TWI762294B

TWI762294B - 回收離子之水處理系統

Info

Publication number: TWI762294B
Application number: TW110115760A
Authority: TW
Inventors: 呂理維; 簡文宏; 徐樹剛; 翁巧苓; 蕭景庭; 吳旻珊
Original assignee: 友達宇沛永續科技股份有限公司
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-04-21
Also published as: TW202244015A

Abstract

一種回收離子之水處理系統包含一蒸發器、一吸附器、一加熱器以及一結晶分離器。蒸發器用以蒸發一原水，以產生一第一蒸氣以及一第一處理水，其中原水包含至少一種離子。吸附器包含一吸附件，以吸附第一蒸氣。加熱器加熱吸附件以產生第二蒸氣排出。結晶分離器與蒸發器連接以接收第一處理水，並於相對較低之操作溫度條件下自第一處理水分離出包含離子之一結晶以及排出一第二處理水。上述水處理系統能夠以較低的成本回收原水中之離子再利用，以達到零排放的目的。

Description

回收離子之水處理系統

本發明是有關一種水處理系統，特別是一種回收離子之水處理系統。

現有之工業廢水或海水淡化等原水之水處理方法是以多效蒸發(Multi-effect Distillation，MED)系統或機械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Re-comprcssion，MVR)系統將水蒸發後再回收利用，並產生包含高濃度離子的處理水。傳統上，高濃度的處理水需進一步蒸乾以作為固形廢棄物處理，如此不僅耗能且處理水中之離子亦無法回收再利用。

結晶態有利於回收處理水中之離子，然而，MED系統之操作溫度約為攝氏75度至140度；MVR系統之操作溫度約為攝氏85度至105度，而相對較高之操作溫度不利於回收離子。舉例而言，請參照圖1，其顯示溫度與溶解度之關係。圖中所示之實心曲線為溶解度曲線，長虛線為成核之臨界值，實心曲線之右側為安定區SZ，亦即不飽和區，長虛線之左側為不安定區USZ，亦即成核區，實心曲線以及長虛線之間則為亞穩(metastable)區MSZ。在特定操作溫度OT條件下，降低處理水的溫度或持續蒸乾水份來提高離子濃度可進入不安定區USZ而形成結晶。然而，在遠離室溫RT且相對較高的操作溫度OT的條件下，不易產生高品質的結晶，且在相對較高的操作溫度OT下，部分離子(例如硫酸鈣)的溶解度較低而更容易結垢，因而影響設備的妥善率。

有鑑於此，如何有效回收原水中之離子便是目前極需努力的目標。

本發明提供一種回收離子之水處理系統，其是利用吸附以及脫附的方式來移除原水中的水份，使處理水的操作溫度較低而有利後續的結晶分離作業。

本發明一實施例之回收離子之水處理系統包含一蒸發器、一吸附器、一第一加熱器以及一結晶分離器。蒸發器接收一原水，並於一預定真空度條件下蒸發原水，以產生一第一蒸氣以及一第一處理水，其中原水包含至少一種離子。吸附器包含一第一閥體、一吸附件以及一第二閥體。第一閥體設置於吸附器之一輸入端，其中輸入端與蒸發器連接，且第一閥體選擇性開啟以接收第一蒸氣。吸附件用以吸附第一蒸氣。第二閥體設置於吸附器之一輸出端，其選擇性開啟以排出一第二蒸氣，其中在操作時第一閥體以及第二閥體至少其中之一關閉，以維持蒸發器於預定真空度條件。第一加熱器加熱吸附件以產生第二蒸氣。結晶分離器與蒸發器連接以接收第一處理水，並於一操作溫度條件下自第一處理水分離出包含離子之一結晶以及排出一第二處理水，其中結晶分離器包含一無機過濾膜或有機過濾膜，且操作溫度介於攝氏20度至45度。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10:蒸發器

