別具有較低和較高濃度的包括離子化二氧化硅在內(nèi)的目標(biāo)離子。
通常，提高第一輸入流體12的pH值可導(dǎo)致流體內(nèi)的陽(yáng)離子，如鈣離子(Ca2+)和鎂離子(Mg2+)在脫鹽裝置內(nèi)發(fā)生沉淀或結(jié)垢。然而，在圖1所示的實(shí)施例中，由于脫鹽裝置11 僅設(shè)置陰離子交換膜，在第一輸入流體12中的離子化二氧化硅被移除的同時(shí)，其內(nèi)的陽(yáng)離子，如鈣離子和鎂離子仍然處在淡室24內(nèi)，從而不會(huì)進(jìn)入濃室25中進(jìn)行濃縮。這樣，就大大降低了陽(yáng)離子在濃室25內(nèi)發(fā)生結(jié)垢或沉淀的趨勢(shì)。
在一些示例中，脫鹽裝置11的第一和第二電極17，18的極性可以反轉(zhuǎn)，在相反的電極狀態(tài)下，原本在正常電極狀態(tài)下的淡室作為濃室來(lái)接收第二輸入流體13 ;原本在正常電極狀態(tài)下的濃室作為淡室來(lái)接收第一輸入流體12來(lái)對(duì)其進(jìn)行處理，比如移除其內(nèi)的二氧化硅且避免或減輕陰陽(yáng)離子在脫鹽裝置11內(nèi)發(fā)生沉淀的可能性。
圖3所示為脫鹽裝置30的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。圖3所示的實(shí)施例與圖2所示的實(shí)施例相似，二者不同之處在于在圖3所示的實(shí)施例中，二氧化硅移除裝置30的離子交換膜20，22，31中的每一個(gè)第二元件31為單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜，從而復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜(第二元件)31和相應(yīng)的陰離子交換膜(第一元件)20，22 形成了復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的第一和第二通道24，25。在操作時(shí)，第一和第二通道24，25可作為淡室和濃室使用。
單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜31僅可通過(guò)單價(jià)陽(yáng)離子，多價(jià)陽(yáng)離子和陰離子均不能通過(guò)。在一個(gè) 非限定示例中，用來(lái)使用在單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜31的材料可包括交聯(lián)的共聚物，其可來(lái)自丙烯酰氨基甲基丙燒磺酸(Acrylamidomethylpropane sulfonic acid, AMPS)和二甲基丙烯酸乙二醇酯(Ethylene glycol dimethacrylate, EGDMA)。
這樣，與圖2所示的實(shí)施例相似，在操作時(shí)，當(dāng)脫鹽裝置30在正常的極性狀態(tài)時(shí)， 電流施加在其上，第一和第二輸入流體12，13分別進(jìn)入第一通道24和第二通道25。由于脫鹽裝置30的移除作用，在第一輸入流體12中，至少一部分離子化的二氧化硅，比如 HSi03_或其他陰離子，如0H_和Cl—可通過(guò)陰離子交換膜20朝向陽(yáng)極17遷移而進(jìn)入相應(yīng)的第二通道25中。
第一輸入流體12中的多價(jià)陽(yáng)離子，包括但不限于鈣離子(Ca2+)和鎂離子(Mg2+)由于不能通過(guò)單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜31而保留在淡室24中。在一些應(yīng)用中，第一輸入流體12中的單價(jià)陽(yáng)離子，如鈉離子(Na+)可通過(guò)單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜31朝向陰極18遷移而進(jìn)入相鄰的濃室25中。
在濃室25中，由于單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜31的存在，其內(nèi)的陰離子，包括從淡室24遷移來(lái)的HSiOf便無(wú)法進(jìn)一步通過(guò)單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜31以進(jìn)入臨近的淡室 24中，從而仍然保留在相應(yīng)的濃室25中。由于陰離子交換膜20，22的存在，濃室25內(nèi)的陽(yáng)離子，如鈉離子(Na+)也同樣仍處在濃室25中。
這樣，當(dāng)?shù)诙斎肓黧w13通過(guò)濃室25時(shí)，從淡室24遷移進(jìn)濃室25內(nèi)的單價(jià)陽(yáng)離子和陰離子，包括目標(biāo)離子如HSi03_便在濃室25中濃縮并被帶出脫鹽裝置30，從而相較于第一和第二輸入流體12，13，第一輸出流體14和第二輸出流體15分別具有較低和較高濃度的帶電離子，包括離子化二氧化硅。
從而，由于脫鹽裝置30設(shè)置有單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜31，至少一部分離子化二氧化硅可被從第一輸入流體12中移除。其間，第一輸入流體12中部分陽(yáng)離子，如鈣離子 (Ca2+)和鎂離子(Mg2+)則仍處在淡室24中而不能進(jìn)入濃室25中進(jìn)行濃縮，從而來(lái)大大減輕其在濃室25內(nèi)發(fā)生沉淀或結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。
