本發(fā)明涉及一種具有低脫鹽率和高有機(jī)物截留率的電納濾裝置，其廣泛地應(yīng)用于生化、制藥、環(huán)保及現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中來進(jìn)行有機(jī)物與無機(jī)鹽的分離，或不同無機(jī)鹽之間的分離及濃縮。

背景技術(shù)：

普通納濾膜的主要功能是選擇性脫鹽，其脫鹽機(jī)理主要有孔徑篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)，兩種機(jī)理的共同作用使其在分離一價(jià)離子與高價(jià)離子及有機(jī)物方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在去除地表水的有機(jī)物和色度，脫除地下水的硬度，部分去除溶解性鹽，濃縮果汁以及分離藥品中的有用物質(zhì)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但其在應(yīng)用方面也具有一定的局限性，由于納濾膜對高價(jià)離子和有機(jī)物均具有較高的截留性能，因此較難做到二者的選擇性分離，這在一些特殊物料分離領(lǐng)域是不希望出現(xiàn)的，如染料的濃縮提純，在染料濃縮的同時(shí)對無機(jī)鹽離子無濃縮效果。

目前，暫時(shí)沒有一種工業(yè)化的納濾膜能夠?qū)崿F(xiàn)對所有無機(jī)鹽離子均具有較低的截留率，同時(shí)對分子量在200-1000左右的有機(jī)物具有較高的截留性能。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型的電納濾工藝，將外加電場與納濾膜有機(jī)的結(jié)合，在外加電場的作用下，無機(jī)鹽離子透過納濾膜的速率明顯增加，而不帶電的有機(jī)物透過膜的遷移速率則不受電場的影響，從而實(shí)現(xiàn)了納濾膜具有低脫鹽，高有機(jī)物截留的功能，在一些特殊的物料分離領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

納濾技術(shù)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程，納濾膜的孔徑范圍在幾個(gè)納米左右，截留分子量在200-1000之間。納濾膜的分離機(jī)理主要有孔徑篩分機(jī)理和電荷效應(yīng)機(jī)理，兩種機(jī)理的共同作用使得納濾膜對離子半徑小，所帶電荷量少的一價(jià)離子具有較低的截留率，對離子半徑較大，所帶電荷量較多的二價(jià)或高價(jià)離子具有較高的截留率性能，與此同時(shí)，納濾膜對分子量在200-1000之間的有機(jī)物也具有較高的截留率，若想實(shí)現(xiàn)二價(jià)離子及高價(jià)離子與有機(jī)物有效的分離，依靠普通的納濾膜是無法實(shí)現(xiàn)的。

通常情況下能徹底分離無機(jī)鹽與有機(jī)物的方法有電滲析法，電滲析是利用離子交換膜的選擇透過性實(shí)現(xiàn)有機(jī)物與無機(jī)鹽的分離，在外加電場的作用下，陽離子透過陽離子交換膜，陰離子透過陰離子交換膜，而不帶電的有機(jī)物則不受電場力的影響，也不會透過離子交換膜，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)物與無機(jī)鹽的分離，目前電滲析實(shí)現(xiàn)有機(jī)物與無機(jī)鹽的分離主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)生有附加值的產(chǎn)品。電滲析法用于無機(jī)鹽與有機(jī)物的分離領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用市場，但是離子交換膜價(jià)格昂貴，耐有機(jī)物污染性能較差(Bazinet L,Araya-Farias M.Electrodialysis of calcium and carbonate high concentration solutions and impact on composition in cations of membrane fouling.Journal of Colloid&Interface Science,2005,286(2):639-646.)，投資成產(chǎn)和運(yùn)行成本均較高，在物料分離方面，其主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程的中間用水的處理中，在廢水的處理領(lǐng)域應(yīng)有較少。

目前，暫時(shí)沒有一種工業(yè)化的納濾膜能夠?qū)崿F(xiàn)對所有無機(jī)鹽離子均具有較低的截留率，同時(shí)對分子量在200-1000左右的有機(jī)物具有較高的截留性能。目前，市售的納濾膜一般為荷負(fù)電納濾膜，其對陽離子及一價(jià)陰離子具有較低的截留率，但是其對二價(jià)或高價(jià)的陰離子具有較高的截留性能，因此其不適于實(shí)現(xiàn)二價(jià)或高價(jià)陰離子與有機(jī)物的分離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種電納濾裝置，將外加電場與納濾膜有機(jī)的結(jié)合，在外加電場的作用下，無機(jī)鹽離子透過納濾膜的速率明顯增加，而不帶電的有機(jī)物透過膜的遷移速率則不受電場的影響，從而實(shí)現(xiàn)了納濾膜具有低脫鹽，高有機(jī)物截留的功能，在一些特殊的物料分離領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)如下：

