【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)屬于電滲析，具體的，涉及一種無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)及電滲析方法。主要涉及，在用電滲析(普通電滲析、雙極膜電滲析等)處理含鹽料液，以實(shí)現(xiàn)脫鹽、鹽的濃縮或酸堿再生時(shí)，提供一種降低電滲析處理含鹽料液的能耗、提高電流效率和脫鹽速率的電滲析系統(tǒng)及電滲析方法。
技術(shù)介紹
1、電滲析是一種利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，在電場(chǎng)的作用下，使帶電離子跨膜遷移，以實(shí)現(xiàn)溶液脫鹽、鹽濃縮的一種膜分離技術(shù)。傳統(tǒng)的電滲析(以下稱(chēng)普通電滲析)膜堆中有交替排列的陰陽(yáng)離子交換膜，其膜堆結(jié)構(gòu)(以氯化鈉為例)和離子遷移示意圖如圖1所示，其中am為陰離子交換膜，cm為陽(yáng)離子交換膜。離子交換膜是具有離子選擇性透過(guò)功能的薄膜，其能讓與膜上固定基團(tuán)電性相反的離子透過(guò)，而阻擋與膜上固定基團(tuán)電性相同的離子。即，陽(yáng)離子交換膜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)膜)可以讓帶正電的離子透過(guò)，而阻擋帶負(fù)電的離子；陰離子交換膜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陰膜)可以讓帶負(fù)電的離子透過(guò)，而阻擋帶正電的離子。原料液(含鹽溶液)進(jìn)入脫鹽室(即，在脫鹽室和料缸之間循環(huán))，在電場(chǎng)的作用下，陰陽(yáng)離子分別跨膜向兩側(cè)的濃縮室遷移，最后在脫鹽室得到脫鹽料液，在濃縮室得到濃縮的鹽溶液。
2、在普通電滲析的基礎(chǔ)上，目前已發(fā)展出雙極膜電滲析、選擇性電滲析、置換電滲析等新型電滲析技術(shù)。其中，雙極膜是一種具有特殊功能的離子交換膜，它能在電場(chǎng)作用下使膜內(nèi)水分子解離成h+和oh-并釋放到膜外。雙極膜釋放h+的一面稱(chēng)為陽(yáng)面，釋放oh-的一面稱(chēng)為陰面。當(dāng)雙極膜與陰、陽(yáng)離子交換膜組合使用，雙極膜電滲析可以把鹽再生成對(duì)應(yīng)的酸和堿，同時(shí)料液實(shí)現(xiàn)脫鹽
3、圖2為常規(guī)“酸-鹽-堿”三室雙極膜電滲析的膜堆結(jié)構(gòu)(以硫酸鈉為例)和離子遷移示意圖。其中am為陰離子交換膜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陰膜)，cm為陽(yáng)離子交換膜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)膜)，bm為雙極膜；am與cm之間的隔室稱(chēng)為鹽室，鹽室初始加入含鹽料液(硫酸鈉的水溶液)；am和bm之間的隔室稱(chēng)為酸室，cm和bm之間的隔室稱(chēng)為堿室；在電場(chǎng)作用下，雙極膜內(nèi)的水分子解離成h+和oh-，分別向陰極和陽(yáng)極移動(dòng)進(jìn)入酸室和堿室，h+與從鹽室跨陰膜遷入的陰離子(so42-)在酸室內(nèi)結(jié)合，在酸室得到酸(h2so4)；oh-與從鹽室跨陽(yáng)膜遷入的陽(yáng)離子(na+)結(jié)合，在堿室得到堿(naoh)。
4、將圖2所示的“酸-鹽-堿”三室雙極膜電滲析膜堆中的陰膜去除，即，將鹽室和酸室合并即得到“鹽-堿”兩室結(jié)構(gòu)膜堆。常規(guī)“鹽-堿”兩室雙極膜電滲析膜堆結(jié)構(gòu)(以葡萄糖酸鈉為例)和離子遷移示意圖如圖3(a)所示。其中cm為陽(yáng)離子交換膜，bm為雙極膜；bm與cm之間的隔室為鹽室，鹽室初始加入含鹽料液(葡萄糖酸鈉的水溶液)；cm與bm之間的隔室為堿室；在電場(chǎng)作用下，雙極膜內(nèi)的水分子解離成oh-和h+，分別遷移進(jìn)入堿室和鹽室，鹽室的陽(yáng)離子(na+)遷移入堿室，在堿室得到堿(naoh)，在鹽室得到酸和鹽的混合液(葡萄糖酸和剩余的葡萄糖酸鈉的混合液)。
5、同樣，將圖2所示的“酸-鹽-堿”三室雙極膜電滲析膜堆中的陽(yáng)膜去除，即，將鹽室和堿室合并即得到“酸-鹽”兩室結(jié)構(gòu)膜堆。常規(guī)“酸-鹽”兩室雙極膜電滲析膜堆結(jié)構(gòu)(以戊二胺鹽酸鹽為例)和離子遷移示意圖如圖3(b)所示。其中am為陰離子交換膜，bm為雙極膜；bm與am之間的隔室為酸室；am與bm之間的隔室為鹽室，鹽室初始加入含鹽料液(戊二胺鹽酸鹽的水溶液)；在電場(chǎng)作用下，雙極膜內(nèi)的水分子解離成h+和oh-，分別遷移進(jìn)入酸室和鹽室，鹽室的陰離子(cl-)遷移入酸室，在酸室得到酸(鹽酸)，在鹽室得到堿和鹽的混合液(戊二胺和剩余的戊二胺鹽酸鹽的混合液)。
