脱盐制造技术

一种膜堆叠件，包括以下部件：(a)第一离子稀释室(D1)；(b)第二离子稀释室(D2)；(c)第一离子浓缩室(C1)；(d)第二离子浓缩室(C2)；以及(e)位于每个隔室之间并位于堆叠件的第一和最后一个隔室外侧上的膜壁(CEM1、mAEM、mCEM、AEM、CEM2)，其中：(i)每个膜壁包括阳离子交换膜(CEM1、mCEM、CEM2)或阴离子交换膜(mAEM、AEM)，且阳离子交换膜和阴离子交换膜的顺序是从每个壁到下一个壁交替；(ii)隔室(a)每侧上的膜壁(mAEM、mCEM)均比隔室(b)每侧上的相应膜壁(AEM、CEM2)具有更高的一价离子选择性；以及(iii)堆叠件还包括用于在隔室(a)和(b)之间传递流体的装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】脱盐
本专利技术涉及膜堆叠件、电渗析单元、包括至少两个电渗析(ED)单元的设备以及一种脱盐方法。
技术介绍
世界人口的不断增加、供水的减少以及干旱导致对淡水的需求增加。已知称为电渗析(“ED”)的方法用于转化含盐水并提供饮用水。该方法在盐水供应充足的沿海地区特别有用。第一批商用ED单元是在1950年代开发的。从那时起，离子交换膜的改进已经导致ED的显著进步。ED单元通常包括一个或多个膜堆叠件。每个膜堆叠件包括阳极、阴极和供流体穿过的多个电池对。电池对包括离子稀释室和离子浓缩室。每个电池包括由带负电的阳离子交换膜制成的壁和由带正电的阴离子交换膜制成的壁。当进料流体通过电池并在电极上施加DC电压时，溶解的阳离子通过阳离子交换膜并朝向阴极，而溶解的阴离子则通过阴离子交换膜并朝向阳极。在去离子过程期间通常用冲洗液洗涤阴极和阳极。按此方式，最初存在于进料流体中的所述阳离子和阴离子(例如，Ca2+，Na+，SO42-和Cl-)渗透穿过所述膜壁，留下脱盐水流(具有比原始进料流体更低的离子含量)并产生含有提高的离子水平的水流。因此，ED单元用于将海水或微咸水的进料流体转换成含有较低溶解盐含量的饮用水。典型的ED单元如图1所示。WO2015004417(‘417)解决了当所述进料流体的离子强度非常不同时，如何在电渗析的早期阶段和晚期阶段实现有效脱盐的技术问题。‘417提出了将两个ED单元(ED1和ED2)串联起来的方式，每个单元包括交替的一对阳离子交换膜壁和阴离子交换膜壁，其中，所述第一堆叠件ED1中的所述离子交换膜的电阻低于所述第二堆叠件ED2中的所述离子交换膜的电阻。‘417方法在海水淡化的早期阶段实现了低电阻，在海水淡化的后期阶段实现了低透水性。ED的一个问题是随着时间的推移，膜会因不溶性盐(比如，CaSO4和CaCO3)的水垢积聚而阻塞。已经开发了旨在减少水垢积聚的改进的ED方法，其有时被称为电渗析交换或简称EDM，如WO2004013048中所述。与传统的ED单元相比，传统的ED单元包括由“标准”阳离子交换膜和“标准”阴离子交换膜限定的离子稀释室和离子浓缩室的重复单元，而用在EDM中的ED单元则包括如图2所示的四个隔室和四个膜壁的重复单元。在EDM单元中使用的ED单元就像“肾脏”，通过离子之间的“交换”或“转换-配偶体”来去除盐，以将低溶解度盐(例如，CaSO4)转化成更高溶解度的盐(例如，CaCl2)，然后其不形成水垢并可像任何其他可溶性盐一样容易地从单元中除去。如图2所示，可看出用在EDM中的堆叠件包括以下部件：(a)离子稀释室(D1)；(b)用于提供NaCl溶液的隔室；(c)第一离子浓缩室(C1)；(d)第二离子浓缩室(C2)；以及(e)膜壁，位于每个隔室(AEM、CEM和mAEM)之间并位于所述堆叠件的所述第一和最后一个隔室(mCEM1和mCEM2)外侧上；其中：(i)每个膜壁包括阳离子交换膜或阴离子交换膜，且所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜的顺序是从每个壁到下一个壁交替；(ii)所述离子稀释室(a)每侧上的所述膜壁均包括不区分高价和一价阴离子/阳离子的“标准”膜。因此，在EDM中使用的当前可用的ED单元(如图2所示)与图1所示的传统ED单元的不同之处在于，EDM中使用的ED单元包括四个不同的溶液室和具有四个膜壁的一个单元或重复单元(两个膜是“标准的”(即，对于一价和高价离子均可渗透)，且两个都是一价离子选择性的)。相反，图1所示的传统ED单元包括仅具有两个溶液室和两个膜壁的重复单元(均是一价和高价离子可渗透的“标准”膜)。