離子鍍膜及其形成方法和水過濾裝置與流程
2023-10-10 01:36:29
本發明涉及水處理領域，且特別涉及一種離子鍍膜及其形成方法和水過濾裝置。
背景技術：
通常降低水中硬度常用的方法有離子交換、電滲析、反滲透和藥劑軟化法。而離子交換、電滲析及反滲透法均存在造價昂貴、運行費用高、產水率低等缺點。而石灰是藥劑軟化法中最常用的藥劑，其特點是操作簡單、造價較低。地下水中的硬度主要是碳酸氫鹽硬度，即「暫時硬度」，石灰法對去除地下水中「暫時硬度」有著較好的效果。
在常規的水處理過程中，過濾一般是指以石英砂等顆粒狀濾料層截留水中懸浮雜質，使小於空隙的物質通過的一種最簡單、最常用的分離方法，使水獲得澄清的工藝過程。目前，國內水廠一般應用濾池作為去除水體中濁度的最後一步工藝。而常規的過濾，比如砂濾，是比較粗糙的過濾方法，顆粒空隙從零點幾毫米到幾毫米不等，基本上只能過濾肉眼可見的大顆粒。而像0.02微米左右的汙染物，如懸浮物、細菌、藻類、兩蟲等物質以外，還有相對分子量在1000-300000以上的溶解性有機物，例如部分高分子有機物如蛋白質等均不能去除。另外，使用濾池過濾時，偶爾會有濾池會被突然穿透現象(壓力瞬時增大，早晨濾池中濾料孔徑中的渾濁物被水體壓出，造成水體突然渾濁的現象)發生，以致出水濁度瞬時增大，造成嚴重後果。
現有的濾池中所用的微濾或超濾膜在運行過程中仍要面臨膜汙染問題，膜汙染導致膜運行壓力的增加或產水量的降低。因此微濾或者超濾系統需要定期衝洗或用藥劑清洗才可維持超濾系統的產水能力，故膜除要定期清理外還需要進行定期更換。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種離子鍍膜，該離子鍍膜成分簡單，來源廣。
本發明的第二目的在於提供一種離子鍍膜的形成方法，該方法簡單，成本低，可用於不同的水處理。
本發明的第三目的在於提供一種包括離子鍍膜的水過濾裝置，該水過濾裝置能夠降低水處理過程中的跨膜壓差和泵能耗。
本發明解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的：
本發明提出一種離子鍍膜，包括膜系統和鍍層，膜系統包括微濾離子膜、超濾離子膜和納濾離子膜中的任意一種膜，鍍層設置於膜系統的表面，鍍層主要由CaCO3和Mg(OH)2製成。
本發明還提出一種離子鍍膜的形成方法：將膜系統設置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，向水過濾裝置內注入含有鈣、鎂離子的水體，從進水口加入鹼性物質直至膜系統的表面形成離子鍍膜。
本發明提出的離子鍍膜可應用在水過濾領域，如用於包括浸沒式膜系統或壓力式膜的過濾工藝系統內。同時，本發明還提出一種包括上述離子鍍膜的水過濾裝置，該離子鍍膜可拆卸設置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道。
本發明實施例的離子鍍膜及其形成方法和水過濾裝置的有益效果是：通過將膜系統設置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，原水和鹼性物質通過進水口進入水過濾裝置，原水中的Ca2+和Mg2+與鹼性物質反應生成的CaCO3和Mg(OH)2沉積於膜系統表面形成鍍層並最終形成離子鍍膜。傳統觀點認為，這種由CaCO3和Mg(OH)2形成的鍍膜會阻礙水分子通過，影響過濾效率。但經過發明人長期總結髮現，隨CaCO3和Mg(OH)2的不斷沉積，這種鍍膜在一定厚度範圍內不會降低過濾效率，反而可以合理利用原水中的Ca2+和Mg2+，節約鹼性物質的消耗量；並且通過在水過濾裝置中設置該離子鍍膜，除降低了水處理過程中的耗電量及運行費，還降低了跨膜壓差和泵能耗，延長了膜的使用壽命。上述的離子鍍膜的形成方法簡單，成本低，經濟適用。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1為本發明實施例9提供的水過濾裝置的結構示意圖。
圖標：100-水過濾裝置；110-進水口；120-出水口；130-離子鍍膜；140-抽水泵。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。