6、此外，還有其他類(lèi)型的電滲析膜堆結(jié)構(gòu)，如復(fù)分解電滲析、離子置換電滲析(圖略)。
7、傳統(tǒng)上，普通電滲析的運(yùn)行為批式操作模式，如圖4所示：將各室初始料液加入料缸，開(kāi)啟電源和各室循環(huán)泵，料液在電滲析膜堆和料缸之間循環(huán)，直到達(dá)到預(yù)定的脫鹽率或濃度或濃縮倍數(shù)，排出各室料液。傳統(tǒng)批式操作模式所需的輔助設(shè)備多，需頻繁裝卸料液，特別是在電滲析過(guò)程的后期離子逆濃度遷移，使得能耗增加。雙極膜電滲析的情況類(lèi)似，在批式操作模式下逆濃度遷移的問(wèn)題更嚴(yán)重，原因是，h+和于oh-在水溶液中的遷移活性顯著高于其他陰離子，陰離子交換膜對(duì)h+的阻擋效果有限，陽(yáng)離子交換膜對(duì)oh-的阻擋效果也有限，隨著酸室、堿室再生酸堿濃度的升高，酸室內(nèi)h+極易透過(guò)陰離子交換膜“漏進(jìn)”鹽室，堿室內(nèi)oh-極易透過(guò)陽(yáng)離子交換膜“漏進(jìn)”鹽室，在批式操作模式下，雙極膜電滲析后期的“滲漏”更嚴(yán)重，導(dǎo)致雙極膜電滲析難以再生得到高的酸、堿濃度，而且“滲漏”降低雙極膜電滲析的電流效率，導(dǎo)致能耗增加。
8、為此，人們提出了多級(jí)逆流電滲析的方法(cn113477090a；過(guò)程工程學(xué)報(bào),2010,10(02):276-81.；cn201010034136.6，cn201010150056.7)，將各級(jí)的料液按照逆流的方式組織，比同樣操作條件下不分級(jí)時(shí)能耗下降、酸液濃度提高，但是沒(méi)有給出具體的電滲析系統(tǒng)方案。
9、多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)常規(guī)的是批式多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，如圖5所示，即，各級(jí)膜堆的各個(gè)隔室(兩個(gè)以上隔室)的料液按照逆流的方式組織，但每一級(jí)仍采用批式操作，即，普通電滲析的濃縮室和脫鹽室，或，雙極膜電滲析酸室、鹽室、堿室的料液在全流程上按照逆流的方式組織，但每一級(jí)如同批式的單級(jí)電滲析或雙極膜電滲析一樣，處理至預(yù)定水平時(shí)，將本級(jí)料缸的完成液轉(zhuǎn)移至下一級(jí)的料缸(作為下一級(jí)的初始液)，而將上一級(jí)料缸的完成液轉(zhuǎn)入本級(jí)料缸(作為本級(jí)的初始液)，開(kāi)始新一批次。批式多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)在一定程度上降低了膜兩側(cè)的濃度差，緩解了離子逆濃度遷移時(shí)能耗較大的問(wèn)題，但操作過(guò)程繁瑣、管理困難，每級(jí)(臺(tái))設(shè)備(電滲析器)都要經(jīng)歷時(shí)變過(guò)程，無(wú)論采用恒壓或恒流模式。
10、為此，人們又提出了連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，如圖6所示(所示為兩隔室，例如普通電滲析或兩隔室雙極膜電滲析)。由于電滲析膜堆內(nèi)部需要保持足夠的線速度(通常液體流動(dòng)線速度在3cm/s左右)才能保證膜堆內(nèi)的混合與傳質(zhì)，需要各級(jí)膜堆的各隔室料液保持高速自循環(huán)流動(dòng)(經(jīng)膜堆出口、料缸、膜堆進(jìn)口循環(huán))，同時(shí)從膜堆出口分流出小部分料液進(jìn)入下一級(jí)膜堆的料缸(desalination,2003,153(1-3):371-6.)。
11、圖6所示系統(tǒng)仍保留了各級(jí)膜堆的各隔室料液的料缸，各級(jí)膜堆的出口連接至下一級(jí)膜堆的料缸，以閥門(mén)調(diào)節(jié)各級(jí)之間的流量(圖6中略去閥門(mén)和流量計(jì))，缺點(diǎn)是難以保證各級(jí)之間的流量的一致，除非增加一套基于各個(gè)料缸液面位置反饋的復(fù)雜的流量控制系統(tǒng)。
12、與圖6所示系統(tǒng)類(lèi)似的另一個(gè)連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)是：各級(jí)膜堆的料缸連接至下一級(jí)膜堆的料缸，各級(jí)料缸的料液依靠液位差以溢流方式流入下一級(jí)(cn113477089a)(圖7)，可以基本保證各個(gè)料缸液面的位置維持在一定范圍內(nèi)，但是各級(jí)之間的流量仍有波動(dòng)、穩(wěn)定性差。
