CN106673144B - 一种具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置，该电纳滤装置包括阳极板、阴极板、阴离子交换膜、阳离子交换膜、纳滤膜和直流电源，阳极板与直流电源的阳极相连，阴极板与直流电源的阴极相连，阳极板与阴极板相对布置，从阳极板到阴极板之间依次设置离子交换膜、纳滤膜和离子交换膜。本发明提出的具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤技术，将电渗析与纳滤有机的结合，用纳滤膜替换离子交换膜，依靠电场力、压力、浓度差作为推动力，与电渗析相比，有机物与无机盐的分离效果虽然有所降低，但是其投资成本和运行成本也显著降低了，且耐有机污染性能也得到了明显提高，这在工业废水或市政废水处理领域具有更好的应用前景。

Description

一种具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置

技术领域

本发明涉及一种具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置，其广泛地应用于生化、制药、环保及现代化学工业生产中来进行有机物与无机盐的分离，或不同无机盐之间的分离及浓缩。

背景技术

普通纳滤膜的主要功能是选择性脱盐，其脱盐机理主要有孔径筛分效应和电荷效应，两种机理的共同作用使其在分离一价离子与高价离子及有机物方面具有独特的优势，在去除地表水的有机物和色度，脱除地下水的硬度，部分去除溶解性盐，浓缩果汁以及分离药品中的有用物质等领域具有广泛的应用。但其在应用方面也具有一定的局限性，由于纳滤膜对高价离子和有机物均具有较高的截留性能，因此较难做到二者的选择性分离，这在一些特殊物料分离领域是不希望出现的，如染料的浓缩提纯，在染料浓缩的同时对无机盐离子无浓缩效果。

目前，暂时没有一种工业化的纳滤膜能够实现对所有无机盐离子均具有较低的截留率，同时对分子量在200-1000左右的有机物具有较高的截留性能。本发明设计了一种新型的电纳滤工艺，将外加电场与纳滤膜有机的结合，在外加电场的作用下，无机盐离子透过纳滤膜的速率明显增加，而不带电的有机物透过膜的迁移速率则不受电场的影响，从而实现了纳滤膜具有低脱盐，高有机物截留的功能，在一些特殊的物料分离领域具有广泛的应用价值。

纳滤技术是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右，截留分子量在200-1000之间。纳滤膜的分离机理主要有孔径筛分机理和电荷效应机理，两种机理的共同作用使得纳滤膜对离子半径小，所带电荷量少的一价离子具有较低的截留率，对离子半径较大，所带电荷量较多的二价或高价离子具有较高的截留率性能，与此同时，纳滤膜对分子量在200-1000之间的有机物也具有较高的截留率，若想实现二价离子及高价离子与有机物有效的分离，依靠普通的纳滤膜是无法实现的。

通常情况下能彻底分离无机盐与有机物的方法有电渗析法，电渗析是利用离子交换膜的选择透过性实现有机物与无机盐的分离，在外加电场的作用下，阳离子透过阳离子交换膜，阴离子透过阴离子交换膜，而不带电的有机物则不受电场力的影响，也不会透过离子交换膜，从而实现有机物与无机盐的分离，目前电渗析实现有机物与无机盐的分离主要应用在工业生产中，产生有附加值的产品。电渗析法用于无机盐与有机物的分离领域具有一定的应用市场，但是离子交换膜价格昂贵，耐有机物污染性能较差(Bazinet L,Araya-Farias M.Electrodialysis of calcium and carbonate high concentrationsolutions and impact on composition in cations of membrane fouling.Journal ofColloid&Interface Science,2005,286(2):639-646.)，投资成产和运行成本均较高，在物料分离方面，其主要应用在工业生产过程的中间用水的处理中，在废水的处理领域应有较少。

目前，暂时没有一种工业化的纳滤膜能够实现对所有无机盐离子均具有较低的截留率，同时对分子量在200-1000左右的有机物具有较高的截留性能。目前，市售的纳滤膜一般为荷负电纳滤膜，其对阳离子及一价阴离子具有较低的截留率，但是其对二价或高价的阴离子具有较高的截留性能，因此其不适于实现二价或高价阴离子与有机物的分离。

