CN107235565A - 一种基于调节co2分压处理高硬度地下水的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置，包括水泵和水力喷射装置，所述水泵设置在高硬度地下水蓄水池的水面以下，所述水力喷射装置设置在蓄水池水面以上，所述水泵将高硬度地下水泵入水力喷射装置中，高硬度地下水进入水力喷射装置，并在水力喷射装置中和大气进行第一次混合，之后从水力喷射装置中喷出，和大气进行第二次混合，降低高硬度地下水的硬度。本发明通过物理方法，实现根本性的软化，不引入二次污染，安全、稳定。
Description
技术领域
本发明涉及地下水净化技术领域，尤其涉及一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置和方法。
背景技术
地下水是重要的饮用水水源，地球上可利用的液态淡水中，地下水量约占99％。与地表水比较，地下水作为供水水源，具有分布广泛、变化稳定、天然调节性好、易于开发利用等优点。因此，地下水是我国中小城市、镇和农村普遍采用的供水来源，在有的地区甚至是唯一水源。
硬度高是地下水的普遍特性。在生活上，水的硬度过高会在洗涤时损坏衣物、浪费肥皂，烧水时浪费燃料。饮用高硬水易使人患暂时性胃肠不适、腹胀、泻肚、排气多，甚至引起肾结石等疾病。不仅如此，烧水水碱主要为碳酸钙、碳酸镁，也含有多种有害的汞、镉、铅、砷等元素，如不经常及时清除，有害元素积累并再次溶于水中，饮用进入人体会引起人体慢性中毒，甚至可致癌和致畸，严重危害人体健康。因此，降低高硬度地下水的硬度是地下水利用的当务之急。
目前，高硬度地下水软化的方法主要有加热法、经验法、化学沉降、离子交换、反渗透、电渗析等。加热法和经验法方便易行，但效率较低可行性不高。常见的化学沉降法即石灰-纯碱软化法，去除效率不高且容易破坏原有平衡，造成二次污染。离子交换法需要离子交换树脂的再生，工艺复杂。反渗透、电渗析均属于膜分离范畴，渗透膜易被污染，且在运行过程中动力消耗较大、成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种物理方法调节CO2分压，安全、稳定、高效的基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置和方法。
本发明的实施例提供一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置，包括水泵和水力喷射装置，所述水泵设置在高硬度地下水蓄水池的水面以下，所述水力喷射装置设置在高硬度地下水蓄水池水面以上，所述水泵将高硬度地下水泵入水力喷射装置中，高硬度地下水进入水力喷射装置，并在水力喷射装置中和大气进行第一混合，之后从水力喷射装置中喷出，并和大气进行第二次混合，由于大气CO2分压小于高硬度地下水中CO2分压，经过和大气的两次混合，高硬度地下水中CO2分压大幅减小，进而使高硬度地下水中CO2浓度降低，pH增加，HCO3 -含量降低，OH-浓度增加，Ca2+、Mg2+、Fe3+离子以胶体或悬浊液的形式被固定，达到软化高硬度地下水的目的。
进一步，所述水力喷射装置包括进水喷嘴、吸入室、混合室和出水喷嘴，所述进水喷嘴、吸入室、混合室和出水喷嘴依次连通，所述水泵将高硬度地下水泵入进水喷嘴，并保持水量恒定，高硬度地下水在所述进水喷嘴的流动途径中，进水喷嘴的横截面积逐渐减小，高硬度地下水的流速逐渐增大，形成高速运动的水柱，水柱射入吸入室，所述吸入室的上下均设有进气口，大气通过进气口进入吸入室，高速运动的水柱表面压力低，进入吸入室的大气在负压作用下向水柱移动，大气在摩擦作用下在水柱的表面形成附面层，并随水柱射入混合室，所述混合室的前段横截面积逐渐增大，所述混合室的后段横截面积保持不变，水柱的射流速度在混合室的前段逐渐减小，压力逐渐增大，水柱和大气剧烈混合和乳化，形成泡沫流，所述泡沫流在混合室的后段匀化，并射入出水喷嘴，所述出水喷嘴的横截面积显著减小，泡沫流的射流速度显著增大，压力减小，泡沫流从出水喷嘴中高速射出，与大气混合。
