【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种电化学辅助离子交换水处理装置。更具体地，本专利技术涉及离子交换领域，并且涉及离子交换膜在电化学电池中的应用。
技术介绍
1、离子交换材料用于去除或取代溶液中的离子，例如用在通过去离子化生产高纯度水、废水处理(从工业废物流中提取铜离子)和溶液中离子的选择性置换(例如，其中“硬”二价离子如钙被“软”钠或钾离子取代的水软化过程)中。离子交换材料通常分为两类，即阳离子交换和阴离子交换，这两种类型通常是包含可取代离子的固体或凝胶，或者与特定离子发生化学反应以充当离子交换材料。它们可以是交联或非交联的有机聚合物或无机结构，例如沸石。阳离子交换材料包含酸性基团，例如--coom,--so3m,--po3m2,和--c6h4om，其中m是一种阳离子(例如氢、钠、钙或铜离子)，交换阳离子而不永久改变材料结构。阳离子交换材料通常细分为“强酸”和“弱酸”类型，术语是指离子交换基团的酸强度或pka。强酸类型，如包含--so3m基团的强酸类型，在几乎整个溶液酸强度范围(例如ph＝0-15)内起作用。弱酸类型，如包含--coom的弱酸类型，仅在ph接近或高于酸基团的pka时，才能用作离子交换材料。阳离子交换材料还包括那些包含中性基团或配体的材料，这些材料通过配位而不是静电或离子键结合阳离子。例如，附着在聚合物上的吡啶基团将与cu+2形成配位键，从而将其从溶液中除去。其它阳离子交换材料包括包含络合或螯合基团的聚合物(例如，由氨基磷酸、氨基羧酸和异羟肟酸衍生的聚合物)。
2、阴离子交换材料交换阴离子而不会永久改变材料的结构，并且包
3、离子交换材料可以以几种形式使用，例如小或大的球体或珠粒、通过珠粒粉碎产生的粉末、和膜。最简单的离子交换膜是单极膜，其基本上仅包含两种类型的离子交换材料中的一种：阳离子交换材料或阴离子交换材料。另一种类型的膜是水分解膜，也称为双极性膜、双层膜或层状膜。水分解膜是包括强酸阳离子交换表面或层(磺酸盐基团--so3m)和强碱阴离子交换表面或层(季铵基团--nr3a)的组合结构，使得在通过向两个电极施加电压产生的足够高的电场中，水不可逆地离解或“分解”成其组分离子h+和oh-。水的离解最有效地发生在水分解膜中的阳离子和阴离子交换层之间的边界处，并且所产生的h+和oh-离子沿着相反极性的电极方向通过离子交换层迁移(例如，h+向负极迁移)。
4、常规的离子交换是一种间歇过程，通常采用填充到柱中的离子交换树脂珠粒。待处理的单个溶液(源溶液)流穿过柱或通道。溶液中的离子被离子交换材料去除或取代，并且产物溶液或水从柱的出口流出。当离子交换材料被从源溶液获得的离子饱和(例如，其容量被消耗或“耗尽”)时，珠粒用合适的溶液再生。阳离子交换树脂通常使用酸性溶液再生，阴离子交换树脂使用碱性溶液再生。在再生期间，该装置不能用于生成产物溶液或水。再生以冲洗步骤结束，该冲洗步骤除去截留的再生剂溶液。这种间歇工艺与采用不需要再生步骤的膜的连续工艺形成对比。
5、对于溶液处理的间歇离子交换操作而不是连续工艺产生了几个重要的益处。首先，离子交换材料是高度选择性的，并且专门去除或取代溶液中的离子，很大程度上忽略中性基团。它们在去除或取代一种类型的离子而不是其他离子方面也可能具有很强的选择性。例如在水软化处理中，包含磺酸根基团的阳离子交换材料从溶液中选择性地提取多价离子，如钙和镁，同时保持一价离子(例如钠)浓度不受影响。发生水软化是因为磺酸根基团对二价离子的亲和力(选择性)相比对一价离子十倍大。或者，螯合阳离子交换基团，如亚氨基二乙酸，特别适合于从含有其它离子的溶液中选择性地萃取铜离子。
6、该离子交换基团对铜离子的亲和力相比对钠离子的亲和力八个数量级大。间歇离子交换工艺的第二个优点是它们对来自生物生长(例如藻类)或矿物结垢具有更大的抵抗力。强酸和强碱最常分别用于再生阳离子和阴离子交换材料，从而产生生物有机体不能存活的环境。在存在多价阳离子的中性或碱性环境(ph>7)中形成矿物垢；垢通常包含钙和镁的碳酸盐、氢氧化物和硫酸盐。垢在用于水处理的连续装置的表面上或通道中的积聚，对离子去除效率具有不利影响。在间歇离子交换系统中形成垢是不太严重的问题，因为阳离子交换材料(多价阳离子集中的地方)经常用快速溶解矿物垢的强酸再生。第三个优点是有可能产生浓缩的再生剂流出物(含有在前一溶液处理步骤中除去的离子)。当通过离子交换材料去除的离子是感兴趣的化学物质并且希望其分离(例如从细胞培养物中去除的氨基酸或蛋白质)时，这是很重要的。产生更浓缩的再生剂流出物的能力提供了进一步重要的益处，即可以消耗更少的水和对废物处理厂施加的负担更小。
