一種純淨水的生產裝置與過程的製作方法

2023-04-30 14:09:06

專利名稱：一種純淨水的生產裝置與過程的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種純淨水的生產裝置與過程，特別是一種低壓膜與電去離子膜分離技術相結合的純淨水的生產裝置與過程。
背景技術：
根據中國瓶裝飲用純淨水衛生標準GB17323-1998，「瓶裝飲用純淨水」的定義為「以符合生活飲用水衛生標準的水為原料，通過電滲析法、離子交換法、反向滲透法、蒸餾法及其他適當的加工方法製得的，密封於容器中且不含任何添加物可直接飲用的水。」對於桶裝純淨水的製備，相關國家標準同樣規定了電滲析、離子交換、反滲透、蒸餾以及其他適當的生產方法。在純淨水的水質指標中最重要的是理化指標「電導率」和微生物指標，其中規定純淨水的電導率應不大於10μs/cm，菌落總數應不大於20cfu/mL。
在蒸餾、離子交換、電滲析、反滲透等水處理技術中，蒸餾由於高能耗、低水質、系統龐大、操作不便、易汙染環境等缺點已逐漸被淘汰，目前已不再作為純水技術的核心工藝，而是多與其他純水技術搭配使用以實現一些特定的目的。電滲析是在直流電場的作用下，利用陰陽離子交換膜對水中陰陽離子的不同選擇透過性而將鹽離子去除獲得脫鹽水的一種膜分離過程。然而，用電滲析脫鹽一般只能達到60-95％的脫鹽率，下業規模的電滲析器的典型脫鹽率在70-90％，對於最普遍的以電導率為數百μs/cm的城市自來水為原水的情況而言，用電滲析脫鹽的產品水電導率則無法達到10μs/cm以下，因此必須與離子交換相結合才可使產品水質符合要求，即採取「電滲析+離子交換」的工藝製備純淨水。
對於單獨的「離子交換」或者「電滲析+離子交換」技術製備純淨水，一個不可避免的問題就是飽和、失效的離子交換樹脂的化學再生。用化學酸鹼對離子交換樹脂進行再生存在以下的明顯缺點1、用於再生的化學藥劑利用率很低，所用的酸或鹼中佔很大重量百分比的離子沒有得到利用。
2、再生消耗大量的清洗水，產生大量廢酸廢鹼液排放，汙染水體和周邊環境，破壞生態平衡。
3、再生系統複雜，操作不便。
4、制水系統不能連續運轉。
當前國內外的飲用純淨水的生產中，得到最普遍運用的是反滲透技術。反滲透是以壓力為驅動力，通過反滲透膜將溶液中的溶劑(水)分離出來而獲得純水的膜分離過程。它的主要分離對象是溶液中的離子，同時也能去除分子量在300以上的有機物。目前的商業化純淨水的生產中，超過90％的部分都是使用反滲透技術，其中一般採取超濾或微濾作為反滲透的預處理。
由於反滲透膜的脫鹽率一般為98％左右，因此對於原水水質較好的情況，如電導率低於400μs/cm，則採用一級反滲透便可以獲得合格的純淨水；而當原水水質更普遍地高於400μs/cm時，則必須採取兩級反滲透才可獲得安全、合格的產品水。採取反滲透技術製備純淨水，也存在以下的兩點缺陷1、成本高採用的反滲透膜和高壓泵、不鏽鋼或玻璃鋼膜殼價格昂貴。對於噸級規模的產水量，若採用一級反滲透，則生產線僅設備成本就需要數萬元，若採用兩級反滲透，則高達十多萬元。
