CN107265734B - 一种反渗透浓海水处理***和方法 - Google Patents

一种反渗透浓海水处理***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反渗透浓海水处理***和方法，其方法为：使用反渗透浓海水处理***；反渗透浓海水依次经过保安过滤器过滤，调节pH、增压后经过纳滤膜元件、树脂软化器、加热箱后得到热料液，热料液通过膜蒸馏组件，获得产水和浓料液，通过双极膜电渗析工艺对浓料液进行处理获得酸液和碱液；本发明软化效率高，膜蒸馏操作温度低，蒸发面积大，出水水质高，蒸汽潜热实现内部回收；由于膜蒸馏受浓度影响小，进行深度浓缩获得有利于双极膜电渗析工艺高效运行的浓料液，得到酸碱产品的价值高于固体盐，且与传统技术相比，节能，生产过程更为安全、环保。本发明制备的酸碱可用于纳滤阻垢和树脂再生，使整个***投加额外的化学药剂量减小，降低成本。

Description

一种反渗透浓海水处理***和方法
技术领域
本发明涉及水处理技术，尤其涉及一种反渗透浓海水处理***和方法。
背景技术
海水淡化已成为开辟水源的重要途径，而海水淡化的回收率一般只有40％-50％，目前浓海水一般是不经处理直接排回大海，浓海水的排放造成了资源的巨大浪费和海洋环境的污染，因此，如何处置浓海水是海水淡化产业可持续发展必须面临的一个问题。
专利号为201110411270.8、201110069347.8和201210150064.0披露了一些反渗透浓海水处理方法，如采用加药、离子膜、离子交换树脂等方法作为前级处理去除钙镁离子或提取钙钙镁产品后，最后通过蒸发结晶技术进行浓缩制盐。这些方法的浓海水前处理需要投加大量的化学药剂量，且经预处理的浓海水直接进行蒸发结晶，需要较大的***体积和较高的操作温度，导致***投资大、占地面积大和运行费用高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，结合膜蒸馏在低温条件的深度浓缩优点和双极膜电渗析在高盐度条件下的高效制备酸碱优点，提供一种反渗透浓海水处理***和方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种反渗透浓海水处理***，包括保安过滤器1，所述保安过滤器1通过管道依次与高压泵2、纳滤膜元件3、树脂软化器4、加热箱5、膜蒸馏循环泵6和膜蒸馏组件7的热料液进口7-1连接；膜蒸馏组件7的热料液出口7-3通过管道与冷却器8连接后再通过管道分别与膜蒸馏组件7的冷料液进口7-2和原料液罐10连接；原料液罐10通过管道与双极膜电渗析膜堆18的负极连接，原料液罐10通过管道依次与原料液循环泵14、双极膜电渗析膜堆18的正极连接；膜蒸馏组件7的冷料液出口7-4通过管道与加热箱5连接；膜蒸馏组件7的产水出口7-5通过管道与产水罐9连接；在膜蒸馏组件7的内部设置有中空纤维微孔疏水膜7-6和中空纤维冷凝管7-7，中空纤维微孔疏水膜的两端分别与热料液进口7-1和热料液出口7-3连接；中空纤维冷凝管7-7的两端分别与冷料液进口7-2和冷料液出口7-4连接；酸罐11通过管道与双极膜电渗析膜堆18的负极连接，酸罐11通过管道与酸循环泵15连接；酸循环泵15通过管道分别与双极膜电渗析膜堆18的正极和酸储罐21连接；碱罐12通过管道与双极膜电渗析膜堆18的负极连接，碱罐12通过管道与碱循环泵16连接，碱循环泵16通过管道分别与双极膜电渗析膜堆18的正极和碱储罐20连接；极水罐13通过管道与双极膜电渗析膜堆18的负极连接，极水罐13通过管道依次与极水循环泵17、双极膜电渗析膜堆18的正极连接；碱储罐20通过管道依次与碱投加泵23、树脂软化器4连接；酸储罐21通过管道与酸投加泵22连接；酸投加泵22通过管道分别与高压泵2的进口和树脂软化器4连接；稳压电源19的两端分别与双极膜电渗析膜堆18的正极和双极膜电渗析膜堆18的负极电连接。