7、尽管间歇离子交换工艺具有重要的益处，但对再生剂化学品的需要使得这种工艺昂贵且对环境不友好。与购买、储存、处理和处置使用过的有毒或腐蚀性再生剂化学品(例如硫酸、盐酸和烧碱)相关的环境成本禁止在许多应用中使用这种离子交换工艺。即使在水软化中，虽然氯化钠或氯化钾再生剂的危害要小得多，但消费者需要从杂货店将22.67kg(50ib)袋盐运回家中以每隔几周重新填充他们的软化剂，这是主要的不便。此外，来自水软化器的富盐再生剂流出物(其被冲入下水道中)可能难以在城市废物处理设施中处理。化学再生的另一个负面环境影响来自需要大量的水来冲洗再生的离子交换柱并为随后的操作步骤做好准备。水不仅在世界上许多地区是稀缺的，而且在处置之前还必须处理(例如中和)由此产生的大量稀释废冲洗水。
8、在例如美国专利us3,645,884(gilliland)、美国专利us4,032,452(davis)和美国专利us4,465,573(o'hare)中公开了避免再生剂化学品用于离子交换材料的电化学再生的连续工艺。在这些电渗析系统中，离子交换材料(最通常为珠粒形式)通过多个单极阳离子和阴离子交换膜与两个电极分开；然后通过电渗析工艺连续再生离子交换珠粒材料，其中离子在电场中迁移通过溶液、珠粒和相容的单极膜(即，阳离子通过单极阳离子交换膜，阴离子通过单极阴离子交换膜)，直到它们被不相容的单极膜屏障阻止进一步移动。单极离子交换膜使一种极性离子通过而阻止相反极性的离子通过的这种性质被称为渗透选择性。因为它是一个连续过程，所以电渗析的特征在于两种基本不同组分的分开的连续溶液流，即连续除去离子的产物水流和浓缩这些离子的废水流。电渗析方法相对于常规离子交换的主要优点是其连续操作，这减少了停机时间或避免了在第一离子交换柱再生期间需要第二(冗余)装置来操作。第二个重要的优点是由于使用电能而不是化学能来去除或取代离子，电渗析废物流仅含有从产物水中除去的离子。因为常规离子交换中的化学再生是相对缓慢且本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水处理装置(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述溶液流路径(121)包括单一且连续的溶液通道，所述溶液通道流过所述水分解膜(100)的所述阳离子和阴离子交换表面(105、110)两者。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中所述电池(20)包括多个水分解膜(100)，并且其中所述溶液流路径(121)包括单一且连续的溶液通道(122)，所述溶液通道(122)流过(i)所述电极(40、45)，和(ii)每个水分解膜(100)的所述阳离子和阴离子交换表面(105、110)两者。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，所述电池(20)包括多个叉指式的水分解膜(100)，所述水分解膜(100)具有附接到所述壳体(25)的交替端。
5.根据权利要求1所述的装置(1)，其中(i)所述水分解膜(100)以螺旋布置卷绕以形成圆柱状，并且(ii)所述第一电极(40)或所述第二电极(45)包括包围所述水分解膜(100)的所述螺旋布置的圆柱体。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其中，所述溶
7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的装置(1)，其中所述水分解膜(100)包括以下特征中的至少一个：
