CN102502927B - 一种苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置及其方法。该装置由阳极室、第一淡水池、浓水池、第二淡水池以及阴极室组成。各个隔间用离子选择性透过墙隔开，在装置两端加上电压，进水通过第一淡水池，然后再经过第二淡水池，最后得到纯净的出水。在电迁移的作用下，阴阳离子向阳阴离子选择性透过墙迁移，并被吸附、渗透进入浓水池，浓水池中的浓溶液可以进行离子回收。该装置可以海水淡化、苦咸水淡化、海水浓缩矿盐、苦咸水中提取矿盐，以及锅炉用水软化、地下矿水提取矿物质、制备纯水，也能用于工业废水的处理，回收废水中的有用离子。
Description
技术领域
本发明涉及一种苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置及其方法。
背景技术
目前已知的海水淡化技术包括蒸馏法、反渗透法等。蒸馏法耗能高，成本大；反渗透法中，反渗透膜要求高，目前基本为进口膜，而且只适合于远洋船只的使用。所以寻找耗能低，经济绿色的海水淡化技术是目前的研究热点。电去离子（EDI）在淡室中填充的离子交换树脂，与普通电渗析（ED）相比，大大提高了膜间导电性，强化了从溶液向膜面的离子迁移，破坏了膜面扩散层中的“离子贫乏”状态，极限电流密度和电流效率得到显著提高。此外，当淡室内填装离子交换树脂时，淡室中的液流速度比普通ED器中的大得多，而且树脂起着搅拌作用，促进离子扩散，改善了水力学状态，使得淡室体系电导率增大，极限电流密度也相应地提高。因此，既克服了ED不利于处理低浓度溶液的弱点，又使产水水质提高，达到混床离子交换的水平，同时淡室内装填的离子交换树脂在电场作用下自动获得再生，省去了繁琐的酸、碱再生步骤，也避免了酸、碱再生液的后序处理。但是电去离子技术也有其需要避免的缺陷，例如装置中膜结垢的问题。频繁倒极能够在一定的程度上解决结垢的问题，但是倒极后需要稳定一定时间，出水产率和水质都相应降低。针对此，专利CN 100482594C中提出一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置及方法，采用膜无交替排列的方法，使得OH-与Ca2+、Mg2+等阳离子无机会共存，有效地解决了结垢的问题。然而，包括该装置在内的其他EDI装置，采用的进水形式都是直接通过离子交换树脂。由于离子交换树脂的强吸附性，具有强截留作用，水中若含有有机物、杂质等存在，将会使得树脂快速失效。同时，原水中的Ca2+、Mg2+、CO2、Fe、SiO2、余氯等指标过高，都会影响这些装置的稳定运行，进而影响产水水质。所以，需要对进水进行严格的预处理。另外，以上装置都不能无限放大处理水量。针对此，本发明中进水平行于离子交换树脂，采用旁路进水、旁路出水，在电迁移的作用下，只有离子能够迁移至离子选择性透过墙，进而吸附、渗透，解决了有机物等使树脂失效的问题。采用装置并联，无限放大处理水量。
发明内容
本发明的目的是克服现技术的不足，提供一种苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置装置及其方法。
苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置包括第一淡水池、阳离子选择性透过墙、浓水池、阴离子选择性透过墙、第二淡水池、浓缩水罐、阀门、三通阀、流量计、泵、酸度计、电导率仪、气体检测装置、压力表、阳极板和阴极板；第一淡水池、阳离子选择性透过墙、浓水池、离子选择性透过墙、第二淡水池顺次相连，进水经阀门、酸度计、电导率仪分成二路，一路进水经阀门、流量计与第一淡水池上部相连，另一路进水经进水经阀门、浓缩水罐、泵与浓水池底部相连，浓水池上部经酸度计、电导率仪与浓缩水罐相连，第一淡水池底部与第二淡水池底部相连，第二淡水池上部经压力表与气体检测装置相连，，第二淡水池上部经酸度计、电导率仪与出水口相连，在第一淡水池内设有阳极板，第二淡水池内设有阴极板，阳极板和阴极板分别接入直流电源的正极和负极。
所述的第一淡水池、阳离子选择性透过墙、浓水池、阴离子选择性透过墙、第二淡水池组成一级苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元，所述的苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元为多级，所述的多级苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元为串联式或并联式，所述的多级串联式苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元从第二级苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元的第一淡水池由第一苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元的第二淡水池代替。