进一步，所述水泵为不锈钢水泵。
进一步，所述进水喷嘴和出水喷嘴均为文丘里喷嘴。
进一步，所述水泵和水力喷射装置之间通过管道连接。
一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)水泵将高硬度地下水从蓄水池中泵入水力喷射装置的进水喷嘴；
(2)高硬度地下水在进水喷嘴中流速逐渐增大，形成高速运动的水柱，所述水柱高速射入吸入室中；
(3)打开吸入室的进气口，大气进入吸入室，高速运动的水柱表面压力低，进入吸入室的大气在负压作用下向水柱移动，大气在摩擦作用下在水柱的表面形成附面层，并随水柱射入混合室；
(4)水柱在混合室中的射流速度先逐渐减小后保持不变，压力也随之先增大后保持不变，水柱与其附面层的大气先剧烈混合和乳化，形成泡沫流，之后，泡沫流逐渐匀化，并射入出水喷嘴；
(5)泡沫流在出水喷嘴中流速逐渐增大，压力逐渐下降，并高速射出；
(6)射出的泡沫流与大气混合，压力下降，并返回蓄水池，返回蓄水池的水中CO2浓度降低，pH增加，HCO3 -含量降低，OH-浓度增加，Ca2+、Mg2+、Fe3+离子以胶体或悬浊液的形式被固定，进而降低高硬度地下水的硬度。
进一步，所述大气和高硬度地下水混合过程中气液两相存在可逆反应：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：充分利用CO2分压对地下水硬度的控制作用来处理高硬度地下水，通过物理方法，实现根本性的软化，不引入二次污染，具有安全、稳定的优点，且工艺简单、能耗低、效果好，经济适用，适于推广于实际应用，而且，本发明为居民的饮水安全提供技术保障，对解决我国饮水健康问题的解决具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置的一示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置，包括水泵1和水力喷射装置2，水泵1和水力喷射装置2之间通过管道3连接。
在一实施例中，水泵1为不锈钢水泵，水泵1设置在高硬度地下水蓄水池的水面以下，水力喷射装置2设置在高硬度地下水蓄水池的水面以上，水泵1将高硬度地下水泵入水力喷射装置2中，高硬度地下水进入水力喷射装置2，并在水力喷射装置2中和大气进行第一次混合，之后从水力喷射装置2中喷出，并和大气进行第二次混合。
水力喷射装置2包括进水喷嘴21、吸入室22、混合室23和出水喷嘴24，所述进水喷嘴21、吸入室22、混合室23和出水喷嘴24依次连通。
沿高硬度地下水在水力喷射装置2中的流动方向，进水喷嘴21的横截面积逐渐减小，混合室23的前段231横截面积逐渐增大，所述混合室23的后段232横截面积保持不变，出水喷嘴24的横截面积显著减小。在一实施例中，进水喷嘴21和出水喷嘴24均为文丘里喷嘴。
吸入室22的上下均设有进气口221，大气通过进气口221进入吸入室22。
在一实施例中，所述水泵1将高硬度地下水泵入进水喷嘴21，并保持水量恒定，高硬度地下水在所述进水喷嘴21的流动途径中，高硬度地下水的流速逐渐增大，形成高速运动的水柱，水柱射入吸入室22，高速运动的水柱表面压力低，从进气口221进入吸入室22的大气在负压作用下向水柱移动，大气在摩擦作用下在水柱的表面形成附面层，并随水柱射入混合室23，所述水柱的射流速度在混合室23的前段231逐渐减小，压力逐渐增大，水柱和大气剧烈混合和乳化，形成泡沫流，所述泡沫流在混合室23的后段232匀化，并射入出水喷嘴24，所述，泡沫流的射流速度显著增大，压力减小，泡沫流从出水喷嘴24中高速射出，与大气混合。
