CN103496766A - 一种高效率低能耗型废水回收利用装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效率低能耗型废水回收利用装置及其应用,其特征在于:包括原水储箱,流量计组,浓缩型电渗析器组,阳极水气液分离器和阴极水气液分离器;流量计组分别通过管路与第一级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室、阳极水室和阴极水室相连通;末级浓缩型电渗析器的阳极水室通过管路经阳极水气液分离器与原水储箱相连通,阴极水室通过管路经阴极水气液分离器与原水储箱相连通,浓水室通过管路经浓水外输泵经产品浓水流量计输出,淡水室通过管路直接输出。本发明通过合理控制得到高度浓缩的、含有回收价值的有用资源的浓水及回收淡水资源,最终实现工业废水“零排放”。本发明具有性能可靠,节省能耗等优点。

Description

一种高效率低能耗型废水回收利用装置及其应用
技术领域
本发明涉及工业废水回收领域,具体地说是一种高效率低能耗型废水回收利用装置及其应用。
背景技术
废水资源化是回收水资源和废水中其它有用的化学资源,实现废水零排放,保护生态环境的重要技术。工业废水零排放的关键装备是电渗析浓缩器。
1、废水回收利用的目的有两个:一是回收废水中的水资源,废水中水资源占90%以上,脱除其中的盐类,达到生产工艺用水的要求,回用于生产中。即避免了废水污染环境水体,又避免消耗自然界已被过度开发,已经非常短缺的淡水资源;二是回收废水中其它的资源,废水中的各种金属盐类,既是污染源,又是可以回收的资源,而且往往就是生产工艺的原料或者产品,若能将之回收,则生产成本必然下降,同时还减少了排污费,使企业从中得到双重的经济效益。
2、废水回收利用常用的手段有两种:一是蒸发法。所谓的蒸发,就是将废水中的液态水,汽化为水蒸气,冷凝后得到淡水。典型的应用例子就是多级闪蒸型海水淡化装置。蒸发法常用的有(多级)真空蒸发和热泵蒸发两种工艺,其目的都是为了节约蒸汽的消耗,降低废水处理成本。我们知道,蒸发1m3的水所消耗的能量(汽化/潜热)是将其从0℃加热到100℃所需要能量(升温/显热)的5倍,所以蒸发是一个高能耗的工艺过程。工业上在有余热的场合使用比较合算。蒸发浓缩得到的浓水,一般可以直接或经过冷却(冻)得到固体的盐类结晶,再经过离心机将其与母液分离、洗涤、干燥即可得到成品;当然,如果生产工艺允许,也可以将浓水直接回用于生产中;二是电渗析法。电渗析法的工业应用历史已经有40多年了,它只消耗电能,电能利用率也达到90%以上,装置的使用寿命也可以达到5年以上,是一种非常实用的技术装备。电渗析法用于废水处理,可以方便地既得到淡水又可以将废水浓缩到几十倍甚至上百倍,经过(冷冻或蒸发)结晶、分离、洗涤、干燥就可以得到有用化学资源的固体结晶。电渗析法在满足同样的废水资源化的任务时,能量的消耗仅为蒸发法的1/5-1/10,而且只消耗电能,不需要工业锅炉及其配套的附属设备,所以处理***组成简单,使用寿命长,废水处理成本低。为了使电渗析法更好地用于废水资源化,特将本法的核心—浓缩型电渗析器的机械密封和结构、工艺流程、电力供应三个主要方面,做了重新设计。工业实用结果表明,这次全部重新设计的电渗析法废水资源化工程中,达到了设计要求。
由上可见,浓缩型的电渗析器是废水资源化的重要的浓缩器。它的能耗仅为蒸发浓缩的1/5-1/10。并且还可以方便地与蒸发相结合,应用于一些特殊的废水的资源化。这里的废水资源化是指:一是要将水资源回收,回收的方法中极为重要的一点就是用浓缩型电渗析器去除其中的各种盐类,使之达到工业工艺用水的标准,再次回到工业生产工艺中去;二是要将工业废水中有用的金属盐或其它有用资源回收,回收的方法中极为重要的一点就是用浓缩型电渗析器浓缩其中的金属盐类,之后可以通过冷冻结晶,或再经蒸发得到固态的金属化合物。与常见的淡化型电渗析器不同,浓缩型电渗析器必须是具有极高的水收率,否则就达不到浓缩倍数或称为浓缩倍率的要求,增加之后的蒸发量,也就增加了能源的消耗。