所述的进水平行于离子选择性透过墙，旁路进水、旁路出水。
所述的阳离子选择性透过墙由键合了磺基、羧基、苯膦酸基、巯基、磷基和羟苯基、羧基和羟苯基、强酸性苯乙烯系基中至少一种的聚合物、表面带有大量硅羟基的硅藻土、分子筛中的至少一种堆砌组成，阴离子选择性透过墙由键合了季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基或丙烯酸系中至少一种的聚合物堆砌组成。
所述的阳极材料为石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种导电金属，阴极材料为不锈钢电极、石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种的导电金属，根据不同的需要，电极材料可制作成网状、孔状、丝栅状。
所述的涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种的导电金属的制备方法为，将RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种涂覆在导电金属上，在200-300℃左右温度下烧结6 h。
苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐方法是：阳极板、阴极板分别接入直流电源的正极和负极，在20V以上产生的直流电促使第一淡水池、阳离子选择性透过墙、浓水池、阴离子选择性透过墙、第二淡水池内的水电离，产生大量的H+和OH-；进水进入第一淡水池，在第一淡水池中的阳离子在电迁移的作用下向阳离子选择性透过墙迁移并被阳离子选择性透过墙吸附，从第一淡水池出来的溶液进入第二淡水池，在第二淡水池中阴离子在电迁移的作用下向阴离子选择性透过墙迁移并被阴离子交换树脂墙吸附，第二淡水池出来的水即为淡化水；再利用所产生的H+或OH-对离子选择性透过墙进行再生，产生的H+向阳离子选择性透过墙迁移，对阳离子选择性透过墙进行再生，产生的OH-向阴离子选择性透过墙迁移对阴离子选择性透过墙进行再生，使离子选择性透过墙恢复吸附性能，被交换下来的阳离子和阴离子迁移进入浓水池，随浓水循环液带出，浓缩水罐中的离子浓度越来越高，经酸度计、电导率仪获得离子浓缩信息，通过加热结晶方法将浓缩物回收再利用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）能够连续无间断地稳定制备纯水，同时回收原水中的有用离子，提高资源利用率；
2）阴阳离子选择性透过墙分开堆砌，使得整个装置的电阻减小，提高电流效率，降低能耗；
3）流量范围扩大，应用范围也增大了；
4）进水无需严格预处理。
附图说明
图1是苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置结构示意图；
图2是苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元多级串联图；
图3是苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元多级并联图；
图4是苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐方法原理图；
图中：第一淡水池1、阳离子选择性透过墙2、浓水池3、阴离子选择性透过墙4、第二淡水池5、浓缩水罐6、阀门7、三通阀8、流量计9、泵10、酸度计11、电导率仪12、气体检测装置13、压力表14、阳极板15、阴极板16。
具体实施方式
如图1-3所述，苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置包括第一淡水池1、阳离子选择性透过墙2、浓水池3、阴离子选择性透过墙4、第二淡水池5、浓缩水罐6、阀门7、三通阀8、流量计9、泵10、酸度计11、电导率仪12、气体检测装置13、压力表14、阳极板15和阴极板16；第一淡水池1、阳离子选择性透过墙2、浓水池3、离子选择性透过墙4、第二淡水池5顺次相连，进水经阀门7、酸度计11、电导率仪12分成二路，一路进水经阀门7、流量计9与第一淡水池1上部相连，另一路进水经进水经阀门7、浓缩水罐6、泵10与浓水池3底部相连，浓水池3上部经酸度计11、电导率仪12与浓缩水罐6相连，第一淡水池1底部与第二淡水池5底部相连，第二淡水池5上部经压力表14与气体检测装置13相连，，第二淡水池5上部经酸度计11、电导率仪12与出水口相连，在第一淡水池1内设有阳极板15，第二淡水池5内设有阴极板16，阳极板15和阴极板16分别接入直流电源的正极和负极。
