基于电晕放电耦合电渗析资源化含盐水的装置的制作方法

本实用新型属于含盐水处理资源化领域，具体涉及到通过电晕放电、电容、膜过滤以及电渗析技术利用含盐水生产超纯水及酸碱，同时回收氢气的装置。

背景技术：

随着我国工业的蓬勃发展，每年产生大量含盐水，特别是在煤化工、石油化工、电力、以及冶金等行业中，含盐水通常指总溶解固体物（TDS）质量分数至少为3.5%的含盐水，这类含盐水含有大量的SO4^2-、NO3^-、Cl^-、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺等离子，并且含有机污染物。目前，这些含盐水绝大部分通过稀释外排处理，企业虽然达标排放，但是污染物总量没有减少，并且浪费更多的淡水资源与盐类资源，在水资源稀缺的大环境下，含盐水的有效处理成为环境治理中不可忽视的问题，海水也属于这类含盐水。

这类水中或多或少含有有机质，含盐水不能简单的进行生化处理，且后期物化过程较复杂，处理费用较高，虽然该类水危害较大，但是该水中含有大量的盐类资源，含盐水资源化成为含盐水处理的趋势，如产水回用，盐结晶以及制备酸碱。

中国专利CN103910457A通过药剂软化，多介质过滤，超滤，反渗透，离子交换，纳滤高压反渗透，蒸发，精制等工艺，最终从含盐水中得到盐类，该工艺虽然能够得到精制的盐类，但是工艺复杂，为了得到高的浓缩倍数，使得运行成本增加，同时，盐类产品生产周期长，成本过高。产生含盐废水的企业，在生产过程中，往往需要用到酸和碱，中国专利CN105271481A利用双极膜技术，在电解槽中处理含盐水，将盐类转化为相应的酸碱进行回收，但是该方法对水质依赖性较大，若含盐水中，含有胶体颗粒以及大分子的有机物，膜容易受到污染，影响处理效果。

膜技术是一种高效低耗的分离技术，能够富集浓缩实现资源化，与常规水处理技术相比，能够减少二次污染，是一种绿色环保的新型技术。膜过滤以及电渗析等膜技术用于含盐水处理，含盐水中的胶体以及有机物会对膜造成污染，降低滤膜的过滤通量，也会影响电渗析膜的传质过程，降低处理效果，一般的过滤技术不能很好的将胶体以及有机物去除，同时电渗析用的离子交换膜其离子选择性也不是100%，会发生同名离子渗透。

高压放电过程中生成的放电等离子体含有强氧化性的羟基、氧原子、臭氧等强氧化物质，可与多种物质反应，现已广泛用于含盐水处理中，同时，高压放电过程能够强化带负电的胶体颗粒荷电，增加其荷质比。但是放电等离子体中的强氧化物质寿命短，只能作用于含盐水表面，待处理水中的污染物不能直接与其接触，从而降低其处理能力。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种基于电晕放电耦合电渗析资源化含盐水的装置，即通过高压直流电晕放电、电容、膜过滤以及电渗析技术利用含盐水生产超纯水及酸碱，同时回收氢气的装置。

该装置包括直流高压电源、放电电极、文丘里雾化喷嘴电极、电容系统、电渗析系统、电容电源、电渗析电源；文丘里雾化喷嘴电极中心处设置有放电电极，文丘里雾化喷嘴电极、放电电极分别与直流高压电源的正极、负极连接，直流高压电源连有接地线，文丘里雾化喷嘴电极的出水口与电容系统连通，电容系统为平行设置有正负电极板的腔室，设置在腔室中的滤膜将腔室分割为上腔室和下腔室，滤膜位于电容正极、电容负极之间，上腔室底端开有排出口，电容电源与电容正极、电容负极连接，电容系统的敞口底部与电渗析系统的入口连通；电渗析系统为交叉电渗析系统，阴离子交换膜、阳离子交换膜交叉设置在电渗析腔室中并将腔室分割为4个部分，即阴极室、阳极室、进液室、出液室，阴离子交换膜、阳离子交换膜交叉处通过绝缘卡口连接，阳极室底部开有酸液收集口，阴极室上开有碱液收集口和氢气收集口，电渗析腔室中的电渗析阳极、电渗析阴极分别与电渗析电源连接。

所述文丘里雾化喷嘴电极是文丘里管或是由中空圆柱段、中空圆锥收敛段、喉管依次连接组成，其一端为进水口，另一端为出水口；放电电极是丝状、孔状或针状，直流高压电源电压为-40KV~-1KV。