2、水利用率過低，水資源浪費嚴重一般的純淨水生產的規模都為數百升一數噸/小時，較低。由於單支反滲透膜組件的水收率(利用率)僅為8％左右，因此對於數百升/小時的反滲透而言，其水利用率低於20％，即超過80％的原水將被排放；對於數噸/小時的反滲透系統而言，通過多支膜組件串聯的方法，其典型的水利用率也僅在50％左右，而若系統設計為兩級反滲透，則水利用率將大大減小。這種極低的水資源利用率對於當前淡水資源日益緊張的狀況而言是非常不利的。
電去離子(英文簡稱EDI)技術，是為了克服離子交換過程中必須使用化學酸鹼來再生樹脂的缺陷而開發出的一項新型膜分離技術，其主要特徵是在電滲析器的淡水室中填充混床離子交換樹脂，在合理搭配的操作條件下，便可將電滲析和離子交換技術有機結合，既通過電能和離子交換膜及樹脂的作用實現水的脫鹽，同時又通過電能實現鹽離子通過樹脂相的連續遷移與排出，以及離子交換樹脂的連續再生，因此同時避免了電滲析不能直接製取純水和離子交換樹脂需要使用酸鹼頻繁再生的缺點。與反滲透相比，EDI不能去除有機物雜質，但在脫鹽率、水利用率、設備成本、系統複雜程度等方面都有顯著優越性。專利US4632745是第一個實用化EDI技術的專利應用，ZL99241918.2、ZL00200207.8等則是中國的EDI技術的專利應用。
專利EP916620A2、US6017433採取了「pH調節一EDI」的工藝進行脫鹽。該專利設計為了防止EDI裝置中的結垢，將EDI原水進行了酸化預處理，即在原水進入EDI淡水室之前，將其pH值調節為0-3，濃縮水則單獨進水。由於這種設計將原水的pH值調節得過低，因此EDI產品水和濃縮水均仍為明顯的酸性，故不能作為飲用水的生產工藝。當以EDI作為純淨水生產的核心除鹽工藝時，則需要進行更合理的工藝流程設計。

發明內容
本發明的目的是針對上述純淨水生產技術的缺點和不足，提供一種性能可靠、操作簡便、裝置成本極大降低、水利用率則顯著提高的純淨水生產新工藝和裝置。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的採取低壓液體分離膜作預處理，電去離子純水器為除鹽核心，微濾膜終端過濾三個串聯工藝而製得合格的純淨水。
1、低壓膜預處理所述的低壓膜，可以為超濾膜或超微濾膜(Ultramicrofiltration Membrane)，一般以超濾膜和超微濾膜為佳。超濾(英文簡稱UF)膜的孔徑則為0.001-0.1微米，截留分子量為103-106；超微濾膜則是一種特殊的超濾膜，分離性能介於超濾和微濾之間，其膜孔徑為0.07-0.08微米，孔徑分布極小且分布均勻，膜通量則遠大於傳統的UF。
對於通常的以城市自來水為原水的情況，採用的UF膜，可為有機高分子材料或無機材料的UF膜。有機材料UF膜主要有聚碸類和聚烯烴膜，如聚碸(PS)、磺化聚碸(SPS)、聚醚碸(PES)、聚丙烯(PP)、聚丙烯腈(PAN)等；無機材料UF膜主要是無機陶瓷膜。對於本發明，上述各種的UF膜均可以被使用，其截留分子量控制為2-5萬道爾頓。
UF是以壓力為驅動力，利用物理篩分作用對液體進行分離的膜分離過程，其操作壓力遠低於納濾和反滲透，通常為0.2-0.3MPa。利用上述低壓膜為下遊的電去離子組件作預處理，可有效去除原水中的微粒、膠體、色素、細菌、病毒和大分子有機物，防止下遊電去離子組件內的有機物結垢。利用超微濾膜組件更可以在進行有效分離的同時獲得更高的通量。當原水水質相對較差，濁度過高時，採取在低壓膜之前增加石英砂濾器的方法，減輕低壓膜的壓力，減緩其通量衰減情況，延長低壓膜的使用和清洗周期。砂濾器的過濾介質採用0.4-1.0mm的石英砂。
