CN105731611A - 一种向溶液中注入h+的方法及h+注入装置和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种向溶液中注入H+的方法及H+注入装置和用途，所述方法为向溶液中注入H+，同时不引入阴离子；具体包括以下步骤：酸溶液与待处理水溶液间隔并流，且酸溶液与待处理水溶液间设置离子交换膜，在外加电场作用下，酸溶液中的H+穿过离子交换膜进入待处理水溶液中与待处理水溶液中的碱度反应，酸溶液中的酸根离子被离子交换膜拦截，最终降低待处理水溶液中的碱度。本发明所述方法，可有效降低水中碱度，减少设备、管道和膜等的结垢腐蚀，降低废水零排放过程中后续脱盐单元的运行负荷，降低设备维护运行费用，可在水处理领域广泛应用推广。
Description
技术领域
本发明属于水处理领域，涉及一种向溶液中注入H+的方法及H+注入装置和用途，尤其涉及一种向待处理水溶液中注入H+的方法及H+注入装置和用途。
背景技术
目前，工业用水量与日俱增，石油化工、煤化工、电力和钢铁等行业作为用水大户，其循环水冷却系统是企业主要用水点，如何提高循环水系统的浓缩倍数，降低系统结垢腐蚀倾向，是制约企业发展的一大要素。
在污水回用领域，为提高水资源利用率，工业企业广泛采用膜分离浓缩技术。但膜分离浓缩系统运行中最大的问题是膜的结垢污染问题。在煤化工领域，煤气化系统也存在类似问题，气化灰水在循环利用过程中，对气化系统产生严重的结垢倾向，大大降低了气化系统的生产效率。除工业领域外，饮用水也存在对家用器具结垢严重的问题。
基于上述问题，很多专家对废水中的结垢因素进行了系统分析，其主要包括硬度因素(如Ca2+和Mg2+等)和碱度因素(如HCO3-、CO3 2-和OH-等)，并开发出一系列阻垢剂或清洗方法。
CN102992509A公开了一种控制工业冷却是循环系统pH的方法，所述方法包括化学除锈除垢、预膜步骤，所述化学除锈除垢过程是先向循环水的集水池中投加渗透活化剂，用硫酸调pH值5.5～6.5；所述预膜过程是用硫酸调pH值至6.0～7.0。该方法虽然能很好地控制好循环水的pH值，满足化学清洗和预膜时pH值得控制要求，但是引入了大量的硫酸，随之带来的问题是，药剂中的硫酸根会和水中的钙离子反应，生成的沉淀物会对设备和管线产生严重的结垢倾向，大大降低循环水系统的换热效率。
因此，开发一种不引入阴离子(酸根离子)，可有效消除酸根阴离子(Cl-、SO4 2-等)引起的工艺设备、管线腐蚀和结垢现象等问题的废水处理方法，已迫在眉睫。
发明内容
针对现有水处理领域存在的待处理废水由于碱度高给设备和装置带来的易结垢，且添加大量药剂易对设备和管线造成腐蚀且使系统水质变差等问题，本发明提供了一种向溶液中注入H+的方法及H+注入装置和用途。所述方法通过向待处理水溶液中注入H+与待处理水溶液中的碱度反应来降低待处理废水的碱度，降低结垢倾向，且所述方法操作简单，有利于节约成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种向溶液中注入H+的方法，所述方法为向溶液中注入H+，同时不引入阴离子；
具体包括以下步骤：
酸溶液与待处理水溶液间隔并流，且酸溶液与待处理水溶液间设置离子交换膜，在外加直流电场作用下，酸溶液中的H+穿过离子交换膜进入待处理水溶液中与待处理水溶液中的碱度反应，酸溶液中的酸根离子被离子交换膜拦截，最终降低待处理水溶液中的碱度。
本发明中，所述方法是利用一种新型的H+注入装置向待处理水溶液中注入H+与待处理水溶液中的碱度反应，同时不引入酸根离子。
本发明中，所述“碱度”是指表示水中HCO3 -、CO3 2-和OH-以及其它一些弱酸盐类的总合。
本发明中，所述“不引入酸根离子”，即酸溶液中的H+穿过离子交换膜进入待处理水溶液，而酸根离子(阴离子)通过离子交换膜的阻隔，仍留在该酸溶液中。
本发明中，所述“间隔并流”是指每两股待处理水溶液中为一股酸溶液的间隔方式，如“一股待处理水溶液、一股酸溶液、一股待处理水溶液、一股酸溶液，……，依次类推”，所有流体并流排列。