所述在文丘里雾化喷嘴电极上沿垂直于水流的方向开有气体入口，纯氧或空气与含盐水的气液体积比为0.1-10。

所述电容电源为直流电源或脉冲直流电源，其电压为0.5~60V，电容系统的正电极为铜电极、铂电极、金刚石电极或掺硼金刚石电极，负电极为铜电极、铂电极、金刚石电极或掺硼金刚石电极。

所述滤膜为拉伸机械强度大于20MPa、孔径小于0.1μm的滤膜。

所述电渗析电源为直流电源、交流电源或脉冲电流电源，电压为2V~36V，阴离子交换膜、阳离子交换膜交叉设置在电渗析腔室中并将腔室分割为4个部分，包括阴极室、阳极室，电渗析系统中阴极为不锈钢电极、铜电极、铂电极或石墨电极，阳极为铂电极、钛涂钌电极或钛涂铱电极。

所述文丘里雾化喷嘴电极外部设置有绝缘管套，电容系统、电渗析系统外设置有绝缘外壳。

所述排出口、气体入口、碱液收集口、酸液收集口上设置有阀门。

将含盐水通入文丘里雾化喷嘴电极中，文丘里雾化喷嘴电极中设置有放电电极，文丘里雾化喷嘴电极、放电电极分别与直流高压电源的正负极连接，含盐水在文丘里雾化喷嘴电极中被雾化荷电后通入电容系统，荷负电的胶体被电容系统中的滤膜拦截并排出，透过滤膜的含盐水在电容系统的负极和正极作用下，其中的正带电离子、负带电离子分别向负极和正极移动并迁移至设置在电容系统下端的电渗析系统中，在电压作用下，阴离子透过电渗析系统的阴离子交换膜进入阳极室，阳离子透过阳离子交换膜进入阴极室，在电渗析的阴极室生成碱以及氢气，收集；在电渗析的阳极室生成酸和氧气，将酸进行收集；同时获得超纯水，最终实现含盐水的资源化。

所述含盐水包括含盐废水、含盐有机废水、含盐污水以及海水。

具体机理如下：含盐水通过文丘里雾化喷嘴电极，在负高压直流电源作用下雾化荷电，含盐水中的胶体本身带有负电荷，在负高压直流作用下，强化其荷电量，增加其荷质比，从而发生凝聚，含盐水通过文丘里雾化喷嘴电极，在高压直流作用下产生羟基自由基、氧原子以及臭氧等强氧化物质，待处理水从强氧化物质浓度最高的放电电极经过，大大增加了强氧化物质对水中污染物作用的几率，增强了强氧化物质对水中污染物作用的效果。荷电后的含盐水从连接到直流电源的电容系统通过，在电泳作用下，含盐水中带正电荷、负电荷的粒子逐渐分别移动到电容系统的负极和正极，含盐水中阴阳离子得以分开富集，电容系统中的滤膜拦截凝集的荷负电胶体并排除；含盐水进入到电渗析系统，在电压作用下，阴离子以及部分水透过阴离子交换膜进入阳极室，在电渗析的阳极室生成对应的酸和氧气，阳极室下端的阳离子交换膜抑制酸外渗，得到的酸进行收集，而氧气向上扩散到整个装置中，产生曝气作用，对超滤膜反向冲刷，降低膜污染，同时，电晕放电使得氧气变为臭氧和羟基自由基等强氧化性物质，提高装置氧化有机物的能力；阳离子以及部分水透过阳离子交换膜进入阴极室，在电渗析的阴极室生成对应的碱以及氢气，并进行回收，阴极室下端的阴离子交换膜抑制碱外渗，得到的超纯水流出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型通过高压电晕放电、膜过滤、电容筛分阴阳离子以及交叉电渗析技术耦合，最终将含盐水资源化，生产超纯水，相应的酸和碱，同时回收氢气，变废为宝；

2、文丘里雾化喷嘴负高压电晕放电能够有效增加胶体的荷质比，在电容作用下更容易筛分，同时放电过程中产生臭氧、羟基自由基等强氧化剂，有利于进一步降低含盐水中有机物的含量，降低超滤膜和电渗析膜的处理负荷，减少膜污染，从而提高整个装置的处理能力；