总的来说,使用浓缩型电渗析器浓缩废水,得到含盐量相当于自来水水平的工艺回收用水,同时,还得到高度浓缩的、含有回收价值的有用化学资源的浓水,再经过冷冻结晶或稍加蒸发,就可以得到结晶固体。因为这时母液的体积,已经是原来废水质量的百分之几,所以,即使使用蒸发的办法,使其全部汽化所消耗的能量,也是可以接受的。以上所述就是人们常说的废水“零排放”。要达到零排放的目的,浓缩型电渗析器是不可或缺的。再有,直流电源是浓缩型电渗析器生产能力的至关重要的保障,恒流电源对于浓缩型电渗析器具有重要意义。
应用浓缩型电渗析器进行废水资源回收与应用淡化型电渗析器一样,也有三个主要部分组成,即:
第一是膜堆本体——包含锁紧端板、电极室、膜堆,对于它们的基本要求是可以有效防止极水、浓水、淡水之间的互相渗漏。尤其是电极室,需要重新设计与淡化电渗析器不同的电极室,才能满足要求。另外要选用能耐污染的膜。膜在裁剪前的处理比淡化型电渗析器更为重要;
第二是浓缩时的水路控制***及工艺流程——能不能达到设计的浓缩倍数这是至关重要的,重新设计的水路控制***及工艺流程,才能满足浓缩倍数的设计要求;
第三是浓缩型电渗析器的供电电源——浓缩型电渗析器的工作电流都很大,作为电渗析器过程的能源供给,浓缩型电渗析器对于供电电源的要求远高于淡化型。恒流源式的电源是必须的,它是生产能力的保障。
这三部分都必须同时满足浓缩型电渗析器的要求,才能完成工业废水浓缩的任务。
30年前电渗析发展到“自动频繁倒极电渗析(英文字头EDR)”的高级阶段后,由于能在连续工作期间自动定时进行自身清洗,保证了电渗析器能长期、连续、稳定地工作。所以现代的电渗析器大部分采用EDR型,本发明中的浓缩型电渗析器当然也不例外。
现有技术中浓缩型电渗析器如图1所示,由膜堆锁紧端板1’、胶板垫片Ⅰ2’、电极框3’、密封垫Ⅱ4’、护膜孔板5’和极膜及膜堆6’依次固定连接而成,在电极框3’内设有电极8’,另外图中7’为电极水出口、9’为电极水进口,10’为护膜孔板开孔部分。现有技术中的电渗析器存在如下缺陷:
1、现有技术中的电极框3’的厚度一般为20mm~25mm,若要满足国内外公认的极水流速≥10cm/s的要求,极水用量较大,400×1600的膜堆每个极室至少需要2.5m3/h。由于电极框3’两侧的胶板垫片Ⅰ2’和密封垫Ⅱ4’中间部分行业习惯都是挖空的,垫片厚度3mm,所以实际上电极室的厚度是26mm,极水需要3.3m3/h,才能满足极水流速≥10cm/s的要求。这成为苦咸水淡化中水利用率难以提高的主因之一,所以通常都使用很少的极水量,极水的流速也就很小。流速较小的极水很难冲出电极室3’结垢碎屑,尤其是图1的电极水进口9’和电极水出口7’都在侧面,电极水在极水室中的分布很不均匀,偏流严重,将会导致倒极操作时脱落的垢屑在电极室3’中积累,进一步使极水流动不畅,恶性循环的结果,导致电极室结垢的加重,只好停机清垢,这在工程上并不少见。另外由于极水流速小,压降小,也容易使护膜孔板开孔部分10’被压向电极框内变形,导致电渗析本体漏水。同时还会导致浓、淡水室的水向极室压力渗透,使电渗析的水收率下降。所谓的无极水电渗析器,实际上就是利用浓、淡水室向电极室的渗透来得到极水的,并不是真的没有极水。如果真的断掉极水,电极就会过热,进一步就会导致电极室损坏;
2、电极框3’与护膜孔板5’分立为两个部件,为此增设了一个密封垫Ⅱ4’,增加了电渗析漏水的隐患,也增加了膜堆装配的麻烦;
3、护膜孔板5’设计的普遍较薄,一般采用厚度为6~8mm的PVC板,在多段电渗析串联时,由于水压降较大,护膜孔板被压变形是常有的事,导致电渗析漏水,只好拆开膜堆更换孔板。由于孔板较薄,强度和刚性均不足,开孔率只能做到40%,从而导致极室电阻增大。
废水资源回收的高水收率是节约水资源的根本手段。由于环境保护的要求,希望废水尽量得到回用,以致达到零排放。尤其是许多废水中含有有用的化学资源,若任由其排放将对环境造成严重污染的同时,也浪费了有回收价值的资源。所以现代的工业废水处理都很重视废水的浓缩,以便于回收其中的有用化学资源。反渗透RO技术就是常用的,但是由于技术和装备条件的限制RO的水收率只有75%,也就是说浓水的浓缩倍数只有4倍,要想回收废水中的有用化学资源,还需加设耗能很大的蒸发工艺设备。