所述纳滤膜元件为高选择性纳滤膜元件，所述高选择性纳滤膜元件的型号为XCN、HYDRApro或DK。
所述树脂软化器中的树脂为耐受高TDS的大孔弱酸阳树脂，所述耐受高TDS的大孔弱酸阳树脂的型号为IRC83或IRC76CRF。
所述稳压电源19的正负极相互切换。
一种反渗透浓海水处理方法，包括如下步骤：
(1)使用权利要求1-4之一的一种反渗透浓海水处理***；
(2)将反渗透浓海水通入保安过滤器1进行过滤，去除颗粒性杂质，获得预处理产水；
(3)将预处理产水用来自酸投加泵22投加的酸调节pH为2～4后，通过高压泵2增压至1.5MPa～2.5MPa，通入纳滤膜元件3进行初级软化处理，去除70％～90％的硬度离子和分子量在200以上的有机物，获得纳滤软水；纳滤软水再通入树脂软化器4进行深度软化处理，去除99％以上的硬度离子，获得树脂软水，树脂软水进入加热箱加热至60℃～90℃，获得热料液；当所述树脂软化器的树脂饱和后，依次启动酸投加泵22和碱投加泵23进行树脂再生；
(4)热料液通过膜蒸馏循环泵6输送至膜蒸馏组件的中空纤维微孔疏水膜7-6产生蒸汽，产生蒸汽后的热料液通过冷却器8冷却至20℃～30℃，冷却后的料液分两股，一股作为冷料液返回至膜蒸馏组件的中空纤维冷凝管7-7回收蒸汽潜热，同时产生淡水，淡水通入产水罐9收集；回收蒸汽潜热后的冷料液输送至加热箱5进行二次加热，依此循环；当加热箱的料液浓缩至质量浓度为15％～25％后，将另一股输送至原料液罐10，获得浓料液；
(5)依次开启原料液循环泵14、酸循环泵15、碱循环泵16和极水循环泵17，分别将所述浓料液、酸液、碱液、极水输送至双极膜电渗析膜堆正极，待流量稳定后，开启稳压电源19，调节至双极膜电渗析膜堆操作电流密度20mA/cm2～50mA/cm2，双极膜电渗析膜堆产生酸碱；
当酸罐的酸液质量浓度达到5％～12％后，通过酸循环泵15输送至酸储罐21；当碱罐的碱液质量浓度达到5％～12％％后，通过碱循环泵16输送至酸储罐20。
冷却器8的冷却液为纳滤膜元件的浓水、原始反渗透浓海水或海水。
酸罐11中的初始酸液为预先配制的质量浓度为0.2％～0.5％的盐酸水溶液，碱罐12中的初始碱液为预先配制的质量浓度为0.2％～0.5％的氢氧化钠水溶液，极水罐中的极水为预先配制的质量浓度为1％～3％的硫酸钠水溶液或硫酸钾水溶液。
本发明与传统的反渗透浓海水处理方法有本质的不同，提高了反渗透浓海水处理效率，并且还具有以下优点：
1.采用纳滤软化和树脂软化的耦合软化工艺，充分发挥了两种软化技术的优势，软化效率较高。
2.膜蒸馏工艺的操作温度低，蒸发面积大，出水水质高，蒸汽潜热可以实现内部回收；此外，由于膜蒸馏工艺受浓度影响较小，可进行深度浓缩获得有利于双极膜电渗析工艺高效运行的浓料液。
3.双极膜电渗析工艺免除了传统蒸发、结晶过程的高能耗，所得酸碱产品的价值高于固体盐这种微利产品，且与传统食盐电解法、隔膜电解法制备酸碱相比，更为节能，生产过程更为安全、环保。
4.双极膜电渗析工艺制备的酸碱可用于纳滤阻垢和树脂再生，使得整个***投加额外的化学药剂量减小，从而显著降低运行费用。
附图说明
图1为本发明反渗透浓海水处理***结构示意图；