由于大气中CO2分压小于高硬度地下水中CO2分压，经过和大气的两次混合，高硬度地下水中CO2分压大幅减小，进而使高硬度地下水中CO2浓度降低，pH增加，HCO3 -含量降低，OH-浓度增加，Ca2+、Mg2+、Fe3+离子以胶体或悬浊液的形式被固定，软化高硬度地下水。
一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的方法，包括以下步骤：
(1)水泵1将高硬度地下水从蓄水池(图中未示出)中泵入水力喷射装置2的进水喷嘴21；
蓄水池内高硬度地下水的化学参数：主要离子浓度(mg/L)，如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3 -、SO4 2-、NO3-等；常见微量元素(μg/L)，如Fe2+、Sr2+等；pH；TDS；硬度等。
(2)高硬度地下水在进水喷嘴21中流速逐渐增大，形成高速运动的水柱，所述水柱高速射入吸入室22中；
因流量不变，高硬度地下水在进水喷嘴21中流经的横截面积逐渐变小，根据Q＝S×v，高硬度地下水在进水喷嘴21中流速逐渐增大，同时，根据理想元流的伯努利方程，水的位能转化为高速动能，水柱从进水喷嘴21高速射出。
(3)打开吸入室22的进气口221，大气进入吸入室22，高速运动的水柱表面压力低，进入吸入室22的大气在负压作用下向水柱移动，大气在摩擦作用下在水柱的表面形成附面层，并随水柱射入混合室23；
大气在负压作用下产生的气泡和水流不平衡，导致大的气泡被分解成更多更小的气泡，呈现指数倍数增加的表面积为大气和水的混合创造了条件，同时，根据伯努利定律，若横截面由S1到S2，对应静水压力S1＞＞S2时静水压力p显著减小，水的位能转化为高速动能，水柱表面压力降低，水柱表面压力低，进入吸入室22的大气在负压作用下向水柱移动，大气在摩擦作用下在水柱的表面形成附面层，并随水柱射入混合室23。
(4)水柱在混合室23中的射流速度先逐渐减小后保持不变，压力也随之先增大后保持不变，水柱与其附面层的大气先剧烈混合和乳化，形成泡沫流，之后，泡沫流逐渐匀化，并射入出水喷嘴24；
在混合室23的前段231中，由于横截面积逐渐增大，水柱的射流速度逐渐减小，压力逐渐升高，水柱与与其附面层的大气剧烈混和和乳化，开始发生能量传递与动量传递，水柱的动能与动量传给气泡，形成可以高速运动的泡沫流。随着高速运动的泡沫流在混合室23里不断往前运动，能量传递过程继续进行，最后在混合室23的后段232达到水与气泡的能量与动量的匀化。
(5)泡沫流在出水喷嘴24中流速逐渐增大，压力逐渐下降，并高速射出；
由于出水喷嘴24的横截面积之间减小，泡沫流的流速逐渐增大，由于大气的CO2分压一般为10-3.5(*105Pa)，地下水中CO2分压一般在10-2(*105Pa)左右，因此，经过射流混合的泡沫流CO2分压明显减小。
(6)射出的泡沫流与大气混合，压力下降，并返回蓄水池，二次混合后，处理水的CO2分压进一步降低，根据亨利定律，返回蓄水池的水中CO2浓度降低，根据混合过程中气液两相存在可逆反应： 可知，pH增加，HCO3 -含量降低，OH-浓度增加，生成Ca(OH)2、Mg(OH)2、Fe(OH)3沉淀或形成悬浊液，使Ca2+、Mg2+、Fe3+离子以胶体或悬浊液的形式被固定，进而软化高硬度地下水。
采用本方法持续处理高硬度地下水，定期监测取样，获取处理后蓄水池中水的化学参数，对比处理前后水的化学参数，即可分析软化效果。