发明内容

本发明提供一种电纳滤装置，将外加电场与纳滤膜有机的结合，在外加电场的作用下，无机盐离子透过纳滤膜的速率明显增加，而不带电的有机物透过膜的迁移速率则不受电场的影响，从而实现了纳滤膜具有低脱盐，高有机物截留的功能，在一些特殊的物料分离领域具有广泛的应用价值。

本发明的具体结构如下：

本发明提供了一种具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置，该电纳滤装置包括阳极板、阴极板、阴离子交换膜、阳离子交换膜、纳滤膜和直流电源，阳极板与直流电源的阳极相连，阴极板与直流电源的阴极相连，阳极板与阴极板相对布置，从阳极板到阴极板之间依次设置一张离子交换膜、多张纳滤膜和一张离子交换膜。

其中所述纳滤膜成对设置，保证靠近离子交换膜的腔室都为产水室。

其中所述阳极板为钛钌材质，阴极板为不锈钢板。

其中任何两片膜之间用隔网间隔以产生水流通道。

其中任何一片纳滤膜两侧分别为进水室和产水室。

其中，当靠近阳极板的离子交换膜为阳离子交换膜，靠近阴极板的离子交换膜为阴离子交换膜，则阳极极水和阴极极水分别循环流动。

其中，当靠近阳极板的离子交换膜为阴离子交换膜，靠近阴极板的离子交换膜为阳离子交换膜，则阳极极水和阴极极水分别循环流动。

其中，当靠近阳极板的离子交换膜和靠近阴极板的离子交换膜均为阳离子交换膜或者均为阴离子交换膜，则阳极极水室和阴极极水室中的极水为一体，串联循环流动。

其中还包括进水储液槽和产水储液槽，进水储液槽中的进水经过泵、流量计进入进水室，之后经过阀门返回进水储液槽，产水储液槽的产水经过泵、流量计进入产水室，之后经过阀门返回产水储液槽。

其中还包括阳极极水储液槽和阴极极水储液槽，阳极极水储液槽中的极水经过泵、流量计进入阳极极水室，之后经过阀门返回阳极极水储液槽，阴极极水储液槽的极水经过泵、流量计进入阴极极水室，之后经过阀门返回阴极极水储液槽。

附图说明

为了更容易理解本发明的技术方案和有益的技术效果，通过参照在附图中示出的本发明的具体实施方式来对本发明进行详细的描述。这些附图仅绘出了本发明的典型实施方式，并不构成对本发明的保护范围的限制，其中：

图1是根据本发明的具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置的一个实施方式的结构示意图。

图2是根据本发明的具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置的电纳滤工艺分离有机物与无机盐的原理示意图。

在图1-2中标示出的附图标记中：

1：阳极板；2：阴极板；3：阳离子交换膜；4：阴离子交换膜；5：纳滤膜；6：进水室；7：产水室；8：阳极极水室；9：阴极极水室；10：直流电源；11：泵；12：流量计；13：进水储液槽；14：产水储液槽；15：阳极极水储液槽；16：阴极极水储液槽；17：阀门。

具体实施方式

图1是根据本发明的具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置的一个实施方式的结构示意图，该电纳滤装置包括阳极板1、阴极板2、阳离子交换膜3、阴离子交换膜4、纳滤膜5和直流电源10。阳极板1与直流电源10的阳极相连，阴极板2与直流电源10的阴极相连，从阳极板1与阴极板2相对布置，从阳极板1到阴极板2之间依次设置阳离子交换膜3、纳滤膜5和阴离子交换膜4。阳极板1为钛钌材质，阴极板2为不锈钢板。阴阳离子交换膜均为一片，其作用是防止产水室中阳离子(如钙镁)进入阴极室发生结垢，防止阴离子进入阳极室造成酸的富集，阴阳离子交换膜的中间为纳滤膜5，这些纳滤膜成对出现以保证靠近离子交换膜的腔室均为产水室，且其对数为任意数目，任何两片膜之间(离子交换膜与纳滤膜之间，纳滤膜与纳滤膜之间)用隔网间隔。阳离子交换膜3与阳极板1之间为阳极极水室8，阴离子交换膜4与阴极板2之间为阴极极水室9。