3、电容系统通过电泳作用提前将含盐水中的阴阳离子筛分开，待含盐水进入交叉电渗析系统时，提高阴阳离子交换膜的选择性，防止相反离子透过交换膜；

4、交叉电渗析含盐水过程中，在阴极室产生氢气，将其收集，实现资源化，在阳极室产生的氧气，透过阴离子交换膜，在整个装置中有曝气的作用，可以冲刷滤膜，减少膜污染，同时氧气上升到装置顶部，电晕放电使得氧气变为臭氧和羟基自由基等强氧化性物质，提高整个装置的氧化性，减少有机物对膜的污染。

附图说明

图1为本实用新型装置结构示意图；

图2为放电电极结构示意图；

图3为文丘里雾化喷嘴电极结构示意图；

图中1-直流高压电源；2-接地线；3-放电电极；4-文丘里雾化喷嘴电极；5-绝缘管套；6-绝缘外壳；7-滤膜；8-滤膜支架；9-排出口；10-气体入口；11-电容正极；12-电容负极；13-电容电源；14-绝缘卡口；15-氢气收集口；16-电渗析阳极；17-电渗析阴极；18-电渗析电源；19-阳离子交换膜；20-阴离子交换膜；21-碱液收集口；22-酸液收集口；23-阴极室；24-阳极室；25-进液室；26-出液室；27-中空圆柱段；28-中空圆锥收敛段；29-喉管；

图2中a为丝状放电电极，b为孔状放电电极，c为针状放电电极。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术解决方案，但本实用新型保护范围不局限与所述内容。

实施例1：将含盐水（含硫酸钠：200g/L，COD：180mg/L）资源化处理，具体参数如下，电晕电压为-25KV，放电电极采用针状电极，连接电容系统的直流电压为40V，电容的电极选用铜电极，滤膜选用拉伸强度为30MPa，孔径为0.01μm的PE超滤膜，连接交叉电渗析的直流电源电压为24V，交叉电渗析的阴极选用不锈钢电极，阳极选用钛涂钌电极。

将文丘里雾化喷嘴电极与放电电极分别与直流高压电源的正极、负极连接，文丘里雾化喷嘴电极中设置有放电电极，并打开直流高压电源，电压设置为-25KV，与此同时，打开电容电源和电渗析电源分别调节到40V和24V，含盐水通入文丘里雾化喷嘴电极中，含盐水在文丘里雾化喷嘴电极中被雾化荷电后通入电容系统，荷负电的胶体被电容系统中的PE超滤膜拦截并排出，透过PE超滤膜的含盐水在电容系统的负极和正极作用下，其中带正电的离子、带负电的离子分别向负极和正极移动并排入设置在电容系统下端的电渗析系统中，在电渗析直流电源作用下，阴离子透过阴离子交换膜进入阳极室，阳离子透过阳离子交换膜进入阳极室，在电渗析的阴极室生成氢氧化钠以及氢气，将其收集，在电渗析的阳极室生成硫酸和氧气，将酸进行收集同时得到的超纯水流出，最终实现含盐水的资源化。

如图1-3所示，完成上述方法的装置包括直流高压电源1、放电电极3、文丘里雾化喷嘴电极4、电容系统、电渗析系统、电容电源13、电渗析电源18；文丘里雾化喷嘴电极是由中空圆柱段27、中空圆锥收敛段28、喉管29依次连接组成，其一端为进水口，另一端为出水口；文丘里雾化喷嘴电极中心处设置有放电电极，文丘里雾化喷嘴电极、放电电极分别与直流高压电源1的正极、负极连接，直流高压电源1连有接地线2，文丘里雾化喷嘴电极的出水口与电容系统连通，电容系统为平行设置有正负电极（板状电极）的腔室，通过滤膜支架8设置在腔室中的滤膜7将腔室分割为上腔室和下腔室，滤膜7位于电容正极11、电容负极12之间，上腔室底端开有排出口9，电容电源13的正极、负极分别与电容正极11、电容负极12连接，电容系统的敞口底部与电渗析系统的入口连通，阴离子交换膜20、阳离子交换膜19交叉设置在电渗析腔室中并将腔室分割为4个部分，即阴极室23、阳极室24、进液室25、出液室26，阴离子交换膜20、阳离子交换膜19交叉处通过绝缘卡口14连接，阳极室底部开有酸液收集口22，阴极室底部开有碱液收集口21，阴极室上部开有氢气收集口15，电渗析腔室中的电渗析阳极16、电渗析阴极17分别与电渗析电源18连接，文丘里雾化喷嘴电极4外部设置有绝缘管套5，电容系统、电渗析系统外设置有绝缘外壳6，排出口9、碱液收集口21、酸液收集口22上设置有阀门。

