申请日2014.09.18
公开(公告)日2014.12.24
IPC分类号C02F1/36; C02F1/469
摘要
本发明涉及一种智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系统，包括电渗析膜堆、电场电流温度调节器、超声波调节器、进水流速控制器和水样中央处理器;电渗析膜堆包括可调压电极板、电加热隔板、温度传感器、超声波换能器及变幅杆、离子交换膜;水样中央处理器根据部分原水进水取样或部分产出淡水取样的分析检测结果，具体确定水样中的离子类型、离子浓度大小、水样电导率、水样粘度后，则分别给原水进水流速控制器发出调控指令，给电场电流温度调节器发出调控指令，给超声波调节器发出调控指令。本发明能够减小电渗析装置在运行过程中发生的浓差极化，减少离子在液体中的缔合效应，提高离子的迁移速率。本发明特别适于在冬季低温环境使用。
权利要求书
1.一种智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系统，其特征在于， 包括电渗析膜堆、电场电流温度调节器、超声波调节器、进水流速控制器和水 样中央处理器;所述电渗析膜堆包括可调压电极板、电加热隔板、温度传感器、 超声波换能器及变幅杆、离子交换膜;所述可调压电极板、电加热隔板与所述 电场电流温度调节器连接，所述温度传感器与所述水样中央处理器连接，所述 超声波换能器及变幅杆与所述超声波调节器连接;所述水样中央处理器分别与 原水样进水流速控制器和原水取样口相连接，与产出淡水取样口相连接，并且 分别与电场电流温度调节器和超声波调节器相连接;
所述水样中央处理器根据部分原水进水取样或部分产出淡水取样的分析 检测结果，具体确定水样中的离子类型、离子浓度大小、水样电导率、水样粘 度，根据温度传感器传输的系统温度，水样中央处理器分别给原水进水流速控 制器发出原水进入流速调控指令，给电场电流温度调节器发出调控指令，给超 声波调节器发出调控指令。
2.根据权利要求1所述的智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系 统，其特征在于，所述可调压电极板包括主体支撑材料、电极材料和侧面支撑 网，所述主体支撑材料和侧面支撑网材料为聚乙烯、聚丙烯、碳化硅、聚四氟 乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚醚酮、四氟乙烯、全氟丙基乙烯基醚共聚 物或全氟正丙基乙烯基醚共聚物;所述电极材料为碳纳米管电极、石墨电极、 铝电极、钛丝涂钌电极或不锈钢电极。
3.根据权利要求1所述的智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系 统，其特征在于，单个所述电加热隔板处于阴膜和阳膜之间，构成浓淡隔室， 所述电加热隔板包括隔板框和隔网，所述隔板框支撑膜面和支撑隔网;隔板框 的材料为聚乙烯、聚丙烯、碳化硅、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚 醚醚酮、四氟乙烯、全氟丙基乙烯基醚共聚物材料或全氟正丙基乙烯基醚共聚 物材料。
4.根据权利要求3所述的智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系 统，其特征在于，所述电加热隔板为单层加热隔板或双层电加热隔板;所述单 层电加热隔板的隔网为单层，同时起到促进湍流、搅拌、导流与加热的双重作 用，隔网材料为绝缘保护膜包覆电加热发热丝;所述双层电加热隔板的隔网有 两层，一层隔网起到电加热作用，另一层隔网起促进湍流、搅拌、导流作用。
5.根据权利要求3所述的智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系 统，其特征在于，所述隔板框两端分布有一定数量半椭圆形导流孔和椭圆形导 流孔;连接于半椭圆形导液孔与隔网之间排列有分水流道;所述隔板框体四周 设有凸出的密封线。
6.根据权利要求1所述的智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系 统，其特征在于，所述超声波换能器及变幅杆置于电极板的主体支撑材料的孔 洞内，并装配在电极材料的外侧;变幅杆形状为：圆棒形、圆台形、锥形、椭 圆柱形、阶梯形或链状形。