本发明中，“所述酸溶液中的酸根离子被离子交换膜拦截”是指酸溶液中的酸根离子(阴离子)不进入待处理水溶液中，通过离子交换膜的阻隔，仍留在该酸溶液中。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述酸溶液为无机酸。
本发明中，对所用酸溶液并无特殊限制，其为无机酸即可，可为任意浓度的无机酸中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述酸溶液为盐酸和/或硫酸。
作为本发明优选的技术方案，所述待处理水溶液的碱度为pH≤14，例如14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1等，但并不仅限于所列举的数值，所列范围内其他数值均可行。
作为本发明优选的技术方案，所述离子交换膜为耐酸腐蚀和耐碱腐蚀的离子交换膜。
优选地，所述离子交换膜耐浓度≤20wt％的盐酸和/或浓度≤30wt％的硫酸腐蚀；其中可耐盐酸的浓度为20wt％、18wt％、16wt％、14wt％、12wt％、10wt％或8wt％以及更低，但并不仅限于所列举的数值，所列范围内其他数值均可行；可耐硫酸的浓度为30wt％、28wt％、26wt％、24wt％、22wt％、20wt％、18wt％、16wt％、14wt％、12wt％或10wt％以及更低，但并不仅限于所列举的数值，所列范围内其他数值均可行。
优选地，所述离子交换膜耐pH≤14的碱腐蚀。
第二方面，本发明提供了一种H+注入装置，所述H+注入装置用于向溶液中注入H+，所述H+注入装置包括电极板、酸溶液流道、待处理水溶液流道和离子交换膜，其中酸溶液流道和待处理水溶液流道并排排列，每两个待处理水溶液流道中为酸溶液流道，离子交换膜置于每个流道之间。
作为本发明优选的技术方案，所述H+注入装置中的离子交换膜为耐酸腐蚀和耐碱腐蚀的离子交换膜；本发明中，所述H+注入装置以离子交换膜作为核心部件。
优选地，所述H+注入装置中的离子交换膜耐浓度为≤20wt％的盐酸和/或浓度≤30wt％的硫酸腐蚀。
优选地，所述离子交换膜耐pH≤14的碱腐蚀。
优选地，所述H+注入装置并联或串联使用。
第三方面，本发明提供了上述方法的用途，其应用于pH≤14的水溶液处理领域，即其应用于碱度高且易结垢的水处理领域。
作为本发明优选的技术方案，所述水处理方法应用于污水处理领域。
优选地，所述方法应用于循环水冷却系统。本发明所述方法可应用于结垢倾向严重的循环水冷却系统，可避免系统结垢，大大提高换热器换热效率和循环水系统的浓缩倍数，减少污水外排量，节约厂内用水量。
所述方法应用于煤化工气化灰水系统。本发明所述方法可应用于结垢倾向严重的煤化工气化灰水系统，可防止气化装置结垢，大大提高气化灰水的浓缩倍数，减少污水外排量，节约厂内用水量。
优选地，所述方法应用于反渗透脱盐系统或废水零排放系统，可防止废水在浓缩过程中对膜表面的结垢倾向，大大提高膜系统产水率和脱盐率，延长膜的使用寿命，降低投资和运行成本。
优选地，所述处理方法应用于废水零排放系统。
作为本发明优选的技术方案，所述方法应用于饮用水处理系统，可防止在饮用水在处理或使用过程中对家用器具的结垢倾向，减少器具的清洗频率，延长器具的使用寿命。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过向待处理水溶液中注入H+与待处理水溶液中的碱度反应来降低待处理废水的碱度，同时不引入酸根离子，在使水的总碱度降低70～85％的同时，可有效消除由于向水体引入酸根阴离子(Cl-、SO4 2-等)引起的工艺设备和管线的腐蚀以及结垢现象，并可有效降低水体的电导，从而提高水资源利用率，大大减少设备、管线等的工作负荷。
附图说明
图1是本发明所述H+注入装置的结构示意图；
其中，1-电极板，2-酸溶液流道，3-待处理水溶液流道，4-离子交换膜。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施例部分提供了一种向溶液中注入H+的方法，所述方法是利用H+注入装置向待处理水溶液中注入H+与待处理水溶液中的碱度反应，同时不引入酸根离子；
所述方法包括以下步骤：