1.保安过滤器；2.高压泵；3.纳滤膜元件；4.树脂软化器；5.加热箱；6.膜蒸馏循环泵；7.膜蒸馏组件；7-1热料液进口；7-2冷料液进口；7-3热料液出口；冷料液出口7-4；产水出口7-5；中空纤维微孔疏水膜7-6；中空纤维冷凝管7-7；8.冷却器；9.产水罐；10.原料液罐；11酸罐；12碱罐；13.极水罐；14.原料液循环泵；15.酸循环泵；16.碱循环罐；17.极水循环泵；18双极膜电渗析膜堆；19.稳压电源；20.碱储罐；21.酸储罐；22.酸投加泵；23.碱投加泵
具体实施方式
下面通过说明书附图对本发明的***作进一步的说明。
一种反渗透浓海水处理***，(见图1)包括保安过滤器1，所述保安过滤器1通过管道依次与高压泵2、纳滤膜元件3、树脂软化器4、加热箱5、膜蒸馏循环泵6和膜蒸馏组件7的热料液进口7-1连接；膜蒸馏组件7的热料液出口7-3通过管道与冷却器8连接后再通过管道分别与膜蒸馏组件7的冷料液进口7-2和原料液罐10连接；原料液罐10通过管道与双极膜电渗析膜堆18的负极连接，原料液罐10通过管道依次与原料液循环泵14、双极膜电渗析膜堆18的正极连接；膜蒸馏组件7的冷料液出口7-4通过管道与加热箱5连接；膜蒸馏组件7的产水出口7-5通过管道与产水罐9连接；在膜蒸馏组件7的内部设置有中空纤维微孔疏水膜7-6和中空纤维冷凝管7-7，中空纤维微孔疏水膜和中空纤维冷凝管的材质为聚四氟乙烯，数量比为1:4，中空纤维微孔疏水膜的两端分别与热料液进口7-1和热料液出口7-3连接；中空纤维冷凝管7-7的两端分别与冷料液进口7-2和冷料液出口7-4连接；酸罐11通过管道与双极膜电渗析膜堆18的负极连接，酸罐11通过管道与酸循环泵15连接；酸循环泵15通过管道分别与双极膜电渗析膜堆18的正极和酸储罐21连接；碱罐12通过管道与双极膜电渗析膜堆18的负极连接，碱罐12通过管道与碱循环泵16连接，碱循环泵16通过管道分别与双极膜电渗析膜堆18的正极和碱储罐20连接；极水罐13通过管道与双极膜电渗析膜堆18的负极连接，极水罐13通过管道依次与极水循环泵17、双极膜电渗析膜堆18的正极连接；碱储罐20通过管道依次与碱投加泵23、树脂软化器4连接；酸储罐21通过管道与酸投加泵22连接；酸投加泵22通过管道分别与高压泵2的进口和树脂软化器4连接；稳压电源19的两端分别与双极膜电渗析膜堆18的正极和双极膜电渗析膜堆18的负极电连接。
纳滤膜元件优选高选择性纳滤膜元件，例如：XCN，还可以选用：HYDRApro或DK。
XCN(陶氏化学公司)、HYDRApro(海德能公司)、DK(通用电器公司)还可以选用功能与上述高选择性纳滤膜元件相近的其它纳滤膜元件。
所述树脂软化器中的树脂为耐受高TDS的大孔弱酸阳树脂，所述耐受高TDS的大孔弱酸阳树脂的型号为IRC83或IRC76CRF。
IRC83(陶氏化学公司)或IRC76CRF(陶氏化学公司)。
还可以选用性质与上述型号相近的大孔弱酸阳树脂。
稳压电源19的正负极相互切换。
下面对过实施例对本发明的方法进行进一步的说明。
实施例1
一种反渗透浓海水处理方法，包括如下步骤：
(1)使用上述一种反渗透浓海水处理***；
(2)将反渗透浓海水(含盐量45887mg/L，pH为8.0，其中Ca2+为521mg/L，Mg2+为1620mg/L)通入保安过滤器1(采用过滤精度为5μm的滤芯)进行过滤，去除颗粒性杂质，获得预处理产水；