在EDM中使用的当前可用的ED单元中，如图2所示，可重复四个溶液室和四个隔膜壁。图2中所示的EDM中使用的已知ED单元的问题在于：由于离子稀释室和离子浓缩室之间的浓度差异很大，导致很难以高产率从海水中生产饮用水。这样，由于水分子穿过膜壁从离子稀释室渗透运输到离子浓缩室，则导致了高水分损失。图2所示的已知EDM单元的另一个缺点是需要供应氯化钠溶液(在最右侧的隔室中)，这导致了更高的成本，这不仅涉及所需的材料(即氯化钠)，而且还涉及由于钠离子和氯离子穿过膜壁的传输而产生的额外能量。对专用于供应NaCl溶液的隔室的要求也降低了EDM单元的脱盐能力。本专利技术的一个目的是减少图2所示的现有EDM单元中存在的问题，并提供更具成本效益和有效的脱盐。
技术实现思路
根据本专利技术的第一个方面所述，提供一种膜堆叠件，其包括以下部件：(a)第一离子稀释室；(b)第二离子稀释室；(c)第一离子浓缩室；(d)第二离子浓缩室；以及(e)膜壁，位于每个隔室之间并位于所述堆叠件的所述第一和最后一个隔室的外侧上；其中：(i)每个膜壁包括阳离子交换膜或阴离子交换膜，且所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜的顺序是从每个壁到下一个壁交替；(ii)隔室(a)每侧上的膜壁均比隔室(b)每侧上的相应的膜壁具有更高的一价离子选择性；以及(iii)所述堆叠件还包括用于在隔室(a)和(b)之间传递流体的装置。在本专利技术书中，本专利技术所述作为一种类型ED单元的EDM单元通常简称为ED单元。因此，就本专利技术而言，术语“EDM”和“ED”在很大程度上是可互换的。另外在本专利技术书中，出于简洁的原因，与高价阳离子(例如，隔室(a)一侧的阳离子交换膜壁)相比，对一价阳离子具有高选择性的阳离子交换膜壁通常被称为mCEM，而与高价的阳离子相比，对一价阳离子具有低选择性的膜壁简称为“标准阳离子交换膜壁”或CEM。类似地，与高价阴离子(例如，隔室(a)一侧的阴离子交换膜壁)相比，对一价阴离子具有高选择性的阴离子交换膜壁通常被称为mAEM，而与高价的阴离子相比，对一价阴离子具有低选择性的膜壁简称为“标准阴离子交换膜壁”或AEM。本专利技术的堆叠件适于海水、微咸水和盐水的脱盐，并且高产率生产脱盐水。所述脱盐水可用于任何目的，包括作为饮用水、用于灌溉或排放到地表水中。可选地，其他水处理方法(例如，反渗透(RO)、电去离子(EDI)、电容去离子(CDI)、膜蒸馏(MD)、纳滤(NF)、超滤(UF)、离子交换(IE)和活性炭处理中的一种或多种方法)可与本专利技术所述堆叠件、ED单元及工艺结合使用。本专利技术所述的堆叠件可用于生产两种高度浓缩的盐流而不出现与结垢有关的问题。如果需要，可进一步处理两种浓缩流以产生有价值的盐，比如，高纯度的氯化钠、氢氧化镁、碳酸镁和硫酸钙。附图说明图1示意性示出了传统的ED单元。图2示意性示出了传统的EDM单元(即用于EDM的ED单元)。图3示意性示出了根据本专利技术的适用于EDM中的EDM单元。图4是示出根据本专利技术的包括三个EDM单元的设备的流程图。图5示出了根据本专利技术的包括两个EDM单元的设备中的优选流体流动布置。图6a至图6c示出了几个隔室入口和出口设计，其中相邻隔室中的流动方向由箭头所示。具体实施方式在图1示出传统ED单元中，进料流体进入离子稀释室(D1)，其中阴离子通过阴离子交换膜(AEM1)并进入第一离子浓缩室(C1)，且阳离子通过阳离子交换膜(CEM2)并进入第二离子浓缩室(C2)。阳极(+)提供拉动阴离子穿过AEM的吸引力，阴极(-)提供拉动阳离子穿过CEM的吸引力。[AEM-离子稀释室-CEM-离子浓缩室]的主要重复单元也如图1所示。图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膜堆叠件，包括以下组件：(a)第一离子稀释室；(b)第二离子稀释室；(c)第一离子浓缩室；(d)第二离子浓缩室；以及(e)膜壁，位于每个隔室之间并位于堆叠件的第一隔室和最后一个隔室的外侧上；其中：(i)每个膜壁包括阳离子交换膜或阴离子交换膜，且所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜的顺序从每个壁到下一个壁交替；(ii)隔室(a)每侧上的所述膜壁均比隔室(b)每侧上相应的膜壁具有更高的一价离子选择性；以及(iii)所述堆叠件还包括用于在隔室(a)和(b)之间传递流体的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.11 GB 1602484.61.