本工艺分离有机物与无机盐的形式为序批式处理，进水储液槽13中的进水经过泵11、流量计12进入进水室6，之后返回进水储液槽13，产水储液槽14的产水经过泵11、流量计12进入产水室7，之后返回产水储液槽14。同样，阳极极水储液槽15中的极水经过泵11、流量计12进入阳极极水室8，之后返回阳极极水储液槽15，阴极极水储液槽16的极水经过泵11、流量计12进入阴极极水室9，之后返回阴极极水储液槽16。含有无机盐与有机物的水体进入进水室6，通过调节阀门17使进水室6与产水室7具有一定的压力差，在压力作用下，进水室6中的液体会不断进入产水室7，通过调节运行时间控制系统回收率，达到一定的回收率时，更换新的进水，产水则大部分外排，仅保留少部分作为产水室的循环液即可。

以进水为含有MgSO₄和葡萄糖的溶液为例，说明本发明是如何实现低脱盐率和高有机物截留率的性能的。

假设进水中MgSO₄浓度为1.0mol/L，产水中MgSO₄浓度为0.1mol/L，当在膜两侧施加一个直流电场后，离子在电场作用下会发生定向迁移，阴离子会透过纳滤膜5向阳极板1侧移动，阳离子会透过纳滤膜5向阴极板2侧移动，且电场强度越大，离子迁移的速率越快。如图2所示，假设在一段时间内由进水室6经过一片纳滤膜5进入产水室7中的SO₄ ^2-数量为100个，由于进水室6中的SO₄ ^2-浓度明显高于产水室7中SO₄ ^2-浓度，那么由产水室7经过一片纳滤膜5进入进水室6中的SO₄ ^2-数量则可能仅为20个，同样的道理，由进水室6进入产水室7中的Mg²⁺数量也会明显高于由产水室7进入进水室6中的Mg²⁺数量，但是每片膜上的传递的阴离子和阳离子所带的电荷量是相同的，以保证每片膜上的电流大小相同。总体而言，外加电场促进了无机离子透过纳滤膜5由进水室6进入产水室7，降低了纳滤膜的脱盐率。与此同时，葡萄糖不发生解离，外加电场不会影响有机物的迁移速率，因此，纳滤膜5对有机物的截留率影响不大。最终该工艺能够实现对无机盐具有较低的截留性能而对有机物具有较高的截留性能。

本工艺的关键点是进水室和产水室必须具有一定的浓度差，只要实验开始时配制的进产水之间有浓度差，实验运行后进水液体积不断减少，浓度不断浓缩，进产水之间的浓度差就会不断增加，确保从进水室迁移到产水室中的离子数目远大于从产水使迁移到进水室中的离子数目。此外阳极室发生析氧反应，生成H⁺，阴极室发生析氢反应，生产OH^-，H⁺和OH^-会不断进入产水室以传递电流，但是进入到产水室中的H⁺和OH^-会迅速中和，不影响产水的酸碱性。

实施例1：

进水为市政废水经过MBR+反渗透之后的浓水，电导3025us/cm，其中所含的主要离子为SO₄ ^2-、Mg²⁺，COD(化学需氧量)为200mg/L，以该工艺实现无机盐与有机物的分离。

进水为上述反渗透的浓水，预先配制一定体积的250ppm的氯化钠作为产水，极水为1％的硫酸钠溶液，进水、产水、阳极极水和阴极极水分别循环流动，预先配制产水并在产水室循环的目的是减小产水室侧膜表面的边界层厚度，提高极限电流密度。进水室压力为0.35MPa，产水室、极水室的压力均小于0.005MPa，回收率为80％，实验在10A/m²的电流密度下运行，测试脱盐率和有机物截留率。实验数据如表1：

表1电纳滤技术分离无机盐与有机物

分析：从表1可以看出，电纳滤技术与空白实验相比，总脱盐率降低了58.6％，SO₄ ^2-截留率降低了57.6％，有机物截留率仅降低了1.7％，说明电纳滤技术能够实现低脱盐率、高有机物截留率的功能。于此同时，电纳滤技术还能明显提高纳滤膜的通量，与空白实验相比，电纳滤的通量提高了17.4L·m^-2·h^-1，约提高38.5％。

