一种耦合反电渗析与电渗析的海水淡化方法

摘要

本发明属于海水淡化渗析领域，针对电渗析海水淡化工艺能耗高、浓水难处理等缺点，设计开发了一种耦合反电渗析与电渗析的海水淡化方法，在该方法中将运用超滤预处理、电渗析脱盐、反电渗析发电等工艺设计，达到浓水零排放、水资源高效利用、占地面积小、综合运行费用低、经济与社会效益好的目的；本发明的优点是占地面积小、运行费用低、浓水基本实现零排放、经济及社会效益好。本发明可在海水淡化企业与居民内广泛应用。

说明书

技术领域

本发明属于海水淡化渗析领域，具体涉及一种耦合反电渗析与电渗析的海水淡化方法。

背景技术

我国是淡水资源缺乏的国家，海水淡化作为淡水资源的增量技术，已成为解决水资源短缺 的战略性选择。自20世纪80年代后，随着反渗透膜性能和能量回收装置效率的提高，大型 反渗透海水淡化能耗降低至3～5kWh/t之间，并以投资省、占地面积小、建设周期短等优势 逐步取代了热法海水淡化技术，占据了中国海水淡化市场2/3以上的市场份额，成为目前主 流的海水淡化技术。但在解决淡水资源补给问题的同时，暴露出了许多不足之处：能量回收 装置价格昂贵、反渗透系统的操作压力高达5～8MPa、管道为钢材质而易腐蚀、设备成本高、 反渗透膜使用寿命短、设备噪音较大(＞90分贝)。近年来，随着电渗析技术的不断进步， 电渗析海水淡化技术日趋完善成熟。虽然电渗析海水淡化装备在造价、维护、耐腐蚀性、使 用寿命等方面与反渗透膜海水淡化相比具有明显的优势，但大型电渗析海水淡化运行能耗 (10～12kWh/t)与大型反渗透海水淡化(3～5kWh/t)相比较高。同时反渗透与电渗析海水 淡化都具有浓水难处理问题，如果直接排放入海又会对排放海域的水文环境造成一定的破坏。

通过技术查新，目前国内对海水淡化的方法主要是热法、反渗透、电渗析等。但由于传 统热法工艺能耗较高，海水淡化过程中会消耗掉大量的化石能源，对我国环境造成严重的破 坏。同时，反渗透与电渗析在海水淡化过程中都存在浓水难处理等问题，同时反渗透法在实 际应用过程中存在许多的不足之处。而通过自组装的反电渗析器与电渗析器的联用，将海水 按一定的比例进入电渗析器，反电渗析器利用电渗析海水淡化产生的浓水与原海水之间的盐 度差进行盐差能发电。最终基本实现海水淡化75％的水回收率、整体能耗与单纯电渗析相比 降低约45％以及浓水零排放的目的。

随着国内水资源短缺的日益严重以及环保意识的增强，国家对节能减排将会越来越重视。 我国海水淡化份额逐年递增，同时膜法浓水排放问题也日益严峻，如果不在海水淡化工艺和 浓水处理技术上进行突破，将会造成我国环境与海水水域的持续恶化，故对自组装反电渗析 器与电渗析器的海水淡化的研究具有重要的意义和必要性。

发明内容

本发明是针对电渗析海水淡化工艺能耗高、浓水难处理等缺点，设计开发了一种耦合反 电渗析与电渗析的海水淡化方法。在该方法中将运用超滤预处理、电渗析脱盐、反电渗析发 电等工艺设计，达到浓水零排放、水资源高效利用、占地面积小、综合运行费用低、经济与 社会效益好的目的。

本发明采用如下技术方案如下：

一种耦合反电渗析与电渗析的海水淡化方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将原始海水通过离心泵打入超滤预处理装置，除去原始海水中的悬浮物和细菌等污 染物，将经过预处理后的海水分别通过离心泵按1∶1、1∶2、1∶3的体积比打入电渗析浓淡室；