酸溶液与待处理水溶液间隔并流，且酸溶液与待处理水溶液间设置离子交换膜，在外加直流电场作用下，酸溶液中的H+穿过离子交换膜进入待处理水溶液中与待处理水溶液中的碱度反应，酸溶液中的酸根离子被离子交换膜拦截，最终降低待处理水溶液中的碱度。
其中，所述H+注入装置如图1所示，包括电极板1、酸溶液流道2、待处理水溶液流道3和离子交换膜4，其中酸溶液流道2和待处理水溶液流道3并排排列，每两个待处理水溶液流道3中为酸溶液流道2，离子交换膜4置于每个流道之间。
实施例1：煤焦化行业循环冷却水补水的处理
本实施例对煤焦化行业循环冷却水补水进行处理，所述循环冷却水补水的循环量为10000m3/h，系统浓缩倍数为3，净补水量为150m3/h。循环冷却水补水中硬度为450mg/L(以CaCO3计)，碱度为500mg/L(以CaCO3计)，pH＝7.8。
本实施例中采用6台H+注入装置并联的方式处理循环冷却水补水。
待处理的循环冷却水补水经进水提升泵进入安保过滤器，滤除粒径较大的颗粒物，过滤后的出水进入H+注入装置中的待处理水溶液流道3，采用浓度为30wt％的HCl溶液作为酸溶液进入酸溶液流道2，在外加直流电场的作用下，HCl溶液的H+穿过离子交换膜进入到待处理水溶液流道3中与循环冷却水补水中的碱度反应，Cl-则留在酸溶液流道2中，经处理后，循环冷却水补水的产水率为100％，出水碱度为150mg/L(以CaCO3计)，pH＝6.5，经处理后的循环冷却水补水进入后续常规处理和利用。
采用上述处理方式稳定运行半年后，循环冷却水系统的结垢倾向下降，浓缩倍数提高至6倍，系统补水量减少30m3/h。
实施例2：煤化工气化灰水的处理
本实施例对煤化工气化灰水进行处理，所述煤化工气化灰水的外排量为100m3/h，硬度为1050mg/L(以CaCO3计)，碱度为800mg/L(以CaCO3计)，pH＝8.60。
本实施例中采用4台H+注入装置并联的方式处理煤化工气化灰水。
经预处理后的煤化工气化灰水经进水提升泵进入保安过滤器，滤除粒径较大的颗粒物，过滤后的出水进入H+注入装置中的待处理水溶液流道3，采用浓度98wt％的H2SO4溶液作为酸溶液进入酸溶液流道2，在外加直流电场的作用下，H2SO4溶液的H+穿过离子交换膜进入到待处理水溶液流道3中与循环冷却水补水中的碱度反应，SO4 2-则留在酸溶液流道2中，经处理后，产水量为100m3/h，碱度降为200mg/L(以CaCO3计)，pH＝7.50。经处理后的产水送至灰水处理系统循环利用。
采用上述处理方式稳定运行半年后，系统的结垢倾向下降，浓缩倍数提高至6倍，系统排污量减少50m3/h。
实施例3：废水零排放过程中的高浓盐水的处理
本实施例对废水零排放过程中的高浓盐水进行处理，所述废水零排放过程中的高浓盐水为反渗透浓盐水，水量为50m3/h，硬度为800mg/L(以CaCO3计)，碱度为600mg/L(以CaCO3计)，pH＝8.5。
本实施例中采用4台H+注入装置并联的方式处理废水零排放过程中的高浓盐水。
所述高浓盐水直接通过管道进入H+注入装置中的待处理水溶液流道3，采用浓度为10wt％的HCl溶液作为酸溶液进入酸溶液流道2，在外加直流电场的作用下，HCl溶液的H+穿过离子交换膜进入到待处理水溶液流道3中与循环冷却水补水中的碱度反应，Cl-则留在酸溶液流道2中，经处理后，产水量为50m3/h，碱度降为100mg/L(以CaCO3计)，pH＝6.8，处理后的产水经增压后送至后续的浓水反渗透再浓缩处理。
采用上述处理方式降低了浓水反渗透装置的结垢倾向，提高了浓水反渗透的产水率，产水率由原产水率55％增加至67％，大大减少了后续高浓盐水的处理量，节约了系统装置投资和运行成本。
实施例4：地下水的处理
本实施例对地下水进行处理，所述地下水为引用水源，水量为30m3/h，硬度为450mg/L(以CaCO3计)，碱度为300mg/L(以CaCO3计)，pH＝7.5。
本实施例中采用1台H+注入装置处理地下水。