下面對本發明實施例的離子鍍膜、水過濾裝置及水過濾裝置中離子鍍膜的形成方法進行具體說明。
本發明實施例提供的水過濾裝置例如可以主要應用於地下水處理，也可以用於其他任何含有鈣、鎂離子的水體。因含有鈣、鎂離子的水體的水質特徵之一是水中硬度較高，故水處理過程中通常會對該類水體進行軟化處理。軟化方法一般包括離子交換法、電磁法、膜分離法和加藥法。其中離子交換法採用特定的陽離子交換樹脂，以鈉離子將水中的鈣鎂離子置換出來，由於鈉鹽的溶解度很高，所以避免了隨溫度的升高而造成水垢生成的情況；電磁法即採用在水中加上一定的電場或磁場來改變離子的特性，從而改變碳酸鈣或碳酸鎂沉積的速度及沉積時的物理特性來阻止硬水垢的形成，該方法效果不夠穩定性，沒有統一的衡量標準，而且由於主要功能僅是影響一定範圍內的水垢的物理性能，所以處理後的水的使用時間、距離都有一定局限；膜分離法納濾膜(NF)及反滲透膜(RO)均可以攔截水中的鈣鎂離子，從而從根本上降低水的硬度，但該方法只能將硬度降到一定的範圍且對進水壓力有較高要求，設備投資、運行成本都較高；加藥法即向水中加入鹼性物質，使水中的鈣鎂離子沉澱，適合適用範圍大流量的高硬水。綜合成本和效率考慮，本發明實施例中優選採用加藥法進行水處理。其中，所加的藥物為鹼性物質，鹼性物質與含有鈣、鎂離子的水體結合生成CaCO3和Mg(OH)2。為了避免在水處理過程所加的鹼性物質引入新的金屬離子，優選的，該鹼性物質例如可以包括熟石灰和火鹼中的至少一種。
具體的，本發明實施例的水過濾裝置包括離子鍍膜，該離子鍍膜設置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道。進水口中注入的原水通過離子鍍膜的過濾作用後生成產水並從出水口流出，從而起到淨化水的作用。
作為優選的，上述離子鍍膜包括膜系統和鍍層，其中膜系統包括微濾離子膜、超濾離子膜和納濾離子膜，該膜系統可用於含有浸沒式膜或壓力式膜的過濾工藝系統內。其中，浸沒式膜過濾工藝是一種新型膜技術，其是超低壓中空纖維膜技術與連續膜過濾技術相結合而派生出來的一種新型的膜過濾處理工藝。它使用開放式中空纖維膜組件，將膜直接置於充滿待處理水的膜池中，通過泵的負壓抽吸和大氣壓力，使水透過膜表面，從中空纖維膜內側抽出，從而達到過濾淨化的目的。本發明實施例中的離子鍍膜中的膜系統的孔徑優選為0.001-0.01μm，該孔徑只允許水分子及少數水中的有益礦物質和微量元素通過，又因最小細菌的體積都在0.02μm以上，故細菌及比細菌體積大的膠體、鐵鏽、懸浮物、泥沙和大分子有機物均能被該膜系統截留下來，從而實現淨化過程。其中，當膜系統的孔徑為0.001μm時，該膜為納濾離子膜，此條件下，形成該鍍膜需要一定壓力，優選的，本發明實施例中可以將水過濾裝置密封，採用提升泵或增壓泵在進水口處對水體進行增壓，將水提升至水過濾裝置中。此外，該膜系統例如可以有多個空纖維膜組件，該多個空纖維膜組件設置於水過濾裝置中，鍍層設置於膜系統的表面，例如可以只設置於膜系統的一個側表面，也可以同時設置於膜系統的兩個側表面，但後者較前者對水的過濾效果更佳。鍍層形成的過程如下：向水過濾裝置的進水口注入含有鈣、鎂離子的水體，並加入鹼性物質。較佳的，水體與鹼性物質同時加入至進水口，鹼性物質的投料量與水體的比值例如可以為1-2000mg:1L，以使兩者的混合效果最佳，從而使水體中的部分金屬離子，如Ca2+和Mg2+完全沉澱。此外，也可在進入進水口之前使水體和鹼性物質混合，但此情況下兩者的混合時間優選為4-6min，以防止兩者混合不充分。
鹼性物質與含有鈣、鎂離子的水體水結合生成CaCO3和Mg(OH)2的原理如下：
以投加熟石灰Ca(OH)2為例進行說明：向水中投加鹼性物質，鹼性物質中所含有的OH-與水中產生硬度的物質如Ca2+和Mg2+進行結合。首先，去除含有鈣、鎂離子的水體中硬度的關鍵步驟主要是通過投加Ca(OH)2促使HCO3-與OH-結合生成CO32-，或是水中游離的CO2與OH-反應生成CO32-，反應方程式如下：
HCO3-+OH-→CO32-+H2O，