常规的电渗析的水路控制***及工艺流程,如图3所示(倒极时倒换水路的管路没表达),图中:101’为原水箱,102’为浓水流量计,103’为原水流量计,104’为极水流量计,105’为原水泵,106’为第三级电渗析器,107’为第二级电渗析器,108’为第一级电渗析器,A为淡水输出管路,B为浓水输出管路。以苦咸水淡化项目为例,采用如图3所示的装置***,产水能力10m3/h。各个管路流量如下;原水流量为14m3/h,淡水流量为10m3/h,浓水流量为3.5m3/h,浓水使用原水,用后排放;极水流量为0.5m3/h,使用原水,用后返回原水箱,水收率=10/(10+3.5)×100%=74%。
综上分析,急需提供一种节能高效的浓缩型电渗析器及应用该电渗析器进行工业废水回收的***以解决现有技术中存在的不足。
发明内容
根据上述提出的技术问题,而提供一种高效率低能耗型废水回收利用装置及其应用。
本发明采用的技术手段如下:
一种高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:包括原水储箱,通过管路经原水泵与所述原水储箱相连通的流量计组,通过管路与所述流量计组相连通的浓缩型电渗析器组,阳极水气液分离器和阴极水气液分离器,其中,所述浓缩型电渗析器组包括至少两级浓缩型电渗析器;
所述流量计组包括原水流量计、浓水流量计、阳极水流量计和阴极水流量计,上述流量计分别通过管路与第一级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室、阳极水室和阴极水室相连通;
末级浓缩型电渗析器的阳极水室通过管路经所述阳极水气液分离器与所述原水储箱相连通;末级浓缩型电渗析器的阴极水室通过管路经所述阴极水气液分离器与所述原水储箱相连通;
所述末级浓缩型电渗析器的浓水室通过管路经浓水外输泵经产品浓水流量计输出;所述末级浓缩型电渗析器的淡水室通过管路直接输出。
作为优选,所述浓缩型电渗析器包括依次固定连接的膜堆锁紧端板、密封垫、一体化电极室和极膜及膜堆;
所述一体化电极室包括用于容纳电极的电极舱和护膜孔板;所述膜堆锁紧端板的上、下两端分别设有电极水出口和电极水进口,所述密封垫的上、下两端分别设有与所述电极水出口和所述电极水进口相匹配的流通孔Ⅰ和流通孔Ⅱ。
作为优选,所述电极舱和所述护膜孔板的厚度比为1:3-4。
作为优选,所述护膜孔板的开孔率大于等于60%。
作为优选,所述极膜与膜堆在使用前,需将极膜和所需的阴、阳膜均在与浓缩液所能达到的最高浓度相同的盐类的水溶液中浸泡48h以上。
作为优选,所述流量计组还包括浓水补充水流量计,所述浓水补充水流量计通过管路与末级浓缩型电渗析器的浓水室的输出管路相连通,并经浓水循环泵与所述浓水流量计相连通。
作为优选,所述第一级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室进口处设有用于倒极工作的控制开关阀门组Ⅰ;所述末级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室出口处设有用于倒极工作的控制开关阀门组Ⅱ。
作为优选,当所述浓缩型电渗析器的级数小于等于二级时,所述浓缩型电渗析器采用恒流电源供电;当所述浓缩型电渗析器的级数大于二级时,第一、二级浓缩型电渗析器采用恒流电源供电,第三级以上的浓缩型电渗析器采用恒压电源供电。另外,当原水的水质不能满足极水的要求时,应设立单独的极水循环***,以防止电极收到损害。
本发明还公开了上述高效率低能耗型废水回收利用装置的应用,其特征在于:包括废水回收利用装置、冷冻/蒸发结晶器、离心分离机、干燥器;废水经废水回收利用装置处理后分为两部分,一部分为回收的淡水资源,回到生产工艺中;另一部分依次经冷冻/蒸发结晶器、离心分离机、干燥器得到回收的有用化学资源的固体结晶,其中离心分离机分离出的结晶母液回到废水回收利用装置中循环浓缩处理。采用此废水回收利用装置可得到淡水及有回收价值的有用的化学资源的结晶固体,达到废水的零排放。进一步地,本发明中提出的浓缩型电渗析器同样适用于淡化型电渗析器,可以大幅度提高水利用率、提高节能效果。