实施例2：

进水为某食品加工中间用水，电导2604us/cm，其中所含的主要离子为PO₄ ^3-，COD(化学需氧量)为1040mg/L，以该工艺实现有机物浓缩的同时分离PO₄ ^3-。

进水为上述食品加工中间用水，稀释后的上述原水作为初始产水，极水为1％的硫酸钠溶液，进水、阳极极水和阴极极水分别循环流动，进水室压力为0.35MPa，产水室、极水室的压力均小于0.005MPa，回收率为50％，实验分别在10A/m²和30A/m²的电流密度下运行，测试总脱盐率、PO₄ ^3-截留率和有机物截留率。实验数据如表2：

表2电纳滤技术去除食品用水中PO₄ ^3-的实验研究

分析：由表2得出，在50A/m²的电流密度下，与空白实验相比，电纳滤技术对食品加工中间用水的脱盐率可降低58.1％，PO₄ ^3-截留率可降低41.9％，且在一定范围内增加电流密度有利于降低纳滤膜对PO₄ ^3-的截留率。

本发明提出的具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤技术，将电渗析与纳滤有机的结合，用纳滤膜替换离子交换膜，依靠电场力、压力、浓度差作为推动力，与电渗析相比，有机物与无机盐的分离效果虽然有所降低，但是其投资成本和运行成本也显著降低了，且耐有机污染性能也得到了明显提高，这在工业废水或市政废水处理领域具有更好的应用前景。

本发明可以以其他具体的形式进行体现，比如在离子交换膜的组合方式中，靠近阳极板的离子交换膜可以换为阴离子交换膜，靠近阴极板的离子交换膜则为阳离子交换膜，且阳极极水和阴极极水分别循环流动；在离子交换膜的组合方式中，靠近阴极板和阳极板的离子交换膜可以均为阳离子交换膜，此时阳极极水室和阴极极水室中的极水为一体，串联循环流动；在离子交换膜的组合方式中，靠近阴极板和阳极板的离子交换膜可以均为阴离子交换膜，此时阳极极水室和阴极极水室中的极水为一体，串联循环流动。但这并不会脱离本发明的保护范围，本发明的保护范围仅由所附的权利要求限定。

Claims (8)

1.一种具有低脱盐率和高有机物截留率的电纳滤装置，该电纳滤装置包括阳极板、阴极板、阴离子交换膜、阳离子交换膜、纳滤膜和直流电源，阳极板与直流电源的阳极相连，阴极板与直流电源的阴极相连，阳极板与阴极板相对布置，从阳极板到阴极板之间依次设置一张离子交换膜、多张纳滤膜和一张离子交换膜，且所述的多张纳滤膜成对设置，其中任何一张纳滤膜两侧分别为进水室和产水室。

2.根据权利要求1所述的电纳滤装置，其中所述阳极板为钛钌材质，阴极板为不锈钢板。

3.根据权利要求1所述的电纳滤装置，其中任何两片膜之间用隔网间隔以产生水流通道。

4.根据权利要求1所述的电纳滤装置，其中当靠近阳极板的离子交换膜为阳离子交换膜，靠近阴极板的离子交换膜为阴离子交换膜，则阳极极水和阴极极水分别循环流动。

5.根据权利要求1所述的电纳滤装置，其中当靠近阳极板的离子交换膜为阴离子交换膜，靠近阴极板的离子交换膜为阳离子交换膜,则阳极极水和阴极极水分别循环流动。

6.根据权利要求1所述的电纳滤装置，其中当靠近阳极板的离子交换膜和靠近阴极板的离子交换膜均为阳离子交换膜或者均为阴离子交换膜,则阳极极水室和阴极极水室中的极水为一体，串联循环流动。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电纳滤装置，还包括进水储液槽和产水储液槽，进水储液槽中的进水经过泵、流量计进入进水室，之后经过阀门返回进水储液槽，产水储液槽的产水经过泵、流量计进入产水室，之后经过阀门返回产水储液槽。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的电纳滤装置，还包括阳极极水储液槽和阴极极水储液槽，阳极极水储液槽中的极水经过泵、流量计进入阳极极水室，之后经过阀门返回阳极极水储液槽，阴极极水储液槽的极水经过泵、流量计进入阴极极水室，之后经过阀门返回阴极极水储液槽。