20、20a、20b:吸附器

21:吸附件

211:矽凝膠

212:黏著劑

30:第一加熱器

40:結晶分離器

50:冷凝器

60:第二加熱器

CI:冷輸入端

HO:熱輸出端

IC:結晶

MSZ:亞穩區

OT:操作溫度

PW:純水

RT:室溫

RW:原水

SZ:安定區

TW1:第一處理水

TW2:第二處理水

USZ:不安定區

V1、V1a、V1b:第一閥體

V2、V2a、V2b:第二閥體

Wv1:第一蒸氣

Wv2:第二蒸氣

圖1為一示意圖，顯示溫度與溶解度之關係以及習知水處理的操作溫度範圍。

圖2為一示意圖，顯示本發明第一實施例之回收離子之水處理系統。

圖3為一示意圖，顯示本發明一實施例之回收離子之水處理系統之吸附件。

圖4為一示意圖，顯示本發明第二實施例之回收離子之水處理系統。

圖5為一示意圖，顯示本發明第三實施例之回收離子之水處理系統。

圖6為一示意圖，顯示溫度與溶解度之關係以及本發明之回收離子之水處理系統的操作溫度範圍。

以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。

請參照圖2，本發明之一實施例之回收離子之水處理系統包含一蒸發器10、一吸附器20、一第一加熱器30以及一結晶分離器40。蒸發器10用以接收一原水RW，並於一預定真空度條件下蒸發原水RW。舉例而言，原水RW可為包含離子之工業廢水或海水等。於一實施例中，預定真空度小於大氣壓，使原水RW可在較低溫度條件下進行蒸發，並產生一第一蒸氣Wv1。舉例而言，預定真空度小於或等於20kpa，於一實施例中，預定真空度小於或等於10kpa或9.6kpa，較佳者，預定真空度小於或等於7.4kpa。於一實施例中，蒸發器10於攝氏15度至45度的範圍蒸發原水RW，並產生第一蒸氣Wv1。較佳者，蒸發器10於攝氏20度至40度的範圍蒸發原水RW。

吸附器20包含一第一閥體V1、一吸附件21以及一第二閥體V2。第一閥體V1設置於吸附器20之一輸入端，且吸附器20之輸入端與蒸發器10連接。第一閥體V1可選擇性開啟以接收蒸發器10所產生之第一蒸氣Wv1。

吸附件21用以吸附第一蒸氣Wv1。舉例而言，吸附件21可為一矽凝膠(silicon gel)、合成沸石、矽沸石、活性炭、金屬有機骨架以及合成氧化鋁至少其中之一。於一實施例中，上述材料可混合一有機材料以作為吸附件21。矽凝膠可為粉末狀、顆粒狀或管狀。請參照圖3，於一實施例中，吸附件21可為管狀之矽凝膠，其包含矽凝膠211以及黏著劑(binder)212。舉例而言，選用孔徑2至4nm，且粒徑小於40μm之粉末狀矽凝膠211與15~30wt%之黏著劑212混合後製備形成管狀之矽凝膠。管狀之矽凝膠的內徑可為1.2mm，外徑可為2.79mm，但不限於此。於一實施例中，矽凝膠211與黏著劑212的重量比例可介於6：1至3：1。於一實施例中，吸附件21包含多個管狀之矽凝膠並集結成束。第二閥體V2則設置於吸附器20之一輸出端，並選擇性開啟以排出自吸附件21脫附之水份所形成之一第二蒸氣Wv2。

第一加熱器30用以加熱吸附件21，使吸附件21所吸附之水份蒸發而產生第二蒸氣Wv2。舉例而言，第一加熱器30之加熱溫度介於攝氏50度至100度，較佳者，第一加熱器30之加熱溫度介於攝氏55度至85度。於一實施例中，第一加熱器30可為一熱交換器，且熱交換器以廢熱、環境熱、太陽能、地熱、本發明之水處理系統之回收熱或以上之組合作為熱源。

依據上述結構，在進行吸附操作時，原水RW在蒸發器10於預定真空度條件下蒸發產生第一蒸氣Wv1，此時，吸附器20之第一閥體V1開啟，且第二閥體V2關閉，使蒸發器10以及吸附器20之間形成一密閉空間，而吸附件21可吸附第一蒸氣Wv1以維特預定真空度。在進行脫附操作時，第一加熱器30加熱吸附件21而產生第二蒸氣Wv2，此時，吸附器20之第一閥體V1關閉，且第二閥體V2開啟，以排出第二蒸氣Wv2。如此反覆進行吸附以及脫附操作，即可減少原水RW中之水份，產生離子濃度較高之第一處理水TW1。

結晶分離器40與蒸發器10連接以接收包含高濃度離子之第一處理水TW1。於一操作溫度條件下，結晶分離器40可自第一處理水TW1中分離出包含離子之結晶IC以回收再利用，並排出一第二處理水TW2。舉例而言，結晶分離器40之操作溫度介於攝氏15度至45度，較佳者，結晶分離器40之操作溫度介於攝氏20度至40度。於一實施例中，結晶分離器40可為一離心裝置或無機過濾膜。可以理解的是，請參照圖6，本發明之回收離子之水處理系統是在較低的溫度下成核結晶，因此可形成粒徑較大之結晶而有助於離心裝置之分離效率。此外，無機過濾膜(例如陶瓷膜)上若離子沈積而形成的結垢(例如硫酸鈣)不容易去除，因此，在較低的溫度下分離結晶可避免無機過濾膜上結垢，以增加無機過濾膜的使用壽命。