较现有技术相比,本发明提供的高效率低能耗型废水回收利用装置采用现代工艺的浓缩型电渗析***经过重新设计,水收率得到很大的提高,已经从原有的65-85%,即浓缩倍数3-7倍提高到20倍,即水收率已经达到95%以上,这已经接近只有一个电渗析器***时浓缩倍数的最大值。
其中,本发明提供的浓缩型电渗析器具有如下优点:
①一体化电极室是在一定厚度的PVC板上,使用铣床,铣出一定深度的电极舱后,在剩余厚度的PVC板上钻孔,形成护膜孔板,保证电极舱和护膜孔板的厚度比为1:3-4,如PVC板厚为15mm,那么电极舱的厚度为3mm,护膜孔板厚度为12mm。电极舱可以使用各种丝式电极和网式电极。本发明提供的一体化电极室当极水流速达到10cm/s流速时,极水的用量仅为图1的1/10。
在400×1600的膜堆上使用,极水的用量的计算值为每个极室0.4~0.5m3/h。实际上,这时电极本身的占空率已经不能忽略,比如网式电极已经接近于1mm厚的平板,此时,每个极室极水的实际用量0.3m3/h即可。节水效果显著。即使在处理重度苦咸水时,用后的极水不回收,对于水收率的影响也仅为3%左右。
需要强调的是,本发明中的密封垫的中间部分并不挖空(如图1中,密封垫Ⅰ和密封垫Ⅱ的中间部分均为挖空状态),以免影响极水的流速。
由于极水用量小了,阴极水与阳极水可以分别供给,减少了两电极之间的漏电,提高了电流效率。浓缩型电渗析器由于处理的废水的含盐量都较多,作为极水使用时,必须将阴、阳极水分供,否则就会导致漏电加大。
还由于极水流速较大,极室的压力与浓、淡水室的压力接近,消除了向极水室压渗的可能,这对于提高水收率也是至关重要的。
②极水进入电极室时如果偏流比较严重,会形成死角区,导致碱性垢屑的堆积,极室结垢后以至于电渗析器停机,严重时只好拆开清理。而本发明的电极室采用从锁紧端板供给极水,可以方便的布置两个进、出水口,避免了极水偏流;
③为了增加孔内水的流动性以减少极室的电压降,护膜孔板的开孔率增加到大于等于60%,极区的电压降得以降低,由于一体化的电极室的刚性和强度都较好,才使得开孔率得以提高;护膜孔板较厚又有电极框的支撑和加强,变形的可能几乎没有,电渗析器运行的隐患得以消除。
④节省了电极室的材料费,也减少了膜堆在装配中的麻烦。
在组装本发明的浓缩型电渗析器前,需对裁剪前膜进行预处理,即需要与处理的浓缩液相同的盐类的水溶液浸泡48h以上,才能裁剪后用于膜堆组装。膜堆在组装的过程中,一定要注意极膜、阴阳膜和隔板表面的清洁,隔板两端的各8个浓、淡水流道孔中间的间隔的位置上是否有杂物,比如,隔板网所用的丝网的丝头,因为这里是最容易导致浓、淡水互渗的地方。当然,其它位置的杂物也需仔细清除。
本发明提供的废水回收利用装置较现有技术具有以下区别:
首先,本装置中的极水采用了原水,电极室采用一体化形式。假定每个电极室用水量为0.4m3/h时,极水流速可达到13cm/s,极室压力与浓水室和淡水室的压力是平衡的。防止了浓、淡水室向极水室的渗透,以确保除盐率和水收率达到设计要求;为了防止浓水室和淡水室的互相渗透,设置了浓水循环泵,使电渗析器体内的浓水流量与原水流量相等,也就保证了浓水室和淡水室的压力是互相平衡的。因为浓水向淡水室渗透将使得除盐率不能达标;而淡水向浓水室的渗透将稀释浓水,使其达不到要求的浓水浓度。由于浓缩型电渗析器的工作电流较大,阳极的产气Cl2和O2,以及阴极的产气H2的生成量都比较多,必须将气体分离后分别排至室外,分离后的水返回原水箱。总之,要确保只有通过浓水补水流量计向循环浓水补水这一条路通畅,其它所有的渗漏途径一概不能有,而做到这一点的核心是各个水室的压力要相等。以某废水回收项目为例,采用如图4所示的装置,应用其水路控制及工艺流程,产水能力10m3/h。