地下水经进水提升泵进入保安过滤器，滤除粒径较大的颗粒物，过滤后的出水进入H+注入装置中的待处理水溶液流道3，采用浓度10wt％的H2SO4溶液作为酸溶液进入酸溶液流道2，在外加直流电场的作用下，H2SO4溶液的H+穿过离子交换膜进入到待处理水溶液流道3中与循环冷却水补水中的碱度反应，SO4 2-则留在酸溶液流道2中，经处理后，产水量为30m3/h，碱度降为100mg/L(以CaCO3计)，pH＝7.0。
采用上述处理方式降低了地下水的结垢倾向，可防止在饮用水在处理或使用过程中对家用器具的结垢倾向，减少了器具的清洗频率，延长了器具的使用寿命。
综合实施例1-4的结果可以看出，本发明所述的向待处理水溶液中注入H+与待处理水溶液中的碱度反应，同时不引入酸根离子，是利用H+注入装置在外加直流电场的作用下，酸溶液中的H+穿过离子交换膜进入待处理水溶液中与待处理水溶液中的碱度反应，酸溶液中的酸根离子被离子交换膜拦截，最终实现向水溶液中单独注入H+，降低待处理水溶液中的碱度；同时不引入阴离子及不增加水的矿化度的目的。该技术有效降低了水中碱度，避免了设备、管道、膜等的结垢腐蚀现象，降低了设备维护运行费用。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种向溶液中注入H+的方法，其特征在于，所述方法为向溶液中注入H+，同时不引入阴离子；
具体包括以下步骤：
酸溶液与待处理水溶液间隔并流，且酸溶液与待处理水溶液间设置离子交换膜，在外加电场作用下，酸溶液中的H+穿过离子交换膜进入待处理水溶液中与待处理水溶液中的碱度反应，酸溶液中的酸根离子被离子交换膜拦截，最终降低待处理水溶液中的碱度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸溶液为无机酸；
优选地，所述酸溶液为盐酸和/或硫酸。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述待处理水溶液的碱度为pH≤14。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述离子交换膜为耐酸腐蚀和耐碱腐蚀的离子交换膜；
优选地，所述离子交换膜耐浓度≤20wt％的盐酸和/或浓度≤30％的硫酸腐蚀；
优选地，所述离子交换膜耐pH≤14的碱腐蚀。
5.一种H+注入装置，其特征在于，所述H+注入装置用于向溶液中注入H+，所述H+注入装置包括电极板(1)、酸溶液流道(2)、待处理水溶液流道(3)和离子交换膜(4)，其中酸溶液流道(2)和待处理水溶液流道(3)并排排列，每两个待处理水溶液流道(3)中为酸溶液流道(2)，离子交换膜(4)置于每个流道之间。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述H+注入装置中的离子交换膜(4)为耐酸腐蚀和耐碱腐蚀的离子交换膜。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述H+注入装置中的离子交换膜(4)耐浓度≤20wt％的盐酸和/或浓度≤30wt％的硫酸腐蚀；
优选地，所述离子交换膜(4)耐pH≤14的碱腐蚀；
优选地，所述H+注入装置并联或串联使用。
8.根据权利要求1-4任一项所述的方法的用途，其特征在于，其应用于碱度pH≤14的水溶液处理领域。
9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，所述水处理方法应用于污水处理领域；
优选地，所述处理方法应用于循环水冷却系统；
优选地，所述处理方法应用于反渗透脱盐系统；
优选地，所述处理方法应用于废水零排放系统。
10.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，所述水处理方法应用于饮用水处理系统。
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- 2016-04-28 CN CN201610274622.2A patent/CN105731611A/zh active Pending
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