(3)将预处理产水用来自酸投加泵22投加的酸调节pH为4后，通过高压泵2增压至1.5MPa，通入纳滤膜元件3(采用XCN型号)进行初级软化处理，去除70％～90％范围的硬度离子和分子量在200以上的有机物，获得纳滤软水(纳滤软水含盐量38100mg/L，其中Ca2+为196mg/L，Mg2+为210mg/L)；纳滤软水再通入树脂软化器4(采用IRC83型号的大孔弱酸阳树脂)进行深度软化处理，去除99％以上的硬度离子，获得树脂软水(树脂软水含盐量38450mg/L，其中Ca2+为2.2mg/L，Mg2+为1.6mg/L)；树脂软水进入加热箱加热至90℃，获得热料液；当树脂软化器4的树脂饱和后，依次启动酸投加泵22和碱投加泵23进行树脂再生；
(4)热料液通过膜蒸馏循环泵6输送至膜蒸馏组件的中空纤维微孔疏水膜7-6产生蒸汽，产生蒸汽后的热料液通过冷却器8(冷却液采用原始反渗透浓海水)冷却至30℃；冷却后的料液分两股，一股作为冷料液返回至膜蒸馏组件的中空纤维冷凝管7-7回收蒸汽潜热，同时产生淡水(淡水含盐量为9.3mg/L，符合国家饮用水标准)，淡水通入产水罐9收集；回收蒸汽潜热后的冷料液输送至加热箱5进行二次加热，依此循环；当加热箱的料液浓缩至质量浓度为15％；后，将另一股输送至原料液罐10，获得浓料液；
(5)依次开启原料液循环泵14、酸循环泵15、碱循环泵16和极水循环泵17，分别将所述浓料液、酸液、碱液、极水输送至双极膜电渗析膜堆(双极膜为BPM-I型双极性膜，阴膜为JAM-II型均相阴离子交换膜，阳膜为JCM-II型均相阳离子交换膜)正极；待流量稳定后，开启稳压电源19，调节至双极膜电渗析膜堆操作电流密度20mA/cm2，双极膜电渗析膜堆产生酸碱；
当酸罐的酸液质量浓度达到5％后，通过酸循环泵15输送至酸储罐21；当碱罐的碱液质量浓度达到5％后，通过碱循环泵16输送至酸储罐20；
冷却器8的冷却液为纳滤膜元件的浓水、原始反渗透浓海水或海水；
酸罐11中的初始酸液为预先配制的质量浓度为0.2％的盐酸水溶液，碱罐12中的初始碱液为预先配制的质量浓度为0.2％的氢氧化钠水溶液，极水罐中的极水为预先配制的质量浓度为1％的硫酸钠水溶液，最终制备的酸液和碱液质量浓度分别为5％和5％。
实施例2
一种反渗透浓海水处理方法，包括如下步骤：
(1)使用上述一种反渗透浓海水处理***；
(2)将反渗透浓海水(含盐量47620mg/L，pH为8.0，其中Ca2+为572mg/L，Mg2+为1690mg/L)通入保安过滤器1(采用过滤精度为5μm的滤芯)进行过滤，去除颗粒性杂质，获得预处理产水；
(3)将预处理产水用来自酸投加泵22投加的酸调节pH为2后，通过高压泵2增压至2.5MPa，通入纳滤膜元件3(采用HYDRApro型号或DK型号)进行初级软化处理，去除70％～90％范围的硬度离子和分子量在200以上的有机物，获得纳滤软水(纳滤软水含盐量39120mg/L，其中Ca2+为285mg/L，Mg2+为249mg/L)；纳滤软水再通入树脂软化器4(采用IRC76CRF型号的大孔弱酸阳树脂)进行深度软化处理，去除99％以上的硬度离子，获得树脂软水(树脂软水含盐量40320mg/L，其中Ca2+为3.0mg/L，Mg2+为1.4mg/L)；树脂软水进入加热箱加热至60℃，获得热料液；当树脂软化器4的树脂饱和后，依次启动酸投加泵22和碱投加泵23进行树脂再生；
(4)热料液通过膜蒸馏循环泵6输送至膜蒸馏组件的中空纤维微孔疏水膜7-6产生蒸汽，产生蒸汽后的热料液通过冷却器8(冷却液采用海水，也可以用纳滤膜元件的浓水)冷却至20℃；冷却后的料液分两股，一股作为冷料液返回至膜蒸馏组件的中空纤维冷凝管7-7回收蒸汽潜热，同时产生淡水(淡水含盐量为11.6mg/L，符合国家饮用水标准)，淡水通入产水罐9收集；回收蒸汽潜热后的冷料液输送至加热箱5进行二次加热，依此循环；当加热箱的料液浓缩至质量浓度为25％后，将另一股输送至原料液罐10，获得浓料液；