7.根据权利要求1所述的智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系 统，其特征在于，所述电渗析膜堆包括阴离子交换膜和阳离子交换膜或双极膜， 所述阴离子交换膜为含有季胺基团的聚合材料膜、聚全氟乙丙稀阴离子交换 膜、JAM-Ⅱ型均相阴离子交换膜，所述阳离子交换膜为含有磺酸基团或羧酸 基团的聚合物材料膜、聚三氟苯乙烯阳离子交换膜、JCM-Ⅱ型均相阳离子交 换膜。
8.根据权利要求1所述的智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系 统，其特征在于，所述超声波调节器包括超声波发生器、时间继电器;超声波 发生器与时间继电器相连接;超声波发生器和时间继电器与水样中央处理器相 连接;超声波调节器与超声波换能器及变幅杆相连接;根据水样中央处理器对 部分原水或者部分产出淡水的检测分析结果，水样中央处理器调控超声波调节 器的时间继电器实现超声波发生器工作输出的通断控制。
说明书
一种智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系统
技术领域
本发明涉及水处理领域，更具体地说，涉及一种智能调温、调压与超声作 用的电渗析水处理系统。
背景技术
21世纪全球面临的严峻问题之一是水危机，特别是在高纬度地区冬季环 境(接近零摄氏度，或低于零摄氏度)的电渗析水处理存在一定困难。我国的 水资源总量虽然比较大，但分布不均，人均水资源少，许多城市经常受到缺水、 少水的严重威胁。因此，开发新水源、治理水污染已经成为人类社会关切的重 要问题。在工业领域中，大量的废水，如含盐的水溶液被生产出来。通常，这 样的废水并不适合直接在家庭或工业中使用。鉴于可使用的水资源的有限性， 从流体，如废水、苦咸水、海水或其它含盐溶液中回收合格的可使用的水就显 得尤为重要。
电渗析技术(eletrodialysis，简称ED)是水处理领域中膜分离技术之一， 是利用在直流电场作用下，阴阳离子可以选择性地通过阴阳离子交换膜，或水 在双极膜中解离为H+和OH-等原理，达到物质提纯、分离及酸碱再生目的的 一种技术。因其不消耗药品，无废液产生等优点，被广泛应用于化工、轻工、 冶金、造纸、医药工业等领域。电渗析技术最早主要用于盐分含量高的天然水 脱盐和海水浓缩;电渗析技术对系统工作温度有一定要求，并在运行过程中易 发生浓差极化而产生结垢;在电渗析处理工业污水运行过程中，随着电渗析装 置运行时间的延长，还会粘附在电渗析膜表面形成活性生物污染;以上这些均 会降低电渗析(ED)的脱盐能力、增加流道阻力、增加膜电阻，严重时导致 ED膜发生不可修复的损坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种智能调温、调压与超声作用的电 渗析水处理系统，能够减小电渗析装置在运行过程中发生的浓差极化，减少离 子在液体中的缔合效应，提高离子的迁移速率，延缓电渗析过程中膜污染的形 成，提高电渗析装置的工作效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种智能调温、调压与 超声作用的电渗析水处理系统，包括电渗析膜堆、电场电流温度调节器、超声 波调节器、水样中央处理器;电场电流温度调节器、超声波调节器分别与水样 中央处理器相连接;电场电流温度调节器、超声波调节器也分别与电渗析膜堆 相连接;进入电渗析膜堆的部分原水或电渗析膜堆部分产出淡水传输给水样中 央处理器进行监测分析;电渗析膜堆的工作参数受水样中央处理器智能调控。
上述方案中，所述的电渗析膜堆包括：可调压电极板、电加热隔板、温度 传感器;超声波换能器及变幅杆、离子交换膜;所述的可调压电极板为：主体 支撑材料、电极材料、侧面支撑网;所述主体支撑材料和侧面支撑网材料为： 聚乙烯、聚丙烯、碳化硅、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚醚酮、 四氟乙烯、全氟丙基乙烯醛醚共聚物;所述电极材料为碳纳米管电极、石墨电 极、铝电极、钛丝涂钌电极、不锈钢电极，或电渗析设备通用的电极;所述温 度传感器固定于电渗析膜堆电极板的旁边;可调压电极板的工作电压大小受水 样中央处理器与电场电流温度调节器共同调控。