本發(fā)明提供了一種具有低脫鹽率和高有機(jī)物截留率的電納濾裝置，該電納濾裝置包括陽極板、陰極板、陰離子交換膜、陽離子交換膜、納濾膜和直流電源，陽極板與直流電源的陽極相連，陰極板與直流電源的陰極相連，陽極板與陰極板相對布置，從陽極板到陰極板之間依次設(shè)置一張離子交換膜、多張納濾膜和一張離子交換膜。

其中所述納濾膜成對設(shè)置，保證靠近離子交換膜的腔室都為產(chǎn)水室。

其中所述陽極板為鈦釕材質(zhì)，陰極板為不銹鋼板。

其中任何兩片膜之間用隔網(wǎng)間隔以產(chǎn)生水流通道。

其中任何一片納濾膜兩側(cè)分別為進(jìn)水室和產(chǎn)水室。

其中，當(dāng)靠近陽極板的離子交換膜為陽離子交換膜，靠近陰極板的離子交換膜為陰離子交換膜，則陽極極水和陰極極水分別循環(huán)流動。

其中，當(dāng)靠近陽極板的離子交換膜為陰離子交換膜，靠近陰極板的離子交換膜為陽離子交換膜，則陽極極水和陰極極水分別循環(huán)流動。

其中，當(dāng)靠近陽極板的離子交換膜和靠近陰極板的離子交換膜均為陽離子交換膜或者均為陰離子交換膜，則陽極極水室和陰極極水室中的極水為一體，串聯(lián)循環(huán)流動。

其中還包括進(jìn)水儲液槽和產(chǎn)水儲液槽，進(jìn)水儲液槽中的進(jìn)水經(jīng)過泵、流量計(jì)進(jìn)入進(jìn)水室，之后經(jīng)過閥門返回進(jìn)水儲液槽，產(chǎn)水儲液槽的產(chǎn)水經(jīng)過泵、流量計(jì)進(jìn)入產(chǎn)水室，之后經(jīng)過閥門返回產(chǎn)水儲液槽。

其中還包括陽極極水儲液槽和陰極極水儲液槽，陽極極水儲液槽中的極水經(jīng)過泵、流量計(jì)進(jìn)入陽極極水室，之后經(jīng)過閥門返回陽極極水儲液槽，陰極極水儲液槽的極水經(jīng)過泵、流量計(jì)進(jìn)入陰極極水室，之后經(jīng)過閥門返回陰極極水儲液槽。

附圖說明

為了更容易理解本發(fā)明的技術(shù)方案和有益的技術(shù)效果，通過參照在附圖中示出的本發(fā)明的具體實(shí)施方式來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。這些附圖僅繪出了本發(fā)明的典型實(shí)施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有低脫鹽率和高有機(jī)物截留率的電納濾裝置的一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有低脫鹽率和高有機(jī)物截留率的電納濾裝置的電納濾工藝分離有機(jī)物與無機(jī)鹽的原理示意圖。

在圖1-2中標(biāo)示出的附圖標(biāo)記中：

1：陽極板；2：陰極板；3：陽離子交換膜；4：陰離子交換膜；5：納濾膜；6：進(jìn)水室；7：產(chǎn)水室；8：陽極極水室；9：陰極極水室；10：直流電源；11：泵；12：流量計(jì)；13：進(jìn)水儲液槽；14：產(chǎn)水儲液槽；15：陽極極水儲液槽；16：陰極極水儲液槽；17：閥門。

具體實(shí)施方式

圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有低脫鹽率和高有機(jī)物截留率的電納濾裝置的一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，該電納濾裝置包括陽極板1、陰極板2、陽離子交換膜3、陰離子交換膜4、納濾膜5和直流電源10。陽極板1與直流電源10的陽極相連，陰極板2與直流電源10的陰極相連，從陽極板1與陰極板2相對布置，從陽極板1到陰極板2之間依次設(shè)置陽離子交換膜3、納濾膜5和陰離子交換膜4。陽極板1為鈦釕材質(zhì)，陰極板2為不銹鋼板。陰陽離子交換膜均為一片，其作用是防止產(chǎn)水室中陽離子(如鈣鎂)進(jìn)入陰極室發(fā)生結(jié)垢，防止陰離子進(jìn)入陽極室造成酸的富集，陰陽離子交換膜的中間為納濾膜5，這些納濾膜成對出現(xiàn)以保證靠近離子交換膜的腔室均為產(chǎn)水室，且其對數(shù)為任意數(shù)目，任何兩片膜之間(離子交換膜與納濾膜之間，納濾膜與納濾膜之間)用隔網(wǎng)間隔。陽離子交換膜3與陽極板1之間為陽極極水室8，陰離子交換膜4與陰極板2之間為陰極極水室9。