13、上述的連續(xù)逆流多級(jí)電滲析系統(tǒng)(圖6，圖7)保留各級(jí)膜堆的料缸本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，包括二級(jí)以上的膜堆，其特征在于，各級(jí)膜堆的各個(gè)隔室不設(shè)置料缸，各級(jí)膜堆的各隔室之間直接通過(guò)管路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)中各級(jí)膜堆的各個(gè)隔室中的料液按照逆流的方式組織，各個(gè)隔室中料液通過(guò)循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)堆內(nèi)自循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)的電滲析器包括普通電滲析器、三室雙極膜電滲析器或兩室雙極膜電滲析器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)的電滲析器為普通電滲析器，所述普通電滲析器的膜堆中包括兩個(gè)隔室，分別為脫鹽室和濃縮室；
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)的電滲析器為三室雙極膜電滲析器，所述三室雙極膜電滲析器的膜堆中包括三個(gè)隔室，分別為酸室、鹽室和堿室；
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)的電滲析器為兩室雙極膜電滲析器，所述兩室雙極膜電滲析器的膜堆中包
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，各級(jí)膜堆的各隔室之間直接通過(guò)管路連接的方式包括：
8.一種基于權(quán)利要求1-6任一所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)的電滲析方法，電滲析系統(tǒng)中的電滲析器為普通電滲析器，包括以下步驟：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電滲析方法，其特征在于，
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電滲析方法，其特征在于，所述出口鹽濃度用電導(dǎo)率儀檢測(cè)的電導(dǎo)率值表示，其中，
11.一種基于權(quán)利要求1-6任一所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)的電滲析方法，電滲析系統(tǒng)中的電滲析器為雙極膜電滲析器，包括以下步驟：
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電滲析方法，其特征在于，
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電滲析方法，其特征在于，所述出口鹽濃度用電導(dǎo)率儀檢測(cè)的電導(dǎo)率值表示，其中，
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，包括二級(jí)以上的膜堆，其特征在于，各級(jí)膜堆的各個(gè)隔室不設(shè)置料缸，各級(jí)膜堆的各隔室之間直接通過(guò)管路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)中各級(jí)膜堆的各個(gè)隔室中的料液按照逆流的方式組織，各個(gè)隔室中料液通過(guò)循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)堆內(nèi)自循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)的電滲析器包括普通電滲析器、三室雙極膜電滲析器或兩室雙極膜電滲析器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)的電滲析器為普通電滲析器，所述普通電滲析器的膜堆中包括兩個(gè)隔室，分別為脫鹽室和濃縮室；
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)，其特征在于，電滲析系統(tǒng)的電滲析器為三室雙極膜電滲析器，所述三室雙極膜電滲析器的膜堆中包括三個(gè)隔室，分別為酸室、鹽室和堿室；
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)料缸連續(xù)多級(jí)逆流電滲析系統(tǒng)...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：叢威，林樟楠，許歡，趙軒，王智慧，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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