所述的第一淡水池1、阳离子选择性透过墙2、浓水池3、阴离子选择性透过墙4、第二淡水池5组成一级苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元，所述的苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元为多级，所述的多级苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元为串联式或并联式，所述的多级串联式苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元从第二级苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元的第一淡水池1由第一苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐单元的第二淡水池5代替。
所述的进水平行于离子选择性透过墙，旁路进水、旁路出水。
所述的阳离子选择性透过墙2由键合了磺基、羧基、苯膦酸基、巯基、磷基和羟苯基、羧基和羟苯基、强酸性苯乙烯系基中至少一种的聚合物、表面带有大量硅羟基的硅藻土、分子筛中的至少一种堆砌组成，阴离子选择性透过墙4由键合了季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基或丙烯酸系中至少一种的聚合物堆砌组成。
所述的阳极15材料为石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种导电金属，阴极16材料为不锈钢电极、石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种的导电金属，根据不同的需要，电极材料可制作成网状、孔状、丝栅状。
所述的涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种的导电金属的制备方法为，将RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种涂覆在导电金属上，在200-300℃左右温度下烧结6 h。
如图4所述，苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐方法是：阳极板15、阴极板16分别接入直流电源的正极和负极，在20V以上产生的直流电促使第一淡水池1、阳离子选择性透过墙2、浓水池3、阴离子选择性透过墙4、第二淡水池5内的水电离，产生大量的H+和OH-；进水进入第一淡水池1，在第一淡水池1中的阳离子在电迁移的作用下向阳离子选择性透过墙2迁移并被阳离子选择性透过墙2吸附，从第一淡水池1出来的溶液进入第二淡水池5，在第二淡水池5中阴离子在电迁移的作用下向阴离子选择性透过墙4迁移并被阴离子交换树脂墙4吸附，第二淡水池5出来的水即为淡化水；再利用所产生的H+或OH-对离子选择性透过墙进行再生，产生的H+向阳离子选择性透过墙2迁移，对阳离子选择性透过墙2进行再生，产生的OH-向阴离子选择性透过墙4迁移对阴离子选择性透过墙4进行再生，使离子选择性透过墙恢复吸附性能，被交换下来的阳离子和阴离子迁移进入浓水池3，随浓水循环液带出，浓缩水罐6中的离子浓度越来越高，经酸度计11、电导率仪12获得离子浓缩信息，通过加热结晶方法将浓缩物回收再利用。
实施例1
采用图1所示一种苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置。阳极为钛镀钌网状电极，阴极为不锈钢网状电极。阴阳离子交换树脂分别为D201大孔强碱性苯乙烯系氢氧型树脂和D001大孔性苯乙烯系氢型树脂。池子的尺寸为0.05432m3（1.94*0.2*0.14），树脂墙厚度为0.07m。原水为3%盐水，首先原水由三通阀分流，主线进入第一淡水池，然后通过第二淡水池流出。辅线水进入浓水池。未通电前，出水电导率接近原水电导率。然后在装置两边加上30V电压，对原水进行电去离子处理。装置连续正常运行48小时后，产品出水电导率0.1～0.25μS/cm，产水量1～10m3/min。浓水池中的水盐的含量可以达到饱和，通过加热浓缩结晶回收盐；可以用此三池电去离子装置应用于海水淡化中，产生的水供应缺水地段，浓水池中的盐进行回收。
实施例2
实施例2中采用此装置来回收地下水中的矿物质。青海芒硝矿资源极为丰富，芒硝是一种硫酸盐矿物，是硫酸盐类矿物芒硝经加工精制而成的结晶体。实施例2的装置、净水流程及操作步骤与实施例1相同，不同的是阳离子选择性透过墙由硅藻土堆砌，阴离子选择性透过墙由季胺基强碱性阴树脂堆砌，原水中硫酸钠含量为0.5g/L，在装置电极两端加上30V电压，对原水进行处理。稳定运行48小时后，浓水池的水可以达到50g/L左右，然后加热浓缩结晶，能够达到回收芒硝的要求。
实施例3
实施例3中采用无膜电去离子硬水软化装置软化锅炉用水；实施例3中的去离子装置、原理、操作步骤与实施例1相同；在装置电极两端加上30V，稳定连续运行20h；水的淡化与矿盐回收信息见表1。