各个管路流量如下;原(废)水流量为11.5m3/h,淡水流量为10m3/h,浓水补充水流量为0.5m3/h,极水流量为(0.5×2=1)m3/h,使用原水,用后返回原水箱,浓水循环水流量为9.5m3/h,水收率=10/(10+0.5)×100%=95.2%。即:浓水倍数=0.5/0.5=21(倍)。为了得到更浓的浓水,比如20%-50%质量浓度的浓水,则增加一个浓缩型电渗析器即可。当原水由于水质的问题,并不适合作为极水使用。可以采用以下办法:(1)用原水添加盐酸的方法来防垢。这时极水单独循环定期将用过的含盐量增高的极水排往原水中;(2)用自来水或浓缩型电渗析器自身所产的淡水,与相应的盐类配制极水,并且单独循环。也要定期将用过的含盐量增高的极水排往原水中。
其次,经多年研究和实践,浓缩型电渗析器本质上是一种浓差蓄电池性负载,接入直流电源可以充电(图6中的第一幅图所示,A向工作,第四幅图为B向工作);脱离电源可以通过诸如点灯来放电(图6中的第二幅图所示)。实际使用中,在倒极开始时,直流供电已经停止,这时电压表上显示出的电压,就是浓差蓄电池的电动势。
浓缩型电渗析器在工作中每片膜的两面积累浓度差,即浓室的浓度高于淡室,形成膜浓差电(位)动势,相当于蓄电池充电。脱离电源后,在浓差电动势的驱动下,浓室的离子透过膜向淡室扩散,即形成了第二类导体(即电解质,膜是固态电解质)中的电流。脱离电源后在浓缩型电渗析器两端的电极上就能测量到直流电压,接上一个小灯泡,可以持续点亮,这就是浓差蓄电池的放电过程。浓缩型电渗析器由若干个浓室、淡室组成,也就是说有若干个单体浓差电(位)动势叠加。这就是我们所说的浓差蓄电池。
由图6可见,浓缩型电渗析器对于电源来说是一个带有一个大电阻R的蓄电池性负载,与所有的蓄电池一样,都希望R越小越好,从而可以提高对于电能的利用率。浓缩型电渗析器所串联的R,包含的内容很多:1.电渗析本体的物理结构参数:膜对数—膜对数越多,膜和隔板网所形成的电阻越大;隔板的形式及其厚度—有回路和无回路的隔板、0.5—2mm厚的隔板,其电阻值各不相同;电极室的结构—3mm薄电极室的电阻值比20mm厚电极室要小;电极室孔板的开孔率—开孔率高者其电阻值也小。2.浓水、淡水、极水的浓度:各水的浓度越高其电阻值也就越小。3.浓水、淡水、极水的温度:各水的温度越高其电阻值也就越小。有余热的场合尽量利用起来。4.浓水、淡水、极水的流动速度:水的流速高,对于层流的破坏越厉害,浓、淡水室的浓差越小,离子耗竭层越薄,电阻值越小。但是一般流速3~10cm/s已经足够,再高则白白增加水泵的动力消耗。当浓、淡水的浓度都较高时,比如10g/L以上,则流速小至0.5mm/s也不会引起浓差极化,电阻值并不增加。极水由于只有一室,阻力很小,为了与浓、淡水室压力平衡,希望流速高一些,比如10~20cm/s,对于电极反应、电极冷却、冲出垢屑都有利。但其对于动能消耗的影响不大。5.浓、淡水出口处的浓差值:在淡化型电渗析器中,浓差值不大时,可以不考虑。浓缩型电渗析器由于水收率特别高,所以浓水出口质量浓度可能达到淡水出口质量浓度的数百倍,此时浓差蓄电池的电动势也需要另外的外加电压来平衡,这也相当于一种附加电阻。浓水出口质量浓度可能达到淡水出口质量浓度的差值越大,附加的电阻也越大。
蓄电池在充电时必须使用恒流源充电。图7是锂离子(蓄)电池的充放电曲线。放电时的终止电压为3.2v,充电时的终止电压为4.2v,充电时是恒流进行的。充电的电压也比3.7v要高,与所有的蓄电池一样,锂离子电池也是有内阻的。至于充电电压高出多少,则要看当时的条件,比如当时的温度是多少,温度高则电解质的电阻小,充电器输出的电压就要小一些。其实就是内阻也是有变化的。当然,电压作为充电过程的推动力,必须留出充分的余地。单节的锂离子电池的充电器都有5v的电压输出。
浓缩型电渗析器工作时也是一个蓄电池充电的过程,图8所示,可见其与离子(蓄)电池的充放电曲线基本一致。浓缩型电渗析器工作时,实际上就是在累计“浓度差”,使淡水越来越淡,浓水越来越浓,一旦撤掉直流电源,浓缩型电渗析器内累计的浓度差,浓缩型电渗析器两端的电极上就可以得到电压,接上小灯泡,浓缩型电渗析器就在浓差扩散的自然力推动下,浓缩型电渗析器内部离子由浓室向淡室移动,经过浓缩型电渗析器两端的电极室的电极的电化学反应,将二类导体水溶液的离子导电,转换为一类导体金属的电子导电,小灯泡就会亮起来。
