[发明专利]一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法

说明书

本发明公开了一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法，属于饮用水安全技术领域，具体涉及“集合控制压缩扩散边界层”选择性去除目标离子的电渗析方法与装备，明确提出电渗析处理微苦咸水原水浓度低（溶解性总固体TDS小于3000ppm），离子电迁移控制电阻由纯膜电阻转变为扩散边界层电阻，通过集合控制电渗析膜、电渗析膜堆以及电渗析工艺参数，充分压缩扩散边界层，提高目标离子的相对电迁移速率，同时，综合电渗析选择性去除目标离子的初始浓度效应、竞争效应、协同效应以及浓差扩散、压差渗透等影响，实现了低成本目标离子的导向性去除，大幅降低水处理成本，提高设备的长效稳定性和操作适用性。

技术领域

本发明属于饮用水安全技术领域，具体涉及一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法。

背景技术

在偏远或过于分散的地区没有达标的饮用水水源，且因偏远或过于分散无法实现大规模集中供水，“饮用水水质不达标”已成是典型性地方病防治的瓶颈问题。偏远地区饮用水问题已成为未来水处理技术攻关的重中之重。联合国《2019年世界水发展报告》称：“世界富有群体通常都能以较低的价格获得较高水准的用水服务，然而贫困的人口为了获得质量相等，甚至更次的服务，却常常需要支付极其高昂的费用”。不达标的水源，超长的取水距离，缺少公共设施与专业服务人员，在世界上低发展区域里的人通常要比高发展区域的人多支付5到10倍的支出。因此，非常规水源低成本处理入户供水技术以成为解决这一可持续发展的世界性难题急需突破方向之一。

“不达标饮用水水源”处理的高成本难点问题之一是大量可用地下水源溶解性盐（TDS）以及氟、硬度、砷、硝酸根、铁、锰等溶解性离子超标。传统水处理技术主要以脱盐为主，其中包括吸附法、过滤法、化学沉淀法、离子交换法等物理化学方法，因成本高、效率低、有废液二次污染，现在应用范围大幅减少。而反渗透、纳滤、电渗析等膜技术已成为饮用水脱盐的主流技术。经过多年应用推广，反渗透已成为脱盐技术的主流工艺。但是，近年来饮用研究表明，虽然反渗透脱盐效率高、出水水质好，但是在微苦咸水（TDS小于3000ppm）的饮用水处理过程中，处理成本高，尤其对于氟、硬度、砷、硝酸根、铁、锰等部分溶解性离子超标的“不达标饮用水水源”，反渗透技术脱盐缺乏选择性，全离子去除模式造成“无效脱盐”运行成本高、以及浓盐水难以处理等问题，难以实现村镇大规模入户供水。电渗析脱盐，因为不同离子在电渗析过程中具有不同竞争性电迁移速率，具有离子去除的选择性，但是在传统电渗析采用全离子去除脱盐模式中，其离子选择性被忽视，没有充分体现其技术特性的优点，除硬效率超高易堵、电极寿命短、多室结构操作复杂等问题，在技术竞争中处于下风。近年来，随着反渗透技术的普及，氟、硬度、砷、硝酸根、铁、锰等部分溶解性离子超标的问题日益突出，突出电渗析选择性分盐的优势，利用研究与新技术克服电渗析的缺陷已成为近年来微苦咸水处理技术研究的热点之一。

发明内容

针对当前反渗透技术脱盐缺乏选择性，成本高，难以实现偏远地区大规模入户供水的难题，本发明是一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法。电渗析处理微苦咸水原水的基础研究结果如图1所示，表明当微苦咸水原水中溶解性总固体（TDS）浓度低小于3000ppm，离子电迁移控制电阻迅速线性增加数十倍，电阻也由纯膜电阻转变为扩散边界层电阻，氟离子扩散边界层电阻增加远大于氯离子。因此，区别与传统电渗析脱盐研究，主要研究方向为研发新型离子交换膜，降低电渗析电阻，提高水处理脱盐效率。本发明系统阐明了不同目标离子在电渗析“脱盐”过程中具有不同竞争性电迁移速率的特征，明确提出电渗析处理微苦咸水原水浓度低（溶解性总固体（TDS）小于3000ppm），离子电迁移控制电阻由膜电阻转变为扩散边界层电阻，由此，发明了“集合控制压缩扩散边界层”选择性去除目标离子的电渗析方法与装备。

一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，包括：采用电渗析脱盐工艺处理微苦咸水原水，得到脱盐水；

电渗析脱盐工艺通过集合控制电渗析膜、电渗析膜堆以及电渗析工艺参数对微苦咸水原水进行处理；

选择性分离系数的计算通式为：；