上述方案中，所述的可调温电、调压与超声协同效应的渗析膜堆包括电加 热隔板;单个电加热隔板处于阴膜和阳膜之间，构成浓淡隔室，保证水流通畅、 传导电流并保持密闭型;隔板框和隔网配合或粘接在一起;隔板框起到支撑膜 面和支撑隔网，防止隔世内部液体外漏等作用;隔网起到电加热、搅拌、促进 湍流、导流的作用;隔板框材料为聚乙烯、聚丙烯、碳化硅、聚四氟乙烯、聚 偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚醚酮、四氟乙烯、全氟丙基乙烯醛醚共聚物材料; 所述电加热隔板包含单层加热隔板和双层电加热隔板;所述单层电加热隔板的 隔网为单层，同时起到促进湍流、搅拌、导流与加热的双重作用，隔网材料为 绝缘保护膜包覆电加热发热丝;所述双层电加热隔板的隔网有两层，一层隔网 起到电加热作用，另一层隔网起促进湍流、搅拌、导流作用;单层或双层隔网 型式为：波形网、交织网、平织网、编织网;所述隔板框两端分布有一定数量 半椭圆形导流孔和椭圆形导流孔;连接于半椭圆形导液孔与隔网之间排列有分 水流道;所述隔板框体四周有凸出的密封线组成，隔板框体厚度为0.6mm～ 3.0mm;所述隔板框两端有可用于隔网电加热的连接绝缘导线;并且多个隔板电 加热绝缘导线采用并联或串联的方式与电场电流温度调节器相连接。
上述方案中，所述的电渗析膜堆包括：超声波换能器及变幅杆;超声波换 能器及变幅杆与系统调温、调压装置产生协同效应;所属超声波换能器及变幅 杆置于电极板的支撑材料的圆柱形孔洞内，装配在电极材料的外侧;变幅杆形 状为：圆棒形、圆台形、锥形、椭圆柱形、阶梯形或链状形。
上述方案中，所述的电渗析膜堆包括：离子交换膜;离子交换膜与系统电 加热隔板相结合，具有热膜耦合效应;即系统水温每升高1摄氏度，膜通量上 升2—3%;所述离子交换膜包含阴离子交换膜如：含有季胺基团的聚合材料膜、 聚全氟乙丙稀阴离子交换膜、JAM-Ⅱ型均相阴离子交换膜;包含阳离子交换 膜，如：含有磺酸基团或羧酸基团的聚合物材料膜。聚三氟苯乙烯阳离子交换 膜、JCMⅡ型均相阳离子交换膜;包括双极膜，如：Neosepta BP-1;离子交换 膜包括市场销售的通用阴离子交换膜、阳离子交换膜和双极膜。
上述方案中，所述的电场电流温度调节器与电渗析膜堆的电加热隔板相连 接，并且根据水样中央处理器对部分原水或者部分产出淡水的检测分析结果， 调控输出对电渗析膜堆的可调压电极板电场强度;调控输出对可调控电渗析膜 堆的电加热隔板电流强度及输出时间，以达到对电渗析膜堆的电极板电场强度 与系统工作温度的智能调控。
上述方案中，所述的超声波调节器包括超声波发生器、时间继电器;超声 波发生器与时间继电器相连接;超声波发生器和时间继电器与水样中央处理器 相连接;超声波调节器与电渗析膜堆中装配的超声波换能器及变幅杆相连接; 根据水样中央处理器对部分原水或者部分产出淡水的检测分析结果，水样中央 处理器调控时间继电器实现0.1秒～999分范围内的超声波发生器工作输出通 断控制，实现不同时间段，不同时间比例(超声比例为0-1)的在线超声;实 现针对不同水样开启不同超声频率，输出不同超声功率的超声功能作用;因而 达到与系统调温、调压装置产生协同效应。
上述方案中，所述的水样中央处理器分别与原水样进水流速控制器和原水 取样口相连接;与产出淡水取样口相连接;与电渗析膜堆上装配的温度传感器 相连接;并且分别与电场电流温度调节器和超声波调节器相连接;所述水样中 央处理器根据针对部分原水进水取样或部分产出淡水取样分析检测，确定水样 中离子类型、离子浓度大小、水样电导率、水样粘度，以及根据电渗析膜堆装 配的温度传感器传输的系统温度大小信息等数据，水样中央处理器分别给原水 进水流速控制器发出原水进入流速调控指令;给电场电流温度调节器发出调控 指令，如：输出给电渗析膜堆的电极板电场大小，输出给电渗析膜堆的电加热 隔板电流大小，以达到调整电渗析膜堆电极板电场大小与系统工作温度大小; 水样中央处理器为了达到系统同效应，还给超声波调节器发出调控指令，如： 超声波发生器给电渗析膜堆的输出超声波频率大小，输出超声波功率大小，输 出超声波时间间隔大小等;通过水样中央处理器的智能检测与控制，达到优化 电渗析水处理系统的工作参数，提高电渗析水处理的质量与效率。
本发明提供的一种智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系统的工作 过程如下：
原水经进水流速控制器进入电渗析膜堆，原水一小部分也进入水样中央处 理器的原水样分析入口;水样中央处理器对原水样的离子种类、离子浓度、水 样电导率、水样粘度等进行综合分析后，分别通过水样中央处理器的指令输出 端给电场电流温度调节器的指令输入端发出调控电极板电压工作参数信息;由 电场电流温度调节器的直流电场输出端对电渗析膜堆的可调压电极板阴极，电 极板阳极输出直流电压，并提供电渗析膜堆的电渗析电极工作电场。