为了保证浓缩型电渗析器的工作能力,必须有一定的电压U工作来推动浓缩过程的进行,电压会随着来水的浓度和温度波动而波动,但是,由于采用了恒流源工作电流并不会改变,也就是说浓缩型电渗析器在单位时间内被转移的盐量是恒定的。这样浓缩型电渗析器产水的质量浓度就是恒定的。如果,原水的质量浓度降低,而工作电流恒定不变,就会导致浓缩型电渗析器处于极化状态,使得U工作升高至U极化,结垢量就会大量增加,这就是为什么多级的浓缩型电渗析器的前一、两级采用恒流源而后几级采用恒压源的原因—增强对于原水浓度变化的适应能力。
再有,倒极操作的电渗析被称为自动频繁倒极的电渗析,巧妙地利用倒换电极极性的同时倒换浓缩型电渗析器内浓、淡水室的物理位置,将原来阴极室和原浓水室刚刚生成的结晶的晶核,重新溶解后再经除盐。电极室的阴、阳换位也可消除原来阴极室的碱性垢。本发明采用控制开关阀组实现倒极操作。倒极时也相应的引起电流电压变化,如果倒极时不等浓、淡水室置换完毕,就先倒换电极极性,称为“直接倒极”(如图6第三幅图所示),这时淡化型电渗析器就会出现3-5倍于工作电流的浪涌冲击电流I短路,并持续数分钟,给电源、控制电路、电渗析器本体造成很大伤害,这种情况实际上相当于电源与浓缩型电渗析器相互短路,只是由于大阻值电阻R的限制I短路才不至于处于发散状态。即使采取分段倒换水路,分级半压上电,各级各段均半压上电后,再持续半压供电一段时间后,再全压供电,可以将浪涌电流限制于1.2倍的工作电流,但是倒极期间产出的水都是不合格的,对于电渗析器的生产能力造成较大的影响。另外,倒极产生的浪涌冲击电流已经大幅度地超过了极限电流,会增加电渗析器的结垢量。正是对于电渗析器的负载特性的深入研究的结果,才有了浓缩型电渗析器的设计成功,这是一个理论指导实践的过程,比如恒流电源的开发和应用。
由上述分析可知,浓缩型电渗析器由于工作电流比淡化型电渗析器大得多,上述倒极过程的影响将很严重,因此必须使用恒流型电源。恒流源倒极的过程比较简单,每段电渗析器的浓、淡水室置换完成后,立即全电流供电,由于采用恒流源,所以没有浪涌冲击电流发生,用最快的速度完成了倒极过程。保证了产水水质,保护了电源和控制电路、电渗析器膜堆的安全。
当浓缩***中包含多级电渗析器时,则可以在第一、二级采用恒流源,而后面几级采用恒压源,使之对于原水水质和水温的波动,具有一定的适应性,减少产水水质的波动。由于后几级的电流都比较小,采用浓、淡水室置换后,全压上电,不会引起过大的浪涌冲击电流,而不大的浪涌电流由于电源设计中已经留有充分的余量,所以无论对于电源、控制电路还是膜堆都能承受得起,不至于引起早期损坏。
采用恒流运行是浓缩型电渗析器的一大进步,具体表现在:浓水的质量浓度有了切实的保证,由于除盐过程严格遵循法拉第电解定律,所以电渗析器工作中转移的盐量与恒定的工作电流直接相关,从而浓水的质量浓度也就有了切实的保证;可以严格控制产水的pH值,产水pH偏酸是由于超极限电流工作导致极化的结果,此时,浓水往往是碱性的,使得浓水室结碱垢的几率大为增加。为了提高产水效率,工作电流已经接近极限电流的90%,各种条件的正常波动是不可避免的,用恒压源时,工作电流很容易超过极限电流,引起电渗析器结垢加重。使用恒流源按照电子计算机工艺计算程序得出的极限电流值来调定工作电流,然后,再向略偏小的方向微调后,一般的波动根本不会影响恒流值。浓、淡水室的结垢问题也就变得是可控的了;由于恒流工作从根本上杜绝了浪涌电流,所以电源的预留容量可以减少,电源制造成本得以减低。杜绝电渗析器本体、电极和电源的电冲击,降低了制造成本和日常的损耗;可以提高电渗析的产水量,实验证明,即使直接倒极,恒压源的浪涌电流为工作电流的300%-500%,而恒流源的恒流值仅变化1-3%,也就是说此时的电流是极限电流90%增加到91%-93%,根本没有浪涌电流的产生的可能。置换各个水室后,不必半压上电去减少浪涌电流,而是可以直接全电流供电,这样就减少了倒极暂态过程的无效时间,提高产水量。