圖4所示為脫鹽裝置32的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。如圖4所示，該實(shí)施例與圖3中所示的實(shí)施例相似，二者不同之處在于在圖4所示的實(shí)施例中，脫鹽裝置32的離子交換膜的每一個(gè)第二元件均為雙極性離子交換膜(Bipolar Ion Exchange Membrane),而不是圖3 中所示的單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜31。這樣，復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的雙極性離子交換膜(第二元件)33和陰離子交換膜(第一元件)20，22設(shè)置在第一和第二電極17，18間以形成復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的第一和第二通道24，25。
在非限定示例中，雙極性離子交換膜通常包括陽(yáng)離子交換層、陰離子交換層及設(shè)置在陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜之間的接合層(Junction Layer)。在雙極性離子交換膜操作過(guò)程中，水通過(guò)陰陽(yáng)離子交換層擴(kuò)散進(jìn)入接合層從而分解成氫離子(H+)和氫氧根離子(0H-)。氫離子通過(guò)陽(yáng)離子交換層朝向陰極移動(dòng)；氫氧根離子通過(guò)陰離子交換層朝向陽(yáng)極移動(dòng)。其他陰離子和陽(yáng)離子則分別被陽(yáng)離子和陰離子交換層排除在雙極性離子交換膜外。
這樣，與圖3所示的實(shí)施例相似，在操作中，在淡室24中，第一輸入流體12中的陰離子，如HS·i03_可進(jìn)入相鄰的濃室25中，其內(nèi)的陽(yáng)離子，如鈣離子和鎂離子則不能通過(guò)雙極性離子交換膜33而仍保留在相應(yīng)的淡室24中。在濃室25中，由于雙極性離子交換膜33 的排除作用，從淡室24遷移來(lái)的陰離子，如HSi03_仍保留在濃室25中而不能進(jìn)一步遷移進(jìn)相鄰的淡室24中。
從而，當(dāng)?shù)诙斎肓黧w13通過(guò)濃室25時(shí)，從淡室24遷移來(lái)的陰離子，如HSi03_則被帶出脫鹽裝置32中同時(shí)避免了陽(yáng)離子，如鈣離子和鎂離子在相應(yīng)濃室中的濃縮，大大降低了發(fā)生沉淀或結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。
在一定的應(yīng)用中，為了避免或減輕由于pH調(diào)整單元16的設(shè)置而導(dǎo)致陽(yáng)離子，如鈣離子和鎂離子在脫鹽裝置11，30或32中發(fā)生沉淀或結(jié)垢的可能性，脫鹽系統(tǒng)10可設(shè)置有預(yù)處理單元。該預(yù)處理單元可用來(lái)在第一輸入流體12被輸入進(jìn)二氧化硅移除裝置之前來(lái)處理流體以至少移除部分多價(jià)陽(yáng)離子，從而產(chǎn)生具有合適總?cè)芙夤腆w(Total Dissolved Solids, TDS)水平和陽(yáng)離子濃度的第一輸入流體12。
圖5所示為本發(fā)明脫鹽系統(tǒng)10的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。如圖5所示，該實(shí)施例與圖1所示的實(shí)施例相似，二者不同之處在于在圖5所示的實(shí)施例中，預(yù)處理單元34設(shè)置在脫鹽裝置11的上游并與其流體相通來(lái)預(yù)處理輸入流體35以移除其內(nèi)至少一部分離子化程度較高的離子，如 丐離子和鎂離子，從而產(chǎn)生具有合適總?cè)芙夤腆w(Total Dissolved Solids, TDS)水平和陽(yáng)離子濃度的第一輸入流體12。
在本實(shí)施例中，預(yù)處理單元34包括倒極電滲析(Electrodialysis Reverse,EDR) 裝置。在其他實(shí)施例中，預(yù)處理單元34可包括電滲析(Electrodialysis,ED)裝置、超級(jí)電容脫鹽(Supercapacitor Desalination, SO))裝置或陽(yáng)離子交換軟化(Softening)裝置來(lái)對(duì)流體35進(jìn)行預(yù)處理。
這樣，在操作時(shí)，流體35被輸入進(jìn)倒極電滲析裝置34中進(jìn)行處理以移除其內(nèi)含有的至少一部分陰離子和陽(yáng)離子，如鈣離子和鎂離子，從而產(chǎn)生可用來(lái)輸入進(jìn)脫鹽裝置11中進(jìn)行處理的具有合適溶解性總固體(Total Dissolved Solids, TDS)水平和陽(yáng)離子濃度的第一輸入流體12。其間，流體36也被輸入進(jìn)倒極電滲析裝置34中以把從流體35中移除的離子帶出該倒極電滲析裝置34中，從而產(chǎn)生輸出流體37。相較于流體36，該輸出流體37 包含有較高濃度的帶電離子。
在一定的應(yīng)用中，如圖5所示，脫鹽系統(tǒng)10可進(jìn)一步包括與倒極電滲析裝置34流體相通的沉淀單元38。在一些示例中，沉淀單元38可用來(lái)提供流體36以使其循環(huán)進(jìn)入倒極電滲析裝置34中。隨著流體36的不斷循環(huán)，其內(nèi)的鹽或其他雜質(zhì)的濃度可能不斷增加， 部分溶解度較低的鹽，如硫酸鈣等甚至在流體36中達(dá)到飽和或超飽和。這樣，當(dāng)該飽和或超飽和達(dá)到一定的程度，沉淀就在沉淀單元38中發(fā)生。在一些示例中，隨著操作的進(jìn)行，沉淀產(chǎn)生的固體(未圖示)和一部分流體36可通過(guò)管道39自沉淀單元38排出。流體40也可輸入來(lái)補(bǔ)充流體36。在非限定示例中，流體40和流體35可來(lái)自相同的流體源。
