本實用新型屬于環(huán)境保護與給水處理技術領域，具體涉及一種結合陽離子選擇透過膜的電化學除硬度與殺菌水處理裝置。
技術背景
供水中硬度對人們的生活與生產造成了嚴重影響。日常生活中，所用自來水中硬度過高造成用水電器等結垢嚴重，且嚴重影響了人們身體健康。工業(yè)生產中，給水硬度過高極易在循環(huán)冷卻水系統以及用水設備內表面形成污垢，導致熱交換設備效率下降、設備清洗維護頻繁，造成較高的設備維護費用。
常用于用水與給水除硬度軟化的技術包括藥劑方法(石灰-純堿法)、離子交換法以及膜分離法等，基于這些方法的裝置使用較復雜，且使用了較大量反應藥劑、再生藥劑或阻垢劑等，運行成本高，且非環(huán)境友好技術。工業(yè)循環(huán)冷卻水運行中也常使用阻垢劑與殺菌劑等防止結垢并抑制細菌生長，可以提高到較高的循環(huán)水濃縮倍數，但藥劑使用一方面造成運行費用高，另一方面造成排污水中帶有磷等污染物，對水體污染較嚴重。
采用電化學裝置除硬度近年來得到關注，其主要原理為：在電流作用下，陰極得到電子發(fā)生還原反應(如下式1-2)
O2+2H2O+4e-→4OH- 式1)
2H2O+2e-→H2+2OH- 式2)
以上反應在陰極附近形成了堿性環(huán)境，可以使得鈣離子、鎂離子以及部分重金屬離子發(fā)生反應(如下式3-4)而結晶或沉淀析出，從而達到了去除硬度制取軟化水的目的。
Ca2++HCO3-+OH-→CaCO3+H2O 式3)
Mg2++2OH-→Mg(OH)2 式4)
同時，電流作用下，陽極失去電子發(fā)生水或氯離子的氧化反應，釋放出氧化能力較強的自由基或活性氯與活性氧等，具有殺菌的作用。
采用電化學除硬度殺菌具有很大優(yōu)勢，該類裝置不使用化學藥劑，同時實現除硬度與殺菌效果，屬于環(huán)境友好型裝置。然而目前電化學除硬度殺菌裝置在生活用水與工業(yè)給水中還未得到廣泛應用，其主要原因在于常規(guī)電化學除硬度裝置所采用的電化學反應器內，僅包括了相應的一組或多組電極，進水從該電化學反應器一端流入，串聯或并聯流經各組電極，然后從電化學反應器出水口流出。電化學反應器內各組電極間，未將陽極與陰極區(qū)有效分隔開，因此具有以下不足：1)由于堿性環(huán)境僅存在于陰極附近很窄的區(qū)域，且受傳質過程等影響，除硬度反應速率較慢，硬度離子去除效率較低，需要極板面積較大；2)硬度離子易沉積在陰極板表面形成污垢，導致電阻增大，反應效率下降，需要頻繁拆卸清洗，為設備運行維護帶來困難；3)反應形成的結晶沉淀在重力作用下沉積在反應器底部，部分反應器底部設置沉淀區(qū)與泥斗，定期排出污垢形成的污泥，然而在實際運行中，極易由于泥斗與管路結垢沉積等造成排泥困難，需要頻繁拆卸維護。因此，有必要研制新型電化學除硬度殺菌裝置以推廣其應用。
技術實現要素：
本實用新型目的在于客服已有裝置的不足之處，提出一種結合陽離子選擇透過膜與電化學反應的除硬度殺菌裝置。該裝置通過使用陽離子選擇透過膜，在電化學反應器內陰極區(qū)形成富集濃縮的硬度與氫氧根離子，并利用上向水流將濃縮富集的離子帶出反應區(qū)作為高硬度水排放或過濾處理后使用。單獨收集陽離子選擇透過膜與陽極側出水可以作為去除硬度離子的軟化出水在生活或工業(yè)使用。
為了實現本實用新型目的，本裝置采用的技術方案如下：
一種結合陽離子選擇透過膜的電化學除硬度與殺菌水處理裝置，其特征在于，由一個或多個串聯或并聯的電化學反應器組裝構成，每個電化學反應器設置進水口，并分別設置軟化水總出水口和高硬度水總出水口；每個電化學反應器內部包括至少兩組電極，每組電極間均通過設置陽離子選擇透過膜將該組電極分為陽極區(qū)與陰極區(qū)，每組電極分別連接供電系統；每組電極的陽極區(qū)單獨設置軟化水出水口，該出水口均與軟化水總出水口連通；每組電極的陰極區(qū)單獨設置高硬度水出水口，該出水口均與高硬度水總出水口連通。
所述電極采用平板電極，每組電極中陽極板與陰極板的間距為3–5cm，所述陽離子選擇透過膜與電極板平行設置，且該陽離子選擇透過膜與陰極板間距占到極板間距的1/5。
本裝置還包括與高硬度水總出水口相通的過濾器，高硬度水流經過濾器后從該過濾器的低硬度水排水口排出。
本實用新型的特點及有益效果：
(1)硬度去除效率高：采用陽離子選擇透過膜結合電化學反應，通過硬度離子向陰極側透過陽離子膜遷移，同時陰極反應產生的氫氧根受到陽離子選擇透過膜阻擋不能遷出，從而在陰極板與陽離子選擇透過膜之間所形成的陰極區(qū)內實現硬度離子與氫氧根離子的富集，由此大幅提高水中硬度離子的去除效率。