采用上述装置对含盐水（含硫酸钠：200g/L，COD：180mg/L）处理，经过12h后， 出水COD降为52 mg/L，硫酸浓度为1.02mol/L，氢氧化钠浓度为1.9 mol/L。COD去除率达到72%，收集到的酸和碱，也能满足绝大部分工业回用，处理效果较好。

实施例2：将含盐水（含硝酸钠：120g/L，硝酸钙18 g/L，COD：150mg/L）资源化处理，具体参数如下，电晕电压为-40KV，放电电极采用丝状电极，连接电容系统的脉冲直流电压为31V，电容系统电极选用掺硼金刚石电极，滤膜选用拉伸强度为35MPa，孔径为0.5nm的PVDF纳滤膜，连接交叉电渗析的交流电源电压为12V，交叉电渗析的阴极选用铜电极，阳极选用铂电极。

将文丘里雾化喷嘴电极与放电电极分别与直流高压电源的正极、负极连接，文丘里雾化喷嘴电极中设置有放电电极，并打开直流高压电源，电压设置为-40KV，与此同时，打开电容电源和电渗析电源分别调节到31V和12V，含盐水通入文丘里雾化喷嘴电极中，同时沿垂直水流的方向通入纯氧，通入纯氧与含盐水的气液体积比为0.5，含盐水在文丘里雾化喷嘴电极中被雾化荷电后通入电容系统，荷负电的胶体被电容系统中的PVDF纳滤膜拦截并排出，透过纳滤膜的含盐水在电容系统的负极和正极作用下，其中带正电的离子、带负电的离子分别向负极和正极移动并排入设置在电容系统下端的电渗析系统中，含盐水中阴阳离子得以分开，在电渗析直流电源作用下，阴离子透过阴离子交换膜进入阳极室，阳离子透过阳离子交换膜进入阳极室，在电渗析的阴极室生成氢氧化钠以及氢气，将其收集，在电渗析的阳极室生成硝酸和氧气，将酸进行收集同时得到的超纯水流出，最终实现含盐水的资源化。

本实施例装置结构同实施例1，不同在于文丘里雾化喷嘴电极是文丘里管，在文丘里雾化喷嘴电极4上沿垂直于水流的方向开有气体入口10；气体入口10上设置有阀门；

采用上述装置对含盐有机含盐水（含硝酸钠：120g/L，硝酸钙18 g/L ，COD：150mg/L）处理，经过18h后，出水COD降为38 mg/L硝酸浓度为1.1mol/L，氢氧化钠浓度为2.1 mol/L，氢氧化钠中含有少量白色沉淀，经检测为氢氧化钙。

在相同条件下，将放电电极换为孔状电极，经过18h后，出水COD降为24 mg/L，硝酸浓度为1.3mol/L，氢氧化钠浓度为2.4 mol/L，同样的氢氧化钠中含有少量白色沉淀，经检测为氢氧化钙，可以看出孔状电极更有利于提高此方法资源化的效率。

实施例3：将含盐有机含盐水（含硝酸钠：150g/L，硫酸钠32g/L，COD：120mg/L）资源化处理，具体参数如下，电晕电压为-3KV，连接电容系统的脉冲直流电压为55V，电容的电极选用金刚石电极，滤膜选用拉伸强度为30MPa，孔径为0.08μm的PES微滤膜，连接交叉电渗析的直流电源电压为35V，交叉电渗析的阴极选用铂电极，阳极选用钛涂铱电极。

将文丘里雾化喷嘴电极与放电电极分别与直流高压电源的正极、负极连接，并打开直流高压电源，电压设置为-3KV，与此同时，打开电容板电源和电渗析电源分别调节到55V和35V，含盐水通入文丘里雾化喷嘴电极中，同时沿垂直水流的方向通入纯氧，通入纯氧与含盐水的气液体积比为1，含盐水在文丘里雾化喷嘴电极中被雾化荷电后通入电容系统，荷负电的胶体被电容系统中的PES微滤膜拦截并排出，透过微滤膜的含盐水在电容系统的负极和正极作用下，其中带正电的离子、带负电的离子分别向负极和正极移动并排入设置在电容系统下端的电渗析系统中，含盐水中阴阳离子得以分开富集，在电渗析直流电源作用下，阴离子透过阴离子交换膜进入阳极室，阳离子透过阳离子交换膜进入阳极室，在电渗析的阴极室生成氢氧化钠以及氢气，将其收集，在电渗析的阳极室生成硝酸和氧气，将酸进行收集同时得到的超纯水流出，最终实现含盐水的资源化。