CO2+2OH-→CO32-+H2O，
進而水中的Ca2+與CO32-反應生成CaCO3沉澱；水中的Mg2+的沉澱主要是通過以下反應進行：
Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→CaCO3↓+MgCO3↓+2H2O，
MgCO3↓+Ca(OH)2→CaCO3↓+Mg(OH)2↓，
其中第一步反應生成的MgCO3溶解度較高，還需再與Ca(OH)2進行第二步反應，生成溶解度很小的Mg(OH)2，總反應為：
Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2→2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+2H2O，
此外，向水中投加熟石灰還能將水中非碳酸鹽的含鎂物質轉化成氫氧化鎂：
MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4，
MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCl2。
此時，水處理裝置中在膜系統靠近進水口一側的水則形成絮體濁液。進一步的，在水體處理裝置的出水口連接抽水泵，當啟動抽水泵時，膜系統靠近出水口一側則形成負壓，再結合進水口一側水體所受的重力和大氣壓使該側的水體通過膜系統，而絮體濁液中的部分CaCO3和Mg(OH)2沉澱隨水體的流向沉積於膜系統的表面形成鍍層，絮體濁液中體積大於膜系統孔徑的物質則被截留在進水口一側。該鍍層與其所鍍的膜系統共同形成本發明實施例中的離子鍍膜。作為優選的，鍍層中CaCO3和Mg(OH)2的重量比例如可以為1-3:1，鍍層的厚度例如可以為0.001-2mm，鍍膜的厚度例如可以為0.06-4mm，該重量比和該厚度範圍可以保證鍍層和鍍膜可以起到較好的過濾效果。
此外，本發明所涉及的離子鍍膜也可以不通過水體中Ca2+、Mg2+的沉積形成，而是直接對膜系統進行加工，在其表面鍍上含有CaCO3和Mg(OH)2的鍍層。且根據不同的水處理情況，如水體的待處理量，加工過程中還可在膜系統上鍍上多層鍍層。實際應用中，將該膜系統可拆卸設置於水處理裝置中，如設置在水過濾裝置的進水口和出水口之間的水流通道，並使鍍層朝向進水口一側即可。
通過在水處理裝置中設置本發明涉及的離子鍍膜，能夠有效的去除含有鈣、鎂離子的水體中的暫時硬度以及水體中的顆粒物、藻類、病毒和細菌等，不僅避免了頻繁的定期更換過濾膜，還可以降低水處理過程中的跨膜壓差，降低泵的能耗。
以下結合實施例對本發明的特徵和性能作進一步的詳細描述。
實施例1
選擇孔徑為0.01μm的僅包含1個空纖維膜組件的微濾離子膜置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，從水過濾裝置的進水口注入含有鈣、鎂離子的水體並同時向該水體中加入重量比為1L：1mg的熟石灰，水體中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉澱的絮體濁液。啟動連接於出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2則通過出水口一側形成的負壓與水體一同向出水口運動，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例1:3沉積於微濾離子膜的表面形成0.001mm的鍍層，並與微濾離子膜一起構成厚度為0.06mm的鍍膜，水體經該鍍膜的過濾作用從出水口抽出。
實施例2
選擇孔徑為0.006μm的包含2個空纖維膜組件的納濾離子膜置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，從水過濾裝置的進水口注入含有、鎂離子的水體並同時向該水體中加入重量比為1L：2000mg的火鹼，水體中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉澱的絮體濁液。啟動連接於出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2則通過出水口一側形成的負壓與水體一同向出水口運動，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例1:1沉積於超濾離子膜中每個空纖維膜組件的表面形成2mm的鍍層，並與超濾離子膜一起構成厚度為4mm的鍍膜，水體經該鍍膜的過濾作用從出水口抽出。