2、電去離子除鹽通過低壓膜作預處理的水進入電去離子組件，控制合理的操作條件可使其脫鹽率達到99％以上，同時水利用率可達60-80％。對於電導率低於1000μs/cm的原水，可直接獲得合格的純淨水。當原水水質較差，電導率過高時，可以採取單臺多級電去離子組件，或者兩臺電去離子組件串聯的方法獲得合格的產品水。
若原水中的有機物雜質指標過高，可在電去離子組件之前增加活性炭吸附手段以減低有機物含量，減輕EDI組件中的有機物汙染水平，延長其使用和清洗周期。
若原水的pH值偏高，則為了防止在EDI組件中的結垢，保證EDI的安全運行，可在低壓膜之前或活性炭吸附與EDI之間設置pH調節裝置，將原水的pH調節至5-7，一般以5.5-6.5為佳，略偏酸性。pH調節可以使用稀鹽酸或稀硫酸等化學藥劑。
3、微濾膜終端過濾微濾(英文簡稱MF)屬於精密過濾技術，過濾孔徑為0.1-75微米，常用的為0.1-20微米。本發明中，作為終端過濾用的MF膜，其材質也可以是醋酸纖維素(CA)、聚醯胺、聚碸類、聚烯烴類和無機陶瓷MF膜。
對於本發明，所使用的終端微濾膜，其過濾孔徑小於0.45微米，一般為0.22微米，用以完全截留細菌和微粒，獲得安全、可靠的產品水。
本發明的各個水處理單元集成為一個整體，可產生如下效果低壓膜(超濾或超微濾)預處理可去除原水中的微粒、膠體、色素、微生物和大分子有機物；電去離子組件可在不消耗任何酸鹼的條件下連續高效除鹽，使得產品水電導率達到10μs/cm以下；終端微濾膜過濾可去除細菌和微粒，從而製得合格的純淨水。


圖1為本發明的工藝流程示意圖。
圖中
1-增壓泵；2-砂濾器；3-pH調控器；4-低壓膜組件；5-活性炭吸附濾器；6-EDI組件；7-在線電導率儀；8-微濾膜過濾具體實施方式
通常情況下，生產飲用純淨水的產量規模均較小，為數百升-數噸/小時。當產水量不超過1-2噸/小時，且原水為正常的城市自來水，水壓為0.2-0.3MPa，水質符合國家標準時，可不使用原水增壓泵和石英砂濾器，從而使設備成本顯著降低。此外，對於產水量為噸級規模的EDI裝置而言，與使用高壓泵的反滲透相比，其成本尚不足後者的25％，同時60-80％的水利用率則比後者的15-50％顯著提高。產水量越小，水利用率相差就越大，使用EDI脫鹽的優勢就越明顯。此外，使用低壓膜—電去離子工藝生產純淨水，系統中免除了較高能耗和高噪音的動力泵，甚至在產水量較低的條件下還可以實現無泵靜音運行，因此與反滲透生產工藝相比，還具有節能、低噪音的優點。
本發明中使用的EDI組件，其主要技術特點是在電滲析器的淡水室中填充有陰陽混合離子交換樹脂。EDI組件的左右兩側為正負端電極，中間為交替排列的陰陽離子交換膜和淡化室與濃縮室。EDI過程去離子的基本原理主要包括離子交換、直流電場下離子的選擇性遷移及樹脂的電再生三個方面。原水中的離子首先因交換作用吸附於樹脂顆粒上，再在電場作用下經由樹脂顆粒構成的「離子傳輸通道」遷移到膜表面並透過離子交換膜進入濃縮室。在樹脂、膜與水相接觸的界面擴散層中的極化發展到一定程度時(取決於操作條件)，就建立起高的電勢梯度，迫使水解離為H+和OH-。它們除部分參與負載電流外，另一部分又對樹脂起到就地再生作用，從而使離子交換、離子選擇性遷移、電再生三個過程相伴發生，相互促進，達到了連續的去離子過程。與離子交換相比，EDI的主要優點在於可在免化學酸鹼再生的前提下實現連續除鹽製備純水，高效、節能、無汙染。