本实施例装置结构同实施例2，不同在于文丘里雾化喷嘴电极是由中空圆柱段27、中空圆锥收敛段28、喉管29依次连接组成，放电电极设置在文丘里雾化喷嘴电极的喉管处；

采用上述装置对含盐有机含盐水（含硝酸钠：150g/L，硫酸钠32g/L，COD：120mg/L）处理，经过24h后，出水COD降为52 mg/L，硝酸浓度为1.4mol/L，氢氧化钠浓度为3.2 mol/L，硝酸中含有0.2 mol/L的硫酸根离子。

实施例4：将含盐水（含硫酸钠：200g/L，COD：150mg/L）资源化处理，具体参数如下，电晕电压为-30KV，放电电极采用针状，连接电容系统的直流电压为1V，电容的电极选用铂电极，超滤膜选用拉伸强度为30MPa，孔径为0.004μm的PVDF超滤膜，连接交叉电渗析的直流电源电压为5V，交叉电渗析的阴极选用石墨电极，阳极选用钛涂钌电极。

将文丘里雾化喷嘴电极与放电电极分别与直流高压电源的正极、负极连接，并打开直流高压电源，电压设置为-30KV，与此同时，打开电容板电源和电渗析电源分别调节到1V和5V，含盐水通入文丘里雾化喷嘴电极中，同时沿垂直水流的方向通入纯氧，通入纯氧与含盐水的气液体积比为2。荷负电的胶体被电容系统中的PVDF超滤膜拦截并排出，透过超滤膜的含盐水在电容系统的负极和正极作用下，其中的正负带电离子分别向负极和正极移动并排入设置在电容系统下端的电渗析系统中，在电渗析直流电源作用下，阴离子透过阴离子交换膜进入阳极室，阳离子透过阳离子交换膜进入阳极室，在电渗析的阴极室生成氢氧化钠以及氢气，将其收集，在电渗析的阳极室生成硫酸和氧气，将酸进行收集同时得到的超纯水流出，最终实现含盐水的资源化。

本实施例装置同实施例1；含盐水通过文丘里雾化喷嘴电极4，在直流高压电源1作用下雾化荷电，含盐水中的胶体本身带有负电荷，在负高压直流作用下，强化其荷电量，增加其荷质比，从而发生凝聚，含盐水通过文丘里雾化喷嘴电极，在高压直流作用下产生羟基自由基、氧原子以及臭氧等强氧化物质，待处理水从强氧化物质浓度最高的放电电极3经过，大大增加了强氧化物质对水中污染物作用的几率，增强了强氧化物质对水中污染物作用的效果。荷电后的含盐水从连接有电容电源13的电容系统中通过，在电泳作用下，含盐水中带正负电荷的粒子逐渐移动到电容系统的负极和正极，含盐水中阴阳离子得以分开富集，电容系统中的超滤膜拦截凝集的荷负电胶体并排除；含盐水进入到电渗析系统的进液室25，电渗析电源18作用下，阴离子以及部分水透过阴离子交换膜20进入阳极室24，在电渗析的阳极室生成对应的酸和氧气，阳极室下端的阳离子交换膜抑制酸外渗，得到的酸进行收集（由酸液收集口22排出），而氧气向上扩散到整个装置中，产生曝气作用，对超滤膜反向冲刷，降低膜污染，同时，电晕放电使得氧气变为臭氧和羟基自由基等强氧化性物质，提高装置氧化有机物的能力；阳离子以及部分水透过阳离子交换膜19进入阴极室23，在电渗析的阴极室生成对应的碱（由碱液收集口21排出）以及氢气（由氢气收集口15排出），并进行回收，阴极室下端的阴离子交换膜抑制碱外渗，得到的超纯水由出液室26流出。

采用上述装置对含盐水（含硫酸钠：200g/L，COD：150mg/L）处理，经过24h后， 出水COD降为18 mg/L，硫酸浓度为1.2mol/L，氢氧化钠浓度为2.3mol/L。

设置对照组，在其他条件相同情况下，将电容板的电源关闭，经过24h后，COD降为 21mg/L，硫酸浓度为0.6mol/L，氢氧化钠浓度为1.1mol/L，经过检测，得到的硫酸中还含有一定量的钠离子。可以看出，含盐水未经过电容板的筛分作用，阴阳离子不能有序进入电渗析系统，从而导致得到的酸和碱浓度降低。