综上,正是有了适合于废水浓缩的具有一体化电极室的浓缩型电渗析器、制水工艺流程及其控制***和恒流电源和脉冲电源这三者的有机组合,才有了能同时回收淡水资源和其它有用化学资源、性能可靠、节省能耗、实现废水零排放、能够长期、稳定运行的本发明的高效率低能耗型废水回收利用装置。基于上述理由本发明可在废水资源回收等领域广泛推广。另外,本发明也可以应用于淡化型电渗析器,同样可使其工作效率和节能效果大幅度提高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术中浓缩型电渗析器的结构示意图。
图2是本发明的浓缩型电渗析器的结构示意图。
图3是现有技术中回收废水装置的工艺流程示意图。
图4是本发明废水回收利用装置的工艺流程示意图。
图5是本发明控制开关阀门组Ⅰ和控制开关阀门组Ⅱ的示意图。
图6是浓缩型电渗析器的负载特性说明图。
图7是锂离子(蓄)电池的充放电曲线。
图8是本发明浓缩型电渗析器采用恒流电源供电的原理分析图。
图9是本发明应用于废水回收时的工艺流程图。
具体实施方式
一种高效率低能耗型废水回收利用装置(如图4所示),包括原水储箱101,通过管路经原水泵105与所述原水储箱101相连通的流量计组,通过管路与所述流量计组相连通的浓缩型电渗析器组,阳极水气液分离器114和阴极水气液分离器115,其中,所述浓缩型电渗析器组包括至少两级浓缩型电渗析器;
所述流量计组包括原水流量计109、浓水流量计110、阳极水流量计103和阴极水流量计104,上述流量计分别通过管路与第一级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室、阳极水室和阴极水室相连通;
末级浓缩型电渗析器的阳极水室通过管路经所述阳极水气液分离器114与所述原水储箱101相连通;末级浓缩型电渗析器的阴极水室通过管路经所述阴极水气液分离器115与所述原水储箱101相连通;
所述末级浓缩型电渗析器的浓水室通过管路经浓水外输泵113经产品浓水流量计112输出;所述末级浓缩型电渗析器的淡水室通过管路直接输出。
所述流量计组还包括浓水补充水流量计102,所述浓水补充水流量计102通过管路与末级浓缩型电渗析器的浓水室的输出管路相连通,并经浓水循环泵111与所述浓水流量计110相连通。
所述第一级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室进口处设有用于倒极工作的控制开关阀门组Ⅰ;所述末级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室出口处设有用于倒极工作的控制开关阀门组Ⅱ(如图6所示,C为控制开关阀门组Ⅰ,D为控制开关阀门组Ⅱ),通过对自动阀门V1-V8的开闭控制水流方向,实现倒极操作时的水路的倒换。
其中,如图2所示,所述浓缩型电渗析器包括依次固定连接的膜堆锁紧端板1、密封垫2、一体化电极室3和极膜及膜堆4;所述一体化电极室3包括用于容纳电极的电极舱6和护膜孔板8;所述膜堆锁紧端板1的上、下两端分别设有电极水出口5和电极水进口7,所述密封垫2的上、下两端分别设有与所述电极水出口5和所述电极水进口7相匹配的流通孔Ⅰ和流通孔Ⅱ。所述电极舱6和所述护膜孔板8的厚度比为1:3-4。所述护膜孔板8的开孔率大于等于60%。所述极膜与膜堆4在使用前,需将极膜和所需的阴、阳膜均在与浓缩液所能达到的最高浓度相同的盐类的水溶液中浸泡48h以上。
如图9所示,为本发明的一个具体的应用实例,包括废水回收利用装置Ⅰ、冷冻/蒸发结晶器Ⅱ、离心分离机Ⅲ、干燥器Ⅳ;废水经废水回收利用装置Ⅰ处理后分为两部分,一部分为回收的淡水资源,回到生产工艺中;另一部分依次经冷冻/蒸发结晶器Ⅱ、离心分离机Ⅲ、干燥器Ⅳ得到回收的有用化学资源的固体结晶,其中离心分离机Ⅲ分离出的结晶母液回到废水回收利用装置Ⅰ中循环浓缩处理。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:包括原水储箱(101),通过管路经原水泵(105)与所述原水储箱(101)相连通的流量计组,通过管路与所述流量计组相连通的浓缩型电渗析器组,阳极水气液分离器(114)和阴极水气液分离器(115),其中,所述浓缩型电渗析器组包括至少两级浓缩型电渗析器;