(2)预处理后的海水进入电渗析装置后，配制浓度为0.2～0.3mol/L的Na₂SO₄极室溶液， 将Na₂SO₄经离心泵打入极室，控制浓淡室与极室流速为100～300L/h；

(3)电渗析装置中的电流密度控制为200～400A/m²，经循环脱盐，直至电渗析装置淡 化室出口产水电导率降低为500～800μs/cm时，通入产水罐。

(4)将上述电渗析海水淡化后的浓缩室产水经离心泵打入反电渗析装置的淡化室，预处 理后的海水通入反电渗析浓室，配制浓度为0.2mol/L的FeCl₃与FeCl₂的极室混合溶液，经离 心泵打入反电渗析极室，反电渗析装置中的浓淡室与极室流速控制为150～250L/h，在装置内 循环流动，直至反电渗析装置淡化室出口与浓室出口混合产水的含盐量为3.0wt％～4.0wt％， 反电渗析所产生的电能经变电器直接供电渗析海水淡化用电。

进一步的，电渗析装置使用的膜为均相离子交换膜，膜电阻为1～4Ω/cm²，交联度为 75％～90％，酸碱耐受pH值为2～13。

进一步的，反电渗析装置使用的膜为均相离子交换膜，膜电阻为0.8～1.6Ω/cm²，交联度 为80％～95％，酸碱耐受pH为2～12，电极两侧使用单价阴离子交换膜，膜电阻为1～3Ω/cm²， 膜的选择透过性大于97％。

进一步的，反电渗析采用膜堆400*800毫米型膜堆，膜堆内装有150～200对特种均相离 子交换膜。

进一步的，所述预处理后的海水pH值为7.6～7.8、无明显悬浮颗粒、含盐量为3.4～ 3.8wt％。

进一步的，电渗析装置两端电极为钛涂钌电极，隔网厚度为200μm；反电渗析装置两端 的电极为钛涂钌电极，隔网厚度为100μm。

本发明有如下有益效果：

1.本发明通过超滤预处理装置对海水中的悬浮物和细菌等污染物进行了有效的去除，并 采用低电阻、高交联度、渗透选择性强的均相膜电渗析进行海水淡化，通过对电渗析浓淡室 的进水比例、流速的调控，在保证淡室出水电导率达到可饮用标准的前提下，吨水能耗更低；

2.本发明采用低电阻、高交联度、渗透选择性强的特种均相膜反电渗析对电渗析浓水进 行处理，以电渗析浓水与海水之间的盐差来进行发电，由于盐水具有的电阻更低，与传统的 反电渗析发电相比，其所获得的功率密度将会更高。最终反电渗析装置淡化室出口与浓室出 口混合产水的含盐量为3.0wt％～4.0wt％，与海水含盐量相比差别不大，同时电极两侧使用单 价阴离子交换膜，可以阻挡Fe³⁺和Fe²⁺对海水的污染，使反电渗析产水可以直接排入海洋， 实现了对电渗析浓水的处理。而反电渗析所产的电能可以经过变电器直接用于电渗析海水淡 化设备，这也大大降低了整个工艺的运行成本；

3.由于本工艺是针对电渗析海水淡化工艺的各种特点而开发的，反电渗析可以保证对电 渗析浓水的完全处理，所产的电能又可以用于电渗析装置的使用，单价阴离子交换膜可以防 止铁原子对海水的污染，基本达到了电渗析浓水零排放的效果，并实现较好的经济与社会效 益。

4.电渗析海水淡化的水回用率达到65％～75％，整套工艺淡化海水的整体能耗为6～ 7kWh/t，反电渗析发电供能的使用比例达到了35～45％，比单纯使用电渗析海水淡化的运用 成本降低了34～40％，同时达到浓水零排放目的。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明：