圖6所示為本發(fā)明脫鹽裝置11的二氧化硅移除率的一個(gè)實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)圖表。為了便于說(shuō)明，以圖2中所示的脫鹽裝置11為例。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水總?cè)芙夤腆w約為350ppm，其中含二氧化硅約40ppm，在進(jìn)入二氧化硅移除裝置前其pH值被調(diào)節(jié)到約11。如圖6所示， 在持續(xù)運(yùn)行5天時(shí)間的過(guò)程中，脫鹽裝置11的二氧化硅的移除率在50%左右，且比較穩(wěn)定，這顯示了第一輸入流體12中的二氧化硅可被有效的移除的同時(shí)，脫鹽裝置11內(nèi)發(fā)生的沉淀或結(jié)垢現(xiàn)象也得以避免或減輕。
圖1到圖5所示的實(shí)施例僅是示意性的，圖1到圖5中相同的標(biāo)號(hào)可表示相似的元件。在本發(fā)明實(shí)施例中，圖1到圖5所示的實(shí)施例可被用來(lái)移除流體中的二氧化硅。在其他示例中，其也可被用來(lái)移除其它合適的離子，比如從流體中移除二價(jià)陰離子。脫鹽裝置 11，30或32中離子交換膜中的每一對(duì)中的第一元件為陰離子交換膜；離子交換膜中的每一對(duì)中的第二元件為陰離子交換膜、單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜或雙極性離子交換膜。其中第一輸入流體中離子化的二氧化硅通過(guò)第一元件轉(zhuǎn)移到第二輸入流體中實(shí)現(xiàn)移除，而第二元件的共同特征是阻止第一輸入流體中的多價(jià)陽(yáng)離子被同時(shí)轉(zhuǎn)移到第二輸入流體中以降低由于多價(jià)陽(yáng)離子在第二輸入流體中濃縮引起的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。這樣，第一輸入流體12中的離子，比如二氧化硅就可被有效且穩(wěn)定的移除。此外，預(yù)處理單元也可被設(shè)置來(lái)避免脫鹽裝置在對(duì)第一輸入流體12進(jìn)行處理的過(guò)程中在其內(nèi)發(fā)生沉淀或結(jié)垢。
雖然結(jié)合特定的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對(duì)本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識(shí)到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種脫鹽系統(tǒng)，包括 可接收第一輸入流體來(lái)移除該流體內(nèi)二氧化硅的二氧化硅移除裝置，包括 第一和第二電極； 復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜，其設(shè)置在所述第一和第二電極間并形成復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的第一和第二通道； 復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置，其設(shè)置在相鄰的每?jī)善x子交換膜之間及第一和第二電極與各自相鄰的離子交換膜之間；及 其中，每一對(duì)離子交換膜中的第一元件均為陰離子交換膜，每一對(duì)離子交換膜中與其第一元件成對(duì)的第二元件可為陰離子交換膜、單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜和雙極性離子交換膜中之一，其中第一元件和第二元件在所述復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜中交替設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的脫鹽系統(tǒng)，其中所述二氧化硅移除裝置可進(jìn)一步接收第二輸入流體以帶出從所述第一輸入流體移除的離子。
3.如權(quán)利要求2所述的脫鹽系統(tǒng)，其中所述復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜中的每一片均為陰離子交換膜。
4.如權(quán)利要求2所述的脫鹽系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括有與所述二氧化硅移除裝置流體相通的離子調(diào)整單元，該離子調(diào)整單元可用來(lái)調(diào)整所述第二輸入流體中陰離子的濃度。
5.如權(quán)利要求4所述的脫鹽系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括有與所述二氧化硅移除裝置流體相通的預(yù)處理單元，該預(yù)處理單元可用來(lái)至少部分移除流體中的多價(jià)陽(yáng)離子以產(chǎn)生所述第一輸入流體。
6.如權(quán)利要求5所述的脫鹽系統(tǒng)，其中所述預(yù)處理單元包含倒極電滲析裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的脫鹽系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括有與所述二氧化硅移除裝置流體相通的pH調(diào)整單元，該pH調(diào)整單元可用來(lái)調(diào)整所述第一輸入流體的pH值。