所述流量计组包括原水流量计(109)、浓水流量计(110)、阳极水流量计(103)和阴极水流量计(104),上述流量计分别通过管路与第一级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室、阳极水室和阴极水室相连通;
末级浓缩型电渗析器的阳极水室通过管路经所述阳极水气液分离器(114)与所述原水储箱(101)相连通;末级浓缩型电渗析器的阴极水室通过管路经所述阴极水气液分离器(115)与所述原水储箱(101)相连通;
所述末级浓缩型电渗析器的浓水室通过管路经浓水外输泵(113)经产品浓水流量计(112)输出;所述末级浓缩型电渗析器的淡水室通过管路直接输出。
2.根据权利要求1所述的高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:所述浓缩型电渗析器包括依次固定连接的膜堆锁紧端板(1)、密封垫(2)、一体化电极室(3)和极膜及膜堆(4);
所述一体化电极室(3)包括用于容纳电极的电极舱(6)和护膜孔板(8);所述膜堆锁紧端板(1)的上、下两端分别设有电极水出口(5)和电极水进口(7),所述密封垫(2)的上、下两端分别设有与所述电极水出口(5)和所述电极水进口(7)相匹配的流通孔Ⅰ和流通孔Ⅱ。
3.根据权利要求2所述的高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:所述电极舱(6)和所述护膜孔板(8)的厚度比为1:3-4。
4.根据权利要求2所述的高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:所述护膜孔板(8)的开孔率大于等于60%。
5.根据权利要求2所述的高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:所述极膜与膜堆(4)在使用前,需将极膜和所需的阴、阳膜均在与浓缩液所能达到的最高浓度相同的盐类的水溶液中浸泡48h以上。
6.根据权利要求1至5任一项所述的高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:所述流量计组还包括浓水补充水流量计(102),所述浓水补充水流量计(102)通过管路与末级浓缩型电渗析器的浓水室的输出管路相连通,并经浓水循环泵(111)与所述浓水流量计(110)相连通。
7.根据权利要求6所述的高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:所述第一级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室进口处设有用于倒极工作的控制开关阀门组Ⅰ;所述末级浓缩型电渗析器的淡水室、浓水室出口处设有用于倒极工作的控制开关阀门组Ⅱ。
8.根据权利要求7所述的高效率低能耗型废水回收利用装置,其特征在于:当所述浓缩型电渗析器的级数小于等于二级时,所述浓缩型电渗析器采用恒流电源供电;当所述浓缩型电渗析器的级数大于二级时,第一、二级浓缩型电渗析器采用恒流电源供电,第三级以上的浓缩型电渗析器采用恒压电源供电。
9.一种权利要求1所述的高效率低能耗型废水回收利用装置的应用,其特征在于:包括废水回收利用装置(Ⅰ)、冷冻/蒸发结晶器(Ⅱ)、离心分离机(Ⅲ)、干燥器(Ⅳ);废水经废水回收利用装置(Ⅰ)处理后分为两部分,一部分为回收的淡水资源,回到生产工艺中;另一部分依次经冷冻/蒸发结晶器(Ⅱ)、离心分离机(Ⅲ)、干燥器(Ⅳ)得到回收的有用化学资源的固体结晶,其中离心分离机(Ⅲ)分离出的结晶母液回到废水回收利用装置(Ⅰ)中循环浓缩处理。
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