一种耦合反电渗析与电渗析的海水淡化方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将原始海水通过离心泵打入超滤预处理装置，除去原始海水中的悬浮物和细菌等污 染物，将经过预处理后的海水分别通过离心泵按1∶1、1∶2、1∶3的体积比打入电渗析浓淡室；

(2)预处理后的海水进入电渗析装置后，配制浓度为0.2～0.3mol/L的Na₂SO₄极室溶液， 将Na₂SO₄经离心泵打入极室，控制浓淡室与极室流速为100～300L/h；

(3)电渗析装置中的电流密度控制为200～400A/m²，经循环脱盐，直至电渗析装置淡 化室出口产水电导率降低为500～800μs/cm时，通入产水罐。

(4)将上述电渗析海水淡化后的浓缩室产水经离心泵打入反电渗析装置的淡化室，预处 理后的海水通入反电渗析浓室，配制浓度为0.2mol/L的FeCl₃与FeCl₂的极室混合溶液，极室 中通入氯化铁和氯化亚铁混合溶液并循环流动，两级发生氧化还原反应，通过外部回路形成 电流。反应如下：

Fe³⁺+e^-＝Fe²⁺

Fe²⁺-e^-＝Fe³⁺

经离心泵打入反电渗析极室，反电渗析装置中的浓淡室与极室流速控制为150～250L/h， 在装置内循环流动，直至反电渗析装置淡化室出口与浓室出口混合产水的含盐量为3.0wt％～ 4.0wt％，反电渗析所产生的电能经变电器直接供电渗析海水淡化用电。

电渗析装置使用的膜为均相离子交换膜，膜电阻为1～4Ω/cm²，交联度为75％～90％， 酸碱耐受pH为2～13。

反电渗析装置使用的膜为均相离子交换膜，膜电阻为0.8～1.6Ω/cm²，交联度为80％-95％， 酸碱耐受pH为2～12，电极两侧使用单价阴离子交换膜，膜电阻为1～3Ω/cm²，膜的选择透 过性大于97％。

反电渗析采用膜堆400*800型膜堆，膜堆内装有150～200对特种均相离子交换膜。

所述预处理后的海水pH值为7.6～7.8、无明显悬浮颗粒、含盐量为3.4～3.8wt％。

电渗析装置两端电极为钛涂钌电极，隔网厚度为200μm；反电渗析装置两端的电极为钛 涂钌电极，隔网厚度为100μm。

实施例1：

以每小时淡化1吨海水的处理量对整个工艺的各个处理装置设计与安装调试，最后进行 实地试验：

1、原海水经超滤预处理后的海水水质相对较好，其中pH为7.9、无明显悬浮颗粒、含 盐量为3.4wt％；

2、其经超滤预处理后的海水按1∶1的进水比例通过离心泵打入电渗析的浓淡室，配制浓 度为0.2mol/L的Na₂SO₄极室溶液，经离心泵打入电渗析极室，100对400*800的膜堆1只， 电渗析的电流密度为200A/m₂，浓淡室与极室流速为100L/h。使用的电渗析膜为均相离子交 换膜，其中膜电阻为2Ω/cm₂，交联度为75％，经循环脱盐，直至电渗析装置淡化室出口产 水电导率降低为500～800μs/cm后，通入产水罐；

3、电渗析海水淡化后的浓室产水含盐量为6.5wt％，经离心泵打入反电渗析淡化室，预处 理后的海水通入反电渗析浓室，配制浓度为0.2mol/L的FeCl₃与FeCl₂的极室混合溶液，经离 心泵打入反电渗析极室，控制浓淡室与极室流速为150L/h；

4、反电渗析膜堆为一只400*800型膜堆，其中填装有100对特种均相离子交换膜，膜电 阻为1Ω/cm₂，交联度为80％，经循环发电，直至反电渗析装置淡化室出口与浓室出口混合 产水的含盐量为4wt％，反电渗析通过盐差能所产生的能量经变电器直接供电渗析海水淡化使 用；