8.一種脫鹽系統(tǒng),包括 二氧化硅移除裝置，包括 第一和第二電極； 復(fù)數(shù)片可成對(duì)的陰離子交換膜，其設(shè)置在所述第一和第二電極間并形成復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的第一和第二通道 '及 復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置，其設(shè)置在相鄰的每?jī)善庪x子交換膜之間及第一和第二電極與各自相鄰的陰離子交換膜之間。
9.如權(quán)利要求8所述的脫鹽系統(tǒng)，其中所述二氧化硅移除裝置通過(guò)所述第一和第二通道分別來(lái)接收第一輸入流體以移除該流體內(nèi)的二氧化硅及接收第二輸入流體以帶出從所述第一輸入流體中移除的二氧化硅。
10.如權(quán)利要求9所述的脫鹽系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括有與所述二氧化硅移除裝置流體相通的pH調(diào)整單元，該pH調(diào)整單元可用來(lái)調(diào)整所述第一輸入流體的pH值。
11.如權(quán)利要求8所述的脫鹽系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括有與所述二氧化硅移除裝置流體相通的離子調(diào)整單元，該離子調(diào)整單元可用來(lái)調(diào)整所述第二輸入流體中陰離子的濃度。
12.—種用于從流體中移除二氧化硅的方法，包括 輸入第一輸入流體到由二氧化硅移除裝置中成對(duì)的離子交換膜形成的第一通道中進(jìn)行二氧化硅移除；輸入第二輸入流體到由所述二氧化硅移除裝置中所述成對(duì)的離子交換膜形成的第二通道中以把從所述第一輸入流體中移除的二氧化硅帶出所述二氧化硅移除裝置；及 其中，每一對(duì)離子交換膜中的第一元件均為陰離子交換膜，每一對(duì)離子交換膜中與其第一元件成對(duì)的第二元件可為陰離子交換膜、單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜和雙極性離子交換膜中之一，其中第一元件和第二元件在所述復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜中交替設(shè)置。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述二氧化硅移除裝置包括 第一和第二電極； 復(fù)數(shù)片所述成對(duì)的離子交換膜，其設(shè)置在所述第一和第二電極間并形成復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的所述第一和第二通道；及 復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置，其設(shè)置在所述相鄰的每?jī)善x子交換膜之間及第一和第二電極與各自相鄰的離子交換膜之間。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜中的每一片均為陰離子交換膜。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述第二輸入流體進(jìn)入所述二氧化硅移除裝置前增加所述第二輸入流體內(nèi)的陰離子的濃度。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述增加所述第二輸入流體內(nèi)的陰離子的濃度通過(guò)添加含氯化鈉的溶液的方式實(shí)現(xiàn)。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述第一輸入流體進(jìn)入所述二氧化硅移除裝置前調(diào)整所述第一輸入流體的PH值。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一輸入流體pH值被調(diào)整到處于9.5到11的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脫鹽系統(tǒng)及方法。該脫鹽系統(tǒng)包括二氧化硅移除裝置。該二氧化硅移除裝置包括第一和第二電極、復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜及復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置。復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜設(shè)置在所述第一和第二電極間并形成復(fù)數(shù)個(gè)交替設(shè)置的第一和第二通道。復(fù)數(shù)個(gè)隔網(wǎng)裝置設(shè)置在相鄰的每?jī)善x子交換膜之間及第一和第二電極與各自相鄰的離子交換膜之間。其中，每一對(duì)離子交換膜中的第一元件均為陰離子交換膜，每一對(duì)離子交換膜中與其第一元件成對(duì)的第二元件可為陰離子交換膜、單價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜和雙極性離子交換膜中之一，其中第一元件和第二元件在所述復(fù)數(shù)片可成對(duì)的離子交換膜中交替設(shè)置。
文檔編號(hào)C02F9/06GK102992521SQ20111026527
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者熊日華, 張呈乾 申請(qǐng)人:通用電氣公司