實施例3
選擇孔徑為0.005μm的包含3個空纖維膜組件的超濾離子膜置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，從水過濾裝置的進水口注入含有鈣、鎂離子的水體並同時向該水體中加入重量比為1L：1000mg的火鹼和熟石灰混合物，水體中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉澱的絮體濁液。啟動連接於出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2則通過出水口一側形成的負壓與水體一同向出水口運動，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例2:1沉積於納濾離子膜中每個空纖維膜組件的表面形成1mm的鍍層，並與納濾離子膜一起構成厚度為4mm的鍍膜，水體經該鍍膜的過濾作用從出水口抽出。
實施例4
選擇孔徑為0.005μm的包含3個空纖維膜組件的微濾離子膜置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，於進水前向待進水的含有鈣、鎂離子的水體中加入重量比為1L：1000mg的火鹼和熟石灰混合物，兩者混合4min後從進水口注入水過濾裝置中，水體中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉澱的絮體濁液。啟動連接於出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2則通過出水口一側形成的負壓與水體一同向出水口運動，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例2:1沉積於微濾離子膜中每個空纖維膜組件的表面形成0.5mm的鍍層，並與微濾離子膜一起構成厚度為2.03mm的鍍膜，水體經該鍍膜的過濾作用從出水口抽出。
實施例5
選擇孔徑為0.01μm的包含2個空纖維膜組件的超濾離子膜置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，於進水前向待進水的含有鈣、鎂離子的水體中加入重量比為1L：1000mg的火鹼和熟石灰混合物，兩者混合6min後從進水口注入水過濾裝置中，水體中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉澱的絮體濁液。啟動連接於出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2則通過出水口一側形成的負壓與水體一同向出水口運動，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例2:1沉積於超濾離子膜中每個空纖維膜組件的表面形成1.5mm的鍍層，並與超濾離子膜一起構成厚度為4mm的鍍膜，水體經該鍍膜的過濾作用從出水口抽出。
實施例6
選擇孔徑為0.008μm的包含3個空纖維膜組件的納濾離子膜置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，於進水前向待進水的含有鈣、鎂離子的水體中加入重量比為1L：1000mg的火鹼和熟石灰混合物，兩者混合5min後從進水口注入水過濾裝置中，水體中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉澱的絮體濁液。啟動連接於出水口的抽水泵，CaCO3和Mg(OH)2則通過出水口一側形成的負壓與水體一同向出水口運動，其中，CaCO3和Mg(OH)2以重量比例2:1沉積於納濾離子膜中每個空纖維膜組件的表面形成1mm的鍍層，並與納濾離子膜一起構成厚度為3.5mm的鍍膜，水體經該鍍膜的過濾作用從出水口抽出。