於一實施例中，結晶分離器可為一有機過濾膜。可以理解的是，有機過濾膜之操作溫度需小於攝氏45度，而本發明之回收離子之水處理系統是在相對較低之溫度進行蒸發，且蒸發時的吸熱作用可使第一處理水TW1的溫度進一步降低而小於攝氏45度。因此，本發明之回收離子之水處理系統可利用有機過濾膜來分離第一處理水TW1中的結晶IC。可以理解的是，相較於無機過濾膜 (例如陶瓷膜)，有機過濾膜不僅成本較為低廉，且結垢與有機過濾膜的結合力較弱，可透過清洗程序去除結垢，以延長有機過濾膜的使用壽命。於一實施例中，有機過濾膜之孔徑介於0.01μm至1μm。

請再參照圖2，於一實施例中，本發明之回收離子之水處理系統更包含一冷凝器50，其與吸附器20之輸出端連接。冷凝器50可冷凝吸附器20所排出之第二蒸氣Wv2並產生可回收再利用的純水PW。可以理解的是，冷凝器50可視為一熱交換器，亦即冷卻液從冷輸入端CI進入冷凝器50與第二蒸氣Wv2進行熱交換而吸熱升溫，再從熱輸出端HO排出，如此即可回收第二蒸氣Wv2的熱能。舉例而言，蒸發器10中之第一處理水TW1因蒸發吸熱而溫度降低，較低溫度之第一處理水TW1即可作為冷凝器50之冷卻液，以吸收第二蒸氣Wv2的熱能再回到蒸發器10進行蒸發。

請參照圖4，於一實施例中，本發明之回收離子之水處理系統包含多個吸附器20a、20b。依據此結構，吸附器20a、20b可分別進行吸附以及脫附的操作，以達到連續操作的目的。舉例而言，吸附器20a進行吸附操作時，吸附器20a之第一閥體V1a開啟，第二閥體V2a關閉，以維持蒸發器10以及吸附器20a於一預定真空度。此時，吸附器20b進行脫附操作，亦即第一加熱器30加熱吸附器20b之吸附件21，且吸附器20b之第一閥體V1b關閉，第二閥體V2b開啟，以排除第二蒸氣Wv2。反之，當吸附器20a進行脫附操作而吸附器20b進行吸附操作，則吸附器20a之第一閥體V1a關閉；第二閥體V2a開啟，以及吸附器20b之第一閥體V1b開啟；第二閥體V2b關閉。如此反覆操作即可連續地移除蒸發器10所產生之第一蒸器Wv1。

請再參照圖4，於一實施例中，結晶分離器40所排出之第二處理水TW2可再回流至蒸發器10繼續進行蒸發。依據此結構，原水RW經本發明之回收離子之水處理系統處理後，可回收純水PW以及結晶IC再利用而達到零排放的目標。於一實施例中，結晶分離器40所排出之第二處理水TW2亦可作為冷凝器50之冷卻液吸收第二蒸氣Wv2的熱能再回流至蒸發器10進行蒸發。

請參照圖5，於一實施例中，本發明之回收離子之水處理系統更包含一第二加熱器60，其可加熱原水RW及/或第二處理水TW2，再輸入蒸發器10，以增加蒸發效率。可以理解的是，本發明之蒸發器10的操作溫度相對較低，因此，第二加熱器60可以使用低等級的熱源加熱原水RW/第二處理水TW2。舉例而言，第二加熱器60可為一熱交換器，並以廢熱、環境熱、太陽能、地熱、本發明之水處理系統的回收熱(例如第二蒸氣Wv2之熱能或吸附件21降溫時之熱能)或以上之組合作為熱源。可以理解的是，冷凝器50以及第二加熱器60可整合為單一設備。

綜合上述，本發明之回收離子之水處理系統是利用吸附以及脫附的方式來移除原水中的水份，使處理水的操作溫度相對較低，因此可形成粒徑較大之結晶而有利於離水或過濾分離，且不容易因操作溫度變化而結垢，因而大幅降低設備的維護成本。此外，相對較低之操作溫度亦有利於採用有機過濾膜進行過濾，以進一步降低操作以及維護成本。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。