最后电渗析海水淡化的水回用率达到65％，整套工艺淡化海水的整体能耗为6kWh/t，反 电渗析发电供能的使用比例达到了35％，比单纯使用电渗析海水淡化的运用成本降低了40％， 同时达到浓水零排放目的。

实施例2：

每小时淡化2吨海水的处理量对整个工艺的各个处理装置设计与安装调试，最后进行实 地试验：

1、原海水经超滤预处理后的海水水质相对较好，其中pH为7.8、无明显悬浮颗粒、含 盐量为3.5wt％；

2、其经超滤预处理后的海水按1∶2的进水比例通过离心泵打入电渗析的浓淡室，配制浓 度为0.25mol/L的Na₂SO₄极室溶液，经离心泵打入电渗析极室，150对400*800的膜堆1只， 电渗析的电流密度为300A/m²，浓淡室与极室流速为200L/h。使用的电渗析膜为均相离子交 换膜，其中膜电阻为3Ω/cm²，交联度为80％，经循环脱盐，直至电渗析装置淡化室出口产水 电导率降低为500～800μs/cm后，通入产水罐；

3、电渗析海水淡化后的浓室产水含盐量为8wt％，经离心泵打入反电渗析淡化室，预处理 后的海水通入反电渗析浓室，配制浓度为0.25mol/L的FeCl₃与FeCl₂的极室混合溶液，经离 心泵打入反电渗析极室，控制浓淡室与极室流速为200L/h；

4、反电渗析膜堆为一只400*800型膜堆，其中填装有150对特种均相离子交换膜，膜电 阻为1.5Ω/cm²，交联度为85％，经循环发电，直至反电渗析装置淡化室出口与浓室出口混合 产水的含盐量为3.8wt％，反电渗析通过盐差能所产生的能量经变电器直接供电渗析海水淡化 使用；

最后电渗析海水淡化的水回用率达到70％，整套工艺淡化海水的整体能耗为6.5kWh/t， 反电渗析发电供能的使用比例达到了40％，比单纯使用电渗析海水淡化的运用成本降低了 36％，同时达到浓水零排放目的。

实施例3：

以每小时淡化3吨海水的处理量对整个工艺的各个处理装置设计与安装调试，最后进行 实地试验：

1、原海水经超滤预处理后的的海水水质相对较好，其中pH为7.6、无明显悬浮颗粒、 含盐量为3.8wt％；

2、其经超滤预处理后的海水按1∶3的进水比例通过离心泵打入电渗析的浓淡室，配制浓 度为0.3mol/L的Na₂SO₄极室溶液，经离心泵打入电渗析极室，200对400*800的膜堆1只， 电渗析的电流密度为400A/m²，浓淡室与极室流速为300L/h。使用的电渗析膜为均相离子交 换膜，其中膜电阻为4Ω/cm²，交联度为85％，经循环脱盐，直至电渗析装置淡化室出口产水 电导率降低为500～800μs/cm后，通入产水罐；

3、电渗析海水淡化后的浓室产水含盐量为9.5wt％，经离心泵打入反电渗析淡化室，预处 理后的海水通入反电渗析浓室，配制浓度为0.3mol/L的FeCl₃与FeCl₂的极室混合溶液，经 离心泵打入反电渗析极室，控制浓淡室与极室流速为250L/h；

4、反电渗析膜堆为一只400*800型膜堆，其中填装有200对特种均相离子交换膜，膜电 阻为1.8Ω/cm²，交联度为90％，经循环发电，直至反电渗析装置淡化室出口与浓室出口混合 产水的含盐量为3.5wt％，反电渗析通过盐差能所产生的能量经变电器直接供电渗析海水淡化 使用；

最后电渗析海水淡化的水回用率达到75％，整套工艺淡化海水的整体能耗为7kWh/t，反 电渗析发电供能的使用比例达到了45％，比单纯使用电渗析海水淡化的运用成本降低了34％， 同时达到浓水零排放目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉 本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本 发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。