(5)依次开启原料液循环泵14、酸循环泵15、碱循环泵16和极水循环泵17，分别将所述浓料液、酸液、碱液、极水输送至双极膜电渗析膜堆(双极膜为BPM-I型双极性膜，阴膜为JAM-II型均相阴离子交换膜，阳膜为JCM-II型均相阳离子交换膜)正极；待流量稳定后，开启稳压电源19，调节至双极膜电渗析膜堆操作电流密度50mA/cm2，双极膜电渗析膜堆产生酸碱；
当酸罐的酸液质量浓度达到12％后，通过酸循环泵15输送至酸储罐21；当碱罐的碱液质量浓度达到12％后，通过碱循环泵16输送至酸储罐20；
冷却器8的冷却液为纳滤膜元件的浓水、原始反渗透浓海水或海水；
酸罐11中的初始酸液为预先配制的质量浓度为0.5％的盐酸水溶液，碱罐12中的初始碱液为预先配制的质量浓度为0.5％的氢氧化钠水溶液，极水罐中的极水为预先配制的质量浓度为3％的硫酸钾水溶液，最终制备的酸液和碱液质量浓度分别为12％和12％。
由上试验结果可见，采用本发明的方法，可以对反渗透浓海水进行处理获得可供饮用的淡水和工业使用的酸碱。
加热箱加热，可以利用工业生产中的废热、地热或太阳能等低品位热源。
纳滤浓水可进一步处理，处理方式有多种，可以通过双碱法提取钙镁产品或直接加碱沉淀后返回保安过滤预处理，从而实现整个工艺的零排放。
采用硫酸钠、硫酸钾等溶液作为极水，在正负极电解产生的H+和OH-相中和，避免了有害气体的生成。
本发明使用纳滤软化和树脂软化的耦合工艺，充分发挥纳滤软化在高硬度领域的优势和树脂软化在低硬度领域的优势，树脂软化后的产水硬度较低，利于膜蒸馏工艺进行深度浓缩。
由于膜蒸馏理论上实现对离子的100％截留，因此产水水质较好，可直接回收使用。此外，由于膜蒸馏受浓度影响较小，可进行反渗透浓海水的深度浓缩，获取的浓料液有利于进一步降低双极膜电渗析的***体积和提高双极膜电渗析的电流效率，因此本发明反渗透浓水处理方法的处理效率高。

Claims (7)

1.一种反渗透浓海水处理***，包括保安过滤器(1)，其特征是所述保安过滤器(1)通过管道依次与高压泵(2)、纳滤膜元件(3)、树脂软化器(4)、加热箱(5)、膜蒸馏循环泵(6)和膜蒸馏组件(7)的热料液进口(7-1)连接；膜蒸馏组件(7)的热料液出口(7-3)通过管道与冷却器(8)连接后再通过管道分别与膜蒸馏组件(7)的冷料液进口(7-2)和原料液罐(10)连接；原料液罐(10)通过管道与双极膜电渗析膜堆(18)的负极连接，原料液罐(10)通过管道依次与原料液循环泵(14)、双极膜电渗析膜堆(18)的正极连接；膜蒸馏组件(7)的冷料液出口(7-4)通过管道与加热箱(5)连接；膜蒸馏组件(7)的产水出口(7-5)通过管道与产水罐(9)连接；在膜蒸馏组件(7)的内部设置有中空纤维微孔疏水膜(7-6)和中空纤维冷凝管(7-7)，中空纤维微孔疏水膜的两端分别与热料液进口(7-1)和热料液出口(7-3)连接；中空纤维冷凝管(7-7)的两端分别与冷料液进口(7-2)和冷料液出口(7-4)连接；酸罐(11)通过管道与双极膜电渗析膜堆(18)的负极连接，酸罐(11)通过管道与酸循环泵(15)连接；酸循环泵(15)通过管道分别与双极膜电渗析膜堆(18)的正极和酸储罐(21)连接；碱罐(12)通过管道与双极膜电渗析膜堆(18)的负极连接，碱罐(12)通过管道与碱循环泵(16)连接，碱循环泵(16)通过管道分别与双极膜电渗析膜堆(18)的正极和碱储罐(20)连接；极水罐(13)通过管道与双极膜电渗析膜堆(18)的负极连接，极水罐(13)通过管道依次与极水循环泵(17)、双极膜电渗析膜堆(18)的正极连接；碱储罐(20)通过管道依次与碱投加泵(23)、树脂软化器(4)连接；酸储罐(21)通过管道与酸投加泵(22)连接；酸投加泵(22)通过管道分别与高压泵(2)的进口和树脂软化器(4)连接；稳压电源(19)的两端分别与双极膜电渗析膜堆(18)的正极和双极膜电渗析膜堆(18)的负极电连接。