水样中央处理器对原水样综合分析后，通过指令输出端给电场电流温度调 节器的端发出调控工作电流参数信息;由电场电流温度调节器的电流输出端对 电渗析膜堆的串联/并连接的电加热隔板组提供电加热工作电流;单个单层电 加热隔板处于阴离子交换膜与阳离子交换膜之间，具有热膜耦合效应;单层加 热隔板的隔网固定在隔板框中间;隔板框四周布有密封线，防止液体外漏;双 层电加热隔板的隔网有两层，一层起到促进湍流、搅拌、导流作用，另一层电 加热;在隔板框两端有椭圆形液体流孔和半椭圆形液体流孔;在隔板框的半椭 圆形液体流孔与隔网之间有排列分水流道;单个电加热隔板采用串联/并联方 式连接形成电加热隔板组，并与电场电流温度调价器的输出端连接;电加热隔 板组在电流作用下，电渗析膜堆的工作温度升高;电渗析膜堆旁的温度传感器 将电渗析膜堆的温度大小信息反馈至水样中央处理器的输入端;水样中央处理 器根据电渗析膜堆的设计工作温度，由水样中央处理器的指令输出端给电场电 流温度调节器的端发出进一步调控工作参数信息;电场电流温度调节器的电流 输出端改变并调整对电渗析膜堆的电加热隔板组提供电加热工作电流，达到调 控电渗析膜堆的系统工作温度。
水样中央处理器对原水样综合分析后，通过端口向超声波调节器的端口发 出调控超声工作信息参数;由超声波调节器的输出端向电渗析膜堆的阳极板装 配的超声波换能器及变幅杆发出工作参数信息;超声波调节器的输出端向电渗 析膜堆的阴极板装配的超声波换能器及变幅杆发出工作参数信息;超声波工作 信息包括;时间继电器(装配在超声波调节器中)可实现0.01秒～999分范围 通断控制超声波输出间断工作时间，超声波输出频率，超声波输出功率。
电渗析膜堆的产出淡水的一小部分传输给水样中央处理器的端口;经水样 中央处理器对产出淡水的离子种类、离子浓度、水样电导率、水样粘度等综合 分析，并且对比产出淡水的设计标准参数，然后再由水样中央处理器分别对电 场电流温度调节器、超声波调节器发出进一步修改调整电渗析膜堆的工作参 数，以确保达到产出淡水的设计标准。电渗析膜堆输出合格的产出淡水;电渗 析膜堆的产出浓水经过回收或另行处理。
本发明的一种智能调温、调压与超声作用的电渗析水处理系统与现有技术 相比具有以下优点：
a.本发明提供的电渗析水处理系统采用结合智能调温、调压与超声作用， 达到系统工作温度、电极板工作电压、超声功能的协同效应，优化了传统电渗 析水处理装置的工作环境，提高了电渗析水处理装置的工作效率。
b.本发明提供的电渗析水处理系统，在电渗析膜堆采用了电加热隔板， 并结合温度传感器、电场电流温度调节器等智能调温装置，可根据水样中央处 理器对原水样或产出淡水样的综合分析，智能调控供给电渗析膜堆电极板的不 同大小电压;智能调整供给电加热隔板的不同大小电加热电流，从而实现电渗 析膜堆的电极板电场强度与系统工作温度的调控;在不同电场强度下，离子迁 移速度不同;在不同温度条件下，电渗析膜堆的液体粘度不同，工作温度增加， 使液体的粘度下降，离子迁移速度增快，可有效减少电渗析膜堆中的离子缔合 现象，克服离子交换膜附近出现的浓差极化现象，从而提高电渗析膜堆的工作 效率。
c.本发明提供的电渗析水处理系统，在电渗析膜堆采用超声波功能并结 合系统工作温度与工作电压的协同调控，针对电渗析液的流动，能够抑制、延 缓离子交换膜的污染形成，并能够实现在线恒温对离子交换膜污染的即时有效 清洗;并能够针对不同种类，不同离子浓度的液体，调控开启一定频率、一定 输出功率、一定时间比例的超声功能，优化了电渗析膜堆的工作环境。
d.本发明提供的电渗析水处理系统，可根据不同种类、不同来源、不同 离子浓度的液体，其电渗析膜堆工作参数可以实现设计多样化，水处理质量监 控自动化，水处理系统实现智能化;由于系统采用了电加热隔板与离子交换膜 相结合，具有热膜耦合效应优势，即系统水温每升高1度，膜通量上升2—3%; 特别适用于高纬度地区冬季环境(接近零摄氏度，或低于零摄氏度)的电渗析 水处理，可以克服环境温度过低带来的不利影响;其推广应用面广泛，操作方 便、电渗析水处理质量优良可靠。
e.本发明将可调温加热装置、可调控电极电场装置和可调控超声波装置 同时引入传统的电渗析水处理系统，为了实现这些功能的智能化组合、协同化 效应，对传统电渗析器进行较大的改进，对电渗析器的隔板和电极板进行了较 大的改造;提出电加热隔板并适当增加隔板厚度，改造隔板及隔网的结构;提 出增加电极板的内侧支撑网和电极材料之间的距离，便于装配超声波换能器及 变幅杆;系统的工作参数由水样中央处理器智能调控。
因此本发明系统可用于海水脱盐、浓盐水淡水化、工业冷却循环水脱盐、 排水再利用、含重金属废水的分离与资源化、均相催化金属离子催化剂再生回 用等。