本工藝分離有機(jī)物與無機(jī)鹽的形式為序批式處理，進(jìn)水儲液槽13中的進(jìn)水經(jīng)過泵11、流量計(jì)12進(jìn)入進(jìn)水室6，之后返回進(jìn)水儲液槽13，產(chǎn)水儲液槽14的產(chǎn)水經(jīng)過泵11、流量計(jì)12進(jìn)入產(chǎn)水室7，之后返回產(chǎn)水儲液槽14。同樣，陽極極水儲液槽15中的極水經(jīng)過泵11、流量計(jì)12進(jìn)入陽極極水室8，之后返回陽極極水儲液槽15，陰極極水儲液槽16的極水經(jīng)過泵11、流量計(jì)12進(jìn)入陰極極水室9，之后返回陰極極水儲液槽16。含有無機(jī)鹽與有機(jī)物的水體進(jìn)入進(jìn)水室6，通過調(diào)節(jié)閥門17使進(jìn)水室6與產(chǎn)水室7具有一定的壓力差，在壓力作用下，進(jìn)水室6中的液體會不斷進(jìn)入產(chǎn)水室7，通過調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)間控制系統(tǒng)回收率，達(dá)到一定的回收率時(shí)，更換新的進(jìn)水，產(chǎn)水則大部分外排，僅保留少部分作為產(chǎn)水室的循環(huán)液即可。

以進(jìn)水為含有MgSO₄和葡萄糖的溶液為例，說明本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)低脫鹽率和高有機(jī)物截留率的性能的。

假設(shè)進(jìn)水中MgSO₄濃度為1.0mol/L，產(chǎn)水中MgSO₄濃度為0.1mol/L，當(dāng)在膜兩側(cè)施加一個(gè)直流電場后，離子在電場作用下會發(fā)生定向遷移，陰離子會透過納濾膜5向陽極板1側(cè)移動，陽離子會透過納濾膜5向陰極板2側(cè)移動，且電場強(qiáng)度越大，離子遷移的速率越快。如圖2所示，假設(shè)在一段時(shí)間內(nèi)由進(jìn)水室6經(jīng)過一片納濾膜5進(jìn)入產(chǎn)水室7中的SO₄^2-數(shù)量為100個(gè)，由于進(jìn)水室6中的SO₄^2-濃度明顯高于產(chǎn)水室7中SO₄^2-濃度，那么由產(chǎn)水室7經(jīng)過一片納濾膜5進(jìn)入進(jìn)水室6中的SO₄^2-數(shù)量則可能僅為20個(gè)，同樣的道理，由進(jìn)水室6進(jìn)入產(chǎn)水室7中的Mg²⁺數(shù)量也會明顯高于由產(chǎn)水室7進(jìn)入進(jìn)水室6中的Mg²⁺數(shù)量，但是每片膜上的傳遞的陰離子和陽離子所帶的電荷量是相同的，以保證每片膜上的電流大小相同?？傮w而言，外加電場促進(jìn)了無機(jī)離子透過納濾膜5由進(jìn)水室6進(jìn)入產(chǎn)水室7，降低了納濾膜的脫鹽率。與此同時(shí)，葡萄糖不發(fā)生解離，外加電場不會影響有機(jī)物的遷移速率，因此，納濾膜5對有機(jī)物的截留率影響不大。最終該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)對無機(jī)鹽具有較低的截留性能而對有機(jī)物具有較高的截留性能。

本工藝的關(guān)鍵點(diǎn)是進(jìn)水室和產(chǎn)水室必須具有一定的濃度差，只要實(shí)驗(yàn)開始時(shí)配制的進(jìn)產(chǎn)水之間有濃度差，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行后進(jìn)水液體積不斷減少，濃度不斷濃縮，進(jìn)產(chǎn)水之間的濃度差就會不斷增加，確保從進(jìn)水室遷移到產(chǎn)水室中的離子數(shù)目遠(yuǎn)大于從產(chǎn)水使遷移到進(jìn)水室中的離子數(shù)目。此外陽極室發(fā)生析氧反應(yīng)，生成H⁺，陰極室發(fā)生析氫反應(yīng)，生產(chǎn)OH^-，H⁺和OH^-會不斷進(jìn)入產(chǎn)水室以傳遞電流，但是進(jìn)入到產(chǎn)水室中的H⁺和OH^-會迅速中和，不影響產(chǎn)水的酸堿性。