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于所述纳滤膜元件为高选择性纳滤膜元件，所述高选择性纳滤膜元件的型号为HYDRApro或DK。
3.根据权利要求1所述的***，其特征是所述树脂软化器中的树脂为耐受高TDS的大孔弱酸阳树脂，所述耐受高TDS的大孔弱酸阳树脂的型号为IRC83或IRC76CRF。
4.根据权利要求1所述的***，其特征是所述稳压电源(19)的正负极相互切换。
5.一种反渗透浓海水处理方法，其特征是包括如下步骤：
(1)使用权利要求1-4之一的一种反渗透浓海水处理***；
(2)将反渗透浓海水通入保安过滤器(1)进行过滤，去除颗粒性杂质，获得预处理产水；
(3)将预处理产水用来自酸投加泵(22)投加的酸调节pH为2～4后，通过高压泵(2)增压至1.5MPa～2.5MPa，通入纳滤膜元件(3)进行初级软化处理，去除70％～90％的硬度离子和分子量在200以上的有机物，获得纳滤软水；纳滤软水再通入树脂软化器(4)进行深度软化处理，去除99％以上的硬度离子，获得树脂软水，树脂软水进入加热箱加热至60℃～90℃，获得热料液；当所述树脂软化器的树脂饱和后，依次启动酸投加泵(22)和碱投加泵(23)进行树脂再生；
(4)热料液通过膜蒸馏循环泵(6)输送至膜蒸馏组件的中空纤维微孔疏水膜(7-6)产生蒸汽，产生蒸汽后的热料液通过冷却器(8)冷却至20℃～30℃，冷却后的料液分两股，一股作为冷料液返回至膜蒸馏组件的中空纤维冷凝管(7-7)回收蒸汽潜热，同时产生淡水，淡水通入产水罐(9)收集；回收蒸汽潜热后的冷料液输送至加热箱(5)进行二次加热，依此循环；当加热箱的料液浓缩至质量浓度为15％～25％后，将另一股输送至原料液罐(10)，获得浓料液；
(5)依次开启原料液循环泵(14)、酸循环泵(15)、碱循环泵(16)和极水循环泵(17)，分别将所述浓料液、酸液、碱液、极水输送至双极膜电渗析膜堆正极，待流量稳定后，开启稳压电源(19)，调节至双极膜电渗析膜堆操作电流密度20mA/cm2～50mA/cm2，双极膜电渗析膜堆产生酸碱；
当酸罐的酸液质量浓度达到5％～12％后，通过酸循环泵(15)输送至酸储罐(21)；当碱罐的碱液质量浓度达到5％～12％后，通过碱循环泵(16)输送至酸储罐(20)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于冷却器(8)的冷却液为纳滤膜元件的浓水、原始反渗透浓海水或海水。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，酸罐(11)中的初始酸液为预先配制的质量浓度为0.2％～0.5％的盐酸水溶液，碱罐(12)中的初始碱液为预先配制的质量浓度为0.2％～0.5％的氢氧化钠水溶液，极水罐中的极水为预先配制的质量浓度为1％～3％的硫酸钠水溶液或硫酸钾水溶液。
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