[发明专利]浓水充填逆流电除盐装置和方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种以直流电作为离子驱动力的溶液去离子装置，特别是一种以直流电作为去离子驱动力的水纯化装置。 

背景技术

传统的流体脱盐主要方法是离子交换法。其中一级除盐主要通过阳离子交换床和阴离子交换床实现，而二级除盐一般通过混合离子交换床来实现。离子交换法存在的最大问题是离子交换树脂必须使用酸和碱再生，因此造成化学品的大量使用和环境污染；也造成了间断运行和运行参数波动。传统的一级除盐可以用反渗透法代替，而电除盐装置主要代替传统的混合离子交换床，生产二级脱盐纯化液或二级脱盐水或称超纯水。与混合离子交换床不同，电除盐装置不需要化学再生，因此不会因为化学再生而停机，不需要消耗酸和碱，脱盐液的纯度稳定、运行费用低、无污染物或污水排放。电除盐装置的重要用途之一是水的脱盐。 

已知技术电除盐装置的基本结构如图3所示，除盐单元由阴离子交换膜20、阳离子交换膜30和充填之间的混合离子交换树脂10组成。阴离子交换膜20只充许阴离子透过，不充许阳离子透过；而阳离子交换膜30只充许阳离子透过，不充许阴离子透过。电除盐装置中将一定数量的除盐单元罗列在一起，使阴离子交换膜20和阳离子交换膜30交替排列，并使用隔离物40将每个除盐单元隔开，相邻的阴离子交换膜20和阳离子交换膜30之间的隔离物40占据的空间形成浓水室3。除盐单元中阴离子交换膜20和阳离子交换膜30之间包括混合离子交换树脂10的空间为淡水室2。在一系列淡水室2和浓水室3相间罗列的阳离子交换膜一端设置负电极50，另一端设置正电极60。在给定的直流电推动下，淡水室2中的阳离子被负电极50(-)吸引，通过阳离子交换膜30进入到邻近的浓水室3中；而邻近的阴离子交换膜20不充许其通过，这些离子即被阻隔在浓水室3中。阴离子则向相反的方向运动，同样的被阻隔在浓水室3中。负电极50与相近的阳离子交换膜30之间包的空间称为负极室1，正电极60与相近的阴离子交换膜20之间的空间称为正极室4。淡水室2中充填的混合离子交换树脂10从给水中不断地吸附给水中的离子，而这些被吸附的离子又在正电极60和负电极50的电场作用下通过混合离子交换树脂10和阴离子交换膜20及阳离子交换膜30被转移到浓水室3中，然后被排放。淡水室混合离子交换树脂10大大增加了淡水室2内离子的运动速度，因而减小了淡水室2内的电阻。 

电除盐装置的运行电流包括两部分，有效电流和过剩电流。有效电流指将给水中离子迁移到浓水室3中相对应的电流值，而过剩电流指水电离产生的氢离子和氢氧根离子迁移引起的电流值。将给水中全部离子迁移进入浓水的有效电流称为极限电流，极限电流值可以根据法拉利常数、水的流量和水中离子摩尔浓度总和计算。由于氢离子和氢氧根离子或多或少地参与离子迁移过程，因而当电除盐装置在极限电流或极限电流以下运行时，给水中的盐不会被全部清除，除盐水的纯度不能保证。另外在此条件下，水中的弱电介质(例如二氧化碳和二氧化硅)也较难被清除。因此，电除盐装置一般要求在有较大量的过剩电流的运行条件下工作。较大过剩电流的存在导致了氢离子和氢氧根离子的大量迁移，而氢离子和氢氧根离子的大量迁移导致了阳离子交换膜30的表面pH较低，阴离子交换膜20的表面pH较高。膜表面pH较低和较高的现象被称为电除盐装置中的极化现象，膜表面pH较低和较高的区域被称为电除盐装置的极化区。在淡水室2的入水端，给水中有较多的强电解质，导电离子主要是这些离子，极化现象不严重。在淡水室2的出水端，淡水中的强电解质已被清除殆尽，导电离子主要是氢离子、氢氧根离子和弱电解质，极化现象严重。这种极化区域和程度随过剩电流的增加而增加。 

美国专利US2815320和美国US4465573揭示的板框式电除盐装置，其中给水、浓水和极水均采用了下进上出的形式。中国专利ZL 02203533.8揭示的电除盐装置也采用了同样的布水形式。美国专利Re35741及相关专利揭示了一种上进下出的布水形式。这两种形式中给水相对于浓水和极水均呈现顺流方式。如上所述，在接近淡水室出水端，阴阳离子交换膜浓水侧表面出现极化现象。在顺流电除盐装置中，大部分钙、镁离子在浓水入水端(同样是淡水入水端)附近进入浓水，此后在电场作用下不断撞向阴离子交换膜。当这些离子流经浓水出水端(也是淡水出水端)将不可避免地与阴离子膜极化区接触，并在此形成硬度沉淀。进入浓水的硅化合物也同样会在极化的阳膜表面形成结垢。这种结垢现象随着过剩电流的增加而趋于恶化。