8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其中，所述水分解膜(100)的所述阳离子交换表面(105)包括至少两个阳离子交换层，每个阳离子交换层包括不同的阳离子化学基团。
9.根据权利要求8所述的装置(1)，其中内部阳离子交换层包括SO3-化学基团，并且外部阳离子交换层包括除SO3-之外的离子交换化学基团。
10.根据前述权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其中所述水分解膜(100)的所述阴离子交换表面(110)包括至少两个阴离子交换层，每个阴离子交换层包括不同的阳离子化学基团。
11.根据权利要求10所述的装置(1)，其中内部阴离子交换层包括NR3+基团，并且外部阴离子交换层包括除NR3+之外的离子交换基团，其中R选自由脂族烃、脂族醇和芳香族烃组成的组。
12.一种根据权利要求1至11所述的装置处理水的方法，所述方法包括以下步骤：
13.根据权利要求12所述的方法，其中当所述EC-I处于再生阶段时，水从供给管线FL通过管线FL1进入EC-I，在通过EC-1之后，所述水进入管线WL1并通过废水管线WL被丢弃到废水出口5B中。
14.根据权利要求12所述的方法，其中当所述EC-II处于再生阶段时，水从供给管线FL通过管线FL2进入EC-II，在通过EC-I之后，所述水进入管线WL2并通过废水管线WL被丢弃到废水出口5B中。
15.根据权利要求12所述的方法，其中当所述EC-III处于再生阶段时，水从供给管线FL通过管线FL3进入EC-III，在通过EC-1之后，所述水进入管线WL3并通过废水管线WL被丢弃到废水出口5B中。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种水处理装置(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述溶液流路径(121)包括单一且连续的溶液通道，所述溶液通道流过所述水分解膜(100)的所述阳离子和阴离子交换表面(105、110)两者。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中所述电池(20)包括多个水分解膜(100)，并且其中所述溶液流路径(121)包括单一且连续的溶液通道(122)，所述溶液通道(122)流过(i)所述电极(40、45)，和(ii)每个水分解膜(100)的所述阳离子和阴离子交换表面(105、110)两者。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，所述电池(20)包括多个叉指式的水分解膜(100)，所述水分解膜(100)具有附接到所述壳体(25)的交替端。
5.根据权利要求1所述的装置(1)，其中(i)所述水分解膜(100)以螺旋布置卷绕以形成圆柱状，并且(ii)所述第一电极(40)或所述第二电极(45)包括包围所述水分解膜(100)的所述螺旋布置的圆柱体。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其中，所述溶液流路径(121)允许所述流入溶液流在所述螺旋的方向上流过所述水分解膜(100)的所述阳离子和阴离子交换层表面(105、110)两者。
7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的装置(1)，其中所述水分解膜(100)包括以下特征中的至少一个：
8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其中，所述水分解膜(100)的所述阳离...
【专利技术属性】
技术研发人员：王尧，鄢睿，黄苗全，张呈乾，赵楠，
申请(专利权)人：浙江沁园水处理科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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