實(shí)施例1：

進(jìn)水為市政廢水經(jīng)過MBR+反滲透之后的濃水，電導(dǎo)3025us/cm，其中所含的主要離子為SO₄^2-、Mg²⁺，COD(化學(xué)需氧量)為200mg/L，以該工藝實(shí)現(xiàn)無機(jī)鹽與有機(jī)物的分離。

進(jìn)水為上述反滲透的濃水，預(yù)先配制一定體積的250ppm的氯化鈉作為產(chǎn)水，極水為1％的硫酸鈉溶液，進(jìn)水、產(chǎn)水、陽極極水和陰極極水分別循環(huán)流動，預(yù)先配制產(chǎn)水并在產(chǎn)水室循環(huán)的目的是減小產(chǎn)水室側(cè)膜表面的邊界層厚度，提高極限電流密度。進(jìn)水室壓力為0.35MPa，產(chǎn)水室、極水室的壓力均小于0.005MPa，回收率為80％，實(shí)驗(yàn)在10A/m²的電流密度下運(yùn)行，測試脫鹽率和有機(jī)物截留率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1：

表1電納濾技術(shù)分離無機(jī)鹽與有機(jī)物

分析：從表1可以看出，電納濾技術(shù)與空白實(shí)驗(yàn)相比，總脫鹽率降低了58.6％，SO₄^2-截留率降低了57.6％，有機(jī)物截留率僅降低了1.7％，說明電納濾技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低脫鹽率、高有機(jī)物截留率的功能。于此同時(shí)，電納濾技術(shù)還能明顯提高納濾膜的通量，與空白實(shí)驗(yàn)相比，電納濾的通量提高了17.4L·m^-2·h^-1，約提高38.5％。

實(shí)施例2：

進(jìn)水為某食品加工中間用水，電導(dǎo)2604us/cm，其中所含的主要離子為PO₄^3-，COD(化學(xué)需氧量)為1040mg/L，以該工藝實(shí)現(xiàn)有機(jī)物濃縮的同時(shí)分離PO₄^3-。

進(jìn)水為上述食品加工中間用水，稀釋后的上述原水作為初始產(chǎn)水，極水為1％的硫酸鈉溶液，進(jìn)水、陽極極水和陰極極水分別循環(huán)流動，進(jìn)水室壓力為0.35MPa，產(chǎn)水室、極水室的壓力均小于0.005MPa，回收率為50％，實(shí)驗(yàn)分別在10A/m²和30A/m²的電流密度下運(yùn)行，測試總脫鹽率、PO₄^3-截留率和有機(jī)物截留率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2：

表2電納濾技術(shù)去除食品用水中PO₄^3-的實(shí)驗(yàn)研究

分析：由表2得出，在50A/m²的電流密度下，與空白實(shí)驗(yàn)相比，電納濾技術(shù)對食品加工中間用水的脫鹽率可降低58.1％，PO₄^3-截留率可降低41.9％，且在一定范圍內(nèi)增加電流密度有利于降低納濾膜對PO₄^3-的截留率。

本發(fā)明提出的具有低脫鹽率和高有機(jī)物截留率的電納濾技術(shù)，將電滲析與納濾有機(jī)的結(jié)合，用納濾膜替換離子交換膜，依靠電場力、壓力、濃度差作為推動力，與電滲析相比，有機(jī)物與無機(jī)鹽的分離效果雖然有所降低，但是其投資成本和運(yùn)行成本也顯著降低了，且耐有機(jī)污染性能也得到了明顯提高，這在工業(yè)廢水或市政廢水處理領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明可以以其他具體的形式進(jìn)行體現(xiàn)，比如在離子交換膜的組合方式中，靠近陽極板的離子交換膜可以換為陰離子交換膜，靠近陰極板的離子交換膜則為陽離子交換膜，且陽極極水和陰極極水分別循環(huán)流動；在離子交換膜的組合方式中，靠近陰極板和陽極板的離子交換膜可以均為陽離子交換膜，此時(shí)陽極極水室和陰極極水室中的極水為一體，串聯(lián)循環(huán)流動；在離子交換膜的組合方式中，靠近陰極板和陽極板的離子交換膜可以均為陰離子交換膜，此時(shí)陽極極水室和陰極極水室中的極水為一體，串聯(lián)循環(huán)流動。但這并不會脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍僅由所附的權(quán)利要求限定。