實施例7
選擇孔徑為0.005μm的包含3個空纖維膜組件的微濾離子膜，於每個空纖維膜組件的一個表面鍍上2層厚度為2mm的鍍層形成鍍膜，每層鍍層含有重量比為1:1的CaCO3和Mg(OH)2。將上述鍍膜置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，並使鍍層面朝向進水口一側。從水過濾裝置的進水口注入含有鈣、鎂離子的水體並同時向該水體中加入重量比為1L：1000mg的火鹼和熟石灰混合物，水體中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉澱的絮體濁液。啟動連接於出水口的抽水泵，待處理水體通過出水口一側形成的負壓向出水口運動，水體經該鍍膜的過濾作用從出水口抽出。
實施例8
選擇孔徑為0.001μm的包含2個空纖維膜組件的納濾離子膜，於每個空纖維膜組件的2個表面均鍍上1層厚度為1.5mm的鍍層形成鍍膜，每層鍍層含有重量比為2:1的CaCO3和Mg(OH)2。將上述鍍膜置於水過濾裝置的進水口與出水口之間的水流通道，並使兩個鍍層面分別朝向進水口和出水口一側。從水過濾裝置的進水口注入的含有鈣、鎂離子的水體並同時向該水體中加入重量比為1L：1000mg的火鹼和熟石灰混合物，水體中形成含有CaCO3和Mg(OH)2沉澱的絮體濁液。在進水口處用提升泵或增壓泵增加進水壓力，CaCO3和Mg(OH)2則在該壓力下與水體一同抽入至水過濾裝置中，水體經該鍍膜的過濾作用從出水口抽出。
實施例9
請參照圖1，本實施例提供一種水過濾裝置100，其包括進水口110、出水口120、離子鍍膜130和抽水泵140，其中，從進水口110至出水口120的流徑即為水流通道。該離子鍍膜130例如可以是實施例1-7任一實施例中的離子鍍膜。具體的，該離子鍍膜130置於進水口110與出水口120之間，原水從進水口110注入水過濾裝置100，經離子鍍膜130過濾後生成產水，在抽水泵140的抽壓作用下從出水口120抽出。
實施例10
本實施例提供一種水過濾裝置(圖未示)，其包括進水口、出水口、離子鍍膜、增壓泵和抽水泵，其中，從進水口至出水口的流徑即為水流通道。離子鍍膜例如可以是實施例8中的離子鍍膜。具體的，該離子鍍膜置於進水口與出水口之間，原水在增壓泵的作用下從進水口注入水過濾裝置，經離子鍍膜過濾後生成產水，在抽水泵的抽壓作用下從出水口抽出。
經本方法處理後的的含有鈣、鎂離子的水體，其水質指標均符合國家生活飲用水衛生標準。其中以總硬度(以CaCO3計)600mg/L、總鹼度(以CaCO3計)350mg/L的地下水為例，具體水質指標如表1所示：
表1水質指標
由表1可以看出，本發明實施例中通過離子鍍膜過濾後的產水符合國家生活飲用水衛生標準。
此外，以現有過濾技術與本發明實施例的離子鍍膜技術分別作為對照組和試驗組，對比其在處理地下水過程中的耗電量、鹼性物質消耗量和運行費，結果如表2所示：
表2耗電量、鹼性物質消耗量和運行費
通過表2可以看出，本發明實施例中通過離子鍍膜過濾原水，能使整個水處理過程中的耗電量、鹼性物質消耗量及運行費均較現有過濾技術中的上述參數更低，因此，該方法在運行成本上更具優勢，更加節約成本。
此外，現有技術中的膜的更換周期一般為2-4個月，本發明實施例中的離子鍍膜更換周期可長達6-8個月，從而延長了膜的使用壽命。根據本發明實施例中不同的離子鍍膜厚度，其在水處理過程中還能使跨膜壓差較現有技術降低5％-50％，且能提高泵效能並使泵能耗較現有技術降低5％-50％。
綜上所述，通過本發明實施例中的離子鍍膜的形成方法簡單，成本低，可用於不同的水處理。經該離子鍍膜過濾後的產水符合國家生活飲用水衛生標準；該水處理方法耗電量、鹼性物質消耗量及運行費均較低；且通過設置上述離子鍍膜，降低了水處理過程中的跨膜壓差和泵能耗，故本方法經濟適用。
以上所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。