本发明充分利用CO2分压对地下水硬度的控制作用来处理高硬度地下水，通过物理方法，实现根本性的软化，不引入二次污染，具有安全、稳定的优点，且工艺简单、能耗低、效果好，经济适用，适于推广于实际应用，而且，本发明为居民的饮水安全提供技术保障，对解决我国饮水健康问题的解决具有重要意义。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置，其特征在于，包括水泵和水力喷射装置，所述水泵设置在高硬度地下水蓄水池的水面以下，所述水力喷射装置设置在高硬度地下水蓄水池的水面以上，所述水泵将高硬度地下水泵入水力喷射装置中，高硬度地下水进入水力喷射装置，并在水力喷射装置中和大气进行第一次混合，之后从水力喷射装置中喷出，和大气进行第二次混合，由于大气中CO2分压小于高硬度地下水中CO2分压，经过和大气的两次混合，高硬度地下水中CO2分压大幅减小，进而使高硬度地下水中CO2浓度降低，pH增加，HCO3 -含量降低，OH-浓度增加，Ca2+、Mg2+、Fe3+离子以胶体或悬浊液的形式被固定，达到软化高硬度地下水的目的。
2.根据权利要求1所述的基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置，其特征在于，所述水力喷射装置包括进水喷嘴、吸入室、混合室和出水喷嘴，所述进水喷嘴、吸入室、混合室和出水喷嘴依次连通，所述水泵将高硬度地下水泵入进水喷嘴，并保持水量恒定，高硬度地下水在所述进水喷嘴的流动途径中，进水喷嘴的横截面积逐渐减小，高硬度地下水的流速逐渐增大，形成高速运动的水柱，水柱射入吸入室，所述吸入室的上下均设有进气口，大气通过进气口进入吸入室，高速运动的水柱表面压力低，进入吸入室的大气在负压作用下向水柱移动，大气在摩擦作用下在水柱的表面形成附面层，并随水柱射入混合室，所述混合室的前段横截面积逐渐增大，所述混合室的后段横截面积保持不变，水柱的射流速度在混合室的前段逐渐减小，压力逐渐增大，水柱和大气剧烈混合和乳化，形成泡沫流，所述泡沫流在混合室的后段匀化，并射入出水喷嘴，所述出水喷嘴的横截面积显著减小，泡沫流的射流速度显著增大，压力减小，泡沫流从出水喷嘴中高速射出，与大气混合。
3.根据权利要求1所述的基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置，其特征在于，所述水泵为不锈钢水泵。
4.根据权利要求2所述的基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置，其特征在于，所述进水喷嘴和出水喷嘴均为文丘里喷嘴。
5.根据权利要求1所述的基于调节CO2分压处理高硬度地下水的装置，其特征在于，所述水泵和水力喷射装置之间通过管道连接。
6.一种基于调节CO2分压处理高硬度地下水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)水泵将高硬度地下水从蓄水池中泵入水力喷射装置的进水喷嘴；
(2)高硬度地下水在进水喷嘴中流速逐渐增大，形成高速运动的水柱，所述水柱高速射入吸入室中；
(3)打开吸入室的进气口，大气进入吸入室，高速运动的水柱表面压力低，进入吸入室的大气在负压作用下向水柱移动，大气在摩擦作用下在水柱的表面形成附面层，并随水柱射入混合室；
(4)水柱在混合室中的射流速度先逐渐减小后保持不变，压力也随之先增大后保持不变，水柱与其附面层的大气先剧烈混合和乳化，形成泡沫流，之后，泡沫流逐渐匀化，并射入出水喷嘴；
(5)泡沫流在出水喷嘴中流速逐渐增大，压力逐渐下降，并高速射出；
(6)射出的泡沫流与大气混合，压力下降，并返回蓄水池，返回蓄水池的水中CO2浓度降低，pH增加，HCO3 -含量降低，OH-浓度增加，Ca2+、Mg2+、Fe3+离子以胶体或悬浊液的形式被固定，进而降低高硬度地下水的硬度。
7.根据权利要求6所述的基于调节CO2分压处理高硬度地下水的方法，其特征在于，所述大气和高硬度地下水混合过程中气液两相存在可逆反应：
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