(2)節(jié)省極板面積：該裝置使得硬度離子反應結晶沉淀的區(qū)域不再僅僅局限于陰極板上，從而大大避免了陰極面積對反應速率的制約，提高了單位極板面積硬度去除效率，相比傳統電化學裝置大幅節(jié)省極板面積，減小裝置體積與占地。
(3)便于運行維護：避免了在電化學反應器內部或極板上結垢沉積，減少了極板拆卸清洗次數與清洗化學藥劑用量，便于運行維護。
(4)實現對用水或給水的殺菌消毒：在電化學反應去除硬度同時，陽極失去電子發(fā)生水或氯離子的氧化反應，在陽極與陽離子選擇透過膜所構成的陽極區(qū)內形成富集的自由基與自由氯等強氧化性物質，可以達到對軟化水殺菌消毒的目的。
附圖說明
圖1為本實用新型裝置所包含電化學反應器及電極結構示意圖，圖中：1—進水口；2—陽極板；3—陰極板；4—陽離子選擇透過膜；5—軟化水出水口；6—高硬度水出水口；7—過濾器；8—低硬度水排水口；9—高硬度水總出水口；10—軟化水總出水口。
具體實施方式
本實用新型提出的一種結合陽離子選擇透過膜與電化學反應的除硬度殺菌裝置，結合附圖及實施例詳細說明如下：
本實用新型的除硬度與殺菌水處理裝置可應用于生活用水與工業(yè)給水除硬度殺菌處理。本實用新型裝置由一個或多個串聯或并聯的電化學反應器組裝構成，多個電化學反應器串聯是為了獲得更高的除硬度與殺菌效率，多個電化學反應器并聯可以獲得更大的處理水量。如圖1所示，每個電化學反應器設置一個進水口1，并分別設置一個軟化水總出水口10與一個高硬度水總出水口9；電化學反應器內部包括至少兩組電極，每組電極間均通過設置一個陽離子選擇透過膜4將該組電極分為陽極區(qū)與陰極區(qū)，每組電極分別連接供電系統；其中，每組電極中的陽極板2可采用鈦基DSA平板或網格板，陰極板3可采用不銹鋼平板或網格板，在每組電極中的陽極板與陰極板間安裝采用陽離子選擇透過膜(該膜僅允許透過陽離子，而陰離子不能透過)相隔。每組電極中陽極板與陰極板的間距為3–5cm，所用陽離子選擇透過膜與電極板平行且固定于陰極板附近，具體的，該陽離子選擇透過膜與附近的陰極板間距占到極板間距的1/5。陽離子選擇透過膜與相鄰的陽極板之間構成陽極區(qū)，與相鄰的陰極板之間或與相鄰的另一只陽離子膜之間構成陰極區(qū)，陽極區(qū)與陰極區(qū)分別單獨設置軟化水出水口5與高硬度水出水口6。本裝置中，陰陽極板與陽離子選擇透過膜的尺寸、個數，以及電化學反應器的結構根據所使用處理水量設置。
使用中，生活用水或工業(yè)給水分別在水龍頭壓力或機械提升作用下從電化學反應器進水口1進入電化學反應器內，流經采用陽離子選擇透過膜分開的各組陽極區(qū)與陰極區(qū)，并分別從各組陽極區(qū)的軟化水出水口5與陰極區(qū)的高硬度水出水口6流出。所有陽極區(qū)出水匯集后作為軟化水從電化學反應器的軟化水總出水口10排出后使用，所有陰極區(qū)出水匯集后作為高硬度水從電化學反應器的高硬度水總出水口9排出。為了更好的處理以及提高水利用率，可以將該高硬度出水接入獨立于電化學反應器之外的過濾器7，經過濾掉水中結晶懸浮物后從過濾器的低硬度水排水口8排出作為低硬度水使用。
實施例一
本實施例的除硬度殺菌裝置僅含有1個電化學反應器，該電化學反應器包括5組電極，每組電極包括一個不銹鋼陰極板大小為50×20cm，一個鈦基DSA平板作為陽極板，大小為50×20cm，另有一個相同大小的陽離子選擇透過膜置于每組陰陽極板間。每組電極中陽極、陰極板間距為5cm，陰極板與陽離子選擇透過膜間距占到該極板間距1/5。電化學反應器設有一個進水口，在自來水壓力下，進水分別流經陽極區(qū)與陰極區(qū)，陽極區(qū)出水分別收集后一起經電化學反應器的軟化水總出水口排出，陰極區(qū)出水分別收集后一起經電化學反應器的高硬度水總出水口排放。該電化學反應器工作電壓5–10V，電流密度5–10mA/cm2，水處理流量150L/h。連續(xù)運行，陽極區(qū)收集軟化水流量120-130L/h，相較進水其硬度去除率50-80％。陰極區(qū)收集高硬度出流量20-30L/h。
實施例二
本實施例的除硬度殺菌裝置也僅含有1個電化學反應器，該電化學反應器包括兩組電極，每組電極包括一個不銹鋼陰極板大小為20×10cm，一個鈦基DSA平板作為陽極板，大小為20×10cm，另有一個相同大小的陽離子選擇透過膜固定于每組電極間。每組電極中陽極、陰極板間距為3cm，陰極板與陽離子選擇透過膜間距占到該極板間距1/5。電化學反應器設置一個進水口接自自來水龍頭出水。該電化學反應器工作電壓5–10V，電流密度10–15mA/cm2，處理進水流量8-10L/h。連續(xù)運行，陽極區(qū)收集軟化水流量6-8L/h，其硬度去除率70％以上。陰極區(qū)收集高硬度出水1-2L/h，流經一個小型濾芯式過濾器后繼續(xù)使用。