表1 实施例3中水的淡化与矿盐回收信息
| Ca2+ （mg/L） | Mg2+（mg/L） | |
| 进水 | 100 | 50 |
| 出水 | 0.5-1.0 | 0.3-0.8 |
| 浓水 | 5000-10000 | 2500-8000 |
实施例4
实施例4针对的是浓度不够的浓缩液进行再浓缩过程；原水中盐浓度为3%，运行10h后浓缩液中盐的浓度为18%，不能达到回收的目的，通过加热结晶的方法将其浓缩到35%。
Claims (1)
1.一种苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐装置，其特征在于包括第一淡水池（1）、阳离子选择性透过墙（2）、浓水池（3）、阴离子选择性透过墙（4）、第二淡水池（5）、浓缩水罐（6）、阀门（7）、三通阀（8）、流量计（9）、泵（10）、酸度计（11）、电导率仪（12）、气体检测装置（13）、压力表（14）、阳极板（15）和阴极板（16）；第一淡水池（1）、阳离子选择性透过墙（2）、浓水池（3）、离子选择性透过墙（4）、第二淡水池（5）顺次相连，进水经阀门（7）、酸度计（11）、电导率仪（12）分成二路，一路进水经阀门（7）、流量计（9）与第一淡水池（1）上部相连，另一路进水经进水经阀门（7）、浓缩水罐（6）、泵（10）与浓水池（3）底部相连，浓水池（3）上部经酸度计（11）、电导率仪（12）与浓缩水罐（6）相连，第一淡水池（1）底部与第二淡水池（5）底部相连，第二淡水池（5）上部经压力表（14）与气体检测装置（13）相连，第二淡水池（5）上部经酸度计（11）、电导率仪（12）与出水口相连，在第一淡水池（1）内设有阳极板（15），第二淡水池（5）内设有阴极板（16），阳极板（15）和阴极板（16）分别接入直流电源的正极和负极；所述的第一淡水池（1）、阳离子选择性透过墙（2）、浓水池（3）、阴离子选择性透过墙（4）、第二淡水池（5）组成一级海水淡化单元，所述的海水淡化单元为多级，所述的多级海水淡化单元为串联式或并联式，所述的多级串联式海水淡化单元从第二级海水淡化单元的第一淡水池（1）由第一海水淡化单元的第二淡水池（5）代替；
所述的进水平行于离子选择性透过墙，旁路进水、旁路出水；
所述的进水经过离子选择性透过墙在浓水池（3）得到足够浓度的矿盐浓溶液，这一浓溶液在浓缩水罐（6）结晶回收矿盐；
所述的阳离子选择性透过墙（2）由键合了磺基、羧基、苯膦酸基、巯基、磷基和羟苯基、羧基和羟苯基、强酸性苯乙烯系基中至少一种的聚合物、表面带有大量硅羟基的硅藻土、分子筛中的至少一种堆砌组成，阴离子选择性透过墙（4）由键合了季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基或丙烯酸系中至少一种的聚合物堆砌组成；
所述的阳极板（15）材料为石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种导电金属，阴极板（16）材料为不锈钢电极、石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种的导电金属，根据不同的需要，电极材料制作成网状、孔状、丝栅状；
所述的涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种的导电金属的制备方法为，将RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种涂覆在导电金属上，在200-300℃温度下烧结6 h。
2. 一种使用如权利要求1所述装置的苦咸水海水淡化与浓缩回收矿盐方法，其特征在于阳极板（15）、阴极板（16）分别接入直流电源的正极和负极，在20V以上产生的直流电促使第一淡水池（1）、阳离子选择性透过墙（2）、浓水池（3）、阴离子选择性透过墙（4）、第二淡水池（5）内的水电离，产生大量的H+和OH-；进水进入第一淡水池（1），在第一淡水池（1）中的阳离子在电迁移的作用下向阳离子选择性透过墙（2）迁移并被阳离子选择性透过墙（2）吸附，从第一淡水池（1）出来的溶液进入第二淡水池（5），在第二淡水池（5）中阴离子在电迁移的作用下向阴离子选择性透过墙（4）迁移并被阴离子选择性透过墙（4）吸附，第二淡水池（5）出来的水即为淡化水；再利用所产生的H+或OH-对离子选择性透过墙进行再生，产生的H+向阳离子选择性透过墙（2）迁移，对阳离子选择性透过墙（2）进行再生，产生的OH-向阴离子选择性透过墙（4）迁移对阴离子选择性透过墙（4）进行再生，使离子选择性透过墙恢复吸附性能，被交换下来的阳离子和阴离子迁移进入浓水池（3），随浓水循环液带出，浓缩水罐（6）中的离子浓度越来越高，经酸度计（11）、电导率仪（12）获得离子浓缩信息，通过加热结晶方法将浓缩物回收再利用。
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