圖1所示是本發明的工藝流程示意圖。原水經增壓泵1加壓，進入石英砂濾器2，去除大的微粒、膠體和濁度，經pH調控器3調節pH值後，再經低壓膜組件4-1、4-2淨化，去除大分子的有機物、微粒、膠體、色素和微生物，其濃縮水直接排放，低壓膜淨化水經活性炭吸附濾器5後進入EDI組件6除鹽，EDI的濃縮水和極水排放，除鹽淡化水經微濾膜過濾8終端處理，最後得到產品水。其中，在微濾膜8和EDI之間設置有在線電導率儀7用以監測產品水質。
小型EDI裝置實施例EDI膜堆共含8個膜對，按一級兩段組裝，隔板規格為100×300mm，膜堆工作電壓20-25V，工作電流150-200mA，淡水產水量10升/小時，EDI水利用率60％。不同時間採得的原水和產品水的電導率數據，以及淡化水中的陰陽離子含量檢測數據分別如下表所示表一、EDI除鹽過程的原水和淡化水的電導率(μs/cm)

表二、EDI淡化水的水質組成分析(ppm)

可見，對於電導率低於800-1000μs/cm的原水，若使用反滲透技術製備純淨水，則必須採用兩級反滲透的工藝；而大多數情況下，使用EDI進行除鹽，則僅需一級EDI裝置就可以獲得電導率在10μs/cm以下的純淨水，其設備成本極大降低。
本發明所提供的純淨水生產工藝，與現有技術相比，其主要優點在於設備成本極大降低，水利用率顯著提高，同時設備簡易、便於操作與維護、運行可靠、節能低噪音，故便於推廣應用。
權利要求
1.一種純淨水的生產裝置與過程，它是以城市自來水為原水，依次經過砂濾、低壓膜預處理、活性炭吸附、電去離子除鹽及微濾膜終端過濾過程製得純淨水，其特徵在於砂濾是通過採用過濾介質為0.4-1.0mm的石英砂的砂濾器完成的；低壓膜是通過採用截留分子量為2-5萬道爾頓的超濾膜，或者膜孔徑為0.07-0.08μm的超微濾膜的膜組件完成的；除鹽是通過採用脫鹽率大於99％的電去離子組件完成的；終端過濾是通過採用過濾孔徑為0.22-0.45μm的微濾膜組件完成的，並且在低壓膜組件之前，或者是在電去離子組件之前，設置水的pH調控器，用稀鹽酸或稀硫酸調節水的pH值為5.5-6.5。
2.根據權利要求1所述的一種純淨水的生產裝置與過程，其特徵在於，所使用的超濾膜，其膜材質為聚碸，或者磺化聚碸、聚醚碸、聚丙烯、聚丙烯腈以及無機陶瓷材質中的一種。
3.根據權利要求1所述的一種純淨水的生產裝置與過程，其特徵在於，所使用的微濾膜，其膜材質為醋酸纖維素、聚醯胺、聚碸或者無機陶瓷材質中的一種。
全文摘要
一種純淨水的生產裝置與過程，原水先後經低壓膜分離、活性炭吸附、電去離子除鹽、微濾膜過濾等水處理工藝，有效去除水中的各種微粒、膠體、色素、大分子有機物、無機離子等雜質和細菌病毒等微生物，得到飲用純淨水。與現有技術相比，本發明提供的生產工藝與裝置具有高效、節能、低噪音等顯著優點，水資源利用率顯著提高，制水成本則極大降低。
文檔編號C02F9/02GK1396124SQ0212904
公開日2003年2月12日 申請日期2002年8月29日 優先權日2002年8月29日
發明者王世昌, 王建友 申請人:王世昌, 王建友