一种膜堆叠件，包括以下组件：(a)第一离子稀释室；(b)第二离子稀释室；(c)第一离子浓缩室；(d)第二离子浓缩室；以及(e)膜壁，位于每个隔室之间并位于堆叠件的第一隔室和最后一个隔室的外侧上；其中：(i)每个膜壁包括阳离子交换膜或阴离子交换膜，且所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜的顺序从每个壁到下一个壁交替；(ii)隔室(a)每侧上的所述膜壁均比隔室(b)每侧上相应的膜壁具有更高的一价离子选择性；以及(iii)所述堆叠件还包括用于在隔室(a)和(b)之间传递流体的装置。2.根据权利要求1所述的堆叠件，其中，隔室(a)每侧上的所述膜壁的一价离子选择性均是隔室(b)每侧上的所述膜壁的一价离子选择性的至少1.5倍。3.根据权利要求1或2所述的堆叠件，其中，所述隔室布置在所述堆叠件中，从而所述离子稀释室和所述离子浓缩室交替。4.根据前述权利要求中任一项所述的堆叠件，其中：(i)隔室(d)的阴离子膜壁也是隔室(a)的阴离子膜壁；(ii)隔室(a)的阳离子膜壁也是隔室(c)的阳离子膜壁；以及(iii)隔室(c)的阴离子膜壁也是隔室(b)的阴离子膜壁。5.根据权利要求1至3中任一项所述的堆叠件，其中：(i)隔室(a)的阴离子膜壁也是隔室(d)的阴离子膜壁；(ii)隔室(d)的阳离子膜壁也是隔室(b)的阳离子膜壁；以及(iii)隔室(b)的阴离子膜壁也是隔室(c)的阴离子膜壁。6.根据权利要求1至3中任一项所述的堆叠件，其中：(i)隔室(c)的阴离子膜壁也是隔室(b)的阴离子膜壁；(ii)隔室(b)的阳离子膜壁也是隔室(d)的阳离子膜壁；(iii)隔室(d)的阴离子膜壁也是隔室(a)的阴离子膜壁；以及(iv)隔室(a)的阳离子膜壁也是相邻堆叠件的隔室(c)的阳离子膜壁。7.根据权利要求1至3中任一项所述的堆叠件，其中：(i)隔室(b)的阴离子膜壁也是隔室(c)的阴离子膜壁；(ii)隔室(c)的阳离子膜壁也是隔室(a)的阳离子膜壁；(iii)隔室(a)的阴离子膜壁也是隔室(d)的阴离子膜壁；以及(iv)隔室(d)的阳离子膜壁也是相邻堆叠件的隔室(b)的阳离子膜壁。8.根据前述权利要求中任一项所述的堆叠件，其中，隔室(c)和隔室(d)彼此不流体连通。9.一种电渗析(ED)单元，包括根据前述权利要求中任一项所述的膜堆叠件、包括阳极的阳极室(f)和包括阴极的阴极室(g)，其中，所述膜堆叠件位于所述阳极室(f)和所述阴极室(g)之间。10.根据权利要求1至8中任一项所述的堆叠件或根据权利要求9所述的ED单元，被构造成使流过至少一个隔室的流体的方向与流过下一个隔室的流体的方向不同。11.根据权利要求1至8中任一项所述的堆叠件或根据权利要求9或10所述的ED单元，被构造成使流过隔室(a)至(d)中的两个隔室的流体的方向与流过隔室(a)至(d)中的另外两个的流体的方向不同。12.根据权利要求1至8中任一项所述的堆叠件或根据权利要求9至11中任一项所述的ED单元，被构造成使流过离子浓缩室的流体相对于流过所述第二离子稀释室(b)的流体的方向呈0至180度的角度流动。13.根据权利要求1至8中任一项所述的堆叠件或根据权利要求9至12中任一项所述的ED单元，被构造成使流过离子浓缩室的流体以与流过所述第二离子稀释室(b)的流体相反的方向流动。14.根据权利要求1至8中任一项所述的堆叠件或根据权利要求9至13中任一项所述的ED单元，其中，当流过至少一个隔室的流体的方向与流过下一个隔室的流体的方向不同时，流动的相对方向是以90°、135°或180°的角度。15.一种用于处理流体的设备，包括根据权利要求9至14中任一项所述的至少两个电渗析(ED)单元。16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述至少两个ED单元流体串联连接，从而流入第二ED单元和任何后续ED...

【专利技术属性】
技术研发人员：维诺德纳拉因·贝克，亚茨科·赫辛，
申请(专利权)人：富士胶片制造欧洲有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL